NL8303981A - Ultrasone stroomsnelheidsmeter. - Google Patents

Description

* - ·-·· VO 5256

Ultrasone stroomsnelheidsmeter.

De uitvinding heeft betrekking op een ultrasone stroomsnelheidsmeter, omvattende ten minste één zender, die in een buis, door welke een mediumstroom kan worden gevoerd, is geplaatst, en die bekrachtigd kan worden om een geluidssignaal uit te zenden, alsmede althans 5 één stroomopwaarts van de zender en althans één stroomafwaarts van de zender geplaatste geluidsensor, die het ontvangen geluidssignaal kunnen omzetten in een elektrisch signaal.

Dergelijke stroomsnelheidsmeters zijn in vele uitvoeringsvormen bekend. Deze bekende stroomsnelheidsmeters berusten op het feit, dat 10 een geluidssignaal zich in de richting van de mediumstroom schijnbaar sneller voortplant dan in de tegengestelde richting. Hierdoor ontstaat een looptijd- of faseverschil tussen het door de stroomopwaarts van de zender geplaatste sensor ontvangen signaal en het door de stroomafwaarts van de zender geplaatste sensor ontvangen signaal, welk looptijd- of 15 faseverschil een maat is voor de stroomsnelheid van het medium en tot uiting komt in de door de sensoren gevormde elektrische signalen. Een dergelijke stroomsnelheidsmeter is beschreven in Duits Offenlegungs-schrift 2.133.735 (fig. la).

In sommige bekende stroomsnelheidsmeters is elke sensor na om-20 schakeling tevens bruikbaar als zender, zodat een afzonderlijke zender niet nodig is. Een dergelijk type stroomsnelheidsmeter is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.011.753.

Bij de uit het Duitse Offenlegungsschrift 2.133.735 bekende stroomsnelheidsmeter maken de verbindingslijnen tussen enerzijds de 25 zender en anderzijds de sensoren een hoek met de stromingsrichting van het medium.

Een bezwaar van een dergelijke opstelling is, dat het te meten faseverschil of looptijdverschil slechts te meten is aan een ontbon-dene van de richting van het geluidssignaal, zodat een dergelijke meet-30 inrichting niet zeer geschikt is voor het meten van lage stroomsnelheden.

Dit bezwaar bestaat niet bij de uit het Amerikaanse octrooischrift 4.011.753 bekende meetinrichting, waarbij de verbindingslijn tussen de zenders/sensoren evenwijdig is aan de stromingsrichting van

W V U V

* t V

-2- het medium. Hierdoor ontstaat het bezwaar, dat het niet mogelijk is de stroomsnelheidsmeter compact te bouwen, hetgeen echter voor vele toepassingen gewenst is.

De uitvinding beoogt de geschetste bezwaren te ondervangen en 5 een stroomsnelheidsmeter van de beschreven soort ter beschikking te stellen, die geschikt is voor het meten van lage stroomsnelheden en een compacte opbouw toestaat.

Hiertoe wordt volgens de uitvinding een stroomsnelheidsmeter van de beschreven soort daardoor gekenmerkt, dat de buis V-vormig is, 10 waarbij de benen van de V-vorm even lange buissecties vormen en de buissecties' aan het open einde van de V-vorm elk zijn voorzien van een aansluitbuisstomp en een geluidsensor, terwijl de zender zich aan de punt van de V-vorm bevindt en is uitgevoerd om geluidssignalen uit te zenden naar beide sensoren.

15 In het volgende zal de uitvinding nader worden beschreven met verwijzing naar de bijgevoegde tekening van enkele uitvoeringsvoorbeelden.

Fig. 1 toont schematisch in dwarsdoorsnede een eerste uitvoerings voorbeeld van een stroomsnelheidsmeter volgens de uitvinding; 20 fig. 2 toont schematisch meer gedetailleerd de stroomsnelheids meter van fig. 1; fig. 3 toont schematisch een variant van de stroomsnelheidsmeter van fig. 1; fig. 4 toont schematisch een andere variant van de stroomsnel-25 heidsmeter van fig. 1; en fig. 5 toont een detail van fig. 4.

Fig. 1 toont schematisch in dwarsdoorsnede een eerste uitvoeringsvorm van een stroomsnelheidsmeter volgens de uitvinding.

