CZ23702U1 - Ultrazvukový plynoměr - Google Patents

Description

Ultrazvukový plynoměr

Oblast techniky

Technické řešení se týká ultrazvukového průtokoměru, který se skládá z tělesa a minimálně dvou ultrazvukových snímačů. Popsaný princip řešení může být použit pro měření průtoku tekutin, tj. plynů nebo kapaliny.

Dosavadní stav techniky

Uplatnění ultrazvukových měřidel v oblasti měření průtoku a proteklého množství plynů se postupně velmi rozšiřuje. Je známa řada konstrukčních řešení, která však mají jedno společné. Ultrazvukové snímače jsou situovány pod určitým úhlem a svrchu na měřicí trubici, která je zpravidla ukončena přírubami.

Princip měření takového plynoměru spočívá v měření času vyslaného ultrazvukového signálu mezi snímači po určité dráze. Jeden ultrazvukový signál je vysílán ve směru proudění plynu a je tedy urychlen vektorem rychlosti proudění plynu, a tedy čas t_t 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 Δ t = t^ -11 se potom spočítá objemový průtok. Aby měření časů ti a t2 bylo přesnější, je výhodné, aby dráha mezi snímači byla co nej delší. Toho lze dosáhnout zmenšením úhlu a, ale na úkor zvětšení celkové délky průtokoměru.

Prútokoměry plynu, tj. plynoměry, používané pro platební styk, tj. pro fakturaci spotřeby zemního plynu, mají danou standardní délku L, která je trojnásobkem nominální světlosti D plynoměru, tj. L = 3D. Pokud je délka L plynoměru větší, nežli standardní, zvyšuje to podstatně montážní náklady při záměně plynoměru.

Existující známá řešení měřicí trubice jsou tvořena odlitkem nebo svařencem s venkovními nálitky nebo návarky, kde jsou umístěné ultrazvukové snímače, viz obr. 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. Délka měřicí trubice je větší než trojnásobek nominální světlosti plynoměru, tzv. standardní délka. Pri záměně plynoměru je nutná úprava potrubí a přivaření přírub v jiné vzdálenosti.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny ultrazvukovým plynoměrem tvořeným alespoň dvěma ultrazvukovými snímači připojenými k měřicímu prvku pod určitým úhlem, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je měřicí prvek tvořený tělesem průtokoměru, v jehož čelech jsou umístěny alespoň dva ultrazvukové snímače uspořádané vzájemně protilehle a šikmo k ose tělesa, přičemž délka L průtokoměru se rovná maximálně trojnásobku nominální světlosti D.

Ultrazvukové snímače jsou s výhodou opatřeny bateriovým napájením s koncovým stupněm pro buzení piezoelementu, který je opatřen prvním transformátorem v homí 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 homí větvi koncového stupně a tranzistorem v dolní větvi koncového stupně.

Na čelech tělesa jsou s výhodou vytvořeny kruhové drážky pro vedení kabeláže plynoměru. Čela tělesa plynoměru jsou ve výhodném provedení překryta deskami pro zamezení neoprávněnému přístupu k ultrazvukovým snímačům a ke kabeláži. Mezi kruhovou drážkou a vnitřním průměrem je s výhodou vytvořeno vybrání pro docílení vyrovnání tlaků z obou stran ultrazvukového snímače.

- 1 CZ 23702 Ul

Dodržení standardní délky průtokoměrů L = 3D a přitom co největší vzdálenosti mezi snímači, tj. dráhy 1 je možné dosáhnout jiným umístěním ultrazvukových snímačů. Místo měřicí trubice je použito těleso průtokoměrů, do kterého jsou ultrazvukové snímače instalovány v jeho čelech. V tělese plynoměru je také vytvořena kruhová drážka, která slouží pro vedení veškeré kabeláže, tedy k propojení mezi elektronikou a bateriemi. Cela tělesa plynoměru jsou překryta deskami, které uzavírají přístup k ultrazvukovým snímačům. Tím je znemožněna i manipulace vedoucí k nesprávné funkci plynoměru nebo k jeho vyřazení z provozu. Desky tvoří současně dosedací plochy pro připojení 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 z obou 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 plynoměru nebo poškození kabelů s cílem vyřadit měřidlo z provozu.

