FI103439B - Menetelmä ja laite äänennopeuden mittaamiseksi nesteessä - Google Patents

Description

103439

Menetelmä ja laite äänennopeuden mittaamiseksi nesteessä

Keksinnön kohteena on menetelmä äänennopeuden mittaamiseksi nesteessä, jossa mitattavaan nesteeseen lähete-5 tään äänipulssi tai äänipulssiryhmä ja jossa menetelmässä mitataan äänipulssin tai äänipulssiryhmän kulkuaika mitattavassa nesteessä. Keksinnön kohteena on edelleen laite äänennopeuden mittaamiseksi nesteessä.

Tällaiset menetelmät ja laitteet ovat nykyään tun-10 nettuja eri tekniikan aloilla erilaisten nesteiden mittausten yhteydessä. Nesteessä etenevän äänen nopeuden mittauksella on merkitystä siinä, että nesteen äänennopeuden avulla voidaan laskea mitattavan nesteen tiheys, konsentraatio lämpötila tai virtausnopeus. Jos esimerkiksi lämpötila 15 tunnetaan, tiheys saadaan laskettua. Äänennopeuden mittaamisen hyväksikäyttö soveltuu erityisen hyvin tietyille aineille ja tietyille pitoisuuksille. Esimerkkeinä voidaan mainita etanolin ja metanolin pitoisuusmittaukset niillä alueilla, joilla optisen taitekertoimen muutos on pieni. 20 Esimerkkeinä tunnetuista ratkaisuista voidaan maini ta FI-patenttihakemuksessa 893536 esitetyt ratkaisut. Tunnettujen ratkaisujen epäkohtana on niiden monimutkaisuus ja • * epätarkkuus mittauksessa, joka syntyy esimerkiksi eri mit- : V tausantureiden vasteiden ja viiveiden johdosta.

: 25 Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä ja laite, jonka avulla aiemmin tunnetun tekniikan epäkohdat • » · voidaan eliminoida. Tähän on päästy keksinnön avulla. Kek-sinnön mukainen menetelmä on tunnettu siitä, että äänipuls- • · # si tai äänipulssiryhmä lähetetään yhtäaikaisesti samalla ,,, 30 lähettimellä sekä mitattavaan nesteeseen että referenssima-

• · I

*;* ' teriaaliin, jossa äänennopeus on ennalta tunnettu ja että • · · ’ mitattavasta nesteestä ja referenssimateriaalista saapuva ·;· äänipulssi tai äänipulssiryhmä vastaanotetaan ja aikaväli mitataan samalla mittavälineellä. Keksinnön mukainen laite « I t 35 on puolestaan tunnettu siitä, että laite käsittää mitat- * 1 · 2 103439 tavaa nestettä varten varatun tilan lisäksi referenssimate-riaalia olevan osan, jossa äänennopeus on ennalta tunnettu, että sama lähetin on sovitettu lähettämään äänipulssin tai äänipulssiryhmän yhtäaikaisesti sekä mitattavan nesteeseen 5 että referenssimateriaaliin ja että sama vastaanotin on sovitettu vastaanottamaan mitattavasta nesteestä ja refe-renssimateriaalista saapuvan äänipulssin tai äänipulssiryhmän sekä laskemaan saapuvien äänipulssien tai äänipulssi-ryhmien välisen aikavälin.

10 Keksinnön etuna on ennen kaikkea sen yksinkertaisuus ja mittauksen tarkkuus. Mittauksen tarkkuus johtuu siitä, että lähettimen ja vastaanottimen vasteiden ja viiveiden osuus kumoutuu mittauksessa. Tarkkuus aiempiin ratkaisuihin verrattuna paranee myös siitä, että keksinnössä pystytään 15 mittaamaan äänen kulkema matka sekä mitattavassa aineessa, että referenssiaineessa hyvin tarkasti verrattuna mittaus-astian tai mittausputken seinämiin tai niiden ulkopuolelle asennettuihin mittalaitteisiin.

