DK1387149T3 - Ultralydsgennemstrømningsmåler samt fremgangsmåde til drift af samme - Google Patents

Description

Beskrivelse

Den foreliggende opfindelse angår for det første en fremgangsmåde til drift af en ultralydsgennemstrømningsmåler ifølge den indledende del af krav 1, fordet andet en ultralydsgennemstrømningsmåler især til at udøve den førnævnte fremgangsmåde ifølge den indledende del af krav 3. Tilsvarende gennemstrømnings-målere egner sig til registrering af strømningshastigheder og byggende derpå til registrering af gennemstrømningsmængder. Endvidere egner de sig i kombination med temperaturforskelsmålinger til varmeforbrugsregistrering og -afregning.

Fra EP 0 451 355 A1 kendes en føler til bestemmelse af gennemstrømningsmængden af en strømmende væske med et på indersiden reflekterende målerør. Som særlig foranstaltning foreslås det dér at udforme målerørets længde L kortere end den halve refleksionsafstand A, da den overvejende del af ultralydsbølgerne ved passagen gennem målerøret herved endnu ikke har undergået nogen refleksion på dets indervæg.

Fra EP 0 897 102 A1 kendes en gennemstrømningsmåler med et hus med indløbsstuds samt udløbsstuds, mellem hvilke der er dannet en ultralydsmålestrækning, der gennemstrømmes af et medium i en aksial retning. Fluset er i denne forbindelse ved overgangen fra indløbs- hhv. udløbsstuds til ultralydsmålestrækningen indvendigt beklædt med et legeme af ultralydsabsorberende materiale. Flerved skal det undgås, at en del af den af ultralydstransduceren i sendefasen udsendte ultralydsimpuls reflekteres inde i målerøret. Målerørets længde skal dimensioneres således, at der ikke opstår nogen vægrefleksioner.

Endvidere er i EP 0 790 490 A1 beskrevet en ultralydsføler, der arbejder som ikke-bølgeleder. Til minimering af en lydrefleksion ind i måleråret eller tilbage til ultralydstransduceren foreslås det på den ene side at affase målerørets forkant med en vinkel a, der er valgt således, at den under en vinkel rammende, reflekterede lyd hverken reflekteres ind i målerøret eller direkte tilbage til ultralydstransduceren.

Derudover kan overfladen af den skrå forkant være udformet bølget, for at den reflekterer lyden diffust, eller være beklædt med et ultralydsabsorberende materiale.

Fra EP 0 559 938 A1 kendes en gennemstrømningsmåler, hvor der på indersiden af en målerørsindsats er tilvejebragt flere spejle til orienteret udbredelse og refleksion af en ultralydsimpuls. WO 86/02723 beskriver en ultralydstransducer, hvormed uønskede lydekkoer betinget af refleksioner på transducerne skal undgås. Hertil frembringes der ved hjælp af fremspring eller recesser på den aktive side af transduceren smalt afgrænsede lydbølgemaksima samt en smalt defineret, mellem maksimaene liggende lydbølgetunge. Endvidere foreslås det enten ikke at lade de førnævnte lydbølgemaksima i randområdet løbe ind i målestrækningen eller at absorbere lydbølgemaksimaene inde i målestrækningen. Hertil er målerøret på indersiden udstyret med et lydabsorberende materiale. EP 0 081 663 A1 angår en føler til bestemmelse af gennemstrømningsmængden af en strømmende væske. Til forringelse af oversvingningsindflydelsen, der påvirker måleresultatet uheldigt, foreslås det at forsyne ultralydstransducerne med hver sin delelektrode, således at disse har en enkeltresonansadfærd med tilnærmelsesvis klokkeformet svingningsform, og/eller at udforme målerøret tyndvægget, og/eller at beklæde og/eller fore målerøret lydabsorberende. EP 0 897 102 A1 beskriver en ultralydsgennemstrømningsmåler, hvis målerør er foret med et ultralydsabsorberende materiale.

Fra EPO 451 355 A1 kendes en føler til bestemmelse af gennemstrømningsmængden af en strømmende væske, hvor målerørets længde L er udformet kortere end den halve refleksionsafstand, således at målerøret ikke længere virker som bølgeleder, da den overvejende del af lydbølgerne ved passagen gennem målerøret ikke har undergået nogen refleksion på dets indervæg.

Opgaven for den foreliggende opfindelse består i at stille en fremgangsmåde af den kendte type til rådighed, ved hjælp af hvilken der ved simpel konstruktionsmæssig opbygning af ultralydsgennemstrømningsmåleren kan opnås en høj må-lenøjagtighed. Derudover skal fremgangsmåden muliggøre fremstilling af især forskelligt dimensionerede ultralydsgennemstrømningsmålere. Desuden består opgaven for den foreliggende opfindelse i at stille en tilsvarende ultralydsgennemstrømningsmåler til rådighed.

