CZ34204U1 - Ultrazvukový průtokoměr, zejména pro plyn - Google Patents

Description

Ultrazvukový průtokoměr, zejména pro plyn

Oblast techniky

Technické řešení se týká ultrazvukového průtokoměru pro měření plynů, zejména v distribuci zemního plynu. Nově je navrženo vnitřní uspořádání armatury a tělesa průtokoměru, umístění ultrazvukových sond v pouzdrech a ochrana měřicí trubice proti korozi a znečištění což může přinášet řadu výhod.

Dosavadní stav techniky

V současné době se měření zemního plynu v distribuci provádí pomocí mechanických plynoměrů, rotačních a turbínových, tj. světlosti DN 50 až DN 150, velikosti G 16 až G 1000 a tlakové třídy PN 10/16 a ANSI 150. Tyto principy měření jsou známy již desítky let. Mechanické plynoměry mají jisté výhody, avšak i závažné nedostatky.

Hlavní nevýhody mechanických plynoměrů jsou uvedeny dále.

Turbínové plynoměry:

Velmi malý měřící rozsah 1 : 20, tj. poměr Qmin / Qmax.

Citlivé nátlakové rázy - možné rozbít plynoměr rychlým otevřením tlakového uzávěru.

Vyžadují správnou obsluhu, např. nedodržení pokynů pro mazání plynoměru ovlivní negativně přesnost měření a životnost - nutnost mazání ve správných intervalech.

Nelze je používat mimo měřící rozsah daný Qmin a Qmax - riziko poškození plynoměru.

Vyžadují optimální tlak a průtok.

Nečistoty způsobují zanešení ložisek a výrazné zhoršení přesnosti.

Turbínové plynoměry jsou obtížně použitelné pro světlosti potrubí DN 40, 50 a 80.

dotační plynoměry:

Citlivé na tlakové rázy- (možné rozbít plynoměr rychlým otevřením tlakového uzávěru.

Náročné na správnou instalaci, je třeba zamezit pnutí, nesprávná instalace způsobí zaseknutí pístů a plynoměr je nenávratně poškozen.

Nelze je používat mimo měřící rozsah daný Qmin a Qmax - riziko poškození plynoměru.

Vyžadují optimální tlak a průtok.

Nečistoty způsobují zanešení ložisek a výrazné zhoršení přesnosti.

Vysoká cena rotačních plynoměrů DN 100 a DN 150.

Při zablokování rotačních plynoměrů dojde k přerušení průtoku plynu, je třeba použít bypass, který dále prodražuje cenu rotačního plynoměru.

- 1 CZ 34204 U1 • Způsobují pulsace v potrubí.

Z těchto důvodů je snaha nahradit mechanické plynoměry pomocí ultrazvukových plynoměrů pro měření zemního plynu v distribuci. Cílem je zachovat výhody mechanických plynoměrů a odstranit jejich nedostatky. Zatím neexistuje ultrazvukový plynoměr, který by splňoval tyto požadavky.

Dále jsou uvedeny hlavní nevýhody existujících ultrazvukových plynoměrů pro distribuci zemního plynu.

• Menší měřící rozsah, než je měřicí rozsah rotačních plynoměrů, toto je velmi závažný nedostatek, je-li typický měřicí rozsah rotačního plynoměru nejčastější velikosti G 65 1:160, typický měřicí rozsah ultrazvukového plynoměru G 65 činí např. 1:50 -Qmin/Qmax.

• Minimální chyba ultrazvukového plynoměru je 1 %, což je vyšší chyba než dosahují nové mechanické plynoměry.

• Ultrazvukové plynoměry pro distribuci jsou několikanásobně dražší než mechanické plynoměry.

• Ultrazvukové plynoměry stále vyžadují alespoň 2xDN rovný úsek před plynoměrem.

• Existující ultrazvukové plynoměry jsou citlivé na nečistoty a korozi, která způsobuje posun kalibrační křivky.