De getoonde stroomsnelheidsmeter heeft een inlaatbuisstomp 1 30 en een uitlaatbuisstomp 2, middels welke de meter met een buisleiding kan worden gekoppeld door welke het te bemeten medium stroomt. De meter kan ook omgekeerd met een buisleiding worden gekoppeld, waarbij de buisstomp 2 als inlaatbuisstomp dient.

Tussen de buisstompen 1 en 2 bevindt zich een onder een 35 scherpe hoek geknikte meetbuis, die uit twee in V-vorm opgestelde buissecties 3, 4 bestaat.

830398] -3- ί 'i

Ter plaatse van de punt van de V-vorm is een zender 5 geplaatst, die aan de naar het medium toegekeerde zijde zadeldakvormig is uitgevoerd, zodat de respectieve vlakken van de zadeldakvorm zich dwars op de lengterichting van de secties 3 resp. 4 uitstrekken.

5 Ter plaatse van de aansluiting tussen de inlaatbuisstomp 1 en de buissectie 3 en ter plaatse van de aansluiting tussen de uitlaat-buisstomp 2 en de buissectie 4 zijn sensoren 6 resp. 7 geplaatst, die door de zender uitgezonden geluidssignalen, schematisch aangegeven bij 8 en 9 kunnen ontvangen en omzetten in elektrische signalen.

10 In de getekende situatie, waarbij de buisstomp 1 de inlaat buisstomp is hebben de door de zender uitgezonden signalen in de buissectie 3 een richting die tegengesteld is aan de mediumstroming, terwijl de door de zender uitgezonden signalen in de buissectie 4 een richting hebben, die hetzelfde is als die van de mediumstroom.

15 Daar de buissecties 3 en 4 even lang zijn is het looptijdver- schil of faseverschil tussen de door de sensoren 6 en 7 ontvangen signalen een maat voor de stroomsnelheid van het medium.

De door de sensoren ontvangen signalen worden door de sensoren omgezet in elektrische signalen, die op bekende en niet nader getoonde 20 wijze verder worden verwerkt.

Opgemerkt wordt, dat de zender 5 ook zou kunnen worden vervangen door twee naast elkaar geplaatste en tegelijk bekrachtigde zenders.

Door de V-vormige opstelling van de buissecties 3 en 4 kan de 25 afstand tussen de zender en de sensoren relatief groot zijn ten opzichte van de afstand tussen de buisstompen 1 en 2, zodat ondanks een lang meettraject toch een kleine inbouwmaat van de meter kan worden gehandhaafd.

Voorts zijn in beide secties de richtingen van de geluids-30 signalen evenwijdig aan de stromingsrichting van het medium. Door deze constructie kan een zeer nauwkeurig meetresultaat worden verkregen.

Fig. 2 toont schematisch in dwarsdoorsnede een praktische uitwerking van een stroomsnelheidsmeter gebaseerd op het principe van de in fig. 1 getoonde meter. Het meetlichaam bestaat uit een in V-vorm 35 opgesteld paar buizen 10 en 11, aan de onderzijde bevestigd in een zenderhouder 12, en aan de bovenzijde in een ontvangerhouder 13.

Q t η τ n o *

y \J v 5 I

______ · -* ▼ -4-

De te meten vloeistof stroom V komt binnen in een aansluitstuk 14, stroomt via een ingangsboring 15 door de buizen 10 en 11, en verlaat het meetlichaam via een boring 16 en een aansluitingstuk 17.

De aansluitstukken 14 en 17 zijn bevestigd in een robuust meta-5 len huis 18. Door dit huis worden de uitwendige krachten, die ontstaan bij het aansluiten van het meetinstrument op de leidingen van het vloei-stofcircuit, opgenomen. Het meetlichaam is via twee O-ringen 19 en 20 vrijdragend opgehangen. Bovendien verzorgen de O-ringen een thermische isolatie, zodat bijvoorbeeld via het gat 21 waarin een temperatuursensor 10 kan worden geplaatst, de temperatuur van de passerende vloeistof nauwkeurig kan worden gemeten. De thermische isolatie van meetlichaam naar metalen huis 18 kan nog worden verbeterd door de tussenruimte met isolerend kunststofschuim te vullen.

