NL8602458A - Ultrasone stromingsmeter. - Google Patents

Description

• ; - · 1 ;Τ Ν.0. 33.959 -,vv m:z: ; · ,·*

Ultrasone stromingsmeter * - ..-- ...

ft. · -·**.-·.

7 De ruitvinding heeft betrekking op .eèn ultrasone stro-mingsme’ter voor de meting van de stroomsnelheid van. een., vloeistof, in een .. ....

9 — · ···'- ' 5 pijpleiding, voorzien van twee elk in een daartoe bestemd huis opgenomen piëzo-elektrische zend-ontvangtran&ffucenten,' diéiöxïaal .‘vêr-schoVen ten ‘ ? opzichte van elkaar aan weerszijden van de pijpleiding daarop geklemd worden en die afwisselend ultrasone, ge l.uids pul-s^n in de pijpleiding uit-: ..

zenden en daaruit ontvangen teneinde uit de looptijd van de ’geluidspul- * * · » · * * »· · ·-< * 10 sen in stroomopwaartse en stroomafwaartse richting de stroomsnelheid te *,·>..·' · · . - - ; - . · - · *:*’ * bepalen. Een dergelijke ultrasone stromingsmeter is'uit het Amerikaanse • , . . , . t; ,.· i ( «j « .· - octrooischrift 4.467.659 bekend. ’ f ;· ' ï; ; De bij de ui“t bovengenoemd octrooischrift bekende ul- trasone stromingsmeter toegepaste piëzo-elektrische trapsdueenten; zijn .

15 elk onder een hoek ten opzichte van de pijpwand en op enige afstand £ daarvan in het huis opgesteld. Daarbij worden in het oppervlak van de pijpwand geluidsgolven van het transversale type overgebracht. De piëzo-elektrische tfahsduceiitèïï kunnen‘met hun uittreevlakken recht-- r- , . . .....

, T '* str'eeks daar de pijpwand onder .een. hoek" of eerst rechtstreeks Tiaar een '*“ 20 reflectiewand van het genoemde huis gericht zijn zodat de door de £ piëzo-elektrische transducent uitgezonden longitudinale golven aan die reflectiewand eerst in transversale golven omgezet worden die vervolgens aan het koppelingsvlak met de pijpwand een goede overdracht hebben zodat geluidsgolven met nog voldoende energie daarin worden overgebracht. Een 25 bezwaar is evenwel dat in beide gevallen door de voortplanting in het huis en aanvullend in het tweede geval door de reflectie aan de reflectiewand energieverliezen optreden.

De uitvinding beoogt de energieverliezen tot een minimum te beperken en daarbij een ultrasone stromingsmeter te verschaffen, 30 waarin bij handhaving van een goede koppeling tussen transducentenhuis en pijpwand de daarin overgebrachte golven slechts met zeer geringe energie behoeven te worden opgewekt en desondanks gemakkelijk gedetecteerd kunnen worden.

Dit wordt bij een ultrasone stromingsmeter van de in 35 de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding aldus bereikt dat de piëzo-elektrische zend-ontvangtransducenten elk uit een rij van aangrenzende deeltransducenten bestaan, welke rij over zijn gehele lengte in axiale richting met het pulsuittreevlak aan de pijpwand is gekoppeld, waarbij de deeltransducenten met stuursignalen worden aangestuurd, waar- 8602458 2 bij het faseverschil tussen de stuursignalen aan telkens twee aangrenzende deeltransducenten en de afstand tussen de middens daarvan zodanig op elkaar afgestemd zijn, dat de transducent bij benadering sinusvormig vervormt met een periodieke lengte, die overeenkomt met de golflengte 5 X van de in de pijpwand op te wekken Lamb oppervlaktegolven in de A0 mode, welke golven zich in axiale richting langs de pijpwand voortplanten en aan de binnenzijde in de aangrenzende vloeistof in longitudinale golven worden omgezet.

Bij een voordelige uitvoeringsvorm van deze ultrasone 10 stromingsmeter bedragen het genoemde faseverschil tussen de signalen aan telkens aangrenzende deeltransducenten en de afstand tussen de middens daarvan resp. 180° en λ /2.

