NL1001719C2

NL1001719C2 - Werkwijze en inrichting voor de ultrasone meting van de snelheid en doorstroomhoeveelheid van een medium in een buisleiding.

Info

Publication number: NL1001719C2
Application number: NL1001719A
Authority: NL
Inventors: Jan Aart Van Bekkum; Vladimir Smychliaev; Abram Klaas Roskam
Original assignee: Krohne Altometer
Priority date: 1995-11-22
Filing date: 1995-11-22
Publication date: 1997-05-23
Also published as: NO973364L; DE59609187D1; AU7693196A; US5987997A; JPH10512966A; DK0804717T3; NO973364D0; WO1997019326A1; JP3478833B2; JP2002013957A; EP0804717A1; NO326813B1; EP0804717B1; CA2209789A1; CA2209789C

Description

Werkwijze en inrichting voor de ultrasone meting van de snelheid en doorstroomhoeveelheid van een medium in een buisleiding.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de ultrasone 5 meting van de snelheid en de doors troomhoeveelheid van een stromend medium in een buisleiding onder toepassing van twee of meer, tussen akoestische omzetterparen opgenomen meetlijnen. Bij een dergelijke werkwijze wordt gebruik gemaakt van looptijdverschillen tussen de vanuit de omzettere aan weerszijden van de meetsectie afgegeven akoes-10 tische golven. Uit de bepaalde mediumsnelheid wordt de doorstroomhoeveelheid bepaald. Onder de aanduiding "medium" worden zowel vloeistoffen als gassen verstaan.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor toepassing van de werkwijze welke voorzien is van twee of meer, tussen 15 akoestische omzetterparen opgenomen meetlijnen, en een verwerkingseen-heid met een omvormer en een sommator ter bepaling van de snelheden en hieruit de waarde van de doorstroomhoeveelheid.

De bekende werkwijzen en inrichtingen voor de ultrasone meting van snelheid en doorstroomsnelheid van een stromend medium maken ge-20 bruik van meervoudige meetlijnen die de punten van een optimale inte-gratiemethode vastleggen. Hierbij wordt de methode veelal bepaald door de afmeting van de meetlijn en van de buisleiding. Er zijn verschillende klassieke optimale integratiemethoden bekend van Tschebyschev, Gauss of Taylor, zoals bijvoorbeeld weergegeven in de octrooipublika-25 ties CH-6IOO38, DE-3038213, en EP-0125845· De uit deze publikaties bekende werkwijzen en inrichtingen zijn afhankelijk van de mediumvis-cositeit, en daarmede van het Reynolds-getal. Verwezen wordt hiertoe bijvoorbeeld naar het artikel "A New Integration Technique for Flowmeters with Chordal Paths" in Flow Measurement and Instrumentation, Vol. 30 1, No. 4, Juli I99O, biz. 216-224. De bovengenoemde bekende werkwijzen en inrichtingen zijn door hun afhankelijkheid van mediumviscositeit onvoldoende nauwkeurig zoals bijvoorbeeld vereist is bij de meting van doorstroomhoeveelheden van bijvoorbeeld gassen, aardolie, aardoliepro-dukten en chemische produkten in het algemeen. Een tweede belangrijk 35 nadeel bij deze werkwijzen en inrichtingen is de door inbouweffecten teweeggebrachte verstoring van het snelheidsprofiel waardoor de nauwkeurigheid nadelig wordt beïnvloed.

Bij de genoemde produkten worden buitengewoon strenge eisen aan 1001719 2 de nauwkeurigheid van de meting gesteld. Bijvoorbeeld voor aardolie worden eisen gesteld van een onnauwkeurigheid van ±0,15% in het door-stroomsnelheidsgebied van 50% tot 100% en van ±0,25% in het door-stroomsnelheidsgebied van 10% tot 100%. Tot op heden zijn voor dit 5 doel slechts turbinetellers geschikt.

Bij een meting van de doorstroomsnelheid van een in een buislei-ding stromend medium is het gewenst de beweging daarvan niet te verstoren. Het is tevens gewenst de genoemde hoge meetnauwkeurigheid met behulp van een verhoudingsgewijs goedkope inrichting te verkrijgen die 10 tevens een grote levensduur heeft. Het is ook voordelig wanneer een dergelijke inrichting na fabricage daarvan met water gecalibreerd kan worden en in bedrijf bij de gebruiker met andere vloeistoffen of zelfs gassen kan worden gecalibreerd teneinde de vereiste nauwkeurigheid te bereiken.

15 De uitvinding beoogt bovengenoemde problemen te ondervangen en een werkwijze en inrichting te verschaffen waarmee de genoemde hoge nauwkeurigheid kan worden bereikt. Tevens beoogt de uitvinding het met deze werkwijze en inrichting mogelijk te maken de invloed van de viscositeit van het medium sterk te verminderen.

20 Tevens beoogt de uitvinding het met deze werkwijze en inrichting mogelijk te maken de invloed vein stromingsprofielveranderingen te verminderen, en in bedrijf de mogelijkheid van zelfcalibratie te verschaffen.

Tevens beoogt de uitvinding het met deze werkwijze en inrichting 25 mogelijk te maken de viscositeit van het medium in ware tijd te bepalen, en vervolgens op basis hiervan en de ultrasone snelheid en/of demping het type van het meetmedium te identificeren, bijvoorbeeld aardolietype.

Dit wordt bij een werkwijze van de in de aanhef genoemde soort 30 volgens de uitvinding aldus bereikt dat het Reynolds-getal van de stroming wordt bepaald, en dat het bepaalde Reynolds-getal wordt gebruikt om de uit de genoemde snelheid bepaalde waarde van de door-stroomhoeveelheid te corrigeren. Bij een voorkeursuitvoering wordt het Reynolds-getal bepaald op basis van de in de meetlijnen gemeten snel-35 heden. Deze snelheden in de verschillende meetlijnen kunnen onderling gelijktijdig of na elkaar worden bepaald.

