FI100273B - Ultraääni virtausmittari - Google Patents

Description

100273

Ultraääni virtausmittari - Ultraljudsströmningsmätare

Esillä olevan keksinnön kohteena on ultraääni vir-5 tausmittari patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaisesti.

Ennestään tunnetaan putken muotoisia ultraääni virtaus-mittareita, joiden putkien sisällä annetaan ultraäänen edetä lankasäteenä läpi väliainnen tämän suhteen olen-^ naisesti suuremman halkaisijan vinosti virtausakseliin ja vastaavasti putken akseliin nähden läpi siinä viir-taavan kaasun tai vastaavasti läpi siinä viirtaavan nesteen, jotta voidaan mitata ultraäänen viivemuutos virtausnopeudesta. Näin saadun virtausnopeuden arvon ^ perusteella voidaan putken halkaisijan ja sinänsä tun netun korjausparametrin perusteella laskea aikayksikköä kohti läpivirtaava kaasujen tai vastaavasti nesteiden määrä. Jotta aikaansaataisiin mahdollisimman pitkä aktiivinen ultraäänitie virtaavassa väliaineessa, kuiten- 20 kin virtausmittarin teknisesti käytännöllisellä pituudella, on putken sisälle sovitettu moninkertaisesti heijastavia, vinosti putken akselin suhteen sovitettuja ultraääniteitä, erityisesti W-muotoon. Putkenseinämään sovitetusta lähetysmuuntimesta suunnataan ultraääni-25 muunnin vinosti putken akseliin nähden kohti vastakkaista putken seinämää, josta se edelleen heijastaa edelleen vastakkaiseen seinään, ja edelleen kohti vastaavasti vastakkaista senää, ja heijastuu lopulta vas- taanottomuuntimeen.

30

Siemensin tutkimus- ja kehitysselostuksesta, osa 15 (1986), sivut 126-134, kuvio 11, on tunnettua käyttää vesivirtaus lämpömääränmittarissa neliönmuotoista mit-tausputkea, jolla on suorakaittenmuotoinen poikkileikkaus H * B, jossa H:B=2$1, kokonaisvirtauksen keräämi-·, seksi ultraäänellä lähes tasaisesti.

100273 2

Yleensä sovitetaan tällainen akustinen äänitie putken sisälle siten, että ultraääni kulkee vuorotellen toiseen ja vastaavasti toiseen suuntaan sen läpi, nimit-5 täin kerran väliaineen virtaussuunnassa ja kerran väliaineen virtaussuuntaa vastaan. Erotussignaalista saadaan vastaava suure putken tilavuusvirtauksen määrittämiseksi. Pyritään siihen, että ultraäänellä on mahdollisimman pitkä viiveerotus suhteessa virtausmiti-^ tarin pituuteen, eli suhteessa etäisyyteen lähetysmuun- timen ja vastaanottomuuntimen välillä. Kahden muuntimen toiminta vaihdetaan keskenään vastaanotinmuuntimen ja vastaavasti lähetinmuuntimen välillä ultraäänen kulkiessa toisaalta virtausken suunnassa ja toisaalta sen 15 kulkiessa virtausta vastaan.

Yleensä noudatetaan reunaehtoa, jonka mukaan esim. putken muodon takia virtausmittarin alueella aiheutuva paineen aleneminen ei ylitä tiettyä arvoa ja edulli- 20 sesti on myös helposti säädettävissä.

Tällaisen neliöputken tasaisille seinämäpinnoille voidaan muuntimet sovittaa helposti ja siirtyminen tavallisiin pyöreisiin putkijohtimiin on mahdollista.

25

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on optimoida sinänsä tunnettu virtausmittari, jossa on neliön muotoinen mittausputki tietylle käyttöalueelle, nimittäin ko-

O

titalouskaasulle ja mittausalueelle 5 1/h - 30 nrVh 30 mittaustarkkuuden ja toimintavarmuuden osalta. Tämä tehtävä aikaansaadaan patenttivaatimuksen 1 tunnusmerk-kiosan mukaisella laitteella.

Keksinnön tarkoituksena on myös aikaansaada laite, 35 jolla mittaustilan mahdollisimman homogeenisen ultraää- nivirtauksen poikkileikkaus on sellainen, että edullisesti nesteenä oleva kotitalouskaasu saa mahdollisimman suuren vastaanotto-mittaussignaalin ultraäänisignaalin 3 100273 optimaalisella viivealueella edullisen määrä-mittausalueen virtausnopeuden alueella.

