NO326813B1 - Fremgangsmate og anordning for med ultralyd a male et strommende mediums stromningsrate - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte for med ultralyd å måle strømnings-raten for et strømmende medium ved hjelp av et målerør. Den gjelder også en anordning for utførelse av denne fremgangsmåte. Med uttrykket medium menes her både væsker og gasser.

De kjente fremgangsmåter og anordninger for å måle den gjennomsnittlige hastighet eller gjennomstrømningsmengde for et strømmende medium ved hjelp av ultralyd utnytter et stort antall målebaner som utgjør støttepunkter for en digital integrasjons-metode som er så optimal som mulig. Integrasjonsmetoden bestemmes da vanligvis av målebanens eller målerørets dimensjoner og geometri. Det foreligger forskjellige tradisjonelle, optimale integreringsmetoder ifølge Tshebycheff, Gauss eller Taylor, som for eksempel kan gjenses i publikasjonene CH 10 038, DE 33 38 213 og EP 0 125 845. Fremgangsmåtene og anordningene kjent fra disse publikasjoner er med hensyn til deres nøyaktighet avhengig av mediets viskositet og dermed av Reynoldstallet. Med hensyn til dette forhold henvises det for eksempel til artikkelen "A New Integration Technique for Flowmeters with Chordal Paths", Flow Measurement and Instrumentation, bind 1, nr. 4, juli 1990, sidene 216 - 224.

Fremgangsmåtene og anordningene som er kjent fra disse publikasjoner for strømnings-måling ved hjelp av ultralyd har utilstrekkelig nøyaktighet på grunn av deres avhengighet av mediets viskositet, siden viskositeten i stor grad kan endre seg under målingen, særlig som følge av temperaturendringer. Særlig ved måling av gjennomstrømnings-mengder av for eksempel gass, råolje, petroleumsprodukter og kjemiske produkter fordres det imidlertid vanligvis stor nøyaktighet. Et annet viktig problem ved de kjente fremgangsmåter og anordninger, forstyrrelser i hastighetsprofilen forårsaket av innbygingsvirkninger og som også har en negativ innvirkning på nøyaktigheten.

De nevnte produkter stiller ekstremt høye fordringer til målenøyaktigheten. Som eksempel fordres det for råolje en største feil av + 0,15% i området hvor gjennomstrøms-mengden er fra 50 til 100% av den nominelle strømningsrate og en største feil av + 0,25% i området hvor gjennomstrømningsmengden er fra 10 til 100% av den nominelle strømningsrate. Hittil har denne nøyaktighet bare latt seg sikre ved hjelp av turbin-målere.

Ved måling av gjennomstrømningsmengden av et medium som strømmer i et målerør er det fordelaktig ikke å forstyrre mediets strømning. Samtidig er det ønskelig å oppnå den store målenøyaktighet ved hjelp av forholdsvis prisgunstige anordninger som samtidig har lang levetid. Det er også fordelaktig om en sådan anordning kan kalibreres med vann etter produksjon og så under drift omkalibreres av brukerne med andre væsker eller til og med gasser, for å sikre de fordrede nøyaktigheter.

Oppfinnelsen har således som oppgave å overvinne de nevnte problemer og å fremskaffe en fremgangsmåte og anordning med hvilke stor nøyaktighet sikres. En ytterligere oppgave for oppfinnelsen består i å gjøre det mulig ved hjelp av fremgangsmåten og anordningen i henhold til oppfinnelsen i stor grad å minske påvirkningen fra mediets viskositet. Oppfinnelsens oppgave består videre i å fremskaffe en fremgangsmåte og anordning som minsker påvirkning fra endringer i strømningsprofilen og som åpner for muligheten for selvkalibrering under drift. Endelig er det også en oppgave for denne oppfinnelse å fremskaffe én fremgangsmåte og anordning som muliggjør en gjennomgående bestemmelse av mediets viskositet, dvs også i "sann tid", og som dessuten gjør det mulig å identifisere typen av medium, for eksempel typen av den strømmende råolje, på grunnlag av viskositeten og lydhastigheten og/eller lyddemp-ningen.

Således gjelder foreliggende oppfinnelsen en fremgangsmåte for med ultralyd å måle strømningsraten for et strømmende medium ved hjelp av et målerør og i det minste to par ultralydtransdusere anordnet på målerøret for å danne en målebane, idet strøm-ningsraten for det strømmende medium bestemmes ut fra mediets hastigheter langs i det minste to målebaner, og hvor verdien av strømningsraten korrigeres i samsvar med en verdi av Reynoldstallet.

På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk, særlig fra publikasjonene US 3 940 985 og GB 2 060 169, har da fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at Reynoldstallet for det strømmende medium bestemmes kontinuerlig og bare enten ifølge forutbestemte konstanter, slik som forholdet mellom hastigheter langs i det minste to innbyrdes forskjellige målebaner, eller ifølge empirisk fastsatte koeffisienter, slik som forskjeller i hastighet langs i det minste to innbyrdes forskjellige målebaner, og at korrigeringen av verdien av strømningsraten utføres ved hjelp av den kontinuerlig bestemte verdi av Reynoldstallet.

Ytterligere trekk ved fremgangsmåten fremgår av de vedføyde patentkrav.

Oppfinnelsen gjelder også en anordning for utførelse av denne fremgangsmåte ved ultralydmåling av strømningsraten i strømmende medium, og som omfatter et målerør, i det minste et par ultralydtransdusere anordnet på målerøret, som danner en målebane, en transduser som bestemmer mediets hastigheter langs målebanene ut fra signalene fra et par ultralydtransdusere og en addisjonsenhet som bestemmer strømningsraten for mediet ut fra mediets hastigheter langs målebanene.

