FI76885C - Akustiskt stroemningsmaetningsfoerfarande och anordning foer tillaempning av detta. - Google Patents

Description

76885 1 Akustinen virtausmittausmenetelmä ja sitä soveltava laite Akustiskt strömningsmätningsförfarande och anordning för tillämpnlng av detta 5

Keksinnön kohteena on akustinen virtausmittausmenetelmä kaasujen, nesteiden ja/tai multifaaslsuspeneloiden virtausnopeuden, tilavuusvirtauk-10 sen ja/tai massavirtauksen mittaamiseksi putkessa tai vastaavassa aalto-putkessa myötä- ja vastavirtaan eteneviä ääniaaltoja käyttäen.

Lisäksi keksinnön kohteena on keksinnön menetelmän toteuttamiseen tarkoitettu laite, joka käsittää mittausputken tai vastaavan aaltoputken, 15 jossa mitattava virtaus kulkee, joka laite käsittää edelleen äänisignaalin lähetysanturit kuten kaiuttimet, jotka on kytketty välimatkan päähän toisistaan mittausputken tai vastaavan yhteyteen ja että laite käsittää äänen vastaanottoanturlt kuten mikrofonit.

20 Kaasun virtausmittauksiln on kehitetty paljon erilaisia mittausmenetelmiä, jotka perustuvat paine-eroon (venturlputket), osklllaatloon (vortex) tai turbiinimlttaukseen. Em. tunnettujen mittausmenetelmien suurin epäkohta on se, että menetelmät ovat riippuvia asennuspaikan virtausprofii-lista. Tällöin kallbrointilaitoksissa tehty mittareiden tarkastus el 25 vastaa enää tarkoin mittarin sijoituspaikan virtausoloja. Lisäksi ka- librointimittaus pysäyttää mahdollisesti prosessilinjan putkiston käytön.

Seuraavassa selostetaan keksintöön lählten liittyvää tekniikan tasoa.

30 US-patentista 4,445,389 on ennestään tunnettu putken taeoaaltomoodiin perustuva virtausnopeuden, tllavuusvirtauksen ja massavirtauksen mittalaite fluidellle. US-patentlssa esitetyssä laitteessa käytetään kahta vakiotaajuutta, jolta kontrolloidaan sähköisesti. Mittalaitteella saadaan erikoisjärjestelyin myötä- ja vastavirtaan etenevän ääniaallon 35 superposition seurauksena putkeen seisova-aalto, jonka vaihe-eroa verrataan referenssitilanteeseen. Valhe-ero havaitaan kahdella mikrofonilla, joista saatavan signaalin amplitudin perusteella mittauselektroniikka 2 76885 1 laskee virtauksen aiheuttaman valhe-eron. Mittauksesta saatava valhe-ero on verrannollinen virtausnopeuteen. Menetelmän valkeutena on kuitenkin mitata tarkasti amplitudin avulla valhe-ero voimakkaassa melussa esim. teollisuusympäristössä. US-patentlssa esitetään käytettäväksi erlkols-5 valmisteisiä Jyrkkiä suodattimia ja erityisen mlttausputken eristämistä muusta putkistosta edellä mainittujen seikkojen pienentämiseksi. Nämä seikat kuitenkin hankaloittavat tai jopa estävät menetelmän käytön teollisuusympäristössä.

10 Lisäksi em. US-patentln mittalaite vaatii toimiakseen erittäin sähköisesti symmetriset laajakaistaiset (A f - 200 kHz) ja suhteellisen kalliit mikrofonit vaihe-ero vääristymien ehkäisemiksi. Menetelmä vaatii myös mikrofonien tarkkaa asettelua heijastusten ym. häiriölähteiden pienentämiseksi. Näiden seikkojen eliminoiminen palkoissa, joissa lämpötilan muutokset ja 15 muut häiriöt ovat huomattavia, on työlästä. Mittalaite on teollisuusympä-rlstössä häiriöaltis ja varovasti käsiteltävä kokonaisuus.

Hubert Lechner on esittänyt artikkelissaan L. H. Lechner: "Ultrasonic flow metering based on transit time differentials which are insensitive 20 to flow profile", J. Acouet. Soc. Am. 74 (3) Sep. 1983, menetelmän ultraäänen käyttämiseksi aaltoputkessa myötä- ja vastavirtaan. Menetelmässä virtausnopeus jää kuitenkin riippuvaiseksi äänennopeudesta tutkittavassa nesteessä. Tällöin nesteen koostumuksen muutokset, lämpötila, tiheys, paine vaikuttavat mittauksen tarkkuuteen suuresti. Em. artikkelissa esl-25 tetty menetelmä ei sovellu kaasuvlrtauksien mittaamiseen, sillä ultraääni vaimenee nopeasti useissa kaasuissa sekä ultraäänianturin akustinen sovitus kaasuihin on vaikeaa riittävän suuren signaalin aikaansaamiseksi.