Dit wordt tevens bij een inrichting van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding bereikt door een Reynolds-getalmeter en '001719 3 een op de Reynolds-getalmeter en op de sommator aangesloten door-stroomhoeveelheidscorrector.

Bij voorkeur wordt voorafgaande aan de bepaling van het Reynolds-getal in bedrijf daarom een stromingsprofiel vastgesteld op basis van 5 de gemeten snelheden. In dat geval van een bijvoorbeeld door inloop-effecten of andere oorzaken verstoord bedrijfsstromingsprofiel wordt een rekenkundige correctie daarop uitgevoerd met behulp van een voorafbepaald ongestoord referentiestromingsprofiel.

De uitvinding zal hierna volgend aan de hand van een uitvoerings-10 voorbeeld nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin:

Figuur 1 een blokschema toont van een uitvoeringsvorm van de werkwijze en inrichting volgens de uitvinding;

Figuur 2 een stroomschema toont ter toelichting van de werking 15 van de profielcorrectie;

Figuren 3a en 3b als voorbeeld een grafiek tonen bij grotere Re respectievelijk bij kleinere Re van een profielcorrectie;

Figuren 4a en 4b grafieken tonen van de verbetering in nauwkeurigheid volgens de uitvinding bij media van verschillende viscositeit; 20 Figuur 5 een blokschema toont van een variant van de uitvoerings vorm van figuur 1;

Figuur 6 een blokschema toont van de in figuur 5 aangegeven pro-fielcorrector;

Figuur 7 een blokschema toont van de in figuur 5 aangegeven 25 Reynolds-getalmeter;

Figuur 8 een voorbeeld toont van een foutkromme voor de in figuur 1 aangegeven doorstroomcorrector; en

Figuren 9a t/m 9d respectievelijk grafieken tonen ter toelichting van de werking van de Reynolds-getalmeter.

30 Bij de voor de werkwijze volgens de uitvinding toegepaste inrich ting kan men gebruik maken van tenminste twee, of bijvoorbeeld in de voorkeursuitvoering van vijf, meetlijnen bestaande uit paren bij elkaar behorende tegenover elkaar aan de buisleiding aangebrachte akoestische omzetters. Bij voorkeur wordt het stromingsprofiel van het 35 medium in de op de meetinrichting aangesloten buisleiding met behulp van een inloop- en uitloopsectie geformeerd en wanneer mogelijk volledig ontwikkeld. Het genoemde referentiestromingsprofiel is dus bij voorkeur een zo goed mogelijke benadering van het profiel behorend bij 1001719 i» een volledig ontwikkelde stroming. Uit de praktijk is bekend dat de stroomsnelheden in bepaalde meetlijnen weinig afhankelijk en in andere meetlijnen afhankelijk van het Reynolds-getal (Re) worden gemeten. Zo zijn de weinig van Re afhankelijke meetlijnen die welke op een afstand 5 van een halve radius van de buisleiding tot de wand zijn aangebracht. De van Re afhankelijke meetlijnen zijn die welke bijvoorbeeld door het midden en nabij de wanden van de buisleiding zijn aangebracht. Bij deze opstelling heeft het stromingsprofiel maximaal invloed op het Reynolds-getal. De inrichting kan echter ook met meer of minder dan 10 vijf meetlijnen werken, waaronder tenminste een meetlijn die weinig afhankelijk van het Reynolds-getal is.

Aangezien het Reynolds-getal continu in de inrichting wordt gemeten, kan dit in ware tijd worden gebruikt voor correctie van de door-stroomhoeveelheid, en eventueel voor bepaling van de viscositeit en 15 zonodig hieruit van de identificatie van het medium. Verderop zal dit nader worden toegelicht.

Bij een voorkeursuitvoering worden nu de door de meetlijnen verkregen snelheden gebruikt om het Reynolds-getal te bepalen. Het is echter ook mogelijk dat het Reynolds-getal op andere wijze, bijvoor-20 beeld op basis van ultrasone demping, wordt bepaald. Vervolgens wordt de bepaalde Reynolds-getalwaarde gebruikt om in een foutkromme te worden ingevoerd en hiermee de verkregen waarde van de doorstroomhoe-veelheid te corrigeren. Het spreekt vanzelf dat uit de genoemde snelheden en doorstroomhoeveelheid ook een volumewaarde kan worden be-25 paald.

Met verwijzing naar fig. 1 zal de werkwijze en de toepassing van de inrichting daarvoor worden toegelicht. De vijf meetlijnen 1 tot 5 in de op de buisleiding aangesloten meetsectie 1 zijn aangesloten op een omvormer 2 waarmee de verschillende snelheden bijvoorbeeld op 30 basis van looptijdverschillen worden bepaald in elke meetlijn. Via verschillende verderop toe te lichten eenheden worden deze snelheden toegevoerd aan een sommator 3 waar zij met overeenkomstige gewichts-factoren worden vermenigvuldigd en vervolgens worden gesommeerd. De vanaf de uitgang van de sommator 3 verkregen gemiddelde snelheid wordt 35 toegevoerd aan een doorstroomcorrector 6 voor correctie van de door-stroomhoeveelheid. In deze corrector 6 is een op empirische data gebaseerde foutkromme, zoals bijvoorbeeld weergegeven in fig. 8, opgeslagen waarin behalve het Reynolds-getal alle andere bij de meetinrich- 1001719 5 ting behorende, technologische toleranties zijn meegenomen. Deze toleranties zijn na de fabricage van de inrichting zorgvuldig gemeten. De bepaalde doorstroomhoeveelheid wordt nu op basis van een door de Reynolds-getalmeter 5 bepaald Reynolds-getal gecorrigeerd. De door de 5 doorstroomcorrector 6 afgegeven doorstroomhoeveelheid wordt eventueel aan een weergeefinrichting 4 toegevoerd.

