NO148427B - Fremgangsmaate og utstyr for maaling av fluidumhastighet - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og et utstyr for måling av hastigheten til et strømmende fluidum (gass eller væske) som strømmer gjennom et rør el.l.

Det er tidligere velkjent å benytte ultralyd-teknikk til å måle hastigheten til et strømmende medium. Enkelte kjente systemer gjør bruk av to par transdusere for å sende ultralyd-bølger gjennom mediet, idet ett par brukes for å sende ultralyd-bølger medstrøms, mens det andre paret brukes for å sende ultralyd-

bølger motstrøms. Forskjellen i transmisjonstid for ultralyd-bølgene i de to retninger brukes da til å beregne strømnings-hastigheten.

Slike systemer har lett for å bli kompliserte og kan lide av unøyaktigheter som bl.a. kan skyldes frekvensspredninger i fluidumet.

Visse forbedringer er allerede oppnådd ved å utforme slike systemer i overensstemmelse med britisk patent nr. 1.434.633,

hvor ett eneste par transdusere benyttes for å sende lyd-bølger i begge retninger. Her kobles en spenningsstyrt oscillator til transduserne over en frekvensdeler, idet sistnevnte frembringer en serie pulser for sending gjennom fluidumet og en lignende serie med forsinkede referansepulser. Oscillatorfrekvensen er justert slik at de utsendte pulsene mottas sammenfallende med de forsinkede referansepulsene. Oscillatorfrekvensene for oppstrøms og nedstrøms pulstransmisjon gir da et mål på strømningshastig-heten.

Fra US pat. nr. 3.420.102 er det dessuten kjent en ultralyd hastighetsmåler hvor det foreligger en tilbakekoblet regulerings-sløyfe som sørger for å holde faseforholdene konstante. Det foreligger her identiske kretser som omfatter sender og mottager for begge transmisjonsretninger. Mange av kretsenhetene må således dubliseres, noe som kompliserer utstyret vesentlig. På grunn av de mange komponenter vil også feilsannsynligheten øke, og feil i den ene transmisjonsretning er nok til å ødelegge måle-resultatet, da det er forholdet mellom de to oppnådde frekvenser som representerer måleverdien.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte og et utstyr av samme hovedtype som den som er beskrevet i nevnte britiske patent, men som har flere forbedringer.

I tillegg til hva som er kjent fra det ovennevnte britiske patent har den foreliggende måler trekk som gjør at behovet for et relativt komplisert utstyr for å sørge for at .pulsene som mottas skal være sammenfallende, bortfaller. Dette tilleggsut-styr er en faselåst sløyfe som omfatter transmisjonsveien og dermed også veien gjennom fluidumet mellom transduserne. Dette trekket, sammen med bruken av en oscillatorfrekvens som er høy sammenlignet med de anvendte ultralyd-frekvenser, gir en stor grad av nøyaktighet, og dette oppnås ved hjelp av relativt enkelt og rimelig elektronisk utstyr i henhold til de nedenfor fremsatte patentkrav.

De ovennevnte ulemper overvinnes ved å anvende en fremgangsmåte eller et utstyr i overensstemmelse med de nedenfor fremsatte patentkrav.

For å gi en klarere forståelse av foreliggende oppfinnelse, blir det nedenfor vist til et detaljert utførelseseksempel under henvisning til de ledsagende tegninger, hvor

- fig. 1 viser et blokkskjerna for en enkel utførelse i henhold til foreliggende oppfinnelse, - fig. 2 viser et blokkskjema som angir funksjonene for en utgangskrets i henhold til fig. 1 og - fig. 3 viser et blokkskjema for en alternativ utførelse av foreliggende oppfinnelse.

I fig. 1 kan fluidum strømme gjennom røret 10 i retningen som er vist av pilen 11 eller i retningen som er vist av pilen 12. Utgangskretsen 13 vil være konstruert slik at den vil gi en egnet indikasjon av enten strømningshastigheten eller det totale passerte fluidumvolum i røret 10, under hensyntagen til hvilken retning fluidumet strømmer i i røret 10.

Foreliggende oppfinnelse bruker to bufferkretser 15 og 14 som henholdsvis er koblet fra en signalforsterker 18 og en vender 20.