In de houder 12 is de zender Z aangebracht, welke bestaat uit 15 een trilplaat met daarop bevestigd bijvoorbeeld een piëzo-elektrisch element. In dit voorbeeld is de zender niet zadeldakvormig, doch vlak, hetgeen mogelijk is omdat de hoek tussen de buizen 10 en 11 gering is. Vanzelfsprekend kan ook een zadeldakvormige zender worden toegepast.

Door bekrachtiging met een wisselspanning ontstaat een mechanische 20 trilling, welke aan de te meten vloeistof wordt doorgegeven. Deze ge-luidstrilling plant zich in de buizen 10 en 11 voort in de richting van twee ontvangers R^ en R2, die op analoge wijze zijn opgebouwd als de zender. De ontvangers worden in trilling gebracht door de geluidsgolven en zetten deze om in een elektrische wisselspanning met dezelfde 25 frequentie als die van de zender. Aangezien de afstanden tussen zender en de respectieve ontvangers gelijk zijn, zal bij stilstaande vloeistof ook de fase van de elektrische ontvangsignalen gelijk zijn. Beweegt de vloeistof echter als aangegeven in fig. 2, dan zal het geluid zich in de buis 10 tegen- en in de buis 11 meestrooms voortplanten, 30 met als gevolg een faseverschil bij aankomst bij de ontvangers R^ resp. R^. Ook de elektrische signalen zullen dit faseverschil vertonen. Aan te tonen is, dat dit faseverschil een lineair verband heeft met de snelheid van de vloeistofstroom. Zo'n faseverschil is gemakkelijk te meten, zodat een eenvoudige en toch nauwkeurige stroomsnelheids-35 meter is ontstaan.

8303931

- V

-5-

Door uitzettingscoëfficiënten van de gebruikte materialen en de temperatuurafhankelijke geluidssnelheid in vloeistoffen ontstaat een zekere temperatuurafhankelijkheid van het meetresultaat. Om deze te kunnen corrigeren kan de meetuitkomst van de temperatuuropnemer 21 5 worden gebruikt. De correctie kan elektronisch geschieden.

Het meetbereik van de stroomsnelheidsmeter kan worden veranderd door de keuze van andere pijpdoorlaten, pijplengtes en/of andere geluidsfrequenties.

Het zal duidelijk zijn dat het metertype volgens de uitvinding 10 onmiddellijk reageert op veranderingen in de stroomsnelheid en dus zeer goed voor snelle regelingen kan worden toegepast.

Volgens een nadere uitwerking van de uitvindingsgedachte kan de zender Z worden vervangen door een geluidssignalen-weerspiegelend vlak, indien de sensoren afwisselend als zender of als ontvanger wor-15 den gebruikt. Dit is op zichzelf bekend en op eenvoudige wijze te realiseren in de met de sensoren verbonden elektronische schakeling. .

De sensoren worden dan beide gelijktijdig als zender bekrachtigd en direkt daarna als sensor geschakeld. De uitgezonden geluidssignalen doorlopen dan eerst de op de betreffende sensor aansluitende buis 10 20 resp. 11, weerkaatsen dan tegen het spiegelvlak en bereiken vervolgens via de andere buis 11 resp. 10 de andere sensor. Bij een juiste keuze van het spiegelmateriaal is reflectie zonder verlies mogelijk.

Een variant van de zojuist beschreven uitvoeringsvorm is getoond in fig. 3. Bij de in fig. 3 getoonde uitvoeringsvorm zijn de 25 beide buissecties evenwijdig aan elkaar geplaatst, zodat een nog kleinere inbouwmaat wordt verkregen. In plaats van een vlakke spiegel, zoals boven beschreven, zijn nu twee onder een hoek van 90° ten opzichte van elkaar geplaatste spiegels 32, 33 toegepast. De zender-sensoren zijn weer aangegeven met en , terwijl de weg van de geluidsgolven 30 met een onderbroken lijn 34 is aangegeven.

