NO304908B1 - Ultralydstr°mningsmÕler - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en ultralydstrømningsmåler som angitt i innledningen av krav 1.

En strømningsmåler som arbeider med ultralyd er kjent fra teknikkens stand og foreslått i parallelle patentsøknader GR 89 P 2014 DE og GR 89 P 2015 DE. Innholdet i beskrivelsene i disse søknadene er en ytterligere del av den foreliggende oppfinnelses beskrivelse.

Strømningsmåleren består hovedsakelig av et av det angjeldende medium gjennomstrømmet rør, hvor det i det indre av røret has en akustisk veistrekning. Påvirkningen av ultralyden ved det strømmende medium utgjør målestørrelsen, fra hvilken det f.eks. pr. tidsenhet gjennom rørtverrsnittet gjennomstrømmende volum av gass eller væske skal registreres. Slike strømningsmålere egner seg f.eks. som gasstrømningsmålere som f.eks. husholdningsgasstellere.

Den omtalte akustiske målestrekning er dannet mellom en akustisk sendeomformer og en akustisk mottaksomformer. Sendeomformer og mottaksomformer er på i og for seg kjent måte anbragt på sideveggen av de gjennomstrømmende rør og det slik at det fra sendeomformeren sendes ut en akustisk stråle med en komponent rettet parallelt til strømningsretningen i det indre av røret. Skrå innstråling av ultralyden er en vidt utbredt metode hvorved ultralyden reflekteres på den overforliggende vegg av røret og f.eks. med tre påfølgende refleksjoner på den innvendige vegg av røret beskriver en alt i alt V-formet vei mellom sendeomformeren og mottaksomformeren.

Evalueringen av påvirkningen av ultralyden pga. strømningen skjer som regel på den måte at målestrekningen vekselvis nedstrøms og oppstrøms gjennom-løpes av ultralyd og at den av strømningspåvirkningen resulterende differanseverdi for de to ultralydmålinger utgjør evalueringssignalet. Sendeomformer og mottaksomformer blir altså driftsmessig ombyttbart benyttet.

Den omtalte W-formede vei blir i forhold til den V-formede vei foretrukket, fordi det med forhåndsgitt, med hensyn på røraksen aksial avstand mellom sendeomformeren og mottaksomformeren kan oppnås fordeler. Det kan også være anordnet en ultralydvei som i stedet for tre refleksjoner har enda flere, spesielt ulike antall mangerefleksjoner. Vesentlig i den forbindelse er det at ultralydomformeren ikke ser "direkte", dvs. at ultralyd ikke uten refleksjon kommer fra den forekommende sendeomformer til den angjeldende mottaksomformer.

Nytter man en som f.eks. på fig. 1 vist anordning, hvor nedre og øvre rørvei på figuren er betegnet med 4 og 5 og omformerne med 11 og 12, den W-formede ultralydvei med 21, så opptrer uunngåelig også en signaloverføring over den V-formede vei 22 mellom sendeomformer og mottaksomformer. Dette beror på at strålingsloben til sendeomformeren og mottaksloben til mottaksomformeren ikke kan være innrettet med vilkårlig skarphet.

I de to ovennevnte eldre patentsøknader er det fremsatt forslag til med størst mulig utstrekning undertrykkelse av et parasittisk signal over den V-formede vei i forhold til nyttesignalet på den W-formede vei. Det dreier seg i den forbindelse om å benytte et utpreget firkantet rørtverrsnitt, med et forhold mellom høyde H og bredde B større enn 2:1 til 15:1, fortrinnsvis 1:1 til 6:1. Et slikt firkanttverrsnitt har dertil den fordel at den virker homogeniserende på ultralydstrålingen i de forekommende strømningstverrsnitt. I den andre søknad er det for et målerør med ikke nødvendigvis firkantformet tverrsnitt foreslått å anordne omformerne 11 og 12 på fig. 1 på tilpasset, modifisert måte i en "feilstilling". På fig. 1 er omformerne med hensyn til sine aksiale avstander anordnet innbyrdes adskilt og med hensyn til vinkelretningen av sine utstrålende flater 111 og 112 slik at endeområdene av den W-formede vei ikke faller sammen med de respektive ortogonaler til disse flater 111, 112. Feilorienteringen består i å gjøre den aksiale avstand større og/eller anordne omformerne 11,12 med sine flater 111, 112 vinkelmessig "feilorientert", dvs. vippet, sammenlignet med vinkelretningen til omformerne på fig. 1. Det kan også være sørget for at disse to tiltak er kombinert.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å angi et ytterligere tiltak til undertrykking av signalet på den parasittiske V-formede vei i forhold til nyttesignalet på den W-formede vei. Særlig er det hensikten å oppnå en mest mulig effektiv, inntil praktisk talt fullstendig undertrykkelse av det parasittiske signal.