En forbindelse settes vekselvis opp fra utgangen av signalforsterkeren 18 til de to transduserne 16 og 17, ved hjelp av venderen 19 og 20 som betjenes av utgangskretsen 13. Utgangene fra bufferkretsene 14 og 15 blir påtrykket en fasedetektor 21 som gjennom en forsterker 22 fastlegger frekvensen til utgangssignalet fra en spenningsstyrt oscillator (VCO) 23. Den spenningsstyrte oscillator 23 har sin utgang forbundet med inngangen til forsterkeren 18. Når det gjelder virkemåten for dette utstyret skal det først bemerkes at bølgelengden eller fraksjoner av bølgelengden eller eventuelt et visst antall bølgelengder mellom transduserne 16 og 17 holdes konstant. Dette skjer ganske enkelt ved hjelp av at den tilbakekoblede reguleringssløyfe sikrer at fasen til det mottatte signal låses på en fast verdi. Dessuten holdes frekvensen til utgangssignalet fra den spenningsstyrte oscillator 23 praktisk talt konstant. Imidlertid varierer dette signalet noe i avhengighet av hastigheten og strømningsretningen for fluidumet i røret 10.

Utgangskretsen 13 tilveiebringer en indikasjon'av volumet som pr. tidsenhet flyter gjennom røret.

Utgangskretsen 13 er vist i fig. 2 og har innganger 24 og 25 som kommer fra utgangene til bufferkretsen 14.

Bryterne 26 og 27 tilveiebringer vekselvis pulser til en fremover/bakover-teller 28. Disse pulsene frembringes f.eks. med pulsintervaller på et sekund idet utgangen til en 1 MHz oscillator 29 i rekkefølge føres gjennom delingskretsene 30 og 31. En inverteringskrets er angitt ved 32. OG-porter er tilveiebrakt ved 33 og 34. En ELLER-port er tilveiebrakt ved 35. En for-sinkelseskrets 36 er koblet fra utgangen fra inverteringskretsen 32 til en inngang til telleren 28. Utgangen fra inverteringskretsen 32 er også koblet til en portstyringskrets 37. Et lag-ringsregister 38 og en indikator 39 er koblet i rekkefølge fra den portstyrende kretsen 37. Indikatoren 39 indikerer strøm-ningshastigheten for fluidumet i røret 10.

Telleren 28 teller f.eks. fremover ved oppstrømstellinger og subtraherer deretter nedstrømstellinger. Differansen lagres i registeret 38. Differansen indikeres av indikatoren 39.

Utførelsen i fig. 3 kan være identisk med utførelsen i

fig. 1, bortsett fra det at det anvendes en spenningsstyrt høy-frekvensoscillator 40 hvis utgang deles av delingskretsene 41, 42 og 43. En bufferkrets 44 er koblet til en vender 45. Venderen 45 er i sin tur forbundet med en transduser 46. En transduser 47 er koblet via en vender 48 som er forbundet med bufferkretsen 49. Fasedetektoren 50 kan være identisk med fasedetektoren 21. Signalforsterkeren 51 kan være identisk med forsterkeren 22. Vinkelen som transduserne 16 og 17 danner med symmetriaksen i røret 10 kan være null eller ha en hvilken som helst verdi mindre enn 90°.

Utgangskretsene 13 og 13' i figurene 1,2 og 3, som fortrinnsvis er av mikroprosessor-typen, mottar de to sløyfefrekvensene og tilveiebringer en digital subtraksjon for å fremskaffe differansefrekvensen fra middelverdien til flere målinger. Fluidumhastig-heten fastlegges da av og til fra denne differansefrekvensen ved bruk av ulike korreksjonsfaktorer som f.eks. Reynolds tall, rørets dimensjoner, og en korreksjonsfaktor for ikke-lineær strømning, og alle disse faktorer kan lagres i mikroprosessorens program.

Arrangementene som er beskrevet ovenfor kan benyttes for å måle strømningshastigheten for såvel væsker, som gasser og opp-slemmede stoffer (fluidumer som fører med seg suspenderte fast-stoffer) . Den enkle faselåste sløyfe virker over et bredt fre-kvensområde som fastlegges av området til delingskretsene som benyttes, og det kan anvendes flere ulike metoder for å regne ut middelverdien, og herved reduseres transientfeil. Sløyfen kan tilpasses til å holde sin sist fastlåste frekvens inntil fornyet låsing til etterfølgende frekvens er oppnådd. Den kan også tilveiebringe et tap av låsesignal når den ikke er faselåst. Arrangementet kan også benyttes for flere måleveier og kan benytte fuktede eller ikke-fuktede transdusere.

I ytterligere anvendelser kan arrangementet anvende en mikroprosessor som er programmert til å foreta tetthets- og massekalkulasjoner. I et slikt arrangement trenges igjen ekstra transduser for å tilveiebringe temperatur og trykkdata som over-lates til mikroprosessoren.

Det kan på enkel måte vises at den detekterte frekvensdifferanse er direkte proporsjonal med mediets strømningshastig-

het som skal måles.

