NO761512L - - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en strømningsmåler med et antall

elektroakustiske omformere i kontakt med strømningsmediet.

Det er tidligere kjent strømningsmålere med hovedsakelig to par omformere som hver er anordnet på en bærelnn-retning-. Når strømningsmediet flyter i en retning på linje med to av disse omformere, innføres enffeil i avlesningen som kan korrigeres ved å bestemme strømningsretningen. En nøyaktig korrigering oppnås ved anvendelse av en separat føler som er svingbar og stiller seg inn i strømningsretningen.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe en

strømningsmåler som ikke er utstyrt med bevegelige deler.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved et antall par omformere som er anbragt slik at en akustisk bane dannes mellom omformerne i hvert par og en bæreinnretning for omformerne som senkes ned i strømningsmediet, hvilke^baner ligger i en sentral del av bæreinnretningen.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av kravene 2-9.

Noen utførelseseksempler på oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvisning til tegningene. Fig. 1 viser i perspektiv en tidligere kjent utførelses-form- av en strømningsmåler. Fig. 2 viser i perspektiv en første utførelsesform en

strømningsmåler ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2A viser et tverrsnitt langs linjen IIA-IIA på

fig. 2.

Fig. 3 viser i perspektiv en andre utførelsesform av

en strømningsmåler ifølge oppfinnelsen.

Fig.' 3A viser et tverrsnitt langs linjen IIIA-IIIA på fig. 3. Fig. 4 viser et grunnriss av to av omformerne på fig. 1, og fig. 4A-4C. viser kurver for strømni.ngshastighet mellom omformerne for forskjellige vinkler av strømningsretningen i forhold til banen mellom omformerne. Fig. 5 viser på samme måte forholdene ved en strømnings-måler ifølge oppfinnelsen.

Fig. 6 viser kurver for sann- cosinusreaksjon og

aktuell reaksjon for strømningsmålere av kjent art og ifølge oppfinnelsen som funksjon av strømningsretningen.

Fig. 7 viser kurver for den relative feil som funksjon av strømningsretningen for strømningsmålere av tidligere kjent art og for strømningsmåler ifølge oppfinnelsen. Fig. 8 viser kurvene på fig. 6 korrigert ifølge oppfinnelsen . Fig. 9 viser en del av bæreinnretningen på fig. 5 og tjener til å illustrere bestemte dimensjoner.

Fig. 10 viser et tverrsnitt gjennom utførelsesformen

på fig. 3 i enbbestemt helningsvinkel i forhold til strømnings-retningen . Fig. 11 viser en kurve for feilen som funksjon av helningsvinkelen.

Fig. 12 viser en blokkskjema for.den elektroniske del

av strømningsmåleren.

Fig. 13 viser bæreinnretningen forbundet med et hus som inneholder den elektroniske cfel på fig. 12.

Ved den kjente strømningsmåler som er vist på fig. 1,

er det anordnet fire -bærestenger 10-13 på en basisdel 16 og i den øvre ende av hver av de fire bærestenger er omformerne 18-21 anordnet.

Omformerne 18 og 19 er innrettet for overføring av akustisk energi langs en bane 24, og omformerne 20 og 21 sam-virker på samme måte langs en andre bane 2-5 som står vinkelrett på banen 24.

Når strømningsmåleren anbringes i et strømningsmedium, vil den akustiske energi som sendes, akselereres eller""retarderes avhengig av strømningsretningen og tidsforskjellen under over-føringen langs banen 24 og 25 kan anvendes for å bestemme strøm- ningsparameterne. Når strømmen følger en av banene, vil turbulens bak den forreste bærestang og foran den bakre bærestang, bremse strømmen og. minske den midlere strømningshastig-het langs banen og denne påvirkning langs den akustiske bane er en viktig faktor som påvirker nøyaktigheten av strømningsmåleren.

Hvis strømningsretningen alltid var parallell med en

av banene, kunne feilen som innføres beregnes og måleresultatet kunne indikeres på en dertil egnet skala med korrigert indiker-ing. I virkeligheten og særlig hvis strømningsmåleren anvendes i havet, varierer strømningsretningen slik at feilkorreksjon for en strømningsretning ikke ville være egnet for andre retninger.

Oppfinnelsen derimot tilveiebringer en kontrollert konstant feil uavhengig av strømningsretningen og en slik strøm-ningsmåler er vist på fig. 2.- Et antall par omformere f.eks. omformerne 30 og 31 som danner et første par og 32 og 33 som danner et andre par er i likhet med den kjente strømningsmåler anordnet slik at det dannes to overføringsbaner 35 og 36 som står vinkelrett på hverandre. En bæreinnretning 40 opp.,tar omformerne og er hovedsakelig sirkelformet, slik at bæreinnretningen mellom to til hverandre grensende omformere er en sirkel-bue slik at det dannes en hindring for strømmen i en vinkel _+ 0 i forhold til en akustisk akse.