Zoals eerder gesteld kan de inrichting met water worden gecali-breerd, waarna de verkregen resultaten eveneens voor andere media, zoals vloeistoffen en zelfs gassen, geldig zijn omdat 10 “v »« en u = Vu - “ Vw w Re waarin Vw en Vm respectievelijk de stromingssnelheid van water en medium zijn, um en Dw respectievelijk de kinematische viscositeit van medium en water zijn, en D de diameter van de buisleiding is.

15 Als voorbeeld geldt bij 20°C: uwater = 10"6m2/s en i>lucht = 15.10*6m2/s

Dat wil zeggen, dat een met water gecalibreerde doorstroommeter met een medium zoals lucht kan werken met snelheden die een factor 15 hoger zijn dan de watersnelheid.

20 Alvorens het Reynolds-getal wordt bepaald, is het van belang de symmetrie na te gaan van het stromingsprofiel middels de onderlinge snelheidsverhoudingen of middels de onderlinge snelheidsverschillen. Bij aanwezigheid van een ongestoord of volledig ontwikkeld profiel worden de dan verkregen snelheidswaarden gebruikt voor verdere verwer- 25 king. Een goede symmetrie van het stromingsprofiel kan bijvoorbeeld worden verkregen met een venturi-orgaan in de buisleiding.

Voorafgaande aan de toepassing van de inrichting in bedrijf bij de gebruiker wordt de inrichting initieel gecalibreerd bijvoorbeeld met water. Hiertoe wordt in het toe te passen gebied, bijvoorbeeld in 30 een snelheidsgebied van 0,1 tot 6 m/s, een calibratie uitgevoerd op een aantal calibratiepunten, bijvoorbeeld bij 10/£, 20%, $0% en 100% van het gebied. Hierbij worden de voor elke meetlijn gemeten snelheidswaarden uitgaande van een ongestoord referentiestromingsprofiel 1001719 6 in een geheugen opgeslagen. Deze zogenaamde pasprofielmatrix is een maat voor de meetinrichting omdat deze matrix alle mechanische, elektronische, akoestische en hydraulische toleranties vastlegt.

Hierbij doen zich twee gevallen voor afhankelijk van het 5 Reynolds-getal, namelijk een bedrijfsgebied waarin met grote Reynolds-getallen (groter dan ca. 100000) en een gebied waarin met kleinere Reynolds-getallen wordt gewerkt.

In het eerste geval heeft de pasprofielmatrix voor vijf meetlijnen |PPM| de volgende gedaante: 10

Vlp100% · · . V5p100% /qi\ ^^VP ioo%| IPPMII = VlPso% ’ ’ * V5P50* . 02 = ^^50% (!) kViPi0% ... viPl0%/ IgsJ Σνρ10%/ waarin Vlp,...V5p de stromingssnelheden in de overeenkomstige meetlijnen bij het referentiestromingsprofiel zijn; BVp de overeenkomstige stromingssnelheid in de buisleiding bij 15 het referentiestromingsprofiel is; G1....G5 de overeenkomstige gewichtsfactoren van de meetlijnen zijn; en 10X...100* de meetpunten in het bedrijfsgebied zijn.

Bij toepassing in bedrijf wordt nu de inrichting vervolgens op-20 nieuw gecalibreerd ter verkrijging eerst van de bedrijfsprofielmatrix |BPM II:

Vib100ï ... V5b100ï| (0Λ fevb 100*| bHI . Vlb5»> · · · V5bM» . 02 = rVb5M (2)

Vlb10, ... Vlb„J I05J (rvb10< waarin Vlb,...V5b de stromingssnelheden in de overeenkomstige meetlij-25 nen bij het bedrijfsstromingsprofiel zijn; EVb de overeenkomstige stromingssnelheid in de buisleiding bij het bedrijfsstromingsprofiel is; en 1001719 7

Gl, ... G5 weer de gewichtsfactoren zijn.

Voor de genoemde matrix |BPM|j worden de stromingssnelheden in de buisleiding in het gelijkvormigheidsgebied van het Reynolds-getal (Re > 100000), evenals bij het referentiestromingsprofiel, kunstmatig 5 ingesteld. Dan geldt: EVbaoo* - 2VPl00ï (3)

In de praktijk is het moeilijk om aan deze vergelijking (3) vol-10 doende nauwkeurig te voldoen, omdat twee dezelfde gemiddelde snelheden moeten worden ingesteld. Om de meetwaarden te verkrijgen gelegen tussen de vaste meetpunten van 10%, 20%, 30¾ ... etc. wordt van een in-terpolatiemethode gebruik gemaakt, waarbij vergelijking (3) overgaat in andere vorm: 15 6*EVb100ï = EVp100J! (3&) waarin 5 een interpolatiefactor is. Uit vergelijking (3a) volgt dan: 20 ||Vlb100ï*Gl*S ... V5b100ï*G5*fi|| - |EVp100t| (4)

Voor de profieldeterminant ||PrDet| geldt dan: 25 l|OPioo*ll VlPioox V5Pioox ||PrDet|| = - = - ...- (5) «Db 100X II (vib10M*e V5b100t*B j waarin ||Dp100X|| de prof ieldeterminant is van de pasprof ielmatrix; 30 |Db100ï|| de profieldeterminant is van de bedrijfsprofielma trix.

Voor toepassing in bedrijf bij een gebruiker geldt dan de gebruiker- of klantprofielmatrix ||KPM| * |BPM|*|PrDet||: 100 1 7 19 δ νΐρ10οχ * ' * ^5Ριοοϊ

Vip,V5Pi..,„cv ί«1 [Σν^ιοο, 1 vlb10OT 501 '·' V5b100ï 501 02 Evbgecw, (5) β . . . .