5 On osoittautunut, että neliönmuotoisen mittausputken mittaussuhteen H:B kapealla alueella, jossa mitta H on noin 30 mm, on W-muotoisen tien hyötysignaalin erotuksen optimin alue suhteessa V-muotoisen tien loissignaa-liin. Veden lämpömäärän mittarille sopivan suhteen ^ H:B=2:1 sijasta saavutetaan vasta suhteella 4:1 opti- mialueen alaraja. Yläraja on 10:1, edullisesti noin 6:1. Edullisesti mittaussuhde sijaitsee välillä 5:1 ja 6:1. Tällaiset pokkileikkaukset ovat edullisia ultraää-niviiveen koko mittausalueella tasaisella kaasun vr-15 tauksella ja tasaisella homogeeniteetillä.

Edelleen keksinnön tarkoituksena on pitää ultraäänen V-muotoisella tiellä esiintyvä signaali keksinnön mukaisessa virtausmittarissa mahdollisimman pienenä, jota 20 tietä käytetään mittausvälinä W-muotoisessa ultraääni-tiellä tulomuuntimen ja lähtömuuntimen välissä.

Seuraavan selostuksen mukainen toteutus selventää keksintöä.

25

Kuvioissa 1 ja 2 esitetään virtauksen aksiaalisuunta (kuvio 1) ja leikatun putken (kuvio 2) pitkittäis-suunta. Mitat H ja B on esitetty kuvioissa (korkeus ja leveys) neliöputkelle 1. Viitemerkeillä 2 ja 3 on esi-tetty sivuseinämät ja numeroilla 4 ja 5 on esitetty ala- ja vast, yläseinä. Samat numerot esiintyvät kuviossa 2. Yläseinämään 5 on sovitettu muuntimet 11 ja 12, joiden lähetys- ja vast, vastaanottopinnat 111, 112 on sovitettu vinoon seinämän 5 suhteen (kts kuvio 2). 35 Viitemerkillä a on kuviossa 2 esitetty W-muotoisen ult- raäänitien 21 kulma alfa, eli suhteessa seinämiin 4 ja 5. Pinat 111 ja 112 on suunnattu siten, että säteen tie 21 osuu kohtisuoraan näihin pintoihin. On myös muistettava, että osa akustisesta energiasta kulkee sellaiess- 4 100273 sakulmassa pintojen 111 ja 112 välillä, että ne muodostavat V-muotoisen tien putken 1 sisällä. Tällä säteellä kulmassa beta (*b) on toinen kulkuaika kuin toivotulla 5 W-muotoieella tiellä, jolla edullisesti on pitempi akustinen tie putkessa 1 kuin V-muotisella.

Kuviossa 2 on esitetty koko virtausmittari pituudeltaan L. Kuvion 2 muut merkinnät liittyvät seuraavaan kek-^ sinnön selostukseen.

Kuvioiden 1 ja 2 keksinnön mukaiselle virtausmittarille, jossa on kolminkertainen äänen heijastus ylä- ja alasinämiltä pätee virtausnopeudelle veff seuraavaa: 15 vef£ = V* cos a (1) jossa alfa on kulma aksiaalisen virtaussuunnan ja muun- timien 11 ja 12 lähetys- ja vastaanottosuuntien välillä 20 * ja v on äänen tiellä pienentynyt virtausnopeus. Ajalliseen tilavuusvirtauksen erotukseen dV/dt liittyy v* seuraavasti: dV/dt = v* . F (2) 25 « jossa F vastaa pintaa H x B. Äänitien pituus Ls väliaineessa on:

(N+l) .H 4 H

Ls = - r - arvolla N = 3 (3) sin a sin a « jossa N = heijastusten lukumäärä. Mittauspituus La ultraäänen lävistyspisteiden välillä (ajatellun) yläpin-35 nassa (kts kuvio 2) virtaavassa väliaineessa on

La = (N+l) H cot a = 4 H cot a arvolla N=3 (4) josta saadaan 5 100273 5 2 2La v* 2(N+1),H.v*.cot a delta t = --- -— -~- (5) cΔ c* cr

Putken tulossa (kuvio 2) on väliainetta, johon ultraääni ei vaikuta. Tämä pituus Ly riippuu kulmasta alfa ja muuntimen säteestä r riippumatta muuntimen seinämä-paksuudesta : 10 r

Lv - - (6) sin a Äänen kulkutie 1^ on 15 = r cot a (7) Tämä äänen kulkutie aiheuttaa signaalin lisävaimennuk-sen on pidetään siksi mahdollisimman pienenä.