Bij een verdere voordelige uitvoeringsvorm van deze ultrasone stromingsmeter omvat elke piëzo-elektrische transducent een 15 langwerpig piëzo-element waarin de deeltransducenten zijn gevormd door middel van tenminste in een der elektroden aangebrachte dwarssneden die op genoemde onderlinge afstand van elkaar liggen.

De uitvinding zal aan de hand van een uitvoeringsvoor-beeld nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin: 20 Figuur 1 een doorsnede-aanzicht geeft van twee in de ultrasone stromingsmeter volgens de uitvinding toegepaste zend-ontvang-transducenten die axiaal verschoven ten opzichte van elkaar aan weerszijden van een pijpleiding daarop zijn aangebracht;

Figuur 2 een doorsnede-aanzicht geeft van een enkele 25 op de pijpwand geplaatste zend-ontvangtransducent van figuur 1;

Figuur 3 een schematisch doorsnede-aanzicht geeft van een deel van een zend-ontvangtransducent volgens de uitvinding;

Figuur 4 een verder schematisch aanzicht geeft van een zend-ontvangtransducent volgens de uitvinding; en 30 Figuur 5 een blokschema geeft van de in de ultrasone stromingsmeter volgens de uitvinding toegepaste elektronische stuureen-heid.

In figuur 1 is aangegeven hoe op een pijpleiding 5, waardoor een vloeistof 6 stroomt* twee transducenthuizen 3 zijn beves-35 tigd op axiaal ten opzichte van elkaar verschoven plaatsen op de pijpwand. Elk huis 3 bevat een uit een rij van deeltransducenten bestaande transducent 1 respectievelijk 2. Deze transducenten 1, 2 zijn tegen het op de pijpwand te plaatsen bodemvlak van het huis aangebracht, terwijl bijvoorbeeld de rest van het huis gevuld is met een akoestisch dempend 8602458 Λ.

3 materiaal 4. Tot de ultrasone stromingsmeter volgens de uitvinding behoort eveneens een gebruikelijke elektronische stuureenheid. Deze stuur-eenheid verzorgt de afwisselende bekrachtiging van de zend-ontvangtrans-ducenten, de synchronisatie, de ontvangst en verwerking van de ontvangen 5 pulssignalen.

Zoals in figuur 1 is aangegeven wekt de transducent 1 ultrasone geluidspulsen op die in een deel van de pijpwand Lamb golven in de A0 mode teweegbrengen. Dit zijn transversale golven die zich hoofdzakelijk aan het oppervlak van de buitenzijde en binnenzijde van de 10 pijpwand voortplanten daar de amplitude van dit type golven aan het oppervlak van de pijpwand maximaal is. Deze golven kunnen met betrekkelijk weinig energie in de transducent opgewekt worden en kunnen eveneens met behulp van de andere transducent gemakkelijk gedetecteerd worden. De in de oppervlakte van de pijpwand aan de binnenzijde voortplantende trans-15 versale golven brengen in de vloeistof longitudinale golven teweeg die zich in stroomafwaartse en -opwaartse richting door de vloeistof voortplanten en die door de transducent 2 worden ontvangen. De intreehoek (7T/2-«4 van de golven in de vloeistof wordt bepaald door de materiaal-constanten van pijpwand en vloeistof. Vervolgens zendt de transducent 2 20 onder invloed van de stuureenheid geluidspulsen door de vloeistof die door de transducent 1 worden ontvangen. De ultrasone stromingsmeter bepaalt dan het verschil van de looptijden van de geluidspulsen in stroom-opwaartse en stroomafwaartse richting en bepaalt op gebruikelijke wijze hieruit de stroomsnelheid V van de vloeistof.

25 In figuur 2 is schematisch aangegeven op welke wijze aan het oppervlak aan de buiten- en binnenzijde van de pijpwand deze transversale Lamb golven zich met een snelheid voortplanten. Aan de binnenzijde van de pijpwand worden door deze Lamb golven dan longitudinale of compressiedrukgolven in de vloeistof opgewekt. Deze longitudina-30 le golven vormen goed gedefinieerde stralen die zich onder een hoek (7f/2-«4) ten opzichte van de normaal op de pijpwand door de vloeistof voortplanten. Wanneer deze longitudinale golven een deel van de buiswand treffen, worden deze vloeistofdrukgolven weer in Lamb oppervlaktegolven omgezet en vervolgens door de transducent 2 ontvangen.

