NO144686B - Ultralydapparat for utledning av fysiske verdier for et medium - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et ultralydapparat for utledning

av fysiske verdier, særlig strømningshastighet, for et medium, omfattende en ultralydsender og en ultralydmottaker.som ligger i aksen for et målerør som bestemmer overføringsveien.

Ved et kjent apparat av denne art strekker målerøret seg mellom to rørbøyer hvor sender og mottaker er anordnet på ytterveggen av en rørbøy. Svært ofte er imidlertid apparatet hvor sender og mottaker er aksialt forskutt anordnet på over-for hverandre liggende sider av rørbøyen. Videre er det kjent et apparat hvor målerøret består av kunststoff og sender og mottaker er anbragt slik på målerørveggen at det dannes en siksakformet overføringsvei hvor ultralydbølgene reflekteres mange ganger på målerørveggen.

Under drift blir senderen energisert ved hjelp av en puls slik at et kortvarig ultralydsignal sendes ut. Løpetiden for dette ultralydsignal inntil det når mottakeren bestemmes. Når ved et strømmende medium såvel løpetiden i strømningsret-ningen som løpetiden mot strømningsretningen måles, kan strømningshastigheten i mediet eller dets tetthet bestemmes. Vesentlig er da en nøyaktig bestemmelse av løpetiden for ultralydsignalet. Dette forutsetter at den inntreffende bølgefront ved mottakeren kan fastslås meget nøyaktig.

Det har vist seg at løpetidsmålinger blir desto unøyaktigere jo mindre tverrsnittet er, altså jo mindre.diameteren er av målerøret. Det er imidlertid et stort behov for målerør med små tverrsnitt f.eks. når forholdsvis små mengder av et medium med forholdsvis stor strømningshastighet skal føres gjennom røret.

Hensikten med oppfinnelsen er derfor å tilveiebringe

et apparat av den innledningsvis nevnte art hvor det arbeides med et meget lite rørtverrsnitt og hvor det likevel oppnås en nøyaktig løpetidsmåling.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at målerøret har

en indre diameter som er mindre enn femten ganger ultralydsignalets bølgelengde, og at målerørets innervegg består av et materiale med mindre akustisk impedans:-; enn for metall.

Denne løsning beror på den overraskende kjennsgjerning at ved målerør med lite tverrsnitt oppnås en nøyaktig løpe-tidsmåling ved at mottakeren allerede før mottakning av bølge-fronten som dannes av grunnbølgen mottar forutløpende bølger med ikke ubetydelig energi. Det har vist seg at disse forut-løpende bølger er av senderkrystallet utstrålte bølger av første og andre orden som på grunn av bølgeligningen utbrer seg med større hastighet enn den plane grunnbølge. Ifølge oppfinnelsen utnyttes denne kjennsgjerning at disse bølger av første og andre orden har en utbredelsesretning som danner en vinkel med grunnbølgens utbredelsesretning. Hvis nemlig grunn-bølgen stråles ut i retning av målerørets akse, når disse mottakeren udempet mens bølger av første og andre orden treffer rørveggen og reflekteres og som følge av liten akustisk impedans av innerveggen får disse en dempning. Dermed sikres at de forutløpende bølger blir så svake at mottakeren ikke lenger påvirkes av disse.

Ved de fleste væsker ligger lydhastigheten mellom

1500 og 1800 m/sekund. For vann gjelder 1500 m/sekund. Ultralydfrekvensen skal være høyest mulig for at det skal oppnås god oppløsningsevne. En for høy frekvens gir imidlertid for store overføringstap. En gunstig verdi av ultralydfrekvensen ligger ved 1 MHz. Ved denne frekvens ligger derfor den største diameter av et målerør som er beregnet for vann på mellom 20 og 25 mm. Ved målinger kan det fastslås at ved et målerør av metall med en diameter på 25 mm og mere,oppstår det ingen problemer med forutløpende bølger, fordi dette problem tydelig opptrer når diameteren underskrider 20 mm. Por andre væ'ské'r "og andre ultralydfrekvenser gjelder det tilsvarende.

Lengden av overføringsveien må ved de her betraktede apparater ikke underskride en bestemt minste verdi, fordi ved for liten avstand mellom sender og mottaker blir tidsdiffer-ensen for lydmålingen for liten og det oppnås ingen nøyaktig måling. Denne nedre grense er en ren praktisk verdi som er avhengig av apparatet og de måletekniske hensyn. Den er som regel minst 40 til 50 ganger bølgelengden for ultralydsignalet. Ofte anvendes imidlertid lengre overføringsveier, f.eks. 150 til 200 ganger bølgelengden. F.eks. når krystallet i ultra-lydsenderen har mindre tverrsnitt enn målerørtverrsnittet, må dette rørtverrsnitt fullstendig utfylles av en lydbølge for å oppnå en middelverdi. Heller ikke overføringsveier på 300 til 500 ganger bølgelengden er uvanlig. I alle tilfeller til-strebes ifølge oppfinnelsen ved refleksjoner dempning av bølger av første og andre orden. Hyppige refleksjoner fører til tilsvarende sterk dempning.