20

Ei käytettävissä oleva osa 21^/L kokonaispituudesta L = La + 21^ on:

Lw r .W Ly r -= - ja -- - = - ja ^ La 4H La L^Ly 4H cos a 2 Ly. r - = - (8) L 2H cos a + r 3° Tämä osa riippuu tulokulmasta alfa (=a), muuntimen sä teestä r ja putken poikkileikkauksen korkeudesta H. Mitä korkeampi putki ja mitä pienempi muuntimen säde r, sitä suurempi on hyödynnettävissä oleva osa. Hyödynnettävissä oleva osa on suurempi mitä pienempi kulma alfa 35 on (kunnes kulmalla alfa = 0 saavutetaan rajatapaus, jossa ei esiinny heijastusta). Mittaukseen ei käytettävissä oleva tilavuus: r' cot a vt = - (9) z 100273 6 on annetulla arvolla r suuremmalla alfa-arvolla pien-^ empi. Täten poikkileikkauksen laajennuksen ja pienennu- yksen vaikutus turbulenssiin ja painehäviöön pienenee.

"W"-laitteessa huomioidaan häriösignaali, joka aiheutuu lois-"V"-äänen tiestä 22, joka lähtee kulmassa delta a suhteessa muuntimien 111, 112 normaaleihin (”W"-tie) ja heijastuu kerran kulmassa beta (N=l).

Saavutetaan paikallinen äänitien erotus.

15

Delta a * a-b. Vakio kummallekin änitielle on etäisyys muuntimien keskipisteestä L^. "W”-äänitielle pätee 1^ = La+2Lr (kuvio 2). Kaaviosta L_ = r cot a cos a (10) 20 ja kaaviosta (4) saadaan kulmalle delta a

H

delta a = - arctan ((1- - tan a) (11) r cos a + 2 H 25 Tämä tarkoittaa sitä, että mikäli a ei ole 0° eikä ole 90° saavutetaan suurempi delta as pienemmällä arvolla r ja suuremmalla arvolla a. Mikäli r poikkeaa arvosta 0 ja vakioarvolla a voidaan saavuttaa suurempi delta a korkeudella H. Hyvin paljon pienemmällä arvolla r kuin arvo H, eli r = 0 yksinkertaistuu kaava (11): tan a \ delta a = a - arctan (- ) (12) v 2 35

Delta a on siis riippumaton korkeudesta H. Tästä saadaan arctan(x):n ja tan(x):n sarjakehittelyn avulla li-kikaava: 5 100273 7 a a' delta a e — - — (kaarimitta) (13) 2 8

Suuri arvo delta a tarkoittaa "V"-signaaliamplituudin hyvää vaimentamista. Siksi olisi myös tulokulma tehtävä niin suureksi kuin mahdollista ja r hyvin paljon pienemmäksi kuin H. Etäisyydessä osumispisteiden välillä 10

Ld = La/4 = H cot a (14) tulisi olla ainakin Ld suurempi kuin 21^., eli La tulisi olla suurempi kuin 81^ jotta molempien ääniteiden koh-15 taaminen pidettäisiin mahdollisimman pienenä ja jotta mahdollistetaan "V"-amplitudin pienentäminen heijastuksen vaimentavilla elementeillä. Koska La useimmiten on annettu, on huomioitava myös vastaava I^sn mitoitus.

2Q Saavutetaan myös ajallinen ääniteiden erotus.

Äänitien pituus on arvolla r=0 kuvattavissa L8:llä ja äänitie "V" L's:llä (3):n ja (12):n mukaisesti. Kulkutien erotus dL = Ls - Lg' on yksinkertaisessa tapauk-25 sessa r=0 tai kun r on huomattavasti pienempi kuin H: : 4-2(3 cos2 a + 1)1/2 dL = H - (15) sin a 30 Merkinnöillä tauf = L8/(c-vef£) "virtaa ylös" ja t^ = L8/(c+ve££) "virtaa alas" virtauksesta riippuvalle kul-kuajalle saadaan aikaerotus td "V"- ja "W"-signaalien kohtaamisen välillä:

dL

35 ^dfauf) = - (c"veff)

dL

td(ab) = - (c+veff) (16) 100273 β

Mitä suurempi on, sitä parempi on "V"-signaali erotettu MW"-signaalista ajallisesti, eli arviointivirhe-mahdollisuus pienenee. On huomioitava, että virtauk- 5 sessa virtaa ylös aika t^ lisääntyy ja virtauksessa virtaa alas aika t^ pienenee, eli myös ajallinen erotuskyky pienenee. dL olisi siksi tehtävä niin suureksi, että maksimaalisella virtauksella molemmat signaalin osat vielä olisi ajallisesti riittävästi erotettuja. Suurempi arvo a, eli jyrkempi tulosuunta ja suurempi korkeus H suurentavat arvoa dL.