^£ü2ivib1M ... ^2v5b10, ^ lEvbKec‘»>

Vlb 10* VSb 10*

V*^*^100X V3°100X

waarin EVbgec de overeenkomstig gecorrigeerde stromingssnelheden in de buisleiding bij het bedrijfsstromingsprofiel zijn.

Hieruit kan nu een correctie worden afgeleid om het b.v. door in-5 loopeffecten verstoorde bedrijfsstromingsprofiel rekenkundig om te zetten in een ongestoord stromingsprofiel met behulp van de volgende profielfoutcorrectie Fe: 10 Ebgecj - EVp100ï

Fe = - (7) EVp100x max L J i=0..100* 15 Men kan aan de gelijkheid (3a) voldoen in het gehele bedrijfsgebied van snelheden.

Kort weergegeven is bij de verwerking van bovengenoemde profielma-trices als volgt te werk gegaan. Eerst zijn ten behoeve van de initiële calibratie de stromingssnelheden in de meetlijnen en de overeen-20 komstige stromingssnelheid in de buisleiding bij het ongestoorde refe-rentiestromingsprofiel en dein bij het bedrijfsstromingsprofiel ingesteld. Dan wordt de verhouding tussen de ingestelde stromingssnelheden in de buisleiding bij het referentiestromingsprofiel en bij het bedrijf stromingsprofiel vastgesteld. Vervolgens worden de gemeten stro-25 mingssnelheden in de meetlijnen bij het bedrijfstromingsprofiel overeenkomstig deze verhouding veranderd. Hierna worden de verhoudingen tussen de stromingssnelheden in de meetlijnen bij het referentiestromingsprofiel en de veranderde stromingssnelheden in de meetlijnen bij het bedrijfstromingsprofiel bepaald, waarmede alle overeenkomstige 30 stromingssnelheden in de meetlijnen in het gehele bedrijfssnelheidsge-bied worden vermenigvuldigd. Het spreekt vanzelf dat bij deze verwerking met de genoemde interpolatie rekening wordt gehouden.

1001719 9

Wanneer eenmaal In bedrijf door middel van profielcorrectie in de meetinrichting zelf een ongestoord snelheidsprofiel is verkregen kan vervolgens het Reynolds-getal Re worden bepaald.

Zoals eerder gesteld wordt bovengenoemde profielcorrectie uitgevoerd 5 in afhankelijkheid van het Reynolds-getal. De in vergelijking (1) weergegeven pasprofielmatrix kan slechts worden toegepast bij grote Reynolds-getallen, ongeveer groter dan 100000, omdat het rechter deel van de hydrodynamische basisvectorvergelijkingen van Navier-Stokes: 10 aö _ __ 1 - + V * (Ω * V) = — Ψ Q (8) dt Re hierbij gelijk aan nul wordt. Zie ook vergelijking (41.23) van het 15 boek "The Feynman Lectures on Physics, Reading" door R.Feynman, R.Leighton, M.Sands, Massachusetts, Palo Alto, Londen. Addison-Weley Publishing Company, Inc. 1964., waarin: Ω de rotatie is van de snelheid V, d.w.z. Ω = V * V, en

Re het Reynolds-getal is.

20 Bij grote Reynolds-getallen volgt uit de hydrodynamische vergelijking (8) de hydrostatische basisvectorvergelijking: ΘΩ - + V * (Ω * V) = 0 (9) 25 at

In dit geval zijn de mediumeigenschappen, bijvoorbeeld viscositeit, buiten beschouwing gelaten en is hun invloed klein.

In het tweede geval bij wat kleinere Reynolds-getallen is de invloed 30 van de mediumeigenschappen wel van belang en wordt de pasprofielmatrix in een andere vorm benut. Bij de calibrering kan nu ook op nauwkeurige wijze de mediumviscositeit (υ) en de diameter (D) van de buisleiding worden gemeten, en kan voor elk referentiestromingsprofiel een overeenkomstig Reynolds-getal profielmatrix in dimensieloze vorm worden 35 verkregen ||PPM-Rep| D Rep.l00ï |PPM-Rep| = 1 PPM|| * - = Rep>50ï i) .......

* Rep,10ï „ 40 (10) 1001719 10

VlPioox VSPiooa; EVPioox ^VPioox G1 ^lp5QX ^^P5QX pp SVp100i ”· SVPioox · +1 (10) lG5, vlPio* ^Piox EVp100J, 2Vpi00j;

Vergelijking (10) houdt in dat bij de initiële calibratie voor elk Reynolds-getal in dimensieloze vorm het referentieprofiel voor de 5 doorstroommeter of -inrichting, met compensatie van de toleranties, kan worden opgeslagen (zie figuur 2a). Dimensieloos wil zeggen, dat de gemeten snelheid VI ... V5 gedeeld wordt door de gemiddelde snelheid, zodat Vbi = Vi/Σ Vbmax

Bij de gebruiker kunnen overeenkomstig vergelijking (2) bij het van 10 het referentieprofiel afwijkende bedrijfsprofiel de snelheden in de meetlijnen en de gemiddelde snelheid in de buisleiding worden bepaald: ||VlbBax * G1 ... V5bmax * 05 II - |2VbnJ| (11) 15 Hieruit volgt dan de dimensieloze bedrijfsprofielmatrix:

Vlb^ V5bmax - * G1 ... - * G5 (12) 20 |EVb„ax EVbBax

Deze is in figuur 2b weergegeven.