Keksintöä ryhdytään selvittämään seuraavassa tarkem-20 min oheisessa piirustuksessa esitettyjen edullisten sovellutusesimerkkien avulla, jolloin kuvio 1 esittää periaatteellisena kuviona etanolin eri ominaisuuksien riippuvuutta pitoisuuden suhteen, kuviot 2 ja 3 esittävät periaatteellisesti keksinnön .···. 25 mukaisen menetelmän toteutusta, • · .!*’ kuvio 4 esittää periaatteellisesti keksinnön mukai- • · · *... sen laitteen ensimmäistä sovellutusta, ja • · · '·' * kuvio 5 esittää periaatteellisesti keksinnön mukai sen laitteen toista sovellutusta.

• · · : 30 Kuviossa 1 on esitetty periaatteellisesti etanolin • · · : äänennopeuden ja muiden ominaisuuksien välisiä riippuvuuk- siä pitoisuuden suhteen. Kuten edellä on todettu äänenno-'!!! peuteen perustuva mittausmenetelmä soveltuu erityisen hyvin esimerkiksi etanolin pitoisuusmittauksiin niillä alueilla, v : 35 joissa optisen taitekertoimen muutos on pieni.

3 103439

Kuvioissa 2 ja 3 on esitetty periaatteellisesti keksinnön mukainen mittausmenetelmä ja laite. Kuviossa 2 on esitetty mittauslaitteen periaate. Viitenumerolla 1 on esitetty lähetin ja viitenumeron 2 avulla vastaanotin.

5 Lähetin ja vastaanotin on sovitettu toimimaan esimerkiksi ultraäänialueella. Viitenumeron 3 avulla on merkitty refe-renssimateriaalia oleva osa ja viitenumeron 4 avulla mitattavaa nestettä varten varattu tila. Mitattava neste on merkitty kuvioon 2 viitenumerolla 5.

10 Keksinnön olennaisen idean mukaisesti äänipulssi tai äänipulssiryhmä lähetetään lähettimen 1 avulla yhtäaikaisesti sekä mitattavaan nesteeseen 5 että referenssimateri-aaliin 3, jossa äänennopeus on ennalta tunnettu. Mitattavasta nesteestä 5 ja referenssimateriaalista 3 saapuva 15 äänipulssi tai äänipulssiryhmä vastaanotetaan ja aikaväli mitataan samalla mittavälineellä, joka kuvion 2 tapauksessa on vastaanotin 2. Äänipulssi tai äänipulssiryhmä ohjataan kulkemaan yhtä pitkän matkan mitattavassa aineessa ja refe-renssimateriaalissa. Äänipulssin tai äänipulssiryhmän kul-20 kema matka mitattavassa nesteessä 5 ja referenssimateriaa-lissa 3 on merkitty viitteellä S kuvioon 2.

: ' Referenssimateriaali 3 voi olla neste tai kiinteä aine, esimerkiksi metalli, muovi tai keraami. Äänen kulkema : matka S mitattavassa nesteessä ja referenssimateriaalissa .··, 25 on yhtä pitkä ja tunnettu, kuten edellä on todettu. Keksin- nön mukaisesti vastaanottimen 2 avulla vastaanotetaan sekä *... mitattavasta nesteestä että referenssimateriaalista saapu- ’·* * vat pulssit samalla mittavälineellä eli vastaanottimella 2 ja mitataan näiden pulssien välinen aika At. Kuviossa 3 on • · · V · 30 esitetty edellä esitetty vaihe.

• · · V · Kuvioihin 2 ja 3 viitaten voidaan lähteä siitä, että tj on äänen kulkuaika referenssiaineessa ja t2 äänen kulku-aika mitattavassa nesteessä, joten saadaan

v '35 ti - - ja t, = JL

V- 2

Re/ % 103439 4

Pulssien välinen aika At on siis

At = t2 - t1 = —---— = /----—] 5 VLiq VRe/ \vi:q VRe/) 1 _Δ/| 1 VL‘1 S VRe f

Mitattavan nesteen äänennopeus vLiq saadaan kaavalla 10 ίΔ/ 1 V %= — +- v s vr« / y

At mitataan ja S sekä vRef ovat vakioita. Lisäksi vRe£ ^ > vLiq. Jos vRef < vLlq/ nopeus saadaan kaavalla 1 A/ %=----

Vvrs/ s) 20 Tyypillisesti vref = 5800 m/s (teräs) ja vLlq = 1500 m/s (etanoli), joten ensimmäinen kaava on voimassa.

