FI90379B - Nesteen virtausmittari - Google Patents

Description

1 90379

NESTEEN VIRTAUSMITTARI - VÄTSKESTRÖMMÄTARE

Keksinnön kohteena ovat virtausmittarit ja virtausanturit, jotka käyttävät hyväkseen nestevärähte-5 lijää, joka on järjestetty siten, että värähtelyn taajuus osoittaa mitattavaa tai ilmaistavaa virtausmäärää.

Erästä tällaista virtausmittaria selostetaan julkaisussa 6B-A- 1 593 680, jossa neste virtaa kammion keskiviivalla olevan suuttimen läpi, joka kammio on 10 jaettu jakajalla keskiviivaltaan, ja C-muotoinen elin jakaa kummankin jaetun kammion puoliskon ulkokanavaan ja keskivyöhykkeeseen. Jos suuttimesta tuleva suihku kulkee suutinta vastapäätä olevan jakajan toiselle puolelle, se virtaa ulkokanavaan, joka muodostaa ta-15 kaisinkytkentäkanavan sille puolelle kammiota saapuakseen poikittaisessa suunnassa suuttimen suuta vastaan pakottaen siten suuttimesta tunkeutuvan nesteen kohden jakajan toista puolta siten, että virtaus vaihtuu kammion toiselle puolelle. Vaihtotaajuus on virtausmäärän 20 funktio. Takaisinkytkentäkanavan putkissa olevat anturit tunnustelevat paine- ja virtaushäiriöitä tilavuusvirta-määrään osoituksen antamiseksi. Kaikki tähän asti kuvatut komponentit ovat yleisiä, mutta ulostulot kustakin keskivyöhykkeestä ulottuvat pois yhteisen laitteesta 25 ulostulon tasosta.

Julkaisussa GB-A-1 593 680 kammio on jaettu osapuilleen V-muotoisella jakajalla, jossa on terävä kärki. Jakajan kärki ja seinämän kärjet, jotka jakavat takaisinkytkentä- ja ulostulokanavat, ovat kaikki samal-30 la etäisyydellä suuttimesta. Ulostuloputket on erotettu jakajasta takaisinkytkentäkanavilla. Tämä on tärkeätä, koska kun suihku poikkeutuu laitteen keskiviivalta, niin ensimmäinen kanava, johon se kulkee on takaisinkyt-kentäkanava. Jos takaisinkytkentäkanava on erotettu 35 jakajasta ulostulokanavassa, niin päävirtaus suihkusta vaikuttaa ensiksi ulostuloon ja laite on vähemmän herkkä, kuin jos takaisinkytkentäkanava olisi määritetty 90379 2 jakajan sivukanavaan. Toinen parametri, joka vaikuttaa herkkyyteen, on takaisinkytkentäkanavan pituus, ja tässä se on pitkä, koska sen on kuljettava ulostulokanavan ympäri.

5 On havaittu, että jakajan kärkien ja seinämien, jotka erottavat takaisinkytkentä- ja ulostulokanavat toisistaan, suhteelliset asemat ovat tärkeitä. Keksinnön mukaisesti tuodaan esiin nesteen virtausmittari, joka on esitetty patenttivaatimuksessa 1. Etäisyys jakajan 10 sekä ulostulo- ja takaisinkytkentäkanavien välillä mitattuna mittarin keskiviivaa pitkin suuttimen suulta on edullisesti 1-4 kertaa suuttimen leveys. On havaittu, että tämä viimeksimainittu alue antaa suurimman herkkyyden alhaisimmilla Reynoldsin luvuilla kytkeytyneenä 15 vasteen tasaisuuteen erilaisille Reynoldsin luvuille. Etäisyys kärjistä ulostulo- ja takaisinkytkentäkanavien väliin mitattuna mittarin keskiviivalta suuttimen suulta on edullisesti 5,6 - 12,0 kertaa suuttimen leveys.