Op basis van de in bedrijf gemeten snelheden Vlk ... V5k in de meetlijnen 1 tot 5 wordt grof in een eerste-ordebenadering het Reynolds-25 getal Re0 bepaald. Voor deze Re0 uit vergelijking (10) worden voor de direct overeenkomende Rep (men kan ook deze functies in analytische vorm weergeven) de snelheden in de meetlijnen bij het referentieprofiel verkregen; zie figuur 2c, en gelijktijdig wordt hieruit de gemiddelde snelheid Vpgem bepaald. Dit profiel wordt met het bedrijfspro-30 fiel vergeleken (zie figuur 2d), doordat de gevonden gemiddelde snelheid Vgemn (d.i. bij de eerste benadering (Vgemo) wordt vergeleken met 1001719 11 de gemiddelde snelheid Vpgem van het referentleprofiel: dVgem =

Vgemn - Vpgem. Is het gevonden verschil groter dan een bepaalde minimale waarde €, dan wordt als begin van een volgend iteratieproces een kleiner verschil genomen, bijvoorbeeld Vgem(n+1) = Vgemn + dVgem/2.

5 Hieruit wordt de bijbehorende nieuwe Re bepaald, Re = Vgem(n+1).D/vis- cositeit. Met behulp van deze nieuwe Re wordt uit het opgeslagen cali- bratieprofiel P de bijbehorende gemiddelde snelheid bepaald, die vervolgens opnieuw wordt vergeleken, enz. Zie figuur 2e en 2f. Wanneer het gevonden verschil dVgem kleiner is dan de genoemde drempelwaarde € 10 wordt vervolgens de hierbij behorende laatst gevonden Reynolds-waarde gebruikt voor de foutcorrectie. Met het iteratieproces kan derhalve een meer bruikbare nauwkeurigheid worden verkregen.

In de figuren 3a en 3b zijn voorbeelden gegeven van een profielcor-rectie bij een dimensieloos snelheidsprofiel respectievelijk bij gro-15 tere Re (figuur 3a) en bij kleinere Re (figuur 3b). In beide figuren geeft kromme a het referentieprofiel, kromme b het verstoorde be drijfsprofiel en kromme c het gecorrigeerde bedrijfsprofiel weer.

Na de bovengenoemde profielcorrectie wordt de uiteindelijk gevonden Reynolds-getalwaarde ingevoerd in de doorstroomcorrector 6 ter correc-20 tie van de doorstroomhoeveelheid.

In de figuren 4a en 4b zijn als voorbeeld grafieken gegeven van de door de uitvinding verkregen verbetering van de nauwkeurigheid. In figuur 4a is bij een uitvoeringsvorm met vijf meetlijnen het foutper-centage van drie media van verschillende viscositeit (respectievelijk 25 20 cSt, 40 cSt en 50 cSt) weergegeven ten opzichte van de snelheid in m/s bij de stand van de techniek (krommen a, b en c) en bij een uitvoering volgens de uitvinding (krommen c, d en e). Duidelijk blijkt hoe het foutpercentage vanaf een waarde grotendeels boven 0,3% bij de stand van de techniek wordt teruggebracht tot een waarde onder de 0,2% 30 volgens de uitvinding voor de drie genoemde media.

In figuur 4b zijn voor dezelfde drie media de foutpercentages met de aan figuur 4a gelijke meetresultaten nu niet ten opzichte van stromingssnelheid maar ten opzichte van Reynolds-getal weergegeven vóór correctie respectievelijk na correctie. Opvallend is dat door de weer-35 gave ten opzichte van Re de drie krommen a, b en c nu in hoofdzaak samenvallen. Het is duidelijk dat bij deze uitvoering volgens de uitvinding een aanzienlijke verbetering in de nauwkeurigheid wordt verkregen.

1001719 12

In afhankelijkheid van het turbulente of laminaire karakter van de stroom wordt nu het Reynolds-getal bepaald: - bij turbulente stroom door de snelheidsverhoudingen of -verschillen van de meetlijnen 2 en 4 (V2 + V4) en de meetlijnen 1 en 5 (Vj 5 ♦ V5); - bij laminaire stroom door de snelheidsverhoudingen of -verschillen van de meetlijnen 2 en 4 (V2 ♦ V*) en de meetlijn 3 (V3).

Hieruit volgt dat het Reynolds-getal kan worden bepaald op basis van of snelheidsverhoudingen (geval a) van de meetlijnen of op basis van 10 snelheidsverschillen (geval b) van de meetlijnen zowel voor stromingen van het turbulente type als van het laminaire type.

Geval a: In het geval van een bepaling op basis van snelheidsverhou dingen komt een stroming van het laminaire type overeen met de voorwaarde 15 (V2+V4)/V3<1,9 (13) en komt een stroming van het turbulente type overeen met de voorwaarde 20 (ν2+ν„)/ν3>ι,9 (14)

Bij de volgende bepaling van het Reynolds-getal is uitgegaan van empirisch gevonden vergelijkingen.

Bij een laminaire stroming is het Reynolds-getal Ref gelijk aan 25

Ret=19100( (V2+V/|)/V3)2-60200(V2+Vit)/V3+47700 (15)

Bij een turbulente stroming is het Reynolds-getal Ret, in geval

Ret < 30000 is, gelijk aan 30

Ret=6500+39000/(5,l4(V2+Vit)/(V1+V5)-5.22) (16) en in geval Ret > 20000 is, gelijk aan 35 Ret=5080000( (V2+V„) / (Vj+Vs) )2-108600000(V2+V4) / (V^Vj) +5833000 (17)

Geval b: In het geval van een bepaling op basis van snelheidsver schillen komt een stroming van het laminaire type overeen met de voor 1001719 13 waarde (ν2+ν„)-1,9ν3<0 (18) 5 en komt een stroming van het turbulente type overeen met de voorwaarde (V2+V4)-1,9V3>0 (19)

Bij een laminaire stroming is dan het Reynolds-getal Ree gelijk aan 10

Re£=A! ((Va+V*) - (Vi+Vj) /2)a+Bi((V2+V4) - (V1+V5)) /2+Cj (20)

Bij een turbulente stroming is het Reynolds-getal Ret, in geval Ret < 30000 is, gelijk aan 15

Ret=A2((V2+V„)-(V1+V5)/2)2+B2((V2+VJ -(V1+V5))/2+C2 (21) en in geval Rt > 20000 is, gelijk aan 20 R ^3((^4)-^^5)/2)^3(^2+^)-^^5))/2+03 (22)

Hierin zijn de coëfficiënten Aj tot A3, Bj tot B3 en Ca tot C3 empirisch bepaald.