Keksinnön mukaisen menetelmän etu suoran etenemisnopeuden mittaamiseen verrattuna on tarkempi ajanmittaus, ; : koska aikaväli mitataan samalla mittavälineellä. Näin ollen .· 25 lähetysanturin ja vastaanottoanturin sekä niihin liittyvien • « · sähköisten osien vasteiden ja viiveiden osuus mittauksessa ’... kumoutuu. Ajanmittauksen virhe pienenee matkan S kasvaessa.

• · · • * Lisäksi äänen kulkema matka referenssimateriaalissa 3 ja mitattavassa nesteessä saadaan mitattua hyvin tarkasti • · · ·.* * 30 verrattuna esimerkiksi mittausastian seinämien ulkopuolelle • · · : asennettuihin laitteisiin, kuten aiemmin on jo todettu.

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa lait-teella, joka käsittää kaksi ultraääniluotainta, joista toinen toimii lähettimenä 1 ja toinen vastaanottimena. v : 35 Lähettimen 1 ja vastaanottimen väliin on sovitettu refe- 5 103439 renssimateriaali 3 ja mitattava neste 5. Tämä perusperiaate on esitetty kuviossa 2.

Keksinnön mukaista perusperiaatetta voidaan soveltaa myös kuvion 4 mukaisella tavalla. Kuviossa 4 on käytetty 5 vastaavissa kohdissa samoja viitenumerolta kuin kuviossa 2. Kuvion 4 sovellutus on periaatteeltaan samanlainen kuin kuvion 2 sovellutus, ts. siinä käytetään lähetintä ja vastaanotinta, joiden väliin mitta-alue ja referenssimateriaa-li on sijoitettu. Kuvion 4 mukaisessa sovellutuksessa lä-10 hettimen 1 ja mittausalueen ja vastaavasti mittausalueen ja vastaanottimen 2 välillä on referenssimateriaalia oleva siirtotie. Kuten kuviosta 4 voidaan nähdä, em. siirtotie on yhtä pitkä ja samaa materiaalia sekä referenssipulssille että mittauspulssille, joten siirtotien vaikutus kumoutuu 15 ja edellä esitetty kaava on voimassa. Siirtotie voi olla samaa materiaalia kuin referenssimateriaalin siirtotie ja se voi toimia myös nesteen ja mittalaitteen välisenä rajapintana kuten kuvion 2 sovellutuksessa. Siirtotie voi olla myös muuta materiaalia kuin referenssimateriaali, olennais-20 ta on se, että siirtotie on samaa materiaalia ja yhtä pitkä sekä referenssipulssille että mittauspulssille, joten siirtotien vaikutus kumoutuu kuten edellä on todettu.

Kuvion 5 mukainen sovellutuksessa käytetään yhtä luotainta 6 ja heijastinelementtiä 7. Luotain 6 toimii ;···. 25 ensin lähettimenä ja lähettää äänipulssin sekä referenssi- • · :·. materiaaliin 3 että mitattavaan nesteeseen 5. Lähetyksen jälkeen luotain 6 toimii vastaanottimena ja vastaanottaa * sekä referenssimateriaalista 3 että mitattavasta nesteestä saapuneet signaalit, jotka ovat heijastuneet heijastinele- *.· 1 30 mentistä 7. Heijastinelementin 7 etäisyys 1 luotaimesta 6 • · · : määrittää äänen kulkeman matkan nesteessä siten, että S = .:. 2 x 1. On selvää, että luotain 6 voi muodostua myös yhdis tetystä lähetin-vastaanotinelementistä tai luotain 6 voidaan muodostaa lähettimestä ja vastaanottimesta jne.