Særlig kan målerørets innervegg bestå av kunststoff, f.eks. polyamid. Kunststoff har enten fra naturens side en vesentlig mindre akustisk impedans enn metall eller kan uten vanskelighet gis en slik impedans.

Det er tilstrekkelig når bare innerveggen består av kunststoff. Selve målerøret kan derfor bestå av metall.' Dette anbefales derfor ofte når det stilles store krav til fasthet eller temperaturbestandighet av målerøret.

Det har vist seg at for oppnåelse av de tilstrebede resultater er det tilstrekkelig med forholdsvis liten tykkelse<; >av veggforingen. Tykkelsen behøver bare være 0,5~lj5 mm, fortrinnsvis 1 mm.

Et utførelseseksempel på oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvisning til tegningen som skjematisk, delvis i snitt viser et apparat ifølge oppfinnelsen.

Et målerør 1 er forsynt med en indre foring 2 av polyamid. Målerøret har i den ene ende et hode 3 med et inn-løpsrør H og i aksial forlengelse av målerøret 1 en ultralydomformer 5• I den andre ende er det anordnet et hode 6 med et utløpsrør 7 og i aksial forlengelse av målerøret 1 en andre ultralydomformer 8.

De to omformere 5 og 8 er forbundet med en styre- og målekrets 9. Denne gir i en første takt en energiseringspuls til omformeren 5 hvoretter denne som sender frembringer et ultralydsignal. Det av omformeren 8 som mottaker mottatte ultralydsignal blir tilført kretsen 9, slik at denne fast-slår løpetiden for ultralydsignalet. Da mediet tilføres i pilretningen, skjer det en løpetidsmåling i strømningsret-ningen. I den andre takt avgir styre- og målekretsen 9 en energiseringspuls til omformeren 8 slik at denne som sender stråler ut det neste ultralydsignal. Ultralydsignalet som mottas nå av omformeren 5 som mottaker, tilføres kretsen 9, slik at løpetiden måles mot strømningsretningen. Av disse måleresultater kan så en utledningskrets 10 som er forbundet med kretsen 9 fastslå strømningshastigheten- fordi rørtverr-snittet er gitt og kan fastslå den passerte mengde medium og angi dette. Av de utledede verdier kan også lydhastigheten i mediet og dermed dets tetthet, bestemmes.

I det foreliggende utførelseseksempel er mediet vann med en lydhastighet på ca. 1500 m/sekund. Ultralydomformerne arbeider med en. grunnfrekvens på 1 MHz. Bølgelengden for ultralydsvingningene er da 1,5 mm. Målerøret har en ytre diameter på 20 mm, en veggtykkelse på 1 mm, slik at diameteren Dz er 18 mm.

Kunststofforingen 2 har likeledes en veggtykkelse på 1 mm, slik at den indre diameter Di er 16 mm. Dette tilsvarer ca. 11 ganger bølgelengden. Lengden av overføringsveien L er 50 cm. Dette tilsvarer 333 ganger bølgelengden. Ved denne ut-førelsesform er de forutløpende bølger som løper foran den egentlige bølgefront uvesentlig liten. Anvendes derimot et målerør med samme indre diameter og av stål, oppnås meget ut-pregede forutløpende bølger.

Lignende gode resultater oppnås også med en kunststoff-foring på 0,5 til 2 mm tykkelse. Det samme gjelder for en mindre indre diameter f.eks. 10 eller 14 mm, såvel som også større indre diameter f.eks. 20 mm og for forskjellig lengde L, f.eks. 20 cm eller 75 cm.

Claims (5)

1. Ultralydapparat for utledning av fysiske verdier, særlig strømningshastighet, for et medium, omfattende en ultralydsender og en ultralydmottaker som ligger i aksen for et målerør som bestemmer overføringsveien, karakterisert ved at målerøret (1) har en indre diameter (d^.) , som er mindre enn femten ganger ultralydsignalets bølgelengde, og at målerørets innervegg (2) består av et materiale med mindre akustisk impedans- enn for metall.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at innerveggen (2) består av kunststoff.

3- Apparat ifølge krav 2,. karakterisert ved at målerøret (1) består av metall og har. en foring (2)' av kunststoff.

4. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved at tykkelsen av foringen (2) ligger mellom 0,5 og l,5mm,og fortrinnsvis er 1 mm.

5. Apparat ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at kunststoffet er polyamid.