Zoals eerder gesteld wordt voor een betrouwbare werking van de door-25 stroomcorrector in bedrijf bij de gebruiker of klant, voorafgaand het bedrijfsprofiel bij voorkeur op afwijkingen of asymmetrie gecontroleerd. Hiertoe wordt gebruik gemaakt van een tussen de omvormer 2 en de sommator 3 opgenomen profielcorrector 9 en profielmeter 7. Deze zullen met verwijzing naar de fig. 5 en 6 worden toegelicht. De pro-30 fielmeter 7 vergelijkt de snelheden van de meetlijnen en bij profiel-afwijkingen of wanneer een sensor defect is geeft de meter 7 een speciaal signaal vanaf zijn uitgang 23 af aan de profielcorrector 9 en aan het alarmorgaan 8.

Wanneer door installatie- of inloopeffecten, zoals bochten en derge-35 lijke, in bedrijf in de stroming een verstoord stromingsprofiel is teweeggebracht, kan deze gemeten afwijking of asymmetrie door de profielcorrector 9 in hoofdzaak worden opgeheven. De werking van deze corrector is gebaseerd op de vergelijkingen (1) tot (12). Hierbij 1001719 14 heeft de omschakelaar 11 in fig. 5 drie standen a, b, c, namelijk stand a of profielcalibratie, stand b of profielvergelijking, stand c of prof ielbewaking.

De omschakelaar 11 staat in stand a wanneer de inrichting of door-5 stroommeter bij het aanwezige ongestoorde referentiestromingsprofiel wordt gecalibreerd. Hierbij wordt in het referentieprofielgeheugen 12 de pasprofielmatrix |PPM|| opgeslagen, zie vergelijking (1).

Wanneer de inrichting of doorstroommeter in bedrijf bij de gebruiker wordt geïnstalleerd, wordt eerst de snelheid in de op de inrichting 10 aangesloten buisleiding in hoofdzaak op maximale bedrijfssnelheid ingesteld. De omschakelaar 11 staat dan in stand b. Hierbij wordt de bedrijfsprofielmatrix |BPM| in het bedrijf-profielgeheugen 13 opgeslagen, zie vergelijking (2). Vervolgens bepaalt de profielvergelijker 14 op basis van de vergelijkingen (3), (4) en (5) de profieldeterminant 15 ||PrDet||.

Bij normale exploitatie in bedrijf staat de omschakelaar 11 in stand c en wordt de gehele snelheidsinformatie vanaf 11 rechtstreeks toegevoerd aan de omzetter 15, welke overeenkomstig de vergelijking (7) werkt. Aan de uitgang van de omzetter 15 is in principe een ongestoord 20 en gecorrigeerd stromingsprofiel beschikbaar. Op basis hiervan kan in de Reynolds-getalmeter 5 de Reynolds-waarde worden bepaald welke vervolgens wordt toegevoerd aan de doorstroomcorrector. In deze door-stroomcorrector is met alle technologische toleranties rekening gehouden in de foutkromme. In fig. 8 is een voorbeeld gegeven van een der-25 gelijke foutkromme, waarin het maximale foutpercentage 0,15% bedraagt.

Bij wijzigingen in de buisleiding of overige hydraulische overgangsprocessen, bijvoorbeeld een regelklep wordt gesloten, verandert het stromingsprofiel zeer snel. Dit wordt in de profielmeter gecontroleerd en deze geeft vervolgens een signaal vanaf de uitgang 23 af aan het 30 alarmorgaan 8 en eveneens aan de profielcorrector 9· Zie fig. 6. In de profielcorrector wordt dan de omschakelaar 11 van de stand c omgezet naar de stand b. In deze stand wordt het via het prof ielgeheugen 13 verkregen snelheidsprofiel vergeleken met het referentieprofiel van het geheugen 12. Bij te grote afwijking wordt via de uitgang 22 een 35 terugkoppelsignaal toegevoerd naar de omschakelaar 11 waarna opnieuw een volgende vergelijking in gesloten lus wordt teweeggebracht. Dit gaat door tot in ware tijd een gecorrigeerd profiel is verkregen welke dan vanaf de omschakelaar 11 via stand c wordt toegevoerd aan de om- 1001719 15 zetter 15.

De vanaf de uitgang van de profielmeter 7 verkregen snelheidswaarden worden toegevoerd behalve aan de sommator 3 eveneens aan de Reynolds-getalmeter 5· Zie fig. 7· De in deze meter 5 opgenomen omschakelaar 16 5 werkt op basis van de vergelijkingen (13) en (1¾) of (18) of (19)· De op deze omschakelaar aangesloten laminaire-stromingsmeter 17, de turbulente stromingsmeter 18 en de overgangsmeter 19 werken op basis van de vergelijkingen (15), (16) en (17) of (20), (21) en (22). Vanaf de uitgangen van deze meters 17, 18 en 19 worden de bepaalde Reynolds-10 getalwaarden toegevoerd aan een OF-poort 20.

In de figuren 9a tot 9d zijn grafieken getoond als voorbeeld ter toelichting van de werking van bovengenoemde Reynolds-getalmeter 5· In figuur 9a is een grafiek gegeven van de verhouding (V2+Vi()/V3 ten opzichte van Reynolds-getal Re (in miljoenen) behorend bij de werking 15 van de omschakelaar 16. In figuur 9b is een grafiek gegeven van Reynolds-getal Re ten opzichte van de verhouding (V2+V*)/V3 behorend bij de werking van de laminaire-stromingsmeter 17 met zowel theoretisch- als experimenteel bepaalde meetgegevens. In de figuren 9c en 9d zijn grafieken gegeven van Reynolds-getal Re (in duizenden) ten op-20 zichte van de verhouding (V2+Vi,)/(Vi+V5) behorend bij de werking van de turbulente-stromingsmeter 18 voor zowel olie respectievelijk water als voor analytische gegevens, waarbij globaal voor figuur 9c geldt Ret < 30000 en voor figuur 9d geldt Ret > 20000.