v : 35 103439 6

Edellä esitettyjä sovellutusesimerkkejä ei ole tarkoitettu mitenkään rajoittamaan keksintöä, vaan keksintöä voidaan muunnella patenttivaatimusten puitteissa täysin vapaasti. Näin ollen on selvää, että keksinnön mukaisen 5 laitteen tai sen yksityiskohtien ei välttämättä tarvitse olla juuri sellaisia kuin kuvioissa on esitetty, vaan muun-laisetkin ratkaisut ovat mahdollisia.

* · · ♦ · • « • ♦ « « · · • · · « • · · • » · • « · • · · « · · • · · 1 · ·

Claims (8)

103439

1. Menetelmä äänennopeuden mittaamiseksi nesteessä, jossa mitattavaan nesteeseen lähetetään äänipulssi tai 5 äänipulssiryhmä ja jossa menetelmässä mitataan äänipulssin tai äänipulssiryhmän kulkuaika mitattavassa nesteessä, tunnettu siitä, että äänipulssi tai äänipulssiryhmä lähetetään yhtäaikaisesti samalla lähettimellä (1, 6) sekä mitattavaan nesteeseen (5) että referenssimateriaaliin (3), 10 jossa äänennopeus on ennalta tunnettu ja että mitattavasta nesteestä (5) ja referenssimateriaalista (3) saapuva ääni-pulssi tai äänipulssiryhmä vastaanotetaan ja aikaväli mitataan samalla mittavälineellä (2, 6).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n-15 n e t t u siitä, että äänipulssi tai äänipulssiryhmä ohjataan kulkemaan yhtä pitkän matkan mitattavassa nesteessä (5) ja referenssimateriaalissa (3).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että äänipulssi tai äänipulssiryhmä 20 muodostetaan ultraäänen avulla.

4. Laite äänennopeuden mittaamiseksi nesteessä, joka laite käsittää lähettimen, joka on sovitettu lähettämään : äänipulssin tai äänipulssiryhmän mitattavaan nesteeseen ja vastaanottimen, joka on sovitettu vastaanottamaan mitat-25 tavassa nesteessä kulkeneen äänipulssin tai äänipulssiryh- :·. män, tunnettu siitä, että laite käsittää mitattavaa ]... nestettä varten varatun tilan (4) lisäksi referenssimate- • · i * riaalia olevan osan (3), jossa äänennopeus on ennalta tunnettu, että sama lähetin (1, 6) on sovitettu lähettämään • « · v ’ 30 äänipulssin tai äänipulssiryhmän yhtäaikaisesti sekä mitat- • · · V · tavan nesteeseen (5) että referenssimateriaaliin (3) ja että sama vastaanotin on sovitettu vastaanottamaan mitatta-vasta nesteestä (5) ja referenssimateriaalista (3) saapuvan äänipulssin tai äänipulssiryhmän sekä laskemaan saapuvien 35 äänipulssien tai äänipulssiryhmien välisen aikavälin (At) . 103439

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että äänipulssi tai äänipulssiryhmä on sovitettu kulkemaan yhtä pitkän matkan mitattavassa nesteessä (5) ja referenssimateriaalissa (3).

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että mitattavaa nestettä (5) varten varattu tila (4) ja referenssimateriaali (3) on sovitettu lähettimen (1) ja vastaanottimen (2) väliin.

7. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen laite, 10 tunnettu siitä, että lähetin ja vastaanotin (6) on sovitettu mitattavaa nestettä (5) varten varatun tilan (4) ja referenssimateriaalin (3) toiselle puolelle ja että mitattavaa nestettä varten varatun tilan (4) ja referenssi-materiaalin (3) vastakkaiselle puolelle on sovitettu hei-15 jastinelementti (7).

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että lähetin on sovitettu toimimaan ultraäänialueella. • · · • · • · · • · · # · · • « 1 • · o « · « · · « « ( • · » · · a 103439