På denne bakgrunn av samme prinsipielt kjente teknikk har da anordningen i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at det er anordnet en Reynoldstallmåler for kontinuelig å bestemme Reynoldstallet og at en strømningskorreksjonsenhet er forbundet med Reynoldstallmåleren og addisjonsenheten, idet det er anordnet en profilkorreksjonsenhet og en profilmåler etter hverandre mellom transduseren og addisjonsenheten, og hvor profilkorreksjonsenheten har en vender ved inngangen, en arbeidsstrømningsprofil-hukommelse innkoblet etter nevnte vender, en strømningsprofilkomparator innkoblet etter arbeidsstrømningsprofilhukommelsen, en profiltransduser ved utgangen og en kalibrer-ingsstrømningsprofilhukommelse koblet med sin inngang etter en utgang for venderen og med sin utgang foran en inngang for nevnte strømningsprofilkomparator, mens en annen utgang for strømningsprofilkomparatoren er tilkoblet en annen inngang for venderen slik at dersom kalibreringsstrømningsprofilen og arbeidsstrømningsprofilen ikke er innbyrdes identiske, danner venderen, arbeidsstrømningsprofilhukommelsen og strømningsprofil-komparatoren en tilbakekoblingssløyfe, og hvor Reynoldstallmåleren omfatter en turbulent/laminær-vender og, koblet i parallell med nevnte turbulent/laminærvender, en laminærstrømningsmåler, en turbulentstrømningsmåler, en overgangsstrømningsmåler og en utgangsoperasjonsforsterker tilkoblet utgangene for laminærstrømningsmåleren, turbulentstrømningsmåleren og overgangsstrømningsmåleren, idet anordningen også omfatter en viskositetsmåler forbundet med utgangen for Reynoldstallmåleren og utgangen for strømningskorreksjonsenheten, mens en mediumidentifikator er forbundet med utgangen for viskositetsmåleren, og hvor i det minste en inngang sammen med utganger for transduseren er anordnet for å identifisere typen av medium ved å sammenligne viskositeten og ultralydhastigheten og/eller ultralyddempningen med lagrede verdier, idet transduseren bestemmer ultralydhastigheten eller ultralyddempningen.

Med hensyn til detaljene foreligger det mange muligheter for utforming og forbedring av fremgangsmåten for måling av gjennomstrømning av strømmende medier ved hjelp av ultralyd i henhold til oppfinnelsen eller anordningen for utførelse av fremgangsmåten for måling av gjennomstrømningen av strømmende medier ved hjelp av ultralyd i henhold til oppfinnelsen. I denne sammenheng henvises det til den etterfølgende beskrivelse av foretrukne eksempler på utførelsesformer sett i sammenheng med de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 viser et blokkskjema for et første eksempel på en utførelsesform av en anordning i henhold til oppfinnelsen for utførelse av en fremgangsmåte for

måling av gjennomstrømning av strømmende medium ved hjelp av ultrayd,

fig. 2a - 2f viser et flytskjema med forklaringer til prosessene under korreksjonen av

strømningsprofilen,

fig. 3a og 3b er grafiske fremstillinger av en korreksjon av strømningesprofiler ved

henholdsvis store Reynoldstall og små Reynoldstall,

fig. 4a og 4b er grafiske fremstillinger som viser forbedringen i nøyaktigheten ved anvendelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen for medier som har

forskjellig viskositet,

fig. 5 viser et blokkskjema for et andre eksempel på en utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen for utførelse av en fremgangsmåte for måling av

gjennomstrømning av strømmende medium ved hjelp av ultralyd,

fig. 6 viser et blokkskjema for et eksempel på en utførelsesform av en korreksjons-enhet for strømningsprofilen,

fig. 7 viser et blokksjema for et eksempel på en utførelsesform av en Reynoldstallmåler,

fig. 8 viser et eksempel på en feilkurve basert på empiriske data for utnyttelse i en

gjennomstrømningskorreksjonsenhet i henhold til oppfinnelsen, og

fig. 9a - 9d anskueliggjør forskjellige hastighetsforholds avhengighet av Reynoldstallet for å forklare funksjonsmåten for fremgangsmåten og anordningen i henhold til oppfinnelsen.

Med anordningen som anvendes for utførelse av fremgangsmåten for måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd i henhold til den foreliggende oppfinnelse, måles i det minste to, men fortrinnsvis fem, hastigheter på forskjellige målebaner, idet målebanene er dannet av par av ultralydtransdusere bestående av ultralydtransdusere tilordnet hverandre og anordnet på forskjellige sider av målerøret. Fortrinnsvis har mediets strømingsprofil formet og så mye som mulig fullstendig utviklet seg i en ledning tilkoblet anordningen i henhold til oppfinnelsen, ved hjelp av innløps- og utløpsseksjoner. Nevnte kalibreringsstrømningsprofil er fortrinnsvis den best mulige tilnærmelse til strømnings-profilen i en fullt utviklet strømning. Fra praksis er det kjent at hastighetene på visse målebaner er mindre avhengig av Reynoldstallet og mer avhengig av dette på andre målebaner. De målebaner som er mindre avhengig av Reynoldstallet er dem som befinner seg i en avstand fra målerørets vegg, som er halvparten av målerørets radius. På den annen side befinner de målebaner som er mer avhengig av Reynoldstallet seg for eksempel i midten eller nær veggene av målerøret. Ved de sistnevnte målebaner har strømningsprofilen en største innflytelse på Reynoldstallet. Anordningen i henhold til oppfinnelsen kan også arbeide med flere eller færre enn fem målebaner, men det må minst foreligge en målebane blant dem, som er forholdsvis lite avhengig av Reynoldstallet.

Siden anordningen i henhold til oppfinnelsen måler Reynoldstallet fortløpende, kan denne måling utnyttes i "sann tid" for å korrigere strømningsmengden og eventuelt for å bestemme viskositeten samt, om nødvendig, også for å identifisere mediet. Dette vil bli forklart i det etterfølgende.

Fortrinnsvis utnyttes de hastigheter av det strømmende medium som måles på målebanene for å bestemme Reynoldstallet. Det er imidlertid også mulig å bestemme Reynoldstallet på andre måter, for eksempel på grunnlag av måling av ultralyddemping. Den således bestemte verdi av Reynoldstallet utnyttes deretter for å utføre en korreksjon i gjennomstrømningsmengden ved hjelp av en feilkurve. Selvsagt kan også en verdi for volumet også bestemmes ut fra den gjennomsnittlige hastighet og strømningsraten eller

-mengden.