Vanhemmissa ultraäänitekniikkaan perustuvissa (L. C. Lymmworth:"Ultra-30 sonic flowmeters", Physical Acoustics, Academic Press, vol. 14.

pp. 407-525, 1979) ratkaisuissa ääni johdetaan myötä- ja vastavirtaan vinosti putken halkaisijan kautta. Tämä kuitenkin johtaa vlrtausporfiili riippuvuuteen vaikuttaen näin tarkkojen mittausten suorittamista.

35 Lisäksi ennestään tunnetaan ultraäänitekniikkaa ja korrelaatlotekniikkaa soveltavia mittausmenetelmiä, joiden osalta viitataan esimerkkinä FI-patenttiln 67627 (vastaava US-patenttl 4,484,478).

3 76885 1 Esillä olevan keksinnön ylelstarkoltuksena on tekniikan tasossa ilmenneiden epäkohtien poistaminen.

Keksinnön erityistarkoituksena on aikaansaada sellainen virtausmittaus-5 menetelmä ja laite, joka soveltuu tunnettuja paremmin teollisuusympäris-töön ja on tunnottomampi siellä esiintyville häiriöille kuten melulle tms.

Keksinnön lisätarkoituksena on ennestään tunnettujen laitteiden mittaustarkkuuden parantaminen.

10

Keksinnön tarkoituksena on myös aikaansaada sellainen laite, joka on tunnettuja laitteita tunnottomampi mitattavan väliaineen paineen, tiheyden tms. muutoksille.

15 Keksinnön tarkoituksena on myös aikaansaada sellainen vlrtauemittaue-menetelmä ja -laite, joka Integroi vlrtausnopeusprofiilin.

Edellä esitettyihin ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi keksinnön menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, 20 että äänilähteistä tuleva laajakaistainen äänisignaali saatetaan kulkemaan mittausputkessa tai vastaavassa aaltoputkessa sekä myötä- että vastavirtaan tasoaaltomoodlssa ja 25 että myötä- ja vastavirtaan mitattujen äänisignaalien korrelaatiofunktioiden maksimista ja/tal minimistä saatujen äänen kulkuaikojen sekä mittauspisteiden keskinäisen välimatkan perusteella määrätään virtausnopeus ja siitä edelleen tarvittaessa tunnetulla tavalla laskemalla tilavuusvlrtaus ja/tai maesavlrtaus kaasuissa, nesteissä ja multifaasi-30 suspensioissa.

Keksinnön mukaiselle laitteelle on puolestaan pääasiallisesti tunnusomaista se, 35 että mainitut äänen vastaanottoanturlt on sovitettu tietylle tunnetulle etäisyydelle toisiinsa nähden ja mainitut äänisignaalin lähetysanturit on sijoitettu ensimmäinen tasoaaltomoodln muodostumisen kannalta rlittä- 4 76885 1 välle etäisyydelle ylävirtaan ensimmäisistä äänen vastaanottoanturelsta ja toinen äänisignaalin lähetysanturelsta on vastaavasti sijoitettu tietylle etäisyydelle alavirtaan mainitusta toisesta äänen vastaanotto-anturista , 5 että laite käsittää signaaligeneraattorin ja vahvistimen, joilla syötetään laajakaistaiset äänisignaalit mainitulle ensimmäiselle ja toiselle äänen lähetysanturllle ja 10 että laite edelleen käsittää korrelaattorin, johon syötetään ensimmäisestä ja toisesta äänen vastaanottoanturista saadut signaalit.

Keksinnön olennainen etu on mm. siinä, että virtausnopeuden profiilin vaihtelut saadaan huomioonotetuiksi (Integroiduksi) sekä virtaussuunnassa 15 että poikkleuunnassa.

Seuraavaesa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisen piirustuksen kuvioissa esitettyihin keksinnön eräisiin sovellus-esimerkkeihin, joiden yksityiskohtiin keksintö ei ole mitenkään ahtaasti 20 rajoitettu.

Kuvio 1 havainnollistaa keksinnön perustana olevaa akustista tasoaaltoa mlttausputkessa, jossa liikkuu mitattava virtaus.

