CZ303779B6 - Ultrazvukový prutokomer - Google Patents

Abstract

Ultrazvukový prutokomer je tvoren alespon dvema ultrazvukovými snímaci (4) pripojenými k mericímu prvku pod úhlem .alfa.. Mericí 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.

Description

Oblast techniky

Vynález 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 známá řada konstrukčních řešení, které však mají jedno společné. Ultrazvukové snímače jsou situovány pod určitým úhlem α svrchu na měřicí trubici, která je zpravidla ukončena přírubami.

Princip měření takového průtokoměru spočívá v měření času vyslaného ultrazvukového signálu mezi snímači po určité dráze. Jeden ultrazvukový signál je vysílán ve směru proudění plynu, aje tedy urychlen vektorem rychlosti proudění plynu, a tedy čas t| je kratší. Druhý ultrazvukový signál je vysílán proti směru proudění plynuje brzděn vektorem rychlosti proudění plynu a tedy čas t₂ je delší. Z rozdílu časů At = t₂ - ti se potom spočítá objemový průtok. Aby měření časů t, 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 průtokoměru.

Průtokoměry 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 svarů. Další nevýhodou jsou volně přístupné snímače ajejich kabeláž. Délka měřicí trubice je větší než trojnásobek nominální světlosti plynoměru, tzv. standardní délka. Při záměně plynoměru je nutná úprava potrubí a přivaření přírub v jiné vzdálenosti.

Rovněž existuje řešení popsané například v US 4 483 202, kdy jsou ultrazvukové snímače vloženy do tělesa průtokoměru. Nevýhodami tohoto řešení je rovněž především vysoká hmotnost tělesa průtokoměru. Další nevýhodou jsou buď volně přístupné snímače ajejich kabeláž, nebo naopak složitější provedení vývodů od ultrazvukových snímačů. Délka měřicí trubice je obdobná jako u výše popsaného řešení.

Ve spisu JP 2001 272 261 je popisován jiný typ průtokoměru, opatřený anténou s ultrazvukovými snímači. Toto řešení je založeno na jiném principu a vyžaduje další složitá vyhodnocovací zařízení, která užití takovéhoto řešení značně prodražují.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny ultrazvukovým průtokoměrem tvořeným alespoň dvěma ultrazvukovými snímači připojenými k měřicímu prvku pod určitým úhlem, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je měřicí prvek tvořený tělesem průtokoměru, v jehož

- 1 CZ 303779 B6 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 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.

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 kabeláží. Mezi kruhovou drážkou a vnitřním průměrem je s výhodou vytvořeno vybráním pro docílení vyrovnání tlaků z obou stran ultrazvukového snímače.

Dodržení standardní délky průtokoměru 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 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 deskami, 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 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 průtokoměru 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 řešení podle vynálezu je z hlediska ekonomiky provozu to, že použití bateriového ultrazvukového průtokoměru 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 průtokoměru je potřeba neustále doplňovat mazivo.

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.

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

-2CZ 303779 B6 plynného média. Uložení ultrazvukových snímačů garantuje dostatečnou délku dráhy ultrazvukového signálu pro danou dimenzi potrubí.

Přehled obrázků na výkresech

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.

Příklady provedení vynálezu

Příkladný ultrazvukový průtokoměr - plynoměr je tvořen dvěma ultrazvukovými snímači 4 připojenými k měřicímu prvku pod úhlem ct. Měřicí prvek je tvořen tělesem J průtokoměru, v jehož čelech jsou umístěny dva ultrazvukové snímače 4 uspořádané vzájemně protilehle a šikmo k ose tělesa J, přičemž délka L průtokoměru se rovná trojnásobku nominální světlosti D. Ultrazvukové snímače 4 jsou opatřeny bateriovým napájením s koncovým stupněm pro buzení piezoelementu, kterýje opatřen prvním transformátorem v homí větvi koncového stupně a druhým transformátorem v dolní větvi koncového stupně.

Na čelech tělesa ijsou vytvořeny kruhové drážky 2 pro vedení kabeláže plynoměru. Čela tělesa i 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 kjeho 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 průtokoměr, podle tohoto vynálezu nalezne uplatnění v plynárenských distribučních společnostech pro fakturační měření spotřeby zemního plynu a průmyslových objektech pro interní měření.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Ultrazvukový průtokoměr tvořený alespoň dvěma ultrazvukovými snímači připojenými k měřicímu prvku pod úhlem (a) k ose tělesa (1), 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 průtokoměr 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 průtokoměr 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 průtokoměr podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že na čelech tělesa (1) jsou vytvořeny kruhové drážky (2) pro vedení kabeláže průtokoměru.
5. 5. Ultrazvukový průtokoměr podle nároku 4, vyznačující se tím, že čela tělesa (1) průtokoměru jsou překryta deskami (3) pro zamezení neoprávněného přístupu k ultrazvukovým snímačům (4) a ke kabeláži, pro znemožnění manipulace vedoucí k nesprávné funkci průtokoměru nebo kjeho vyřazení z provozu.
6. 6. Ultrazvukový průtokoměr podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tí m , že mezi kruhovou drážkou (2) a vnitřním průměrem (D) je vytvořeno vybrání (6) pro docílení vyrovnání tlaků z obou stran ultrazvukového snímače.