Denne hensikt oppnås med trekkene i krav 1.

Slik det kan sees av fig. 1, er den aksiale posisjon til refleksjonsstedene i den W-formede vei og refleksjonene ved den til omformerne overforliggende rørvegg forskjellig fra det tilsvarende refleksjonssted på den V-formede vei.

Man har allerede gjort forsøk med å anordne lyddempende innsatser på den innvendige vegg av røret ved stedet for refleksjonen på den V-formede vei, f.eks. et filtbelegg. Et slikt tiltak har imidlertid vist seg uheldig for strømningen og har heller ikke den nødvendige levetid. Dessuten var den oppnåelige signaldemping bare måtelig. Strukturering av rørets innervegg, nemlig for å forhindre rettet refleksjon, fører heller ikke til noe brukbart resultat.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den tanke å oppnå en i stor utstrekning total utslukking av det akustiske signal på den V-formede vei ved hjelp av interferens. Det blir i henhold til oppfinnelsen foretatt en innbygging i det indre av røret ved rørveggen på det angjeldende sted for refleksjon i den V-formede vei, slik at den flate i rørets innervegg som kommer i betraktning ved refleksjon blir delt i minst to, fortrinnsvis dog bare to deler eller halvdeler. Fortrinnsvis danner den opprinnelige rørinnervegg den ene halvdel og den annen halvdel er den med verdien D forhøyede flate av et fremspring av rørets innervegg. Det kan også være anordnet en tilsvarende fordypning som imidlertid er mer kostbar å frembringe. Fig. 2, 3, 4 og 5 viser eksempler på en slik oppdeling og fig. 2a til 5a sett ovenfra mot innerveggen ved stedet for refleksjonen av den V-formede vegg og fig. 2b til 5b de tilhørende snitt a og a'. Fra disse illustrasjoner kan betydningen av dimensjonen D erkjennes uten at dette behøver ytterligere forklaringer. På fig. 2-5 er inntegnet delavsnittet av den V-formede vei 22. For flatekomponentene X og Y fås det etter refleksjon to parallelle ultralydveier 22a og 22b. Tykkelsen blir avhengig av vinkelen 6 dimensjonert slik at disse to veier 22a og 22b står i utslukkende interferens med hverandre. Fortrinnsvis blir første ordens interferens benyttet.

Komponentene X og/eller Y kan i seg selv nok en gang være flatemessig oppdelt, slik dette f.eks. er vist på fig. 3 og 5. Man kan dermed oppnå en enda høyere verdi av pålitelig utslukking. I hvert tilfelle gjelder den regel at den på flatekomponenten X reflekterte intensitet må være lik den på flatekomponenten Y reflekterte intensitet, det må tas hensyn til at det innenfor den samlede refleksjonsflate foreligger en ujevn intensitets-fordeling.

Ved lydbølgelengder av X på omtrent 2 mm som motsvarer en frekvens på 170 Khz i luft, kommer man til en trinnhøyde Dk som er mindre eller lik 1 mm ved vanlige dimensjoner på vinkelen 6. For strømningen er en således dimensjonert innsats i det indre av røret ubetydelig og fører høyst til lav strømningsforstyrrelse. Den etterfølgende forklaring "interferens av lyd-bølger" skal legge dimensjoneringen til grunn.

Interferens av l<y>dbølger

Det has

med c som lydhastighet i et forekommende medium, f som omformer-frekvensen og X som bølgelengde i mediet. To lydbølger med samme forplantningsretning, frekvens og amplitude utslukkes når de har en gangforskjell på Ved loddrett innfall blir denne gangforskjell oppnådd for avstanden av de to refleksjonsplan, altså ved k=0 for D = A./4. Ved hensyntagen til den i målerøret opptredende innfallsvinkel B for signalet på den V-formede vei fremkommer den til utslukningen nødvendige høyde D av respektive lar seg under hensyntagen til de forskjellige medium angis som

Dette interferensfenomen blir benyttet til undertrykkelse av signalet på den V-formede vei. Dertil kan forplantningsretningen for alle deltagende lydbølger anses som tilnærmet konstant. For enkelhets skyld ble det i denne betraktning bare tatt hensyn til senterfrekvensen av omformerresonansen. På grunn av det store impedanssprang fra luft til faste materialer for lyd er en delrefleksjon ved over- og undersiden i et tynt sjikt ikke mulig (som f.eks. i optikk ved tynne sjikt). Bølgefronten blir derfor ikke reflektert omtrent på en enhetlig belagt flate, men refleksjonsflaten blir delt i to områder med samme flateinnhold, av hvilke en flate er forskjøvet med en avstand D i forhold til den annen (fig. 1) og det dermed fås en gangforskjell. Fasespranget X/ 2 ved refleksjonen til tettere medium opptrer her ved begge komponenter og trenger derfor ikke å tas i betraktning. Gangforskjellen fører i retningen til mottaksomformeren til gjensidig utslukking av de to, ved begge delflater reflekterte komponenter av signalet på den V-formede vei og dermed til dets effektive undertrykkelse.