• Usměrňovač proudění může být umístěn před plynoměrem, mezi usměrňovačem proudění a plynoměrem musí být rovný úsek, obvykle 5xDN.

• Těleso ultrazvukového plynoměru je z hliníku, a tudíž tento ultrazvukový plynoměr není použitelný pro náhradu turbínových plynoměrů, které jsou používány v aplikacích, kde je vyžadováno těleso z tvárné litiny/ocelolitiny.

Existuje řada konstrukčních řešení ultrazvukový průtokoměrů, z nichž nej rozšířenější je umístění ultrazvukových sond do potrubí pod určitým úhlem a plyn proudí určitou rychlostí v ose potrubí. Je-li použit usměrňovač proudění, je instalován na vstupu do průtokoměrů nebo do potrubí před průtokoměrem.

Princip měření takového průtokoměrů spočívá v měření času vyslaného ultrazvukového signálu mezi sondami po určité dráze. Jeden ultrazvukový signál je vysílán ve směru proudění plynu a 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 Ϊ2 je delší. Z rozdílu časů At = Í2 - ti se potom spočítá objemový průtok.

Aby měření časů ti a Í2 bylo přesnější, je výhodné, aby dráha mezi snímači byla co nej delší. Toho lze dosáhnout zmenšením úhlu a, ale na úkor zvětšení celkové délky průtokoměrů. Tyto průtokoměry mají větší stavební délku L, tj. rozměr mezi přírubami, než jsou stavební délky mechanických průtokoměrů. Dále je nutný určitý rovný úsek před a za průtokoměrem.

Mechanické průtokoměry plynu, tedy plynoměry, používané pro platební styk, tj. pro fakturaci spotřeby zemního plynu, mají u turbínových plynoměrů danou standardní stavební délku L rozměr mezi přírubami, která je trojnásobek jmenovité světlosti DN plynoměru, tj. L = 3DN. U rotačních plynoměrů jsou tyto délky definovány na 150, 171, 241, 260 mm atd. podle světlosti plynoměrů. Pokud je délka L plynoměru větší, než standardní, zvyšuje to podstatně montážní náklady při záměně plynoměru. Aby byla dodržena typizovaná stavební délka L, musí být

-2 CZ 34204 U1 konstrukce ultrazvukového průtokoměru řešena tak, že plyn proudí upraveným tělesem, tedy ne v ose potrubí a umístění ultrazvukových sond je také mimo osu potrubí.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny ultrazvukovým průtokoměrem, zejména pro plyn, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že je tvořen armaturou s měřící trubicí, přičemž stavební délka armatury je typizovaná dle délky mechanických plynoměrů a obsahuje těleso, jehož osa je v kolmém směru na osu plynového potrubí. Armatura je okolo měřící trubice opatřena průchozím mezikružím, s usměrňovačem proudění, navazujícím na těleso a ústícím do měřicí trubice, která je opatřena alespoň dvěma ultrazvukovými sondami umístěnými v pouzdrech na protilehlých koncích měřicí trubice.

Signál mezi ultrazvukovými sondami může být nasměrován přímo a/nebo pod úhlem a/nebo s odrazem o stěnu měřicí trubice.

Měřicí trubice je s výhodou opatřena vložkou z materiálu odolného proti korozi a nečistotám.

Usměrňovač proudění je ve výhodném provedení umístěn do vnitřku průtokoměru tak, že je integrován do toku plynu.

Ultrazvukové sondy jsou s výhodou umístěny do společných pouzder, přičemž první pouzdro je umístěno v tělese a druhé pouzdro je umístěno ve spodní části armatury.

Armatura a těleso mohou být vyrobeny z materiálu vybraného ze skupiny hliníková slitina, tvárná litina a ocelolitina.

Stavební délka armatury je typizovaná dle stavební délky mechanických plynoměrů vybraných ze skupiny turbínové plynoměry a rotační plynoměry.

Podstatou technického řešení je navržení nového řešení konstrukce ultrazvukového průtokoměru, tak aby byla dodržena stavební délka L průtokoměru shodná se stavební délkou mechanických plynoměrů. Připojovací armatury a tělesa ultrazvukového plynoměru mohou být vyráběny z těchto materiálů - tvárné litiny, ocelolitiny a hliníku.