Fig. 4 toont schematisch een uitgaande van de in fig. 3 getoonde constructie ontworpen variant, waarin de beide buissecties 30 en 31 van fig. 3 geheel tegen elkaar aan liggen. Met voordeel kan hiertoe gebruik worden gemaakt van een enkele, relatief dikke meetbuis 40, 35 die aan het ene uiteinde is voorzien van tegenover elkaar liggende dwarse inlaat-en uitlaatbuisstompen 41, 42 en die aan het andere S3 0 3 33 1 -6- uiteinde weer door twee onder een hoek van 90° ten opzichte van elkaar en ten opzichte van de hartlijn van de relatief dikke meetbuis geplaatste spiegels 43, 44 is afgesloten.

Teneinde twee meetbuissecties te verkrijgen strekt zich in het 5 midden van de relatief dikke meetbuis in de lengterichting daarvan een verdeelschot 45 uit, dat nabij de spiegels een doorstroomopening 46 vrijlaat.

Deze uitvoeringsvorm heeft naast het voordeel van een nog compactere opbouw, het voordeel, dat de zender-sensoren en R£ gezamenlijk 10 uit een enkele planparallelle plaat van piëzo-elektrisch materiaal kunnen worden vervaardigd, zoals getoond in fig. 4 en in bovenaanzicht in fig. 5. De zender-sensoren R^ en R^ zijn nu samengevoegd tot één planparallelle piëzo-elektrische plaat 47, welke de buis 40 aan één zijde afdicht. Deze plaat is op bekende wijze aan beide vlakke zijden van 15 geleidende elektroden voorzien, waarbij echter de ene zijde van de plaat (b.v. aan de zijde van buis 3) in principe over het gehele oppervlak 48 geleidend is gemaakt, terwijl de tegenoverliggende zijde van twee, van elkaar geïsoleerde, in principe half-cirkelvormige elektroden · 49 en 50 is voorzien. De scheiding tussen de elektroden 49 en 50 ligt 20 in het vlak van het verdeelschot 45. De werking van de meter volgens fig. 4 is nu als volgt. Eerst worden de elektroden elektrisch doorverbonden en wordt de piëzo-elektrische plaat op bekende wijze elektrisch in diktetrilling gebracht. De geluidsbundel wordt in twee helften gedeeld door tussenschot 7, en deze bundelhelften bewegen zich in 25 de richting van de spiegels, worden 180° teruggekaatst (waarbij de geluidsbundelhelften elkaar kruisen en elk in de andere buishelft terechtkomen) en bewegen zich weer in de richting van de sensor. Even voordat de geluidsbundels de sensor bereiken, wordt de elektrische verbinding tussen de elektroden 49 en 50 verbroken en de beide helften 1 30 en 2 elk als ontvanger geschakeld.

Aangezien zich de ene bundelhelft steeds tegenstrooms en de andere bundelhelft steeds meestrooms voortplant, ontstaat weer het vorengenoemde fase- of looptijdverschil bij aankomst bij de sensorhelf-ten.

35 Ook de elektrische signalen die in de sensorhelften worden opge wekt zullen dit fase- of looptijdverschil vertonen, dat een maat is voor de mediumsnelheid.

. 3303331 -7-

Bij een goede vormgeving van de sensor en een juiste elek-trodebedekking is de optredende overspraak tussen de sensordelen verwaarloosbaar klein ten opzichte van het ontvangen meetsignaal. De nu ontstane meter is niet alleen compact en uiterst eenvoudig van opbouw, 5 maar heeft ook het voordeel dat de sensoren en één geheel vormen en dus uit hetzelfde materiaal bestaan en dezelfde dikte hebben.

Gelijkheid van fysische eigenschappen van de sensoren is daarmee gewaarborgd, ook na lange tijd, aangezien de veroudering van beide sensordelen principieel gelijk zal zijn en daardoor geen effect op het 10 meetresultaat kan hebben.

Opgemerkt wordt, dat diverse spiegelconstructies mogelijk zijn. Zo kunnen de spiegelvlakken ellipsvormig zijn of facetvormig. Ook kan een kogelvormig spiegelvlak worden toegepast. Ook kan (kunnen) bij de uitvoeringsvormen met evenwijdige buissecties het (de) spiegelvlak(ken) 15 zijn vervangen döor een afzonderlijke zender.

Voorts is het ter verkleining van de stromingsweerstand mogelijk het verdeelschot enigszins om de langsas te verdraaien. De gecombineerde zendersensor en de spiegelvlakken dienen dan op corresponderende wijze gepositioneerd te worden.