Fremgangsmåten og anordningen for å realisere denne vil nå bli forklart med fhenvisning til fig. 1. Fem par ultralydtransdusere som er festet til målerøret 1 for å danne målebaner M1 - M5 er forbundet med en transduser 2 som bestemmer de forskjellige hastigheter av det strømmende medium langs målebanene M1 - M5, for eksempel ut fra ultralydsignal-enes løpetidsforskjeller. Disse hastiheter mates til en addisjonsenhet 3 via forskjellige enheter som forklares senere, hvor de multipliseres med tilhørende veiefaktorer for deretter å bli summert. Den gjennomsnittlige hastighet avgitt på utgangen fra addisjonsenheten 3, dvs gjennomstrømsningsmengden over målerørets tverrsnittsflate, tilføres en korresksjonenhet 6 for å korrigere gjennomstrømningsmengden eller strømningsraten. I strømningskorreksjonsenheten 6 er det lagret en felikurve, slik som for eksempel den vist i fig. 8, basert på empiriske data, og som i tillegg til Reynoldstallet inneholder alle andre tekniske toleranser tilknyttet anordningen i henhold til oppfinnelsen. Disse toleranser måles nøye etter at anordningen i henhold til oppfinnelsen for utførelse av fremgangsmåten for måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd i henhold til oppfinnelsen, er blitt produsert. Den gjennomstrømningsmengde som er beregnet av transduseren 2 korrigeres nå på grunnlag av et Reynoldstall bestemt av en Reynoldstallmåler 5. Den korrigerte gjennomstrømsmengde avgitt fra korreksjonsenheten 6 for gjennomstrømning kan så fremvises ved hjelp av en valgfritt anordnet fremviseranordning 4. Som allerede nevnt kan anordningen i henhold tyil oppfinnelsen kalibreres med vann og måleresultat-ene oppnådd under denne kalibrering kan også overføres på andre medier, slik som andre væsker og til og med gasser, da følgende forhold gjelder for Reynoldstallet Re:

hvor Vw og Vm er strømningshastigheten for henholdsvis vann og et annet medium, vw og vm er vannets og mediets kinematiske hastigheter mens D er diameteren av målerøret 1. Ved 20°C gjelde for eksempel følgende:

Vvann <=> 1°"<6>m<2>/S

og

v,uft= 15 x 10"6m2/s

Dette betyr at en anordning som er kalibrert med vann for utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen for måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd uten videre arbeider med luft som medium når lufthastigheten er en faktor av 15 høyere enn hastigheten for vann under kalibreringen.

Før Reynoldstallet bestemmes er det viktig å kontrollere strømningsprofilens symmetri ut fra hastighetsforhold eller hastighetsforskjeller. Dersom den aktuelle strømningsprofil er uforstryrret eller fullstendig utviklet, blir de målte hastigeheter uten videre anvendt i den videre behandling. En stor grad av symmetri for strømningsprofilen fremmes ved for eksempel å installere en venturidyse i ledningen.

Før anordningen i henhold til oppfinnelsen tas i bruk av brukeren kalibreres den for eksempel med vann. Kalibreringen gjøres da i det område hvor anodrningen senere vil bli benyttet, for eksempel i et område for den gjennomsnittlige hastighet av 0,1 - 6 m/s på flere målepunkter, for eksempel for 10, 20, 50 og 100% av den største gjennomsnittlige hastighet. Under denne kalibrering blir det strømmende mediums hastighet som er målt på hver målebane, lagret i en lagringsenhet når kalibreringsstrømningsprofilen er uten forstyrrelser. Denne såkalte kalibreringsprofilmatrise er særegen for anordningen for utførelse av fremgangsmåten for måling av strømningsrate ved hjelp av ultralyd i henhold til den foreliggende oppfinnelse, siden matrisen inneholder alle mekaniske, elektroniske, akustiske og hydrauliske toleranser.

Når symmetrien av den aktuelle strømningsprofil korrigeres, må det skilles mellom to tilfeller som er avhengig av Reynoldstallet. På den ene side det tilfelle hvor det arbeides med store Reynoldstall over omtrent 100 000 og på den annen side det tilfelle hvor det arbeides med mindre Reynoldstall. I det første tilfelle har kalibreringsprofilmatrisen for fem målebaner ||EPM || den følgende form:

hvor:

V1p, ..., V5p er det strømmende mediums hastighet langs de tilsvarende målebaner i kalibreringsstrømningsprofilen,

EVp er den tilsvarende gjennomsnittlige hastighet eller gjennomstrømningsmengde for

et målerørtverrsnitt ved kalibreringsstrømningsprofilen,

G1,...,G5 er vektfaktorer tilordnet målebanene, og

10%,..., 100% er målepunktene i arbeidsområdet.

Når anordningen for utførelsen av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er montert og klar til bruk, registreres først arbeidsprofilmatrisen ||BPM || i en ytterligere kalibreringsprosess, idet den har den følgende form:

hvor V1b V5b er hastighetene langs de forskjellige målebaner for arbeidsstrøm-ningsprofilen,

ZVb er den tilsvarende gjennomsnittlige hastighet eller gjennomstrømningsmengde gjennom målerørtverrsnittet for arbeidsstrømningsprofilen, og

G1,...,G5 er atter veiefaktorene for målebanene.