Keksinnön lisäpiirteenä on takaisinkytkentä-20 kanavien kulku pois keskitasosta, kuten yllä mainittiin, ja takaisin tuohon tasoon jälleen. Tämä mahdollistaa ulostulokanavien jäämisen keskitasoon kulkiessa takaisinkytkentäsilmukan sisäpuolelta ulkopuolelle, ja liittymisen yhteen ulostuloputkeen jakajan takana edel-25 leen tuossa tasossa. Tällä järjestelyllä takaisinkytken-täkanavat voivat kulkea paine-eroanturin kummaltakin puolelta, jonka anturin ulostulo antaa virtausten muu-tostaajuuden osoituksen. Vielä eräs mitta, joka vaikut^ taa herkkyyteen, on takaisinkytkentäkanavien pituus-30 mitä lyhyempiä ne ovat sitä suurempi on herkkyys, ja kanavien suuntaaminen pois keskitasosta mahdollistaa niiden olemisen lyhyempiä kuin kanavat, joiden on ulotuttava keskitasossa olevien ulostulokanavien ympäri. Tämä järjestely helpottaa myös ilman poistumista ta-35 kaisinkytkentäkanavista.

Ajateltavissa olevan koejärjestelyn perusteella on havaittu, että pyörre muodostaa tilavuuden jakajan 11 3 90375 eteen. Tämän pyörteen pyörimissuunta muuttuu, kun neste muuttaa suuntaa liikkuessaan jakajan puolien välillä. Toinen keksinnön mukainen lisäpiirre edistää tämän pyörteen muodostumista ja stabiilisuutta tuomalla esiin 5 jakajan nokassa olevan syvennyksen. Voidaan käyttää syvennyksen erilaisia muotoja; paras muoto, joka on havaittu, on tasaisesti kaareva syvennys, joka sulautuu tasaisesti kaareutuvilla reunoilla jakajan muuhun osaan. Syvennyksen syvyys on edullisesti samaa suuruusluokkaa 10 kuin puolikas suuttimen leveydestä.

Keksinnön esimerkkejä kuvataan seuraavassa viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 on leikkaus virtausmittarista tasossa, jossa enin osa komponenteista on; 15 kuva 2 on poikittaisleikkaus virtausmittarin keskiviivalta; kuva 3 esittää nestevirtausta virtausmittarin kahdessa tilassa; kuva 4 esittää (a):sta (e);hen siirtymistä 20 kuvan 3 kahden tilan välillä; kuva 5 esittää kuvan 1 laitteen osan vaihtoehtoista rakennetta, kuvat 6A ja 6B esittävät kuva 1 virtausmittarin suuttimen vaihtoehtoisia rakenteita; 25 kuva 7 on perspektiivikuva kuva 1 virtausmitta rin anturista; kuva 8 on leikkaus, joka vastaa kuvan 1 leikkausta, vaihtoehtoisesta virtausmittarista; kuva 9 on poikittaisleikkaus kuvan 8 virtaus-30 mittarin keskiviivalta; ja kuva 10 esittää laitteen erilaisia merkittäviä parametreja.

Viitaten kuviin 1-4 virtausmittariin kuuluu tasainen kansilevy 11 ja pohjalevy 12, nesteen virtaus-35 kanavien ollessa muotoiltu pohjalevyn yläpinnan alueelle yhdessä sisääntulo- ja ulostulokanavien 13 ja 14 kanssa, jotka ulottuvat läpi pohjalevyn 12 koko paksuu- 90379 4 den.

Virtausmittari on symmetrinen keskiviivan 15 suhteen, jolla sijaitsee sisääntulo 21, suutin 22 ja jakava jakaja 23, johon on muodostettu syvennys 24 suutin-5 ta vastapäätä olevaan päätyyn, ja jakajan sivuseinämät kaareutuvat tasaisesti syvennykseen, joka itse on tasaisesti kaareutuva. Syvennyksen syvyys on noin yhtä suuri kuin suuttimen leveyden puolikas. Suuttimen 22 ja jakajan 23 välissä alueet keskiviivan 15 kummallakin puolel-10 la on jaettu C-muotoisella seinämällä 27 ulkokanavaan, joka muodostaa takaisinkytkentäkanavan 28 sekä sisä-alueeseen 29, joka johtaa ulostulokanavaan 14, joka ulottuu pohjalevyn paksuuden läpi ulostuloon 31, joka on yhteinen virtausmittarin kummallekin puolelle. Kummankin 15 C-muotoisen seinämän kärki 53, joka on jakajan lähellä, sijaitsee jakajan etupuolella ja on siitä etäisyyden päässä, ja C-muotoisten seinämien ulkopinnat muodostavat siten syvennyksen seinämien tehokkaat pidennykset. Takaisinkytkentäkanavat 28 kulkevat ulostulokanavien 14 20 ympärillä niiden omiin ulostuloihin 19, jotka on suunnattu poikittaisesti suuttimesta 22 tulevan suihkun suhteen.