Vanaf de uitgang van de OF-poort 20 wordt behalve aan de doorstroom-25 corrector 6 de Reynolds-waarde toegevoerd aan een viscositeitsmeter 10. Hierin wordt de viscositeit van het medium bepaald op basis van het bepaalde Reynolds-getal, de gemeten snelheid en de diameter van de buisleiding.

Vanaf de uitgang van de viscositeitsmeter 10 wordt de viscositeits-30 waarde behalve aan de weergeefinrichting 4 toegevoerd aan een medium-identificator 24. Hieraan worden eveneens vanaf de omvormer 2 de ultrasone snelheid van het medium en/of de ultrasone demping van het medium toegevoerd. Op basis van de mediumviscositeit, de ultrasone snelheid en/of demping wordt in de medium-identificator 24 het type 35 van het medium, bijvoorbeeld aardolietype, bepaald door vergelijking met overeenkomstig eerder opgeslagen en bekende mediagegevens.

1001719

Claims

1. Werkwijze voor de ultrasone meting van de snelheid en de door-stroomhoeveelheid van een stromend medium in een buisleiding onder 5 toepassing van twee of meer, tussen akoestische omzetterparen opgenomen meetlijnen, met het kenmerk, dat het Reynolds-getal van de stroming wordt bepaald, en dat het bepaalde Reynolds-getal wordt gebruikt om de uit de genoemde snelheid bepaalde waarde van de doorstroomhoe-veelheid te corrigeren. 10

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het Reynolds-getal wordt bepaald op basis van de in de twee of meer meetlijnen gemeten snelheden van de stroming. 15 3· Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de genoemde correctie van de waarde van de doorstroomhoeveelheid middels een op een empirische data gebaseerde foutkromme wordt uitgevoerd, in welke data alle bij de meting betrokken technologische toleranties zijn betrokken.

4. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij het Reynolds-getal wordt bepaald met behulp van een op de snelheden toegepast rekenalgoritme.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, waarbij het Reynolds-getal wordt bepaald op basis van snelheidsverhoudingen in de stroming. 25

6. Werkwijze volgens conclusie 4, waarbij het Reynolds-getal wordt bepaald op basis van snelheidsverschillen in de stroming.

7· Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij, voorafgaande aan de bepa- 30 ling van het Reynolds-getal, een stromingsprofiel in bedrijf wordt bepaald op basis van de gemeten snelheden.

8. Werkwijze volgens conclusie 7. waarbij afwijkingen in het bedrijf sstromingsprofiel ten opzichte van een voorafbepaald, ongestoord 35 referentiestromingsprofiel rekenkundig worden gecorrigeerd.

9· Werkwijze volgens conclusie 8, waarbij de stromingssnelheden in de meetlijnen en de overeenkomstige stromingssnelheid in de buislei- 1001719 ding bij het referentiestromingsprofiel en bij het bedrijfsstromings-profiel worden ingesteld, waarbij dan de verhouding tussen de ingestelde stromingssnelheden in de buisleiding bij het referentiestromingsprofiel en bij het bedrijfsstromingsprofiel wordt bepaald, ver-5 volgens de gemeten stromingssnelheden in de meetlijnen bij het bedrijfsstromingsprofiel overeenkomstig deze verhouding worden veranderd, en dan de verhoudingen tussen de stromingssnelheden in de meetlijnen bij het referentiestromingsprofiel en de veranderde stromingssnelheden in de meetlijnen bij het bedrijfsstromingsprofiel worden 10 bepaald, waarmede alle overeenkomstige snelheden in de meetlijnen in het gehele bedrijfsnelheidsgebied worden vermenigvuldigd.

10. Werkwijze volgens conclusie 9. waarbij ten behoeve van snelheden gelegen tussen de ingestelde snelheden gebruik wordt gemaakt vein in- 15 terpolatie.

11. Werkwijze volgens conclusie 8, waarbij eerst uit de stromingssnelheden in de meetlijnen en de overeenkomstige gemiddelde stromingssnelheid in de buisleiding telkens een niet-gestoord referentiestro- 20 mingsprofiel in dimensieloze vorm voor een aantal Reynolds-getallen wordt gemeten en opgeslagen, dan in bedrijf uit de stromingssnelheden in de meetlijnen en de overeenkomstige gemiddelde stromingssnelheid in de buisleiding het bedrijfsstromingsprofiel in dimensieloze vorm wordt gemeten, en dat vervolgens dit laatste profiel wordt vergeleken met de 25 opgeslagen referentiestromingsprofielen en hieruit wordt gecorrigeerd.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij uit het gemeten bedrijf stromingsprof iel het Reynolds-getal grof wordt bepaald, dan uit het hiermee overeenkomende opgeslagen Reynolds-getal de bijbehorende 30 gemiddelde stromingssnelheid wordt bepaald die wordt vergeleken met de gemeten gemiddelde bedrijfstromingssnelheid, en vervolgens, wanneer hierbij het snelheidsverschil groter is dan een voorafbepaalde drempelwaarde, een nieuwe gemiddelde bedrijfstromingssnelheid wordt aangenomen dat minder verschilt dan het genoemde snelheidsverschil, dat het 35 met de nieuwe gemiddelde bedrijfstromingssnelheid overeenkomende Reynolds-getal wordt bepaald en uit het hiermee overeenkomende opgeslagen Reynolds-getal de bijbehorende gemiddelde stromingssnelheid wordt genomen die wordt vergeleken met de laatst aangenomen gemiddelde 1001719 bedrijfstromingssnelheid, waarbij wanneer bij genoemde vergelijking het snelheidsverschil groter respectievelijk kleiner is dan de voorafbepaalde drempelwaarde opnieuw een nieuwe gemiddelde bedrijfsstro-mingssnelheid wordt aangenomen respectievelijk de laatst gevonden 5 Reynolds-getalwaarde wordt gebruikt voor foutcorrectie.