For den nettopp presenterte arbeidsprofilmatrise ||BPM|| blir strømningsmengdene i målerøret i ensformighetsområdet, dvs når Reynoldstallet er større enn 100 000, innstilt kunstig i samsvar med gjennomstrømningsmengdene når kalibreringsstrømningsprofilen registreres, for eksempel ved å utnytte en mobil, kalibrert strømningsmengdegenerator. I dette tilfelle gjelder:

I praksis er det imidlertid vanskelig å oppfylle ligning 3 tilstrekkelig nøye fordi det ofte ikke er mulig å innstille nøyaktig de samme gjennomstrømningsmengder. For likevel å kunne gjennomføre en korreksjon av strømningsprofilen omskrives ligningen til den følgende form:

I ligning 3a er p en interpoleringsfaktor for å korrigere det forhold at de samme gjennomstrømningsmengder som regel ikke lar seg innstille. Ligning 3a er ensbetydende med :

Det innføres nå en profildeterminant, for hvilken det følgende gjelder:

hvor

||Dp100o/o|| er kalibreringsprofilmatrisens profildeterminant, og

||<Db>100o/o|| er arbeidsprofilmatrisens profildeterminant.

Når en bruker under drift benytter fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen gjennom-føres da korreksjonen med den aktuelle profilmatrise ||APM|| = ||BPM|| • |Pr Det|| :

hvor:

SVbgec er i forskjellige, korrigerte gjennomsnittshastigheter eller midlere strømnings-mengder gjennom tverrsnittsflatene i målerøret for den aktuelle strømningsprofil.

I den viste form gjelder ligning 6 bare for medier som holder seg lineære over det betraktede område fra 10 til 100% av den nominelle gjennomstrømningsmengde. For ikke-lineære medier må korreksjonen av mediets hastighet langs målebanene gjennom-føres ved bruk av de ledsagende koeffisienter fra kalibreringsprofilmatrisen og arbeidsprofilmatrisen, for eksempel V<1p>50o/o / V1<b>50„/o for en hastighet av det strømmende medium på målingsbanen M1, som er lik V1b500/o. I tilfellet av ikke-lineære media er det også nødvendig å innføre koeffisienter pi, p2,...,p5, se også ligning 3a. For ikke-lineære medier blir dessuten koeffisientene interpolert mellom de bare diskret kjente verdier.

Etter korreksjonen av den aktuelle strømningsprofil ved utnyttelse av kalibreringsprofilmatrisen og arbeidsprofilmatrisen, kan de relative feil i de gjennomsnittlige hastigheter og strømningsmengder beregnes ut fra den etterfølgende ligning:

Under behandlingen av de nevnte profilmatrikser går man kort sagt frem på følgende måte. Ved kalibrering måles først mediets hastigheter på målebanene og de tilhørende gjennomsnittlige hastigheter og strømningsmengder måles med en uforstyrret kalibrer-ingsstrømningsprofil og deretter med en arbeidsstrømningsprofil. Deretter blir forholdet mellom de midlere hastigheter eller gjennomstrømningsmengder under registreringen av kalibreringsstrømningsprofilen og arbeidsstrømningsprofilen bestemt. Etter dette blir de aktuelle målte hastigheter av mediet langs målebanen i den aktuelle strømningsprofil endret i samsvar med dette forhold. Derpå blir forholdene for mediets hastigheter langs målebanen i kalibreringsstrømningsprofilen og de avvikende hastigheter av mediet langs målebanen i arbeidsstrømningsprofilen bestemt og de tilhørende hastigheter av mediet langs målebanene i den aktuelle strømningsprofil multipliseres med disse forhold. Om nødvendig blir denne korreksjon selvsagt utført med en interpolering.

Dersom det etter korreksjonen ovenfor av en strømningsprofil foreligger en uforstyrret hastighetsprofil, kan Reynoldstallet bestemmes på grunnlag av denne strømningsprofil.

Som allerede nevnt, blir den beskrevne korreksjon av strømningsprofilen gjennomført avhengig av Reynoldstallet. Kalibreringsprofilmatrisen gitt i ligning 1 kan bare anvendes for store Reynoldstall, omtrent større enn 100 000, fordi, i dette tilfelle, forsvinner den høyre side av Navier-Stokes hydrodynamiske basisvektorligning:

hvor

n. er rotasjonen av hastigheten V, hvilket betyr at Cl = V*V, og Re er Reynoldstallet.

(Se også lign. 41.23 i "The Feynman Lectures on Physics, Reading", R. Feynman, R. Leighton, M. Sands; Massachusetts, Palo Alto; London, Addison- Wesley Publishing Company, Inc.; 1964.)

Dersom Reynoldstallene er store blir den hydrodynamiske basisvektorligning ut fra den hydrodynamiske ligning 8, som følger:

I dette tilfelle er egenskaper ved mediet, slik som viskositet, utelatt fra betraktningen siden deres innvirkning er liten. Denne lille innvirkning fører til at strømningsprofilformen i ensformighetsområdet for Reynoldstall over 100 000 bare endrer seg uvesentlig.

For det andre tilfelle med små Reynoldstall er innvirkningen fra mediets egenskaper gjennomgående vesentlig, slik at det blir nødvendig å benytte kalibreringsprofilmatrisen i en annen form. Under kalibreringen måles i dette tilfelle viskositeten av mediet (u) og diameteren (D) av målerøret slik at det for hver kalibreringsstrømningsprofil oppnås en tilsvarende Reynoldprofilmatrise ||EPM - Rep|| i dimensjonsløs form:

Av ligning 10 kan det ses at det med den innledningsvis gjennomførte kalibrering for hvert Reynoldstall, kan det lagres en kalibreringsprofil for hver anordning for utførelse av fremgangsmåten for måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd i henhold til oppfinnelsen i dimensjonsløs form med kompensasjonstoleranser (se fig. 2a). Dimen-sjonsløs betyr at de aktuelle målte hastigheter V1,...,V5 blir dividert med gjennomsnittshastigheten, dvs strømningsmengden gjennom målerørets tverrsnittsflater ved en største gjennomstrømningsmengde under en kalibrering i den installerte tilstand av anordningen i henhold til oppfinnelsen, slik at V/c/' = Vi / Z Vkmax

Under kalibreringen i den innebygde tilstand blir i samsvar med ligning 2, hastighetene på målebanene og den gjennomsnittlige hastighet, dvs strømningsmengden gjennom målerørets tverrsnittsflater, i arbeidsstrømningsprofilen, og som avviker fra kalibrerings-strømningsprofilen bestemt, som følger:

Ut fra denne følger endelig den dimensjonsløse arbeidsprofilmatrise som da ser slik ut:

Den dimensjonsløse arbeidsprofilmatrise er gjengitt i fig. 2b.