35 De zend-ontvangtransducenten 1, 2 zijn volgens de uit vinding opgebouwd uit een aantal rijvormig opgestelde deeltransducenten.

Deze deeltransducenten zijn weer, in afwijking van de bekende uitvoeringsvormen, met hun uittreevlakken tegen de bodem van het transducen-tenhuis op de buiswand geplaatst. De aangrenzende deeltransducenten wor- 8602458 4 % den door in fase verschillende stuursignalen aangestuurd. Door de fase-relatie van de stuursignalen alsmede de ruimtelijke afstand tussen de opvolgende deeltransducenten of elementen wordt de golflengte van de in de buiswand op te wekken Lamb oppervlaktegolf bepaald.

5 In de eenvoudigste vorm kunnen bijvoorbeeld de deel transducenten of elementen afzonderlijk naast elkaar in een rij zijn aangebracbt en worden zij door stuursignalen, die opvolgend een faseverschil van 180° hebben, aangestuurd. De stuursignalen kunnen hierbij afwisselend in fase 180° verschillen of de elementen kunnen afwisse-10 lend met een vaste spanning en met een signaal van bepaalde amplitude worden aangestuurd. Het is ook mogelijk om de afzonderlijke elementen afwisselend tegengesteld te polariseren en hen alle met eenzelfde signaal aan te sturen. De onderlinge afstand van opvolgende middens van de deeltranducenten komt in dit geval overeen met de halve golflengte van 15 de in de pijpwand op te wekken Lamb oppervlaktegolven in de A0 mode.

Bij een verdere uitvoeringsvorm is het mogelijk om de transducent niet uit losse elementen maar uit één heel element op te bouwen, waarbij een patroon van elektroden aan weerszijden of aan één zijde van dit element voldoende is om het geheel als afzonderlijke 20 zend-ontvang deeltransducenten te laten reageren.

In figuur 3 is deze uitvoeringsvorm volgens de uitvinding aangegeven, waarin de deeltransducenten gevormd zijn door dwarssne-den in de ene elektrode 7 aan te brengen op onderlinge afstand van X/2. Hierbij is X de golflengte van de in de pijpwand op te wekken Lamb op-25 pervlaktegolven in de A0 mode. De dwarssneden in de bovenelektrode 7 verdelen het piëzo-element in een aantal denkbeeldige deelelementen of deeltransducenten. Over de deeltransducenten wordt een blokspanning aangebracht zoals in figuur 4 is aangegeven. Het piëzo-element vervormt dan bij benadering sinusvormig zoals in figuur 3 is aangegeven met een 30 periodieke lengte overeenkomend met de golflengte X van de Lamb golven in de A0 mode.

Het is ook mogelijk om de deeltransducenten of de genoemde dwarssneden op een andere dan de genoemde \ /2 afstand van elkaar aan te brengen. Door het faseverschil tussen de stuursignalen hieraan 35 aan te passen en in te stellen op een andere waarde dan 180° kunnen weer de vereiste Lamb oppervlaktegolven in de A0 mode worden opgewekt.

Door deze plaatsing van de transducenten met hun uit-treevlak rechtstreeks op de bodem van het transducentenhuis en vervolgens direct op de buisleiding en door aanpassing van de afstand tussen 8602458 0 5 de deeltransducenten kunnen op selectieve wij2e in de buiswand Lamb oppervlaktegolven in de A0 mode worden opgewekt en ontvangen. Ten opzichte van de bekende transducenten in de techniek worden deze ultrasone geluidsgolven met zeer geringe energie in de zendtransducent 5 opgewekt en worden zij tevens op eenduidige wijze door de ontvangtransducent ontvangen. De hoeveelheid ruis en parasitaire golven is buitengewoon laag. Daardoor is ook de energieverhouding tussen de verzonden elektrische puls en de ontvangen elektrische puls groot, waarbij tevens de elektrische energie op efficiënte wijze in mechanische 10 energie wordt omgezet en omgekeerd.