For all bølgebevegelse gjelder

hvor: X er bølgelengden,

f er frekvensen, og

v er bølgens forplantningshastighet i et stillestående medium.

I det forekommende tilfelle overlagres ultralyd-bølgen (med

indeks u) på mediets eller fluidets hastighet (angitt med indeks

f). Og regner man med fortegn i avhengighet av hvorvidt ultra-lydbølgen går med eller mot fluidstrømmen, fås, når n er antall

bølgelengder mellom transduserne:

Nå innfris med løsningen i henhold til oppfinnelsen følgende to forutsetninger:

n-A ér konstant lik i begge retninger.

F^ ligger så nær F 2 at faselåsningen ikke fører til

frekvenssprang.

Derfor blir:

og dette sier med andre ord at den målte frekvensdifferanse er direkte proporsjonal med fluidumets strømningshastighet.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for måling av hastigheten til et strømmende fluidum som, idet det føres gjennom sin strømningsbane, passerer gjennom en strømningsmåler som omfatter

- en målecelle i form av et rør (10), - to ultralyd-transdusere (16, 17) som både kan sende og motta ultralyd-signaler gjennom fluidumet, og - en fasedetektor (21) som inngår i en faselåst sløyfe som dessuten omfatter en spenningsstyrt oscillator (VCO 23), hvor ultralydbølgene vekselvis sendes motstrøms og medstrøms mellom de to transduserne (16, 17), hvor differansen mellom de to frekvensene benyttes som et mål på strømningshastigheten og retningen, og hvor den spenningsstyrte oscillator (VCO 23) fortrinnsvis arbeider ved en frekvens som er høy sammenlignet med frekvensene til ultralydbølgene i fluidumet, karakterisert ved at frekvensene (F-j^ og F,,) til de to motsatt rettede ultra-lydbølger hele tiden holdes så nær hverandre at antall bølge-lengder (ikke nødvendigvis et heltallig antall) ved hjelp av én og samme faselåste sløyfe (21, 22, 23, 18) kan justeres slik at det holder seg konstant og likt i begge retninger, og at det dessuten anvendes en korreksjonskrets (f.eks. i form av en mikroprosessor) , som ut fra den målte strømningshastighet og fra foreliggende opplysninger om strømningsbanens geometri og overflatebeskaffenhet, samt fluidumets egenskaper, foretar korreksjoner for parametre som turbulens og fluidumtetthet.

2. Strømningsmåler for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, og omfattende følgende elementer: - en målecelle i form av et rør (10), - to ultralyd-transdusere (16, 17) som begge både kan sende og motta ultralydsignaler gjennom fluidumet, - en fasedetektor (21) som inngår i en faselåst sløyfe som også omfatter en spenningsstyrt oscillator (VCO 23), og - et koblingsutstyr (19, 20) for å veksle mellom oppstrøms og nedstrøms transmisjonsretning, karakterisert ved at koblingsutstyret omfatter to énpolede, elektroniske vendere (19, 20), samt påvirkningsutstyr for å påvirke disse vekselvis, idet polen til den ene venderen (19) er koblet fra den spenningsstyrte oscillatorens (VCO 23) utgang, og polen til den andre venderen (20) er koblet til fase-detektorens (21) første inngang, idet hver vender har én kontakt forbundet med den første transduser (16) og en annen kontakt forbundet med den andre transduser (17) , og videre ved en korreksjonskrets (f.eks. i form av en mikroprosessor) som foretar korreksjoner for parametere som turbulens og fluidumtetthet ut fra foreliggende opplysninger om strømningsbanens geometri og overflatebeskaffenhet.

3. Strømningsmåler ifølge krav 2, karakterisert ved at en hoved-frekvensdelingskrets (41) er koblet mellom utgangen fra den spenningsstyrte oscillatoren (40) og fasedetek-torens annen inngang.

4. Strømningsmåler ifølge et av kravene 2-4, karakterisert ved at den vekselvise omkastning av transmi-sjonsretningen til ultralydbølgene skjer slik at transmisjons-intervallene i begge retninger er like lange, at en konstant klokkepuls fra en klokkepulsgenerator (29, 30, 31) styrer oscillasjonene fra den spenningsstyrte oscillator (VCO 23) via væskestrøm og bufferkrets (14) til en fram/tilbake-teller (28), som teller de oscillasjoner som tilføres telleren i hvert trans-mis jonsintervall, slik at telling fremover tilsvarer strømning i én retning, mens telling bakover tilsvarer strømning i motsatt retning, og at tellerens innhold etter et visst antall trans-mis jonsretningsomkastninger representerer den aktuelle væske-strømning.