Neste virtaa läpi koko pohjalevyn paksuuden sisääntulokanavassa 13 mutkan 19 ympäri ensimmäiseen 25 kammioon 21, joka on ylemmässä pinta-alueessa. Mutkan 19 olemassaolo auttaa tasoittamaan häiriöitä mittarin ylävirran virtauksessa, ja se on sisällytetty vaikkakaan ei ole mitään estettä, mikä estäisi sisääntulokanavien olemisen kokonaisuudessaan suurimman osan muista kom-30 ponenteista kanssa samassa tasossa.

Neste virtaa pitkin virtausmittarin keskiviivaa kammiosta 26 suuttimen 22 kautta ja se jaetaan jakajalla 23. Kun suuttimesta 22 tuleva neste kulkee valikoivasti jakajan 23 toiselle puolelle, muodostuu pyörre 35 yhteen suuntaan syvennyksessä 24 ja C-muotoisten seinämien 27 viereisten päätyjen määrittelemässä laajennetussa alueessa ja paine muodostuu valikoivasti vastaavan

II

5 90379 takaisinkytkentäkanavan 28 ulostulossa 19 pyrkien pakottamaan suuttimesta työntyvän nesteen kohti jakajan toista puolta ja kääntämään virtausmittarin tilan. Tilat värähtelevät ja värähtelyn taajuus on virtausmäärän 5 mitta. Manometriputket, jotka johtavat takaisinkytkentä-kanavista tai takaisinkytkentäkanavissa olevat paineanturit (ks. kuva 7) vastaavat painevaihteluihin ja ne voidaan kalibroida osoittamaan nesteen virtausta mitatusta taajuudesta. Tämän rakenteen on havaittu antavan 10 lineaarisen suhteen painevaihtelun taajuuden ja nesteen virtauksen välillä myös pienillä virtausmäärillä. Anturien käyttäminen tällä tavoin välttää manometriputkissa olevista kaasukuplista ja epäpuhtauksista tulevat ongelmat, jotka vaativat ilmanpoistoa tai puhdistusta. Pai-15 neanturit voidaa korvata virtausantureilla ja virtausanturi voi sen sijasta sijaita syvennyksessä 24 pyörteiden suunnanvaihdon rekisteröimiseksi. Virtausanturi voi käyttää virtauksen nousuaikaa tai virtauksen Doppler-efektiä ultraäänikeilaan tai voi mitata 20 virtaavaan nesteeseen hukattua tai siitä poistuvaa lämpöä.

Pyörretoimintaa selostetaan seuraavaksi. Tarkastellaan ensiksi jakajan tavanomaisen kuperan "nokka-osan" tapausta. Kun suihkua työnnetään virtauskanavan 25 yhdeltä sivulta toiselle, syntyy nokassa lisääntyvä paine. Tämä paine saavuttaa maksimin nokkaosan keskiviivalla. Suurin osa nesteestä on sen vuoksi suunnattava suhteellisen korkeaa tässä pisteessä olevaa patopainet-ta vastaan. Niinpä suihkun vaihtamiseksi poikki kanavan 30 on takaisinkytkentäpulssiin tarvittavan energian määrä suhteellisen korkea.

Jos nyt tarkastellaan syvennyksellä varustetun jakajan nokkaa, niin voidaan tehdä seuraavia havaintoja.

"Patopiste" virtaukselle, joka vaikuttaa pyör-35 teeseen, ei sijaitse keskiviivalla.

virtauksen pyörimisen pyörteen ympäri on synnytettävä "Magnus-efekti"-voima, joka pyrkii liikuttamaan 6 90379 pyörrettä suuntaan, joka aiheuttaa aikaisemmin aktiivisen takaisinkytkentäkanavan sulkemisen. Pyörteen on havaittu liikkuvan tällä tavalla virtausmäärillä, jotka ovat niin alhaisia kuin 2 litraa/tunti vastaten Rey-5 noldsin lukua 50.