25 Kuvio 2 esittää korrelaatiovirtausmlttauksen yleisperiaatetta.

Kuviossa 3 on esitetty funktiot f^(t) ja f2(t) ja niiden ristlkorrelaatio-funktlo Rj 2* 30 Kuvio 4 esittää keksinnön mukaista menetelmää ja laitetta kaavlollisestl ja osittain lohkokaaviona.

Kuvio 5 esittää kaavlollisestl lohkokaaviona keksinnössä sovellettavaa polariteettikorrelaattorla.

Kuvio 6 esittää keksinnön multlpleksorivalhtoehtoa.

35 5 76885 1 Kuvio 7 esittää keksinnön mukaisen polariteettikorrelaattorin kytkin-kaavaa .

Kuvio 8 esittää korrelaatiofunktiota tietyllä kaasun virtausnopeudella.

5

Kuvio 9 esittää keksinnön mukaisen akustisen mittauksen ja tunnetun vortex-mittauksen korrelaatiota.

Kuvio 10 esittää virtausmäärää Q mitattavan virtauksen aikaansaavan puhal-10 timen moottorin taajuuden (fm) funktiona.

Aluksi selostetaan keksinnön mukaisen mittausmenetelmän periaatteellista taustaa.

15 Keksinnön virtausmittausmenetelmässä käytetään hyväksi suhteellisen laajakaistaisia ääniaaltoja, jotka etenevät mittausputkessa 10a myötä-ja vastavirtaan mittauksen kohteena olevaan kaasuvirtaukseen e nähden. Äänlspektrin maksimltaajuus on valittu putken 10a tasoaallon rajataajuudelle yhtälön (1) mukaisesti.

20 fcoto£f " 1,7 · D 0> missä 25 c = äänen nopeus ko. vapaassa kaasussa D * putken halkaisija.

Keksinnössä mitataan virtausnopeus korrelaatlotekniikalla reaaliaikaisesti (kuvio 1) käyttäen putkessa 10a tai vastaavassa virtauskanavassa 3Q etenevää jatkuvaa laajakaistaista ääniaaltoa, jonka taajuusalue on Helm-helzin aaltoyhtälöstä määräytyvän perusmoodln rajataajuuden (kaava 1) alapuolella mittausgeometriassa. Em. taajuuden fcutoff alapuolella ete-nee vain tasoaalto, joka integroi virtausprofiillt vastaanottoanturelden välisen putkitiheyden yli. Näin mittauksesta saadaan lämpötila-, tiheys-35 ja virtausprofUlista riippumaton (B. Robertson: "Flow and temperature profile Independence of flow measurements using long acoustic wawes", J. of Fluids Engineering, March 1984, voi. T06/T9; B. Robertson: "Effect of 6 76885 1 arbitrary temperature and flow profiles on the speed of sound in a pipe", J. Acoust. Soc. Am. vol. 62, nro 4, Oct 1977). Mittaus ei myöskään aiheuta paine-eroja mittausväline.

5 Keksinnön mukaisessa vlrtausmlttausmenetelmässä sovelletaan reaaliaika-korrelaattoria, soplvimmin polaarlteettlkorrelaattoria 100, joka on kehitetty VTT:n reaktorilaboratoriossa. Korrelaattorln 100 rakenne-esimerkkiä ja toimintaa selostetaan seuraavassa tarkemmin kuvioihin 5 ja 6 viitaten.

10 Keksinnössä sovelletaan edullisimmin polariteettikorrelaattoria 100, jota käytetään kahden komparaattorista 110 saatavan blnäärlsignaalln risti-korrelaatiofunktion määrittämiseen. Toinen tulosignaali, f^(t), on tosi-ajassa ja toista f^Ct-f), viivästetään silrtorekleterln avulla. Kun f^ - f^. puhutaan autokorrelaatiofunktiosta. Sana "polariteetti" tar-15 koittaa, että jos funktiot f j ja f2 ovat jatkuvia, niiden arvo määritetään vain yhden bitin tarkkuudella, te. päätetään onko funktio positiivinen vai negatiivinen verrattuna ennalta määrättyyn "nolla"-vertailu-tasoon. Jos signaalien mahdolliset arvot ovat +1 (positiivinen) ja -1 (negatiivinen), normalisoitu korrelaatiofunktio voidaan määrittää 20

ITI

Rl2(x) s — / -(f l(t)f2(t-x)+l)dt.

T 0 2 (la)

Kun signaalien välillä on voimakas positiivinen korrelaatio, funktio R^ 2 25 8aa lähellä 1 olevan arvon, ja kun kysysmyksessä on voimakas negatiivinen korrelaatio, arvo on lähellä nollaa. Kun korrelaatiota ei ole lainkaan, saadaan arvo 0,5.