8305281

Claims (11)

1. Ultrasone stroomsnelheidsmeter, omvattende ten minste één zender, die in een buis, door welke een mediumstroom kan worden gevoerd, is geplaatst en die bekrachtigd kan worden om een geluidssignaal uit te zenden, alsmede althans één stroomopwaarts en althans één 5 stroomafwaarts van de zender geplaatste geluidsensor, die het ontvangen geluidssignaal kunnen omzetten in een elektrisch signaal, met het kenmerk, dat de buis V-vormig is, waarbij de benen van de V-vorm even lange buissecties vormen en de buissecties aan het open einde van de V-vorm elk zijn voorzien van een aansluitbuisstomp en een 10 geluidsensor, terwijl de zender zich aan de punt van de V-vorm bevindt en is uitgevoerd om geluidssignalen uit te zenden naar beide sensoren.

2. Ultrasone stroomsnelheidsmeter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de zender zadeldakvormig is, waarbij de respectieve vlakken van het zadeldak zich dwars ten opzichte van de respectieve 15 buissecties uitstrekken.

3- Ultrasone stroomsnelheidsmeter volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de zender is vervangen door een geluidsgolven weerkaatsend oppervlak en dat de beide sensoren zijn uitgevoerd als trans-ducenten, die afwisselend als zender en als ontvanger van geluids-20 golven kunnen worden gebruikt.

4. Ultrasone stroomsnelheidsmeter, omvattende ten minste één zender, die in een buis, door welke een mediumstroom kan worden gevoerd, is geplaatst en die bekrachtigd kan worden om een geluidssignaal uit te zenden, alsmede althans één stroomopwaarts en althans één 25 stroomafwaarts van de zender geplaatste geluidsensor, die het ontvangen geluidssignaal kunnen omzetten in een elektrisch signaal, met het kenmerk, dat de buis U-vormig is, waarbij de benen van de U-vorm even lange buissecties vormen, die aan het vrije uiteinde elk voorzien zijn van een aansluitbuisstomp en een geluidsensor, terwijl in de 30 bodem van de U-vorm een zender is geplaatst, die is uitgevoerd om geluidssignalen uit te zenden evenwijdig aan de hartlijn van beide buissecties en in beide buissecties. 8303931 t -9-

5. Ultrasone stroomsnelheidsmeter volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de zender is vervangen door een geluid-weerkaatsend samen-stel, dat het geluid over een hoek van 180° ombuigt, en dat de beide sensoren zijn uitgevoerd als transducenten, die afwisselend als zender 5 en als ontvanger van geluidsgolven kunnen worden gebruikt.

6. Ultrasone stroomsnelheidsmeter volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat de beide evenwijdige buissecties tegen elkaar liggen.

7. Ultrasone stroomsnelheidsmeter volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de buissecties zijn gevormd door in een relatief dikke 10 buis een zich in de lengterichting van de relatief dikke buis uitstrekkend verdeelschot aan te brengen, dat aan het van de aansluit-buisstompen afgekeerde uiteinde een doorstroomopening vrijlaat.

8. Ultrasone stroomsnelheidsmeter volgens conclusie 5 en 6 of 7, met het kenmerk, dat de beide transducenten gezamenlijk zijn gevormd 15 uit een planparallel stuk piëzo-elektrisch materiaal, dat aan de ene Zijde van een in hoofdzaak het gehele oppervlak bedekkende elektrode is voorzien, terwijl de andere zijde van twee gescheiden elektroden is voorzien, op gebieden die elk in het verlengde van een buissectie liggen.

9. Ultrasone stroomsnelheidsmeter volgens één der conclusies 1 t/m 8, met het kenmerk, dat het geluid-weerkaatsende samenstel een inwendig kegeloppervlak vormt.

10. Ultrasone stroomsnelheidsmeter volgens conclusie 8 of 9, met het kenmerk, dat het verdeelschot om zijn langshartlijn is verdraaid ten 25 opzichte van de aansluitbuisstampen, zodat het instromende medium onder een hoek het verdeelschot raakt.

11. Ultrasone flowmeter volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de buissecties en de aansluitbuisstompen zijn ondergebracht in een metalen huis en op thermisch isolerende wijze daarin 30 zijn opgehangen. 8303981