Kuvat 4A - 4E esittävät siirtymistä nestevir-tauksesta, joka kulkee valikoivasti yhdellä jakajan 23 puolella, virtaukseen, joka kulkee jakajan toisella puolella. Kuvassa 4A neste virtaa valikoivasti jakajan 23 10 vasemmalle puolelle muodostaen myötäpäivään kiertävän pyörteen syvennyksessä 24. Vasemmanpuoleisen takaisin-kytkentäputken 28 ympäri virtaava neste saa aikaan lisääntyneen paineen ulostulossa, kuten on esitetty kuvassa 4B, pakottaen siten nesteen virtaamaan suutti-15 mesta oikealle puolelle, minkä voidaan nähdä tapahtuvan kuvassa 4C, kääntäen vastakkaiseksi pyörteen, kuten on esitetty kuvassa 4D ja aiheuttaen nesteen virtaamisen valikoivasti oikeanpuoleiseen takaisinkytkentäkanavaan, kuten on esitetty kuvassa 4E.

20 C-muotoisten seinämien päädyt syvennystä lähel lä on esitetty terävinä ulokkeina kuvissa 1-4. Kuva 5 esittää vaihtoehtoisen järjestelyn, missä tappi 39 (kohtisuorassa keskitasoa vastaan) muodostaa kärjen pienen tilan 38 jälkeen tylppäpäisen osan 37 vieressä, 25 joka muodostaa ulokkeen muun osan, ja tämän on havaittu toimivan tyydyttävästi. Tapit 39 palvelevat syvennys-seinämien pidennysten määrittämistä samalla tavalla kuin kiinteät C-muotoiset seinämät kuvissa 1-4.

Kuvat 6A ja 6B esittävät vaihtoehtoisia suutti-30 mia; Kuvassa 6A on ympyränkehän neljänneksen muotoinen sisääntulopuoleltaan. Sisääntulokammio pohjalevyn 12 yläpinnan alueella on yhdensuuntaissivuinen suuttimen suhteen, suuttimen leveyden ollessa noin neljännes sisääntulokanavan leveydestä ja ollessa muodostettu 35 sisääntulopinnoin, jotka ovat ympyrän kehän neljänneksiä 34 kuten on esitetty yksityiskohtaisesti kuvassa 6A.

Kuva 6B esittää suutinta, jolla on kapeneva li 90379 7 alkuosa 51, joka johtaa yhdensuuntalsslvulseen osaan 52. Virtausmittareiden, joilla on tällaiset aukon muodot on havaittu antavan parannetun lineaarisuuden painevaihteluiden ja nestevirtauksen välillä pienillä virtausmää-5 rillä.

Kuva 7 esittää paineanturia, joka on pietsosäh-köistä materiaalia 32 olevan liuskan muodossa jakajan seinämässä lähellä sen kärkeä yhdistettynä johdoilla 33 ilmaisin- ja osoitinjärjestelmään, jolloin johdot välit-10 tävät nestevirtauksen jännitemuutokset pietsosähköises-sä materiaalissa ilmaisin- ja osoitinjärjestelmään. Signaali pietsosähköisestä materiaalista 32 kulkee läpi analogi/ digitaalimuuntimen pulssilaskimeen ja sitten virtausmäärän osoittimeen, jolloin kaikille komponen-15 teille syötetään energiaa ulkoisesta tehonlähteestä ja on edullisesti muodostettu integroiduksi piiriksi. Vaihtoehtoisessa järjestelmässä signaali pietsosähköisestä materiaalista 32 kulkee vahvistimen kautta sähkömagneettiseen pulssilaskimeen ja osoittimeen ja sieltä 20 energiavarastoon, joka antaa vahvistimelle energiaa tarpeen mukaan.