Jos signaalin f^ tai f2 positiivinen arvo määritellään loogiseksi arvoksi 30 it samalla kun negatiivinen arvo vastaa loogista 0, looginen funktio, joka saa yhtä suuret arvot integrandlna I(t,-c) »- (f.(T)f (t-x)+l db) 35 2 voidaan toteuttaa eksklusiivisella NOR-portilla.

^ 76885 1 Polariteettikorrelaattori 100 ottaa näytteitä integrandista, yhtälö (Ib), viiveen 'f tietyllä aikavälillä. Integrointi suoritetaan surmaamalla näyt-teenottotulokset laskimiin mittausjaksonajalla T. Kullakin yksittäisellä arvolla X , jota nimitetään kanavaksi, on oma laskijansa. Maksimaalinen 5 näytteenottotaajuus voi olla yhtä suuri kuin siirtorekisterin kellotaajuus. Polariteettikorrelaattorin kaaviokuva on esitetty kuviossa 5. Kuviossa 5 näytteenottotaajuus on yhtä suuri kuin siirtorekisterin kellotaajuus.

Näytteenoton on tapahduttava tietyllä vaihesiirrolla siirtorekisterin 10 kellopulsseihin nähden sen varmistamiseksi, että näytteenotto tapahtuu siirtorekisterin jatkuvuustilassa.

Kuviossa 5 polariteettikorrelaattorimikropiiriä on merkitty viitenumerolla 200 ja rajattu katkoviivalla. Piiri 200 on toteutettu käyttämällä 15 semi-custom-rakennetekniikkaa, joka perustuu Micronas Oy Inc:in 800 porttia käsittävään CMOS-porttimatriisiin 7800. Puolet porttimatriisin 7800 porteista on järjestetty muodostamaan 80 alkutilaan nollattavaa D-kiikkua muiden porttien muodostaessa 160 ULA-elementtiä (Universal Logic Array), jotka koostuvat viidestä nMOS-pMOS-transistoriparista.

20 Nelikanavainen polariteettlkorrelaattoriplirl, joka sisältää 16 bitin aaltolaskimet, on toteutettu yhdelle 7800 porttimatriisipalalle.

Kuviossa 6 on piirikaavio MAS-7808-sirusta, jossa käytetään esilangoi-tettuja D-kiikkuja. Niistä 64 käytetään neljällä 16-bittisellä aalto-laskimella (F2...F17, F20...F35, F38...F53 ja F56...F71). Neljä kiikkua 25 (F18, F36, F54 ja F72) tallettaa muistiin aaltolaskureiden ylivuodot ja neljää (F1,F19, F37 ja F55) käytetään siirtorekisteriketjuun.

Em. sivua voidaan käyttää kahdella olennaisesti erilaisella tavalla, jotka määräytyvät SHIFT/COUNTER (S/C) ohjaustulosta. SHIFT/COUNTER - LOW 30 vastaa normaalia (COUNTER) toimintatapaa, jossa aaltolaskimet laskevat WRITE-eignaalin laskevan reunan näytteittämien signaalien F1 ja F2 sattumat. Yllvuotokllkku asetetaan joka kerta, kun laskimen eniten merkitsevä bitti siirtyy HIGH-tilasta LOW-tilaan. Ylivuotobitin asettaminen johonkin neljästä kanavasta asettaa open drain OFL lähdön LOW-tilaan.

35 Laskimien sisällön lukeminen suoritetaan käyttämällä siirtorekisterin toimintatapaa yhtäaikaisesti saataville, lukemiseen on käytettävä erityistä toimintatapaa. Tässä tavassa 16 aaltolaskinvaihetta on yhdistetty 8 76885 1 muodostamaan 16-bittiset siirtorekisterit, jotka ajastetaan WRITE-signaalin laskevalla reunalla. Jokainen WRITE-pulssl siirtää siirto-rekisteriä eteenpäin yhden askeleen, jolloin laskurien sisällön lukeminen alkaen eniten merkitsevistä biteistä on mahdollista.

5

Korrelaattorissa 100 mittaussignaaleja voidaan vertailla ajallisesti niiden polariteetin perusteella. Signaaleista saatavan ristlkorrelaatlo-funktion ^ maksimi/minimin avulla lasketaan signaalien ajallinen viive. Mittausperiaate on esitetty kuviossa 4.

10

Mitattaessa äänen kulkuaika korrelaattorllla 100 myötä- ja vastavirtaan saadaan kaasun virtausnopeus v. yhtälöllä

KoaoU

15 Vk“8U '5 (ΐ ’ ΐ) (W

missä ^ = myötävirtaan etenevän ääniaallon kulkuaika 2Q Ί2 “ vastavirtaan etenevän ääniaallon kulkuaika L = mittauspisteiden ja M^ keskinäinen välimatka.