Den foreliggende opgave løses ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen med de særlige træk i den kendetegnende del af krav 1.

Et klokkeformet ultralydsfelt er en lydudsendelse uden væsentligt præg af sidesløjfer.

Ved, at ultralydssignalerne frembringes som klokkeformet ultralydsfelt, er konstruktionsmæssige foranstaltninger på den aktive overflade af ultralydstransduceren på den ene side samt på udformningen af målerørsarrangementet på den anden side ikke nødvendige. Derudover kan transducerafstanden L vælges frit. Transducerafstanden L kan i sammenligning med hidtidige konstruktioner, hvor der skal tages hensyn til lovmæssighederne af refleksionsminimaene hhv. -maksimaene inde i målerøret, fastsættes uden for de deri definerede grænser. Den fri valgbarhed af transducerafstanden L gør det muligt til forskellige gennemstrømningsdimensioneringer at anvende et i henseende til transducerafstanden standardiseret hus i ultralydsgennemstrømningsmåleren, hvor der udelukkende anvendes målerør med forskellig diameter som udskiftningsdel. Herved kan produktionsomkostningerne ved ultralydsgennemstrømningsmålere med forskellige gennemstrømningsdimensionering reduceres betydeligt. Det særlige træk, hvorefter måle-strækningen er udformet som ikke-bølgeleder, sikrer, at der ikke eller i det mindste næsten ikke optræder refleksioner inde i målrøret, og disse dermed ikke kan påvirke målenøjagtigheden efterfølgende. Ved, at der ikke optræder nogen refleksioner inde i målerøret, øges ultralydsgennemstrømningsmålerens levetid tilmed, da aflejringer på indersiden af røret ikke længere har nogen indflydelse. Ideen i denne forbindelse er bevidst at affinde sig med en forholdsmæssig høj absorptionsandel af lydenergi, der - som fundet frem til - er uskadelig, da de resterende lydenergiandele (i mangel af refleksionsandele) er tilstrækkelige til en nøjagtig måling.

Et klokkeformet ultralydsfelt kan man ifølge opfindelsen realisere med en transducer og et med afstand liggende spejl, idet spejlet er holdt så lille, at kun hovedsløjfen overføres. På nyttig måde udsendes ultralydsfeltet af en almindeligvis plan, aktiv overflade af en ultralydstransducer. Særlige foranstaltninger til overfladeudformningen af ultralydstransduceren er som følge heraf ikke nødvendige.

Hvad den fri valgbarhed af transducerafstanden L angår, befinder denne sig på nyttig måde uden for den beregnede afstand A for transduceren til det første teoretiske refleksionsmaksimum Y eller til det teoretiske refleksionsminimum X.

Den foreliggende opgave løses ved ultralydsgennemstrømningsmåleren ifølge opfindelsen med de særlige træk i den kendetegnende del af krav 3.

Ved, at målestrækningen er udformet som ikke-bølgeleder, der fuldstændigt eller næsten fuldstændigt udelukker en refleksion, fremkommer den mulighed at udforme ultralydsgennemstrømningsmåleren konstruktionsmæssigt simpel og billig, at dimensionere den stik mod refleksionsteoriens teoretiske lovmæssigheder og samtidigt at sikre en øget målenøjagtighed. Det klokkeformede ultralydsfelt frembringes i denne forbindelse af en ultralydstransducer i kombination med et spejl.

Ifølge opfindelsen skal grænselaget udformes således, at der så vidt muligt ikke finder nogen refleksion sted på dette, og mellemlaget samtidigt sikrer en optimal lydabsorption. Mellemlaget er ifølge opfindelsen et vandlag.

For i det væsentlige at undgå refleksioner på grænselaget udformes dette på nyttig måde med en vægtykkelse mindre end eller lig med 1,5 mm.

Ifølge en yderligere udformning af ultralydsgennemstrømningsmåleren ifølge opfindelsen udviser målerøret spejle med høj refleksion. På nyttig måde er der endvidere tilvejebragt en konstant transducerafstand L til forskellige geometrier af målerøret. Dermed kan der ved produktionen af gennemstrømningsmålerserier med forskellige gennemstrømningsdimensioner gennemføres standardiseringer af dele af gennemstrømningsmåleren.

Især kan der til målerør, der er konstrueret til forskellige gennemstrømningsdimensioner, anvendes et ensartet hus.