Kuvien 8 ja 9 vaihtoehtoisessa sovellutuksessa virtausmittarilla on sisääntulo 21 ja ulostulo 3IA keskiakselilla ja suuri osa komponenteista on aksiaa-25 lisessa tasossa. Keskitaso on kohtisuorassa kuvan tasoa vastaan ja aksiaalinen taso on kuvan tasossa ja poikit-taisesti keskitasoa vastaan. Vain takaisinkytkentäkana-vat 28A ulottuvat ulos aksiaalisesta tasosta (so. niillä on aksiaalista tasoa vastaan kohtisuora ulottuvuus) 30 ottaen nestevirtauksen jakajan 23 kummaltakin puolelta pois aksiaalisesta tasosta ja takaisin aksiaaliseen tasoon suuttimen alueella, jolloin takaisinkytkentäka-navien 28A ulostulot ulottuvat poikittaisesti suuttimen 22 suhteen kuten edellisessäkin esimerkissä. Tämä 35 järjestelmä mahdollistaa kahden takaisinkytkentäkanavan 28A kulkemisen yhdensuuntaisesti toisten suhteen 35:ssa tasossa, joka on poikkeutettu aksiaalisesta tasosta 9 0 3 79 δ raan kanavien välisen paine-eron. Edelleen takaisinkyt-kentäkanavien 28A poikkeuttaminen pois aksiaalisesta tasosta mahdollistaa ulostuloaukkojen 14A pitämisen aksiaalisessa tasossa ja takaisinkytkentäkanavien 28A 5 olemisen lyhyempiä kuin kanavat, jotka kulkevat suoraan ulostuloaukkojen ympäri lisäten siten värähtelyn taajuutta tietyllä virtausmäärällä. Kuvan 8 sovellutusta pidetään parempana kuin kuvien 1-4 sovellutusta.

Kuva 10 esittää laitteen erilaisia parametreja; 10 a on aksiaalinen etäisyys suuttimesta syvennyksen huulille; c on aksiaalinen etäisyys suuttimesta C-muotoisen syvennyksen viereisen seinämän päätyyn (joka voi olla tappi 17); d on suuttimen leveys. Kaikissa sovellutuksissa a on suurempi kuin c. Tekijä (a-c)/d on edulli-15 sesti ainakin 1 ja edullisesti enintään 4. Tekijä c/d on edullisesti ainakin 5,8 ja edullisesti alle 12.

Keksinnöllä on erityinen sovellutus lämpömitta-reihin, jossa lämmön virtaus osoitetaan kuvatuilla mittauksilla ja virtaavan nesteen lämpötilaeron mittauksel-20 la.

l!

Claims (10)

1. Nesteen virtausmittari, johon kuuluu kammio, jolla on keskiviiva (15), sisääntulosuutin (22) nestettä 5 varten, jonka virtausta mitataan ja joka suutin on suunnattu pitkin keskiviivaa, jakaja (23), joka on keskiviivalla ja jolla on kärki (24), joka on suutinta vastapäätä, jonka kammion kumpikin puoli keskitason, johon keskiviiva sisältyy, kummallakin puolella on jaettu talo kaisinkytkentäkanavaksi (28) ja ulostulokanavaksi (29, 14), joiden välissä on kärki (53), jolloin takaisinkyt-kentäkanava (28) ulottuu jakajan kärjestä (53) suuttimen suun vieressä olevaan asemaan (19), tunnettu siitä, että etäisyys (a) suuttimen (22) suulta jakajaan 15 (23) on suurempi kuin etäisyys (c) suuttimen suulta takaisinkytkentäkanavan ja ulostulokanavan välissä olevaan kärkeen (56).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen virtausmittari, tunnettu siitä, että etäisyyksien ero on 20 suurempi kuin suuttimen (d) leveys.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen virtausmittari, tunnettu siitä, että etäisyyksien (a-c) ero on pienempi kuin neljä kertaa suuttimen leveys (d).

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen 25 virtausmittari, tunnettu siitä, että takaisin- kytkentäkanavat ulottuvat suunnassa, joka on kohtisuorassa toista tasoa vastaan, joka kulkee keskiviivan kautta ja poikittaisesti keskitasoa vastaan.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen 30 virtausmittari, tunnettu siitä, että ulostulo- kanavat ulottuvat ainoastaan pitkin toista tasoa.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen virtausmittari, tunnettu siitä, että virtausmittariin kuuluu syvennys (24), joka on jakajan päässä 35 vastapäätä suutinta.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen virtausmittari, tunnettu siitä, että syvennyksellä on tasai- 90 379 ίο sesti kaareva muoto.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen virtausmittari, tunnettu siitä, että syvennyksen seinämä kaareutuu tasaisesti jakajan sivuihin.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen virtausmitta ri, tunnettu siitä, että syvennyksen syvyys on yhtä suuri kuin suuttimen leveyden puolikas.

9 90379

10. Jonkin patenttivaatimuksista 1-9 mukainen virtausmittari, tunnettu siitä, että C-muotoisten 10 seinämien kärkiin kuuluu kuhunkin tappi (39), joka on erotettu seinämän muusta osasta (37). li Γ' o y 11 * ! y 11 ......7