Doordat aan de ontvangzijde over een relatief groot gebied aan het buitenoppervlak van de pijpwand oppervlaktegolven ontstaan, is de plaatsbepaling van de ontvangtransducent niet kritisch. De vaste looptijden van het geluidssignaal in de transducent en in de vaste 15 wanden zijn, na installatie en vastklemming van de transducenten, elektronisch in de stuureenheid door het instellen van dode tijden verdisconteerd.

De ultrasone stromingsmeter volgens de uitvinding kan op pijpleidingen van verschillend materiaal worden toegepast. Aanpassing 20 aan dit materiaal vindt plaats door verandering van de onderlinge afstand tussen de dwarssneden in de elektrode van de transducent.

Verwezen wordt nu naar figuur 5 waarin een blokschema van de genoemde elektronische stuureenheid is aangegeven. Vanuit de centrale klokschakeling of microprocessor 10 wordt de pulsgenerator 12 aan-25 gestuurd voor het afwisselend bekrachtigen van de opwaartse-stroomtrans-ducent 1 en de afwaartse-stroomtransducent 2. Gelijktijdig wordt de zend-ontvangschakelaar 13 bekrachtigd vanuit de microprocessor. Na omschakeling van de zend-ontvangschakelaar 13 worden de ontvangen pulsen toegevoerd aan de versterker 14, en vervolgens aan de tijdmeetschakeling 30 15. In de met een geheugen 11 uitgevoerde microprocessor 10 wordt vervolgens de bepaling van de stroomsnelheid uitgevoerd op basis van de door de invoereenheid 16 ingevoerde gegevens, zoals dode tijd, pijpmate-riaal, pijpdiameter, etc. Via de uitgangsschakeling 17 wordt dan aan de uitgang 18 een indicatie van de stroomsnelheid afgegeven.

8602458

Claims (3)

1. Ultrasone stromingsmeter voor de meting van de stroomsnelheid van een vloeistof in een pijpleiding, voorzien van twee 5 piëzo-elektrische elk in een daartoe bestemd huis opgenomen zend-ont-vangtransducenten, die axiaal verschoven ten opzichte van elkaar aan weerszijden van de pijpleiding daarop geklemd worden en die afwisselend ultrasone geluidspulsen in de pijpleiding uitzenden en daaruit ontvangen teneinde uit de looptijd van de geluidspulsen in stroomopwaartse en 10 stroomafwaartse richting de stroomsnelheid te bepalen, met het kenmerk, dat de piëzo-elektrische zend-ontvangtransducenten elk uit een rij van aangrenzende deeltransducenten bestaan, welke rij over zijn gehele lengte in axiale richting met het pulsuittreevlak aan de pijpwand is gekoppeld, waarbij de deeltransducenten met stuursignalen 15 worden aangestuurd, waarbij het faseverschil tussen de stuursignalen aan telkens twee aangrenzende deeltransducenten en de afstand tussen de middens daarvan zodanig op elkaar afgestemd zijn, dat de transducent bij benadering sinusvormig vervormt met een periodieke lengte, die overeenkomt met de golflengte X van de in de pijpwand op te wekken Lamb opper-20 vlaktegolven in de A0 mode, welke golven zich in axiale richting langs de pijpwand voortplanten en aan de binnenzijde in de aangrenzende vloeistof in longitudinale golven worden omgezet.

2. Ultrasone stromingsmeter volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat het genoemde faseverschil tussen de signalen 25 aan telkens aangrenzende deeltransducenten en de afstand tussen de middens daarvan resp. 180° enX/2 bedragen.

3. Ultrasone stromingsmeter volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat elke piëzo-elektrische zend-ontvang-transducent een langwerpig piezo-element omvat, waarin de deeltransdu- 30 centen zijn gevormd door middel van tenminste in een der elektroden aangebrachte dwarssneden die op genoemde onderlinge afstand van elkaar liggen. 8602458