13. Werkwijze volgens conclusie 4, waarbij, bij toepassing van vijf meetlijnen 1 tot 5. het Reynolds-getal van een turbulente stroom door de snelheidsverhoudingen of -verschillen van de meetlijnen 2 en 4 10 (Vj+V*) en de meetlijnen 1 en 5 (Vj+Vg) wordt bepaald, en het Reynolds- getal van een laminaire stroom door de snelheidsverhoudingen of -verschillen van de meetlijnen 2 en 4 (V2+V4) en de meetlijn 3 (V3) wordt bepaald.

14. Werkwijze volgens conclusie 13. waarbij, vóór de bepaling van het Reynolds-getal, wordt vastgesteld of de stroom van het laminaire dan wel turbulente type is, waarbij voor het laminaire type de voorwaarde (V2+V4)/V3<1,9 geldt en voor het turbulente type de voorwaarde (W4)/V3>1,9 geldt. 20

15. Werkwijze volgens conclusie 14, waarbij het Reynolds-getal van een laminaire stroom Re4 op basis van snelheidsverhoudingen wordt bepaald middels de vergelijking

25 Re{=19100( (V2+V4)/V3)2-60200(Vz+V4)/V3+47700.

16. Werkwijze volgens conclusie 14, waarbij het Reynolds-getal van een turbulente stroom Ret op basis van snelheidsverhoudingen wordt bepaald in geval Ret < 30000 middels de vergelijking 30 Ret=6500+39000/( 5.14(V2+V4)/(V1+V5) - 5,22) en in geval Ret > 20000 middels de vergelijking 35 Ret-5080000((V2+V4)/(Vl+V5))2-108600000(Va+V4)/(V1+V5)+5833000.

17. Werkwijze volgens conclusie 14, waarbij het Reynolds-getal van een laminaire stroom Re£ op basis van snelheidsverschillen wordt be- 1001719 paald middels de vergelijking Re^Ai ((V2+V*)- (V1+V5) /2)2*B, ((V2+V*) - (V1+V5)) /2*0,.

18. Werkwijze volgens conclusie 14, waarbij het Reynolds-getal van 5 een turbulente stroom Ret op basis van snelheidsverschillen wordt bepaald in geval Ret < 30000 middels de vergelijking Ret=A2 ((V2+V4) - (V1+V5) /2) 2+B2 ((V2*V4) - (V1+V5)) /2+C2 10 en in geval Rt > 20000 middels de vergelijking Rt=A3( (V2-V4)-(V1+V5)/2)2+B3( (V2+V*)-(V1+V5))/2*C3.

19· Inrichting voor de ultrasone meting vein de snelheid en de door-15 stroomhoeveelheid vein een stromend medium in een buisleiding, onder gebruikmaking van de werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, voorzien van twee of meer, tussen akoestische omzetterparen opgenomen meetlijnen, en een verwerkingseenheid met een omvormer (2) en een sommator (3) ter bepaling van de snelheden en hieruit de waarde van de 20 doorstroomhoeveelheid, gekenmerkt door een Reynolds-getalmeter (5) en een op de sommator (3) aangesloten doorstroomhoeveelheidscorrector (6).

20. Inrichting volgens conclusie 19, waarbij tussen de omvormer (11) 25 en de sommator (3) achtereenvolgens een profielcorrector (9) en een profielmeter (7) zijn opgenomen.

21. Inrichting volgens conclusie 20, waarbij de profielcorrector (9) omvat achtereenvolgens in serie aan de ingang een omschakelaar (11), 30 een bedrijfsprofielgeheugen (13). een profielvergelijker (14), aan de uitgang een omzetter (15), en een referentieprofielgeheugen (12) dat met zijn ingang op een uitgang van de omschakelaar (11) en met zijn uitgang op een ingang van de profielvergelijker (14) is aangesloten, waarbij een verdere uitgang (22) van het profielgeheugen (14) op een 35 verdere ingang van de omschakelaar (11) is aangesloten, en de eenheden (11, 13 en 14) een gesloten lus vormen, wanneer bij vergelijking van het bedrijfsprofiel met het referentieprofiel in de vergelijker (14) geen overeenstemming bestaat. 1001719

22. Inrichting volgens conclusie 19. waarbij de Reynolds-getalmeter (5) omvat, achtereenvolgens, aan de ingang een laminair-turbulentom-schakelaar (16), parallel hierop aangesloten een laminairmeter (17), een turbulentmeter (18) en een overgangsmeter (19), en een op de uit-5 gangen van deze parallelschakeling aangesloten OF-uitgangspoort (20).

23· Inrichting volgens conclusie 19, waarbij een viscosimeter (10) is aangebracht, waarvan een ingang is aangesloten op de uitgang van de Reynolds-getalmeter (5) en een andere ingang is aangesloten op de 10 uitgang van de doorstroomcorrector (6).

24. Inrichting volgens conclusie 19, waarbij een medium-identifica-tor (24) is aangebracht, waarvan een ingang is aangesloten op de uitgang van de viscosimeter (10) en waarvan een of twee, verdere ingangen 15 (27. 28) zijn aangesloten op de omvormer (2), ter bepaling van het type medium op basis van de in de viscosimeter bepaalde viscositeit en de in de omvormer (2) bepaalde ultrasone geluidssnelheid en/of -demping, middels vergelijking van de gemeten mediumgegevens met opgeslagen mediagegevens. 20 ..... 1001719