Tilavuusvirtaus Q ja massavirtaus M voidaan laskea yhtälöillä (3) ja (4): 25 « vkaasu ' A <3) missä A keskimääräinen poikkipinta-ala mlttausvällllä 30 vkaasu * kaasun virtausnopeus, ja ideaalikaasullla M voidaan laskea seuraavasti

VP

35 M - Q · ? (4) 9 76885 ^ missä Ϋ adiabaattinen kaasuvakio P paine putkessa 5 c “ äänen nopeus kaasussa *» L/2 (1+ l/*^).

Kuviossa A esitetyssä mittausjärjestelyssä ääniaalto mittausputkessa 10a etenee myötä- ja vastavirtaan nopeuksilla c+vjac-v(c= äänen-nopeus ko. aineessa ja v * virtausnopeus). Mittaamalla korrelaattorilla 10 100 vastaavat kulkuajat 'f ja ^ ja käyttämällä niiden käänteisarvoja (yhtälö (2)) eliminoituu äänennopeus mitattavassa aineessa pois. Koska mittaus voidaan tehdä samanaikaisesti myötä- ja vastavirtaan, on virtausnopeus v riippumaton äänennopeudesta, paineesta, lämpötilasta ja tiheydestä ko. aineessa.

15

Menetelmässä käytettävä polarlteettlkorrelaattori 100 huomioi vain signaalin vaiheen, mutta el amplitudia. Vertaamalla riittävän suuri määrä signaalin keskiarvon ylityksiä (T) ja alituksia (Q) keskenään, voidaan kahden mittaussignaalin keskinäinen korrelaatio määrätä. Korrelaatio-20 funktio kertoo sen aikaviiveen, jolloin sama binäärijono esiintyy kahdessa mittauspisteessä. Tämän vuoksi antureista saatavan amplitudin tarkkuus ei vaikuta mittaukseen, kun signaali-kohinasuhde pidetään riittävänä lähetysslngaalln avulla (meluympäristössä lähetettävä akustinen teho säädetään sopivan suureksi). Menetelmä el vaadi erityisiä 25 suodatuksia mlttausslgaalellle. Lisäksi mittausalueen laajuus on markkinoilla olevia vlrtausmlttareita laajempi.

Seuraavassa selostetaan keksinnön mukaisen mittausmenetelmän ja laitteen eräitä edullisia yksityiskohtaisia toteutusesimerkkejä sekä niillä suori-30 tettuja koemittauksia.

Kuviossa 4 kaaviollisestl lohkokaaviona esitetty mittausjärjestely käsittää signaaligeneraattorin 14, joka syöttää vahvistimen 15 kautta mittaueputken 10a yhteydessä kohdissa K^ ja K^ oleviin kaiuttimiin 13a 33 ja 13b sopivan taajuusalueen omaavat sähkösignaalit. Vastaanottopuolella mittausjärjestely käsittää kohdissa ja M^ mittausputken 10a yhteydessä olevat mikrofonit 14a ja 14b, jotka ovat mainitun mittausvälin L

10 76885 1 päässä toisistaan. Mainituilla mikrofoneilla 14a ja 14b vastaanotetut sähkösignaalit johdetaan komparaattorille 110, joka vertailee signaaleja ja syöttää ne sopivasti muokattuina korrelaattorllle 100. Korrelaatto-rllta 100 syötetään mittaussignaali yksikölle 120, joka sisältää esim.

5 tietojenkäsittelylaitteen, joka laskee kaavojen (2), (3) tai (4) perusteella mitattavan virtausnopeuden v, tarvittaessa mitattavan virtaus-nopeuden Q tai mitattavan massavirtauksen M. Yksikköön 120 kuuluvat myös sopivat mittaustuloksen tulostus- tai näyttölaitteet.

10 Kuviossa 7 on esitetty kaaviollleesti eräs keksinnön edullinen sovellus-muoto, jossa käytetään yhtä korrelaattorlykslkköä 100 ja useita mittaus-putkia 10^,10^,10^...10^ (mittausputkia on N kpl). Eri mittausputkista saatavat mittaussignaalit johdetaan multipleksoriykeikköön 130, joka kytkee kunkin mittausputken mittaussignaalit vuorollaan korrelaattorl-15 yksikköön 100. Eri mlttausputklen 10p..l0^ mittausajat voivat olla keskenään erilaiset ja multipleksoriyksikkö 130 voidaan sovittaa toimimaan tarvittaessa myös niin, että kaikkia mittausputkia el kytketä vuorotellen peräkkäin korrelaattoriyksikköön 100, vaan tietty tai tietyt mittausputket kytketään harvemmin kuin toiset mittaustarpeen asettamien 20 vaatimusten mukaisesti.