Basert på det strømmende mediums hastigheter V1k V5k målt under drift på målebanene M1 - M5, blir Reynoldstallet fastlagt ved null-approksimering, Re0, ved hjelp av ligninger som forklares senere. For dette Reynoldstall i null-approksimering Re0 og ved å utnytte ligning 10 for et identisk Reynoldstall i kalibreringen, Rep, bestemmes hastighetene på målebanene, og som i analytisk form kan sees som funksjoner, ut fra kalibreringsstrømningsprofilene (se fig. 2c). Ut fra disse hastigheter på målebanene bestemmes på samme tid den gjennomsnittlige hastighet Vpgem. Denne profil sammenlignes så med den aktuelle strømningsprofil (se fig. 2d), idet den funnede gjennomsnittshastighet Vgem (i null-approksimering n = 0, dvs VgemO) sammenlignes med gjennomsnittshastigheten Vpgem for kalibreringsstrømningsprofilen (dVgem = Vgem - Vpgem). Dersom forskjellene mellom gjennomsnittshastighetene er større enn en viss største verdi e, blir det i en etterfølgende iterasjonsprosess funnet en mindre forskjell, for eksempel Vgem(n + 1) = Vgemn + dVgem - Vpgem / 2. Ut fra den nye midlere hastighet bestemmes Reynoldstallet Re1 i en første approksimering fra ligningen Re1 = Vgeml • D/u. Ved hjelp av dette Reynoldstall i den første approksimering bestemmes det ut fra den lagrede kalibreringsprofilmatrise en ny gjennomsnittlig hastighet som i sin tur sammenlignes (se fig. 2e og 2f). Dersom den funnede forskjell dVgem er mindre enn største gitte verdi e, anvendes den sist funnede verdi av Reynoldstallet for å korrigere gjennomstrømningsmengden. Ved å utnytte den beskrevne iterasjonsprosess sikres en forbedret nøyaktighet.

Fig. 3a og 3b viser eksempler på korrigerte, dimensjonsløse strømningsprofiler for henholdsvis store Reynoldstall (fig. 3a) og små Reynoldstall (fig. 3b). I begge figurer er a kalibreringsstrømningsprofilen, b den forstyrrede arbeidsstrømningsprofil og c den korrigerte arbeidsstrømningsprofil.

Etter den beskrevne korreksjon av strømningsprofilen blir den sist funnede verdi av Reynoldstallet gitt videre til korreksjonsenheten 6 for gjennomstrømningen for å korrigere gjennomstrømningsmengden. Hele fremgangsmåten finner sted i "sann tid".

Fig 4a og 4b viser på grafisk måte eksempler på den økte nøyaktighet som sikres i henhold til oppfinnelsen. Som et eksempel på en utførelsesform med fem målebaner viser fig. 4a feilprosentsatsen ved tre forskjellige mediumviskositeter (20 cSt, 40 cSt og 50 cSt) i avhengighet av hastigheten målt i m/s ved hjelp av en metode i samsvar med teknikkens stilling (se kurvene a, b og c) og med anordningen i henhold til oppfinnelsen for utførelse av en fremgangsmåte for måling av gjennomstrømning av strømmende medium ved hjelp av ultralyd (se kurvene d, e og f). Her kan det klart sees at prosent-andelen av feil i verdier, som for det meste er over 0,5% ved fremgangsmåten i samsvar med teknikken stilling, er redusert ved hjelp av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen til verdier under 0,2% for alle tre media.

For de samme tre media med forskjellig viskositet, viser fig. 4b feilprosentandelen for de samme måleresultater som vist i fig. 4a, men ikke som en funksjon av hastigheten, men som en funksjon av Reynoldstallet, også her henholdsvis før og etter korreksjon. Det som her er slående er at alle tre kurver a, b og c i hovedsak sammenfaller når de vises som en funksjon av Reynoldstallet. Her er det igjen tydelig at nøyaktigheten er avgjørende forbedret med fremgangsmåten for måling av strømningsmengde ved hjelp av ultralyd i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Avhengig av om strømningsprofilen er av turbulent eller laminær art, blir Reynoldstallet bestemt på følgende måte: - For en strømningsprofil med turbulent karakter blir Reynoldstallet bestemt ut fra hastighetsforhold eller -forskjeller for målebanene 2 og 4 (V2 + V4) og målebanene 1

og 5 (V1 + V5),

- for en strømningsprofil med laminær karakter blir Reynoldstallet bestemt ut fra hastighetsforhold eller -forskjeller i hastighetene på målebanene 2 og 4 (V2 +V4) og målebanen 3 (V3).

Reynoldstallet kan således bestemmes på grunnlag av hastighetsforhold (tilfellet a) for hastighetene på målebanene og også på grunnlag av hastighetsforskjeller (tilfellet b) for hastighetene på målebanene, både for strømningsprofiler av turbulent art og for strømningsprofiler av laminær art.

I tilfellet a, hvor Reynoldstallet altså bestemmes på grunnlag av hastighetsforhold, foreligger det en strømningsprofil med laminær karakter ved den følgende betingelse:

I motsetning til dette foreligger det en strømningsprofil med turbulent karakter når det etterfølgende gjelder:

De etterfølgende ligninger for fastsettelse av Reynoldstallet ble funnet empirisk.