Reunaehto on myös painehäviö delta p, joka riippuu mit- tauspukten geometriasta seuraavasti: 15

u dV. U

delta p prop V 2 . L . —prop (— )2 . L .—— (17) F dt F2 jossa L on mittausputken pitus ja U on F:n läpi piirre-w tyn poikkileikkauspinnan ympärysmitta. Tämä tarkoittaa sitä, että neliönmuotoisella mittausputkella saadaan minimaalinen paineen pieneminen.

Suunniteltaessa ultraääniinittausputki "W"-laitteen mu-kaisesti on yleensä maksimaalinen mittausputken pituus La, maksimaalinen tilavuusläpäisymäärä dV/dt, maksimaa linen paineen pieneminen delta p käytettäessä tiettyä väliainetta ja maksimaalinen rakennekorkeus H annettuja. Halutaan saaavuttaa mahdollisimman suuri delta t 3° mahdollisimman pienillä häriöillä. Tästä maksimaali sesta tehollisesta muuntimen pituudedsta La (=etäisyys säteiden läpäisykohdasta toiseen) ja maksimaalisesta rakennekorkeudesta Hmax voidaan säteilykulma määrittää: 35 4Hmax tan a = · (18)

La

Mittausputken poikkileikkauspinta ja vast, leveys B määritetään paineenhäviöstä. Näitä muutetaan niin pal- 9 100273 jon yksinkertaisessa koeproseduurissa, että maksimaalisella virtauksella saavutetaan maksimaalinen painehä- viö. Tästä saatu poikkileikkauspinta määrittää saavu-5 tettavissa oleva kulkuaikaerotus dleta t: 2L_ . dV/dt t = -- (19)

Hmax * B,c 10 Kaavoista (18) ja (19) saadaan mittausputken korkeuden ja leveyden suhde: H F . tan^ a . c* . delta t^ L-^tan^ a = --- = - (20)

B 64 (dV/dt)2 16 F

15

Pitkänomaisella putkella (La suurempi kuin H, La suurempi kuin B) on H/B suurempi tai yhtä kuin 2. Tämä tarkoittaa sitä, että saadaan mittausputki, jolla on olennaisesti ei-neliönmuotoinen poikkileikkaus, vaan ^0 jossa on suuri ero sivujen pituudessa.

Yhteenvetona sadaan siis kun r = vakio ja kulma alfa (a) poikkeaa 0°:sta ja 90°:sta, eli saadaan säteen tie, jossa esiintyy heijastuksia, ja N = 3 tulokulmalle a 25 seuraavat kritterit:

Mittausputken Gl. 8 hyvä suhteellinen hyödyntäminen saavutetaan mahdollisimman pienellä arvolla a. Muunnin-taskujen Gl. 9 pieni tilavuus, pieni äänen tie muunnin-30 taskuissa Gl. 7, suurempi häiriöetäisyyskulma Gl.ll, G1.12, G1.13, hyvä mittausputken Gl. 6 hyvä hyödyntäminen ja äänen teiden Gl. 15, Gl. 16 hyvä ajallinen erotus saavutetaan mahdollisimman suurella kulmalla a. Koska häiriöetäisyys, eli ääniteiden erotus, turbulens-35 sin välttäminen ja optimaalinen absoluuttinen mittaus- putken pituuden optimaalinen hyödyntäminen ovat olennaisia mittauksen laadun takia, on käytännössä valittava mahdollisimman suuri arvo a (esim. a suurempi kuin 35°). Periaatteessa a:n arvon rajoittaa tietyllä La:lla 10 100273 G1. 18 mukaisesti ainoastaan putken rakennekorkeus.

Koska H:n kautta tärkeät suureet (katso yllä) ovat optimoitavissa, on H valittava mahdollisimman suureksi.

5

Kaiken kaikkiaan merkitsee suuri H:n arvo lisääntyvää signaalin vaimennusta johtuen pitkästä ännen tiestä L8, joka kuitenkin voidana kompensoida riittävän suurella äänitasolla.