Keksinnön menetelmän mukaisia mittauksia tehtiin VTT:n reaktorilaboratorion kaasuvlrtausputkistolla, joka oli järjestetty kuvion 4 mukaisesti. Mitattavana kaasuna käytettiin ilmaa, jonka virtausnopeutta v voitiin 25 säätää putkistoon 10 liitetyllä invertterikäyttäisellä moottorilla 11a varustetulla puhaltimella 11. Mlttausputkena käytettiin 2 mm:n seinä-mäistä ja 88,9 mm:n halkaisljalsta teräsputkea 10a.

Ääniaallot johdettiin putkistoon T-haarakappaleiden 12a ja 12b kautta 30 kaiuttimien 13a ja 13b avulla. Mittaus suoritettiin ohjaamalla kaiuttimiin 13a tai 13b sinimuotoinen taajuuspyyhkälsy vuorotellen myötä- ja vastavirtaan alueella 0,6 - 2,4 kHz ja mittaamalla äänisignaalit mikrofoneilla 14a ja 14b (Sennhelser KE4-211 0 4,75 mm, pit. 4,2 mm). Taajuuspyyhkälsy voi sopivasti olla yleensä alueella 0,1-10 kHz kaava 35 (i) huomioonottaen. Taajuuspyyhkäisyn aika (5,0 s) asetettiin samaksi kuin korrelaattorin 100 mittausaika. Mikrofonien 14a ja 14b signaalit muutettiin komparaattorilla 110 TTL-tasoiseksi pulssijonoksi. Pulssi- Π 76885 1 jonojen vertailun tuloksena kaasun virtausnopeudella v « 12 m/s korre-laattorlsta 100 saatiin korrelaatiofunktio, joka on esitetty kuviossa 8.

Mittausarvoissa el ole otettu huomioon mahdollisia lämpötilan muutoksia 5 myötä- ja vastavirtaan tehtyjen mittauksien välillä. Mittaustulokset on esitetty seuraavassa taulukossa 1, jossa on lasketty kymmenen mittauksen keskiarvo ja keskihajonta virtausnopeudelle jokaisella moottorin 11a taajuuden f arvolla.

10 15 20 25 30 35 12 7 6 8 8 5 9 m a s

CD CD

JS 8 > α ^ οι^ιηΝΗΗΝπ^ΝΗ>}^

<3 > ^ CSIOOOOOOOOOOOO

o ©

VO vO vO lO -fl· SO

OOOOOO -41010

OOOOOO—*(s4CO(MOOO

»I * λ * * * o O O O ft ft «I

9 ?l ?l ?l ¥l ?l ¥l 9 9 o o ?, i? ?| co o 9 0ί —4 ö tI tI +1 tI on * esi am oovovooooooasvovovor^r^ «0's» csir~—i—i^clOCMiOOO ««« £3 »»»»»*>«·>«» Q H CS| >4-4 OO—iCsiCSIstvOrsoOOs—i—<~h

V

m A! o u —ι —I Ή

9 «J «J

O *J (0 -H

J»! CO 9 U

M3 0(0 9 a U 9 ι-i w a o 3 U O' U os OS©rsiOiO«Ou-|«OvOiOiO>0© 0} *H ^ CQ N ft»··»·»**·»·»··*»·»·»

Hä <3 O' s^ CM—«OOOOOOOOOOO

ft o o

H

SO 00 Ο Ο Ο u"> sO Η Μ Μ (Λ *·»**»·»*

O H ft ft ft ft ft O O H H H H H

•H * 0 0 0 0 0 m ° ,, ., ,. . ,. +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 2 's ,+1+1+1 +1 +1 9Λ +1 o4v£>too<no<o O — (0000(s|-<t ·>·>»»·.·>« 0(0 cs| » » · * •(OCO'jHNOiO'

αβ ssj-ro^ososcN-^-r^o—ifOLO

O' ' st—iCMstiOOO—I H h N N N N

lO

X

a ^ (M

4J J3 1+ 0<0(0(0000s ^ ^ ft ft. ft ft * ft*

O CO **ιθ*-*Ό—»COO

> Q r^oocNmr^ocN^·

O' w lllliOOO^H—‘«-»CN4CSCMI

«Η

U

o w

4J

0/-N OOOOOOOOOOO—»O

032 —•mtnoNCSootnomomOLn ih ^ ^h—» <n en ^ ^ m m 13 76885 1 Virheet taulukossa 1 on laskettu keskivirheen kasautumislain nojalla seuraavasti: - V .V(L - i-)2 (Ä,2 + iiiOi + uor, (5) τ1 τ2 L τ,4 τ24 5 missä v - kaasun virtausnopeus 10 rrr2 * äänen kulkuajat myötä- ja vastavirtaan A 1» Δ 2 " kulkuaikojen keskihajonta Δ^ mittausvälin virhe (* 0,002 m) L * mittausvälin pituus (* 6,29 m).