For en strømningsprofil med laminær karakter gjelder det følgende for Reynoldstallet:

I motsetning til dette, ved en strømningsprofil med turbulent karakter og for Reynoldtall som er mindre enn 30 000, gjelder følgende:

For et Reynoldtall > 20 000 og med en strømningsprofil som har turbulent karakter, gjelder følgende:

I tilfellet b, hvor Reynoldtallet bestemmes på grunnlag av hastighetsforskjeller, har strømningsprofilen en laminær karakter, dersom følgende er tilfellet:

I motsetning til dette foreligger det en strømningsprofil med turbulent karakter dersom:

Dersom strømningsprofilen har laminær karakter gjelder det følgende:

I motsetning til dette er det etterfølgende tilfellet for en strømningsprofil med turbulent karakter og Reynoldtall mindre enn 30 000:

For Reynoldtall større enn 20 000 og strømningsprofiler med turbulent karakter, gjelder endelig det følgende:

Koeffisientene A1 - A3, B1 - B3 og C1 - C3 i ligningene 20 - 22 er funnet empirisk.

For at brukeren under drift skal å oppnå en problemløs funksjon av strømningskorrek-sjonen, blir som allerede beskrevet, den aktuelle strømningsprofil kontrollert med hensyn til avvik fra kalibreringsstrømningsproflilene, eller asymmetri. Med henvisning til fig. 2 og 6 utføres denne kontroll ved å utnytte en profilmåler 7 og en profilkorreksjonesenhet 9 innkoblet mellom transduseren 2 og addisjonsenheten 3. Profilmåleren 7 sammenligner hastighetene på målebanene og dersom det finnes profilavvik eller en defekt føler, gir den et spesielt signal fra sin utgang 23 til profilkorreksjonsenheten 9 og en alarmgiver 8. Dersom det i drift opptrer en forstyrret strømningsprofil på grunn av virkningen fra installasjonen eller innløpet, slik som krumninger og sammenlignbare forstyrrelser, kan i vesentlig grad avviket i denne forstyrrede strømningsprofil fra kalibreringsstrømnings-profilene eller assymetriene i den forstyrrede strømningsprofil avhjelpes ved hjelp av profilkorreksjonsenheten 9. Virkningen av profilkorreksjonsenheten 9 er basert på ligningene 1-12. I fig. 6 er det vist en vender 11 som utgjør en enhet inne i profilkorreksjonsenheten 9 og som har tre innstillinger: En stilling a for strømningsprofilkalibrering, en stilling b for strømningsprofiljustering og en stilling c for strømningsprofilovervåking.

Venderen 11 står i stillingen a når anordningen i henhold til oppfinnelsen for utførelse av en fremgangsmåte for måling av gjennomstrømningsmengde av et strømmende medium ved hjelp av ultralyd, når den kalibreres med en uforstyrret referansestrømningsprofil. I denne stilling blir kalibreringsprofilmatrisen |BPM|| lagret i en hukommelse 12 for kalibreringsstrømningsprofilen (se også ligning 1).

Dersom anordningen i henhold til den foreliggende oppfinnelse, som utnytter fremgangsmåten for ultralydmåling av strømningsmengden av strømmende medium, installeres av brukeren, blir gjennomstrømningsmengden i ledningen forbundet med anordningen i henhold til oppfinnelsen i hovedsak innstilt til den størst mulige gjennomstrømnings-mengde under drift. I dette tilfelle står venderen i stilling b. I denne stilling blir arbeidsprofilmatrisen ||BPM|| lagret i et arbeidsprofillager 13 (se også ligning 2). På grunnlag av ligningene 3, 4 og 5 fastlegger deretter en profilkomparator 14 profildeter-minantene ||PrDet||.

Under normale driftsbetingelser står venderen 11 i stilling c slik at informasjon om hastighetene på målebanene gis videre fra venderen 11 direkte til en profiltransduser 15 som arbeider i samsvar med ligning 6. På utgangen fra profiltransduseren 15 er i prinsippet en uforstyrret og korrigert strømningsprofil tilgjengelig. På grunnlag av denne strømningsprofil blir så Reynoldstallet bestemt i Reynoldstallmåleren 5 for så å bli gjort tilgjengelig for strømningskorreksjonsenheten 6. Denne strømningskorreksjonsenhet arbeider med en feilkurve som også tar hensyn til tekniske toleranser for anordningen. Fig. 8 viser et eksempel på en slik feilkurve hvor en største feil av 0,15 % sikres ved utnyttelse av denne feilkurve.

Ved endringer i ledningen som er tilkoblet målerøret eller andre hydrauliske overgangs-prosesser, f.eks. dersom en reguleringsventil lukkes, endres strømningsprofilen meget raskt. Denne endring kontrolleres av profilmåleren 7 og dersom endringen er betraktelig avgir den et signal på utgangen 23 til alarmgiveren 8 og profilkorreksjonsenheten 9 (se også fig. 6). I profilkorreksjonsenheten 9 blir da venderen 11 stilt om fra stilling c til stilling b. I denne stilling sammenlignes arbeidsstrømningsprofilen fra arbeidsprofilhukommelsen 13 med kalibreringsstrømningsprofilen fra kalibreringsprofilhukommelsen 12. Dersom, det foreligger et for stort avvik mellom disse to strømningsprofiler blir et tilbakekoblingssiganl gitt til venderen 11 over tilbakekoblingsutgangen 22, hvorpå en arbeidsstrømningsprofil fornyet legges inn i arbeidsprofilhukommelsen 13. Dette pågår inntil det i sann tid foreligger en korrigert arbeidsstrømningsprofil som så mates tilbake til transduseren 15 med venderen 11 i stilling c.

De verdier av hastighetene som foreligger på utgangen for profilmåleren 7 mates til Reynoldstallmåleren 7 så vel som til addisjonsenheten 3 (se også fig. 7 og 8). En turbulent/laminær-vender 16 som befinner seg i denne Reynoldstallmåler 5 arbeider på grunnlag av ligningene 13 og 14 eller 18 og 19. Denne tubulent/laminær-vender 16 er forbundet med en laminærstrømningsmåler 17, en turbulentstrømningsmåler 18 og en overgangstrømningsmåler 19, idet disse strømningsmålere 17, 18 og 19 arbeider på grunnlag av ligningene 15, 16 og 17 eller 20, 21 og 22. Verdiene på utgangene for disse strømningsmålere 17, 18 og 19 for Reynoldstallet mates så til en utgangsoperasjonsforsterker 20.