Nyttige udformninger af den foreliggende opfindelse forklares efterfølgende nærmere ved hjælp af tegningsfigurerne.

Her viser: fig. 1 en målestrækning af en ultralydsgennemstrømningsmåler; fig. 2 målestrækningen ifølge fig. 1 under henvisning til teoretiske refleksionsmaksima samt -minima; fig. 3 en yderligere udformning af en målestrækning under anvendelse af spejl til omdirigering af ultralydssignalerne; fig. 4 en yderligere udformning af målestrækningen under anvendelse af i målerøret placerede spejle samt fig. 5 en detailafbildning af en udformning af foringen af målerøret eller selve målerøret ifølge den foreliggende opfindelse.

Henvisningstal 1 på fig. 1 betegner som teknologisk baggrund for en bedre forståelse en målestrækning til anvendelse i en såkaldt ultralydsgennemstrømningsmåler i sin helhed. Den omfatter et lige målerør 2 samt en første transducer 4 med aktiv overflade 7 til frembringelse af en lydimpuls samt en anden transducer 5 til modtagelse af den af den første transducer 4 frembragte lydimpuls. På indersiden af målerøret 2 befinder der sig en foring 3 af et lydabsorberende materiale.

Henvisningstal 6 kendetegner et klokkeformet ultralydsfelt, der frembragt af den første transducer 4 kommer ind i målerøret 2. Hertil har den første transducer 4 en plant udformet, aktiv overflade 7.

Andelene 10 af ultralydssløjfen, der rammer foringen 3, absorberes af foringen 3, dvs. reflekteres ikke. Den øvrige andel 9 af ultralydssløjfen, der stadig befinder sig inde i målerøret, bevæger sig mod den anden transducer 5, hvorved lydenergien af ultralydssløjfen, der breder sig over målerørets 2 længde, aftager automatisk. Den resterende refleksionsfri lydandel 9 registreres ved den anden transducer 5 og anvendes til beregning af løbetidsforskellen. Løbetidsregistreringen sker også i modsat retning af den på fig. 1 viste retning for at opnå en løbetidsforskel.

Afbildningen ifølge figur 2 viser placeringen af den første transducer 4 i forhold til den anden transducer 5 under hensyntagen til den teoretiske refleksionsadfærd.

Hvad angår denne teoretiske refleksionsadfærd henvises der til EP 0 451 355 A1. Særegenheden består i, at den anden transducer 5 er placeret på et punkt, der er længere borte fra den første transducer 4 end det første refleksionsmaksimum Y. Af denne grund kan målestrækningens 1 længde L holdes konstant for forskellige målerørsdiametre uden tab af målenøjagtighed. Deraf følger, at ved uforanderlig målenøjagtighed kan det store antal dele reduceres betydeligt for forskellige gennemstrømningsmålere.

Ved udformningen på fig. 2 ligger den anden transducer 5 mellem det første refleksionsmaksimum Y samt det første refleksionsminimum X. Afstanden af det første refleksionsminimum X til den første transducer 4 er på fig. 2 kendetegnet med A. Denne udformning gør det muligt at fastsætte målestrækningens 1 længde L vilkårligt.

Ifølge udformningen på fig. 1 løber den klokkeformede ultralydssløjfe 6 fuldstændigt ind i målerøret.

Dette lydabsorberende materiale har en impedans Z0^2 106 kg/m2 see. På nyttig måde er impedansen Z0 af det lydabsorberende materiale af foringen 3 mindre end den for mediet (f.eks. ved en temperatur på 20°C). Som lydabsorberende materiale er der på nyttig måde tilvejebragt PTFE, PVDF, silikone, blødgummi, VITON eller EPDM. Såfremt der skulle være tale om varmt vand op til 150°C, anvendes fortrinsvis PVDF som lydabsorberende materiale.

Ifølge en alternativ (ikke vist) udformning kan selve målerøret 2 i stedet for en foring af målerøret 2 bestå af lydabsorberende materiale.

Funktionen af en ikke-bølgeleder ifølge den foreliggende opfindelse foreligger da, når mere end 70%, især mere end 85% af de lydandele, der rammer målerørets 2 overflade, ikke reflekteres i målestrækningen. Vægtykkelsen af foringen 3 hhv. selve målerøret 2 af lydabsorberende materiale vælges således, at der kan absorberes tilstrækkelig lydenergi. Vægtykkelsen ligger i denne forbindelse i et område på større end eller lig med 1,5 mm, på nyttig måde ved ca. 2 mm.