15 Λ/,Δν 2 ^ (6) ÄQ s Q · V (—)2 + (^-) # missä 20 v virtausnopeus ^v virtausnopeuden virhe A - keskimääräinen poikkipinta-ala mittausvälillä ^A/A keskimääräinen poikkipinta-alavirhe = 2 · /^r/r r * putken sisäsäde («= 42,A5 mm) 25 ^ r - putken sisäsäteen virhe (+0,1 mm).

Mittaustuloksia verrattiin Endress + Hauserin valmistamaan FL0WTEC DMV6330 vortex-virtausmittariin 20, jonka tarkkuudeksi valmistaja 3 ilmoittaa 1 % loppuarvosta (250 m /h) tai mittausarvosta.

30

Kuviossa 9 on esitetty akustisen vlrtausmittauksen korrelaatio vortex-virtausmittaukseen.

Mittauksessa on yhteisenä parametrinä puhaltimen 11 moottorin 11a syöttö-55 taajuus fQ. Tätä taajuutta käyttämällä kuviossa 10 on verrattu virtaus-määrän riippuvuutta moottorin 11 pyörimistaajuuteen f .

14 76885 1 Akustinen vlrtausmittaus ja vortex-virtausmittaus antoivat hyvin virhe- rajojen sisällä yhteensopivia tuloksia. Menetelmien rlstikorrelaation 2 (r * 0,9994, kuvio 8) ja menetelmien vaste moottorltaajuuden f 2 ° muutoksiin (r * 0,9999) osoittavat, että keksinnön mukainen akustinen 5 vlrtausmittaus on hyvin lineaarinen ja luotettava tapa virtausnopeuden ja virtausmäärän mittaamiseksi.

Keksinnön mukainen akustinen mittaus vaikuttaa myös olevan tunteeton lämpötilan (kompensointi), paineen, tiheyden ja virtausprofiilln 10 muutokselle mittausvällllä. Korrelaatioteknllkan ansioeta päästään tarkkaan aikamittaukseen suhteellisen matalilla taajuuksilla. Parhaimmaksi suhteelliseksi alkaresoluutioksi laitteistolle saatiin (v 0 m/s) At/t 0,06 ps / 18271,6 us 3Ί0 ^ viiden perättäisen äänen kulkuajan mittaukselle (mittausaika 5,0 s/mlttauskerta).

15

Edellä selostetun laitteiston lyhyin mahdollinen mittausaika on n. 0,1 s, mikä tarjoaa nopean tavan virtausnopeusmuutokslen tutkimiselle laajalla (0 - 100 m/s) mittausalueella.

20 Lämpötilan mahdollisilla muutoksilla myötä- ja vastavirtaan tehtyjen mittausten välillä saattaa olla myös merkitystä mittausvirheisiin, sillä 0,1 asteen muutos aiheuttaa virtausnopeuteen n. + 0,03 m/s lisävlrheen. Tämän eliminoiminen voidaan toteuttaa lämpötilan mittauksella tai tekemällä äänen kulkuaikamittaus myötä- ja vastavirtaan samanaikaisesti.

25

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella ja poiketa edellä vain esimerkinomaisesti esitetyistä.

30 35

Claims (10)

15 76885

1. Akustinen virtausmittausmenetelmä kaasujen, nesteiden ja/tal multi-faaslsuspenslolden virtausnopeuden, tllavuusvirtauksen ja/tal massavir- 5 tauksen mittaamiseksi putkessa (10a) tai vastaavassa aaltoputkessa myötä-ja vastavirtaan eteneviä ääniaaltoja käyttäen, tunnettu siltä, että äänilähteistä (13a,13b) tuleva laajakaistainen äänisignaali saatetaan kulkemaan mittausputkessa (10a) tai vastaavassa aaltoputkessa sekä 10 myötä- että vastavirtaan tasoaaltomoodissa ja että myötä- ja vastavirtaan mitattujen äänisignaalien (f^(t), f2(t)) korrelaatiofunktioiden (R^ 2) maksimista ja/tal minimistä saatujen äänen kulkualkojen (Ί^, ^2) 8*kä mittauspisteiden (Mj,M2) keskinäisen väll-15 matkan (L) perusteella määrätään virtausnopeus, ja siitä edelleen tarvittaessa tunnetulla tavalla laskemalla tilavuuevirtaus ja/tal massa-virtaus kaasuissa, nesteissä ja multlfaasisuspeneloissa.