Diskusjon av bruken i målerøret

Typiske verdier for et målerør som her skal anvendes, er Lm = 174 mm, r = 7 mm og h = 30 mm, samt a = 35°, dermed fås B = 21,4°. Lydhastigheten i luft utgjør ved romtemperatur c = 340 m/s og i metan = 440 m/s. For omformere med r = 7 mm blir det i praksis fastslått en radial resonansfrekvens f w 170 kHz. Dermed fås det for utslukkingen av signalet på den V-formede vei de mulige forhøyninger Dk i luft, Dq = 0,182 mm, Di = 0,546 mm, D2= 0,912 mm, D3= 1,277 mm og i metan Dq = 0,236 mm, D\= 0,708 mm, D2= 1,180 mm, D3= 1,652 mm. For en god undertrykkelse i begge medier, samt for alle lydhastigheter i det mellomliggende område, kan f.eks. velges D « 0,2 mm eller D «0,6 mm. Alt etter kravene lar D seg også nøyaktig tilpasse til et bestemt medium. De nevnte verdier av D betyr en liten strømnings-innbygning. For ultralydomformere med r = 10,5 mm og f» 130 kHz er B = 23,9°. Dermed blir etter (7) i luft Dq = 0,265 mm, Di = 0,796 mm, D2= 1,326 mm, og i metan Dq = 0,343 mm, Di = 1,03 mm, D2= 1,716 mm, slik at for en god undertrykkelse i begge medier og i det mellomliggende område skulle f.eks. velges D « 0,3 mm eller D « 0,9 mm.

Måleeksempel: Ved 6 = 21,4° og r = 7 mm, altså for omformere med f» 170 kHz, fås lengden av anslagsflaten som 39 mm. Med en trinnhøyde på D = 0,6 mm ved en lengde på 15-20 mm ble utmerkede resultater oppnådd. Signalet på den V-formede vei lar seg dempe med omtrent 18 dB ved bruk av 3/4 X-flaten (D = 0,6 mm).

Mulige utførelsesformer av den opphøyede flate

I tillegg til den på fig. 2a, 2b viste utførelsesform er også ytterligere variasjoner av flateoppdelingen tenkelige. På fig. 2a, 2b er igjen den på fig. 2a, 2b viste form gjengitt ved hvilken rekkefølgen ikke forhøyet, forhøyet, ikke forhøyet foreligger i strømningsretningen. Fig. 3a, 3b viser en dertil komplementær anordning med en rekkefølge forhøyet, ikke forhøyet, forhøyet. Like så tenkelig ville anordninger være med en rekkefølge sett på tvers av strømningsretningen. Fig. 4a, 4b viser i dette henseende en anordning forhøyet, ikke forhøyet. Fig. 5a, 5b viser en anordning forhøyet, ikke forhøyet, forhøyet. En rekkefølge av de forskjellige flater på tvers av strømningsretningen ville bety mindre strømningsinnbygning.

Claims (2)

1. Ultralydstrømningsmåler med et målerør (1) gjennomstrømmet av en gass/væske og med ultralyd-sende-/mottaksomformere (11, 12) som for en "W"-formet ultralydvei (21) med i målerøret (1) anordnede multiple refleksjoner, er plassert i en gitt avstand fra hverandre ved en og samme sidevegg (5) av målerøret (1), karakterisert vedat for reduksjon/håndtering av støysignalet fra en kjent i målerøret (1) opptredende parasittisk "V"-formet ultralydvei, er det i et område på det indre av røret ved den rørvegg (4) som ligger overfor den med omformere (11, 12) forsynte rørvegg (5) hvor refleksjon på en "V"-formet vei opptrer, anordnet en forhøyning/fordypning av rørinnerveggen med en trinnhøyde (Dk) og som strekker seg over den halve del av dette refleksjonsområde (fig. 2-5), idet trinnhøyden (Dk) er dimensjonert slik at for ultralydstrålingen på den "V"-formede vei foreligger utslukkende interferens mellom den ved nevnte halvdel (X) reflekterte stråling (22a) på den ene side og den ved den resterende halvdel (Y) av dette refleksjonsområde reflekterte stråling (22b) på den annen side.

2. Strømningsmåler i henhold til krav 1, karakterisert vedat minst én av de halve andeler (X, Y) av refleksjonsområdet for seg er delt i individuelle flatekomponenter (Xj, X2) (fig. 3, fig. 5.)