I fig. 9a - 9d er de forhold som virkemåten for Reynoldstallmåleren 5 er basert på, vist grafisk som et eksempel. Fig. 9a viser en grafisk fremstilling av forholdet (V2+V4)/V3 som funksjon av Reynoldstallet angitt i millioner, og hvis forløp bestemmes av virkningen av turbulent/laminær-venderen 16. Fig. 9b viser en grafisk fremstilling av Reynoldstallet som en funksjon av forholdet (V2+V4)V3 hvis forløp bestemmes av virkningen av laminærstrømningsmåleren 17. Fig. 9b viser både eksperimentelt bestemte måledata og teoretiske data. Fig. 9c og 9d viser Reynoldstallets avhengighet, angitt i trinn av 1000, av forholdet (V2+V4)/(V1+V5) hvis forløp bestemmes av behandlingen i turbulentstrømningsmåleren 18. I fig. 9c og 9d er nevnte sammenheng både for måledata, med olje og vann som strømmende medium, og også for teoretisk fastlagte data, vist. For fig. 9c gjelder at Reynoldstallet er i hovedsak mindre enn 30.000, mens for fig. 9d gjelder at Reynoldstallet er i hovedsak større 20.000.

Den sanntidsbestemte verdi av Reynoldstallet som avgis på utgangen for operasjons-forsterkeren 20 tilføres en viskositetsmåler 10 så vel som til strømningskorreksjonsenhet-en 6. Denne viskositetsmåler 10 fastlegger mediets viskositet på grunnlag av Reynoldstallet, gjennomsnittshastigheten, dvs. strømningsmengden gjennom målerørets tverrsnittsareal, og diameteren av målerøret 1.

Viskositetsverdien på utgangen fra viskositetsmåleren 10 gis på den ene side videre til fremviseranordningen 4 og på den annen side en mediumidentifikasjonsenhet 24. Denne mediumidentifikasjonsenhet 24 har også tilgjengelig ultralydhastigheten fastlagt av transduseren 2 inne i mediet og/eller ultralyddempningen i mediet. På grunnlag av mediets viskositet, ultralydhastigheten i mediet og/eller ultralyddempningen i mediet, bestemmer mediumidentifiseringsenheten 24 typen av medium, f.esk. typen av råolje, ved å utføre en sammenligning med data lagret for kjente media.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for med ultralyd å måle strømningsraten for et strømmende medium ved hjelp av et målerør og i det minste to par ultralydtransdusere anordnet på målerøret for å danne en målebane, idet strømningsraten for det strømmende medium bestemmes ut fra mediets hastigheter langs i det minste to målebaner, og hvor verdien av strømningsraten korrigeres i samsvar med en verdi av Reynoldstallet, karakterisert ved at Reynoldstallet for det strømmende medium bestemmes kontinuerlig og bare enten ifølge forutbestemte konstanter, slik som forholdet mellom hastigheter langs i det minste to innbyrdes forskjellige målebaner, eller ifølge empirisk fastsatte koeffisienter, slik som forskjeller i hastighet langs i det minste to innbyrdes forskjellige målebaner, og at korrigeringen av verdien av strømningsraten utføres ved hjelp av den kontinuerlig bestemte verdi av Reynoldstallet.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, og hvor korrigeringen av strømningsraten ut fra verdien av Reynoldstallet utføres ved anvendelse av en feilkurve basert på empiriske data.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, og hvor det strømmende mediums hastigheter V1, V2, V3, V4 og V5 bestemmes langs fem forskjellige målebaner, idet det antas en turbulent strømning når (V2 + V4) / V3 > 1,9, og en laminær strømning når (V2 + V4)/V3<1,9.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, og hvor Reynoldstallet i tilfellet av en turbulent strømning bestemmes ut fra hastighetsforhold eller -forskjeller i summen av hastighetene langs målelbanene 2 og 4 (= V2 + V4) og målebanene 1 og 5 (= V2 + V5), mens Reynoldstallet i tilfellet av en laminær strømning bestemmes ut fra hastighetsforhold eller -forskjeller i summen av hastigheter langs målebanene 2 og 4 (= V2 + V4) og målebanen 3 (= V3).

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, og hvor Reynoldstallet for en turbulent strømning bestemmes ut fra hastighetsforhold på følgende måte:

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, og hvor Reynoldstallet for en turbulent strømning bestemmes ut fra hastighetsforhold på følgende måte: Re, = 19100 ((V2<+> V4) </><V>3)<2> - <6>0200 (V2<+><V>4) / V3<+> 47700 idet <A>2, <B>2, C2, A3, B3 og C3 bestemmes empirisk.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, og hvor Reynoldstallet for en laminær strømning bestemmes ut fra hastighetsforskjeller på følgende måte: Re, = A1 ((V2 + V4) - (V1 + V5) / 2)2 + B1 ((V2<+> V4) - (V1 + V5)) / 2 <+> C1

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, og hvor Reynoldstallet for en laminær strømning bestemmes ut fra hastighetsforskjeller på følgende måte: Re, < 30000 Ref<=> A2 ((V2<+><V>4) - (V1 + V5) / 2)2 <+> B2 ((V2 + V4) - (V1<+> V5)) / 2 <+> C2 Re, > 20000 Ref<=> A3 ((V2<+><V>4) - (V1 + V5) / 2)2 + B3 ((V2 + V4) - (<V>1<+> V5)) / 2 <+> C3 idet A.,, B1 og C1 bestemmes empirisk.

9. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1 - 8, og hvor det ut fra mediets hastigheter langs målebaner for forskjellige strømningsrater og Reynoldstall registreres i en kalibreringsprosess kalibreringsstrømningsprofiler som er så uforstyrret som mulig, og hvor i det minste en arbeidsstrømningsprofil registreres i en kalibreringsprosess ved hjelp av en anordning som er montert og er klar til å arbeide ved utnyttelse av fremgangsmåten angitt i et av kravene 1-8, idet avvik mellom kalibreringsstrømningsprofiler og arbeidsstrømningsprofiler korrigeres aritmetisk, og hvor det for Reynoldstall større enn 100.000 og for å registrere arbeidsstrømningsprofilen, innstilles strømningsrater for mediet som i så stor grad som mulig tilsvarer strømningsratene når kalibreringsstrøm-ningsprofilen registreres, ved at forholdene mellom enkelthastigheter langs målebanene i kalibreringsstrømningsprofilen og arbeidsstrømningsprofilen bestemmes, og de aktuelle målte hastigheter langs målebanene korrigeres med disse forhold og med denne korreksjon, korrigeres også de målte hastigheter med strømningsrateforhold når kalibrerings-strømningsprofiler registreres og når referansestrømningsprofiler registreres, og hvor korreksjonsfaktorer mellom strømningsratene innstilt under registreringen av kalibrerings-strømningsprofilen og arbeidsstrømningsprofilen, bestemmes ved utnyttelse av interpolering, mens for Reynoldstall mindre enn 100.000 måles kalibreringsprofilene og lagres i dimensjonsløs form for et stort antall Reynoldstall og de aktuelle målte hastigheter og aktuelle strømningsrater for en diemsjonsløs aktuell strømningsprofil behandles og den dimensjonsløse aktuelle strømningsprofil sammenlignes med kalibreringsstrømnings-profilene og korrigeres ved utnyttelse av nevnte sammenligning, idet Reynoldstallet i null-approksimering bestemmes ut fra den aktuelle strømningsprofil, mens gjennomsnittshastigheten bestemmes ut fra strømningsprofilen som er lagret for Reynoldstallet i null-approksimering, og den gjennomsnittlige hastighet fra hukommelsen sammenlignes med den aktuelle gjennomsnittlige hastighet, og dersom det foreligger et avvik mellom de gjennomsnittlige hastigheter som overskrider en forutbestemt grense antas en ny aktuell gjennomsnittshastighet som utledes fra den gjennomsnittlige hastighet fra hukommelsen, mens Reynoldstallet bestemmes i en første aproksimering ut fra den nye aktuelle bestemte hastighet og gjennomsnittshastigheten bestemmes på ny ut fra strømnings-profilen lagret for Reynoldstallet i den første aproksimering, og dersom det foreligger et avvik utover den forutbestemte grense finnes en ny aktuell gjennomsnittlig hastighet som avviker mindre fra den gjennomsnittlige hastighet fra hukommelsen, og ellers utnyttes den siste verdi av Reynoldstallet for den videre behandling.

10. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1 - 9, og hvor mediets viskositet bestemmes ved utnyttelse av strømningsraten, målerørets diameter og Reynoldstallet, idet mediet identifiseres ved utnyttelse av viskositeten og andre mediumavhengige, målte variabler, mens ultralydhastigheten og/eller ultralyddempningen i mediet bestemmes som en annen mediumavhengig, målt variabel.

11. Anordning for utførelse av fremgangsmåten ved ultralydmåling av strømningsraten i strømmende medium, som angitt i et av kravene 1 - 10, og som omfatter et målerør (1), i det minste et par ultralydtransdusere anordnet på målerøret (1), som danner en målebane (M1, M2, M3, M4, M5), en transduser som bestemmer mediets hastigheter langs målebanene (M1, M2, M3, M4, M5) ut fra signalene fra et par ultralydtransdusere og en addisjonsenhet (3) som bestemmer strømningsraten for mediet ut fra mediets hastigheter langs målebanene, karakterisert ved at det er anordnet en Reynoldstallmåler (5) for kontinuelig å bestemme Reynoldstallet og at en strømningskorreksjonsenhet (6) er forbundet med Reynoldstallmåleren og addisjonsenheten (3), idet det er anordnet en profilkorreksjonsenhet (9) og en profilmåler (7) etter hverandre mellom transduseren (2) og addisjonsenheten (3), og hvor profilkorreksjonsenheten (9) har en vender (11) ved inngangen, en arbeidsstrømningsprofilhukommelse (13) innkoblet etter nevnte vender (11), en strøm-ningsprofilkomparator (14) innkoblet etter arbeidsstrømningsprofilhukommelsen (13), en profiltransduser (15) ved utgangen og en kalibreringsstrømningsprofilhukommelse (12) koblet med sin inngang etter en utgang for venderen (11) og med sin utgang foran en inngang for nevnte strømningsprofilkomparator (14), mens en annen utgang for strøm-ningsprofilkomparatoren (14) er tilkoblet en annen inngang for venderen (11) slik at dersom kalibreringsstrømningsprofilen og arbeidsstrømningsprofilen ikke er innbyrdes identiske, danner venderen (11), arbeidsstrømningsprofilhukommelsen (13) og strøm-ningsprofilkomparatoren (14) en tilbakekoblingssløyfe, og hvor Reynoldstallmåleren (5) omfatter en turbulent/laminær-vender (16) og, koblet i parallell med nevnte turbulent/- laminærvender (16), en laminærstrømningsmåler (17), en turbulentstrømningsmåler (18), en overgangsstrømningsmåler (19) og en utgangsoperasjonsforsterker (20) tilkoblet utgangene for laminærstrømningsmåleren (17), turbulentstrømningsmåleren (18) og overgangsstrømningsmåleren (19), idet anordningen også omfatter en viskositetsmåler (10) forbundet med utgangen for Reynoldstallmåleren (5) og utgangen for strømnings-korreksjonsenheten (6), mens en mediumidentifikator (24) er forbundet med utgangen for viskositetsmåleren (10), og hvor i det minste en inngang (27, 28) sammen med utganger (25, 26) for transduseren (2) er anordnet for å identifisere typen av medium ved å sammenligne viskositeten og ultralydhastigheten og/eller ultralyddempningen med lagrede verdier, idet transduseren (2) bestemmer ultralydhastigheten eller ultralyddempningen.