1 Patenttivaatimukset

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siltä, 20 että mitattava virtausnopeus (v) lasketaan mittauspisteiden (M^,M2) keskinäisen välimatkan (L) ja mainitusta korrelaatlonfunktlosta saatujen äänenkulkuaikojen (*Γ^ ja Ί^) mittausväline myötä- ja vastavirtaan perusteella seuraavasta kaavasta 25 1 Λ A V'H^'V ja/tal että tilavuusvirtaus kaasuissa, nesteissä ja multifaasisuspen-siolssa lasketaan käyttäen hyväksi mlttausputken (10a) keskimääräistä 30 sisäpoikklpinta-alaa (A) mittausväline seuraavasta kaavasta

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään polariteettlkorrelaattoria (100), joka on olennaisesti amplitudista riippumaton. 16 76885

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä laajakaistaisena äänisignaalina käytetään taajuuspyyh-5 kälsyä, jonka aaltomuoto on eoplvimmin sinimuotoinen, ja että taajuuspyyhkäisyn ylärajataajuus on yleensä alueella 0,1-10 kHz kaava (1) huomioonottaen.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että laajakaistaisen äänisignaalin lähetysaika, kuten taajuus-pyyhkäieyn aika, asetetaan samaksi kuin korrelaattorin (100) mlttausalka.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu 15 siitä, että menetelmässä sovelletaan useampia mlttausputkia (10^...10^), jotka kytketään kukin vuorollaan multlpleksoriykslkön (130) kautta samalle korrelaattorlykslkölle (100).

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukaisen menetelmän toteuttamiseen 20 tarkoitettu laite, joka käsittää mittausputken (10a) tai vastaavan aalto-putken, jossa mitattava virtaus kulkee, joka laite käsittää edelleen äänisignaalin lähetysanturlt kuten kaiuttimet (13a,13b), jotka on kytketty välimatkan päähän toisistaan mittausputken (10a) tai vastaavan yhteyteen ja että laite käsittää äänen vastaanottoanturlt kuten mlkro-25 fonit (14a,14b), tunnettu siitä, että mainitut äänen vastaanottoanturlt (14a,14b) on sovitettu tietylle tunnetulle etäisyydelle (L) toisiinsa nähden ja mainitut äänisignaalin lähetysanturlt (13a,13b) on sijoitettu ensimmäinen (13a) tasoaaltomoodin 30 muodostumisen kannalta riittävälle etäisyydelle ylävirtaan ensimmäisistä äänen vastaanottoanturelsta (14a) ja toinen äänisignaalin lähetysantu-reista (13b) on vastaavasti sijoitettu tietylle etäisyydelle alavirtaan mainitusta toisesta äänen vastaanottoanturista (14b), 35 että laite käsittää signaaligeneraattorin (14) ja vahvistimen (15), joilla syötetään laajakaistaiset äänisignaalit mainitulle ensimmäiselle ja toiselle äänen lähetysanturllle (13a,13b) ja 17 76885 1 että laite edelleen käsittää korrelaattorin (100), johon syötetään ensimmäisestä ja toisesta äänen vastaanottoanturista (14a,14b) saadut signaalit.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että 5 mainittuna korrelaattorina on polarlteettikorrelaattori (100).

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainituista ensimmäisestä ja toisesta äänen vastaanottoanturista (14a,14b), sopivimmin mikrofoneista, saadut sähköslgnaalit syötetään 10 komparaattoriin (110), jossa niitä verrataan ja vertauksen lähtösignaa-lit syötetään mainlttun polarlteettikorrelaattoriin (100).

10. Jonkin patenttivaatimuksen 7-9 mukainen laite, tunnettu siltä, että laitteeseen kuuluu joukko (N kpl) erillisiä mittausputkia 15 (10^...10^) ja että laitteeseen kuuluu edelleen multlpleksorlykslkkö (130), joka on sovitettu kytkemään eri mlttausputkien mittaussignaalit sopivassa mlttaussekvenssissä vuorollaan samalle korrelaattorlyksikölle (100). 20 25 30 35 18 768 8 5 Ί Patentkrav