Fig. 3 viser en udformning af en ultralydsgennemstrømningsmåler ifølge opfindelsen under anvendelse af indsatte spejle 8. Herved kan der frembringes et klokkeformet ultralydsfelt samt gennemføres en fordelagtig montage af transducerne.

Hvad angår vægtykkelsen og materialevalget, gælder med hensyn til udformningen ifølge fig. 3 de allerede i forbindelse med figurerne 1 og 2 fremsatte konstateringer.

Fig. 4 viser en varieret udformning af ultralydsgennemstrømningsmåleren. Til sikring af en målrettet refleksion inde i det ellers som ikke-bølgeleder arbejdende målerør 2 er der halvvejs på målestrækningen 1, dvs. i midten af afstanden mellem de to transducere 4, 5, placeret et spejl 15. Spejlet 15 sikrer en refleksion udelukkende af de lydandele, der i dette område rammer væggen. Den anden transducer 5 befinder sig i denne forbindelse i refleksionsminimummet af de af spejlet 15 reflekterede ultralydssignaler. Spejlet 15 kan være placeret i målerøret 2 på hele omkredsen eller også i delomkredsområder.

Henvisningstal 5 viser et deludsnit af opbygningen af foringen 3 hhv. forandringen af målerøret 2 ifølge den foreliggende opfindelse. Opbygningen omfatter et grænselag 11, der er udformet således, at det forårsager mindst mulig refleksion. Til dette har grænselaget 11 på nyttig måde en vægtykkelse på mindre end 1,5 mm. I tilslutning dertil ligger et mellemlag til absorption af ultralydssignaler, der passerer gennem grænselaget 11. Mellemlaget 12 har en impedans Zmeiiemiag på mindre end eller lig med impedansen af mediet Zmedium. Ifølge opfindelsen er der ved mellemlaget 12 tale om et vandlag. I tilslutning dertil befinder der sig et yderligere ydre lag 14.

Den foreliggende opfindelse sikrer for det første en øgning af levetiden, for det andet muligheden for at reducere ultralydsgennemstrømningsmålerens dimensioner uden tab af målenøjagtighed. Opfindelsen udgør følgelig et ganske særligt bidrag på det pågældende område af teknikken.

Claims (5)

1. Fremgangsmåde til drift af en ultralydsgennemstrømningsmåler, hvor løbetiden af ultralydssignaler langs en målestrækning til beregning af gennemstrømningsmængden af vand måles både i den ene og i den anden retning, og der deraf beregnes en løbetidsforskel, og hvor målerøret (2) er udformet som ikke-bølgeleder, der fuldstændigt eller i det mindste næsten fuldstændigt udelukker refleksioner, idet (a) målerøret (2) omfatter et grænselag (11) samt et op til dettes yderside stødende mellemlag (12) i form af et vandlag, og (b) grænselaget (11) er udformet således, at ultralydssignalerne løber igennem grænselaget (11) ind i mellemlaget (12), kendetegnet ved, at ultralydssignalerne frembringes som klokkeformet ultralydsfelt (6), hvor det klokkeformede ultralydsfelt frembringes af en ultralydstransducer (4, 5) i kombination med et spejl (8).

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at ultralydsfeltet (6) udsendes af en almindeligvis plan, aktiv overflade (7) af ultralydstransduceren (4, 5).

3. Ultralydsgennemstrømningsmåler, især til udøvelse af fremgangsmåden ifølge et af de foregående krav, med en første ultralydstransducer (4), en anden ultralydstransducer (5) eller reflektor, en af den første (4) og den anden ultralydstransducer (5) eller af den første ultralydstransducer (4) og reflektoren dannet målestrækning (1) samt et målerør (2), der omgiver målestrækningen (1), hvor målerøret (2) er udformet som ikke-bølgeleder, der fuldstændigt eller næsten fuldstændigt udelukker refleksioner, idet (a) målerøret (2) omfatter et grænselag (11) samt et op til dettes yderside stødende mellemlag (12) i form af et vandlag, og (b) grænselaget (11) er udformet således, at ultralydssignalerne løber igennem grænselaget (11) ind i mellemlaget (12), kendetegnet ved, at ultralydssignalerne frembringes som klokkeformet ultralydsfelt (6), hvor det klokkeformede ultralydsfelt frembringes af den første ultralydstransducer (4) i kombination med et spejl (8).

4. Gennemstrømningsmåler ifølge krav 3, kendetegnet ved, at vægtykkelsen af grænselaget (11) er mindre end eller lig med 1,5 mm.

5. Gennemstrømningsmåler ifølge krav 3 eller 4, kendetegnet ved, at der til afbøjning af ultralydssignalerne er tilvejebragt spejle (8) med høj refleksion.