Ultrazvukový průtokoměr z tvárné litiny/ocelolitiny má stejnou stavební délku L jako turbínové plynoměry a bude určen pro náhradu existujících turbínových plynoměrů. Měřicí trubice z litiny obsahuje vložku, která je vyrobena z materiálu odolnému proti znečištění a nepodléhajícímu korozi.

Ultrazvukový průtokoměr z hliníku má stejnou stavební délku L jako rotační plynoměry a je určen pro náhradu existujících rotačních plynoměrů. Měřicí trubice z hliníku je chráněna materiálem, který je odolný vůči znečištění.

Usměrňovač proudění je umístěn v připojovací armatuře průtokoměru a je navržen tak, aby ultrazvukový průtokoměr nevyžadoval rovné úseky potrubí před/za průtokoměrem. Ultrazvukové sondy jsou umístěny v ose měřicí trubice a zároveň je možné umístit sondy pod úhlem, tak aby docházelo k odrazu ultrazvukového signálu o stěnu měřicí trubice. Toto řešení má výhodu v lepším vyhodnocení rychlostního profilu a tím je dosažena vyšší přesnost a měřicí rozsah.

Hlavní výhody ultrazvukového průtokoměru podle navrženého řešení jsou uvedeny dále.

1) Cena ultrazvukového průtokoměru je srovnatelná s cenou mechanických plynoměrů, rotačních a turbínových.

-3 CZ 34204 U1

2) Stavební délka a materiál připojovací armatury a tělesa ultrazvukového průtokoměru je stejný jako materiál mechanických plynoměrů, rotačních a turbínových, a tím je umožněna snadná záměna mechanických plynoměrů.

3) Ultrazvukový průtokoměr nevyžaduje rovný úsek potrubí před a za průtokoměrem.

4) Ultrazvukový průtokoměr je bateriově napájen s životností baterií min. 5 let.

5) Max. chyba ultrazvukového průtokoměru činí ± 0,5 %; tato chyba se nezvyšuje v průběhu doby používání. Menší chyba je dosažena pomocí vyššího počtu ultrazvukových sond. Ultrazvukové sondy jsou umístěné v ose měřicí trubice.

Ultrazvukové sondy jsou umístěné tak, aby se signály odrážely o stěny měřicí trubice.

Tím je dosaženo lepší vyhodnocení rychlostního profilu, což zvyšuje přesnost a měřicí rozsah.

6) Měřicí rozsah ultrazvukového průtokoměru činí 1 : 160 a lepší, což je výrazně vyšší než u turbínových a stávajících ultrazvukových plynoměrů.

7) Vnitřek průtokoměru, tj. měřicí trubice, je chráněn proti korozi a znečištění, tj. nedochází k posunu kalibrační křivky jako u ultrazvukových plynoměrů.

8) Průtokoměr není možné zničit tlakovým rázem, jako u mechanických plynoměrů.

9) Průtokoměr je odolný vůči chybám při instalaci, údržbě a provozu, tj. při špatné instalaci nedojde k zaseknutí pístů viz rotační plynoměry; při nesprávném mazání nedojde k zhoršení přesnosti, měřicího rozsahu nebo dokonce zničení plynoměru viz rotační a turbínové plynoměry; provoz mimo stanovené Qmin a Qmax nezhorší měřicí vlastnosti plynoměru a nepovede k jeho zničení viz rotační a turbínové plynoměry.

10) Průtokoměr nemá žádné pohyblivé části, což výrazně zvyšuje jeho spolehlivost ve srovnání s mechanickými plynoměry.

Tento ultrazvukový průtokoměr je první existující průtokoměr, který je schopen nahradit mechanické rotační a turbínové plynoměry, protože zachovává všechny jejich výhody a odstraňuje všechny jejich nevýhody. Toto vše při stejné nebo lepší ceně jako mají mechanické plynoměry.