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 budicího transformátoru v horní větvi nebo i navíc v dolní větvi umožňuje snížit spotřebu energie při buzení piezoelementu.

Podstatnou výhodou tohoto technického řešení je z hlediska ekonomiky provozu to, že použití bateriového ultrazvukového plynoměru je výhodnější vzhledem k tomu, 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 plynoměrů je potřeba neustále doplňovat mazivo.

U bateriového ultrazvukového 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.

Životnost ultrazvukového plynoměru 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 pří aplikacích měření plynného média. Uložení ultrazvukových snímačů garantuje dostatečnou délku dráhy ultrazvukového signálu pro danou dimenzi potrubí.

Objasní obrázků na výkresech

Ultrazvukový plynoměr podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsán na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 2 je znázorněn v řezu příkladný plynoměr. Na obr. 3 je vyznačen čelní pohled. Na obr. 4 je znázorněno schéma zapojení napájení baterie plynoměru.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příkladný ultrazvukový plynoměr je tvořen dvěma ultrazvukovými snímači 4 připojenými k měřicímu prvku pod úhlem a. Měřicí prvek je tvořen tělesem i průtokoměrů, v jehož čelech jsou umístěny dva ultrazvukové snímače 4 uspořádané vzájemně protilehle a šikmo k ose tělesa J_, přičemž délka L průtokoměrů 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.

-2 CZ 23702 Ul

Na čelech tělesa J_ jsou vytvořeny kruhové drážky 2 pro vedení kabeláže plynoměru. Čela tělesa 1 plynoměru jsou překryta deskami 3 pro zamezení neoprávněného přístupu k ultrazvukovým snímačům 4 a ke kabeláži. Tím je znemožněna manipulace vedoucí k nesprávné funkci plynoměru nebo k jeho vyřazení z provozu. Mezi kruhovou drážkou 2 a vnitřním průměrem D je vytvořeno vybrání 6 pro docílení vyrovnání tlaků z obou stran ultrazvukového snímače, což přispívá ke kvalitě jeho funkce.

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.

Průmyslová využitelnost

Bateriový ultrazvukový plynoměr podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění v plynárenských distribučních společnostech pro fakturační měření spotřeby zemního plynu a v průmyslových objektech pro interní měření.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Ultrazvukový plynoměr tvořený alespoň dvěma ultrazvukovými snímači připojenými k měřicímu prvku pod určitým úhlem, vyznačující se tím, že měřicí prvek je tvořen tělesem (1) průtokoměru, v jehož čelech jsou umístěny alespoň dva ultrazvukové snímače (4) uspořádané vzájemně protilehle a šikmo k ose tělesa (1), přičemž délka (L) průtokoměru se rovná maximálně trojnásobku jeho nominální světlosti (D).
2. 2. Ultrazvukový plynoměr podle nároku 1, vyznačující se tím, že ultrazvukové snímače (4) jsou 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.
3. 3. Ultrazvukový plynoměr podle nároku 1, vyznačující se tím, Že ultrazvukové snímače (4) jsou 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.
4. 4. Ultrazvukový plynoměr podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že na čelech tělesa (1) jsou vytvořeny kruhové drážky (2) pro vedení kabeláže plynoměru.
5. 5. Ultrazvukový plynoměr podle nároku 4, vyznačující se tím, že čela tělesa (1) plynoměru jsou překryta deskami (3) pro zamezení neoprávněného přístupu k ultrazvukovým snímačům (4) a ke kabeláži, pro znemožnění manipulace vedoucí k nesprávné funkci plynoměru nebo k jeho vyřazení z provozu.
6. 6. Ultrazvukový plynoměr podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že mezi kruhovou drážkou (2) a vnitrním průměrem (D) je vytvořeno vybrání (6) pro docílení vyrovnání tlaků z obou stran ultrazvukového snímače.