*0 Käytännön laskuesimerkki:

Mittausputken pituus La = 150 mm, paineen alennus delta p = 2 mbar, maksimaalinen tilavuusvritaus dv/dt = 0,00167 m^/e, välianeena ilma (äänen nopeus c s 340 m/s) huoneen lämpötilassa. Paineenalennus pokkileik- 15 9 kauspinnalla F = 1,2 cm . Maksimaalinen rakennekorkeus on H * 31,5 mm. Tästä saadaan tulokulma a = 40° ja leveys B = 3,8 mm. Tästä saadaan suhteelle H/B arvo 8,25. Hyödynnettävissä oleva kulkuaikaerotus on delta t * 36 /us. Edelleen: Häiröetäisyyskulma (Gl. 11:11a) delta * 20 16,1°, Ly = 7,8 mm, K 165,5 mm, 2LV/L = 0,094, eli 90,6 % mittausputken pituudesta hyödynnetään. Mittausputken tilavuus on V = 19,9 cm3, muunnintaskujen tilavuus Vt = 2.0,48 cm3. Koska 8Lv - 62 mm on pienempi kuin La = 150 mm, saadaan hyvä paikallinen ääniteiden valintamahdol- 2 5 lisuus. Suure dL määritetään 33,2 mm:ksi. Tällöin saapuu ei-liikkuvassa väliaineessa "V"-signaali noin 90 /us ennen "W"-signaalia.

Kuten huomataan laskuesimerkistä, saadaan suhde H:B 30 joka on tunnettuja ratkaisuja äärimmäisempi. Tässä näh dään kuitenkin myös toinen etu: Neliömäisillä pinnoilla olisi H=B- 11 mm ja tällöin olisi muuntimia vastaan käännetyt sivut leveämmät kuin itse muuntimet. Tästä aiheutuisi epähomogeeninen läpäisy mittaustilassa joh-35 taen suurempiin mittausvirheisiin. Suhteella H/B, joka olisi suurempi kuin 4 olisi muuntimiin käännetyt sivut huomattavasti kapeammat kuin muuntimet. Mittausputken halkaisija, jonka äärimmäiset sivujen suhteet olisivat 4:1 - 10:1, minimoi mittausputken turbulenssin joka on 100273 11 5 syntynyt virtauksen tuissa tai muunnintaskuissa tai virran suunnassa, ja täten aikaansaa ultraäänimittauksen yhä paremman mittaustarkkuuden, toistuvuuden ja signaalin stabiilisuuden.

Keksinnön mukaisella suorakaiteen muotoisella poikkileikkauksella varustetulla mittausputkjella 1 ja muun-ninlaitteella ja -mitoituksella homogeeniselle läpivir-^ taukselle aikaansaadaan luotettava virtauksen mittaus alueella 5 1/h - 30 m^/h. Esim. sopii tähän mitoitus H:B (edullisesti) 30 mm - 5 (tai 6) mm. Maksimaali-seslla läpivirtauksella voi paineen lasku nousta aina 25 mbar asti. Elektronisella jälkikorjauksella voidaan 15 -a käyttää tällaista virtausmittaria alueella 30 nr aina alas 1 1/h asti.

20 25 30 35

Claims (3)

100273

1. Ultraääni virtausmittari, jossa on mittausputki 5 (1) ja ultraääni lähetin- ja vastaanotin (11, 12), jotka on sovitettu aikaansaamaan "W"-muotoinen ulträä-nen tie (21) mittausputkessa (1) tapahtuvien useiden heijastumien kautta ja jotka on sijoitettu vastaavalle etäisyydelle toisistaan (1^) yhdelle ja samalle mit-^ tausputken (1) seinämälle (5), joka mittausputki (1) omaa suhteessa virtaussuuntaan (v) suorakaiteen muotoisen poikkileikkauksen, jonka mitat ovat (H . B), jolloin leveysmitta (B) sijaitsee olennaisesti kohtisuoraan ultraäänen tien suhteen (21) mittausputkessa (1) 15 ja tämä virtaa homogeenisesti putken läpi, tunnettu siitä, että kotitalouskaasun mittausalueelle 5 1/h - 30 m^/h mittasuhteet H:B ovat 4:1 - 10:1, jolloin mitta H = noin 30 mm.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ultraääni virtausmittari, tunnettu siitä, että mittasuhteet H:B ovat 4:1 - 6:1.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ultraääni virtaus-mittari, tunnettu siitä, että mittasuhteet H:B ovat 5:1 - 6:1. 30 35 100273