Objasnění výkresů

Ultrazvukový průtokoměr podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsán na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiloženého výkresu, kde je na obr. 1 schematicky v řezu znázorněn příkladný průtokoměr.

Příklad uskutečnění technického řešení

Příkladný ultrazvukový průtokoměr se skládá z připojovací armatury 1 s vnitřním mezikružím, usměrňovače 2 proudění, tělesa 3 plynoměru s usměrněním toku plynu a pouzder 4 ultrazvukových sond, jak je zobrazeno na obr. 1. Plyn proudí armaturou 1 z levé strany do mezikruží 6, přes usměrňovač 2 do tělesa 3, kde je tok plynu usměrněn do středové měřicí trubice 5 a odtud výstupem z armatury j. vpravo ven z průtokoměru. V každém pouzdru 4 je umístěna minimálně jedna ultrazvuková sonda, každá sonda je současně vysílač i přijímač. Ultrazvukový

-4 CZ 34204 U1 signál mezi sondou je vysílán přímo od sondy k sondě nebo odrazem o středovou měřicí trubici 5 v armatuře 1.

Konkrétní údaje:

Ultrazvukové průtokoměry z hliníku	Stavební délka
DN 50 PN 10/16 a ANSI 150	150 mm
DN 50 PN 10/16 a ANSI 150	171 mm
DN 80 PN 10/16 a ANSI 150	171 mm
DN 100 PN 10/16 a ANSI 150	241 mm
DN 150 PN 10/16 a ANSI 150	260 mm

Ultrazvukové průtokoměry z tvárné litiny/ocelolitiny	Stavební délka
DN 50 PN 10/16 a ANSI 150	150 mm
DN 80 PN 10/16 a ANSI 150	240 mm
DN 100 PN 10/16 a ANSI 150	300 mm
DN 150 PN 10/16 a ANSI 150	450 mm

Průmyslová využitelnost

Ultrazvukový průtokoměr podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění především u průtokoměrů pro měření plynů, zejména v distribuci zemního plynu v domácnostech, komerčních objektech a podobně.

Claims (5)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Ultrazvukový průtokoměr, zejména pro plyn, vyznačující se tím, že je tvořen armaturou (1) s měřící trubicí (5), přičemž stavební délka armatury (1) je typizovaná dle délky mechanických plynoměrů a obsahuje těleso (3), jehož osa je v kolmém směru na osu plynového potrubí a armatura (1) je okolo měřící trubice (5) opatřena průchozím mezikružím (6), s usměrňovačem (2) proudění, navazujícím na těleso (3) a ústícím do měřicí trubice (5), která je opatřena alespoň dvěma ultrazvukovými sondami umístěnými v pouzdrech (4) na protilehlých koncích měřicí trubice (5).

2. Ultrazvukový průtokoměr podle nároku 1, vyznačující se tím, že signál mezi ultrazvukovými sondami je nasměrován přímo a/nebo pod úhlem a/nebo s odrazem o stěnu měřicí trubice (5).

3. Ultrazvukový průtokoměr podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že měřicí trubice (5) je opatřena vložkou z materiálu odolného proti korozi a nečistotám.

4. Ultrazvukový průtokoměr podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že usměrňovač (2) proudění je umístěn do vnitřku průtokoměrů tak, že je integrován do toku plynu.

5. Ultrazvukový průtokoměr podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že ultrazvukové sondy jsou umístěny do společných pouzder (4), přičemž první pouzdro je umístěno v tělese (3) a druhé pouzdro je umístěno ve spodní části armatury (1).

6. Ultrazvukový průtokoměr podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že armatura (1) atěleso (3) jsou vyrobeny z materiálu vybraného ze skupiny hliníková slitina, tvárná litina a ocelolitina.

5 7. Ultrazvukový průtokoměr podle kteréhokoli z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že stavební délka armatury (1) je typizovaná dle stavební délky mechanických plynoměrů vybraných ze skupiny turbínové plynoměry a rotační plynoměry.