Selv om omformerne oppviser et strålingsmønster, kan den akustiske energi ansees å bevege seg langs en akustisk-bane. Tverrsnittet av de hverandre kryssende akustiske baner skal

for enkelhets skyld ansees å ligge i samme plan o.g skal her be-tegnes måleplanet selv om det er klårt at de akustiske baner kan variere avhengig av tykkelsen av den ringformede bæreinnretning.

Fig.2A viser et tverrsnitt gjennom ringen som f.eks. kan bestå av rustfritt stål og av sirkelformet tverrsnitt med en diameter d.

Omformeren 30 er anordnet i en utsparing 47 i ringen og dekkes med et beskyttelsesmateriale 50 som har samme eller tilnærmet samme overføringskarakteristikk som det omgivende strøm-ningsmedium, f.eks. polyuretan og formet slik at tverrsnittet av ringen 40 bibeholdes.

Omformeren 30 kan som vist på fig. 2A omfatte et aktivt krystall 54 som f.eks. blyzirconat titaftai som er festet til en holderdel 55 f.eks. av-syntetisk- skum. Videre er det anordnet et spor 58 for å oppta ikke viste ledninger til omformeren. For å gjenopprette tverrsnittsformen av ringen er utsparingen 47

og sporet 58 utfylt f.eks. med polyuretan.

Fig. 3 viser en andre utførelsesform av en strøm-ningsmåler ifølge oppfinnelsen hvor et antall omformere 60-63

er anbragt på samme måte som på fig. 2, idet det er dannet to akustiske baner 66 og 67 som står vinkelrett på hverandre i en ringformet bæreinnretning 70. For å minske turbulens, er tverrsnittet av ringen 70 gitt form av en hydrofoil som vist på fig. 3A som viser et tverrsnitt langs linjen IIIA-IIIA på fig. 3.

Ringen 70 har en avrundet forreste kant 72 og en av-smalnende bakre kant 73"med en total lengde 1 og en maksimal tykkelse t. Omformeren 60 omfatter på samme måte som omformeren 30 et aktivt krystall 78 med en holdedel 79 anordnet i en utsparing 80 i ringen 70. Likesom på fig. 2A er omformeren 60 gitt en beskyttelsesmasse av polyuretan 82 som gjenoppretter > tverrsnittet av ringen. Et ringformet spor 85 i ringen er anordnet for å oppta ledninger til omformerne via radiale spor 87 og disse spor er også fylt med beskyttelsesmateriale 89.

De-aktuelle dimensjoner vil ellers være avhengig av faktorer såsom maksimal strømningshastighet som skal måles. F.eks. kan ringen på fig. 2 ha en diameter på 0,635 cm mens den ytre diameter av ringen kan være 31575cm og den indre diameter 30,48 cm.

Ringen på fig. 3 kan eksempelvis ha en lengde 1 på 3,175 cm og en tykkelse t på 0,635 cm, mens den ytre diameter av ringen kan være 35,56 cm og den indre diameter 29,21 cm,

slik at avstanden mellom hvert omformerpar blir 30,48 cm.

Fig. 4 viser et grunnriss av en kjent strømningsmåler med to omformere båret av bærestenger 92 og 93. Den akustiske bane mellom omformerne 94 og 95 er x^. Fig. 4A-4C vier- av-

standen x„ langs den horisontale akse fra x~til x .

nbOn Pilen 97 på fig. 4 representerer strømningsretningen i flukt med den akustiske bane 97 mellom omformerne 94 og 95>og pilen 98 representerer en strømningsretning med en vinkel 0 i forhold til den•akustiske bane 96. Fig. 4A viser en kurve 100 som representerer øyeblikkshastigheten av strømningsmediet i den

akustiske bane mellom de to omformere som funksjon av avstanden bak den forreste bærestang 92. Hastighetskurven er for tyde-lighets skyld en tilnærmelse fordi den virkelige kurve er en funksjon av et antall forskjellige variable som f.eks. bære-stangdiameteren, banelengden, motstandskoeffisienten og Reynolds tall. Fig. 4A-4C viser langs den vertikale akse at øyeblikkshastigheten har en maksimal verdi V"A som representerer komponenten.ffor strømningshastigheten langs den akustiske bane 96 uten hindring- altså fra 94 til 95 som om bærestengene og omformerne ikke var tilstede. Fig. 4A-viser hastigheten for strømningsmediet i retning av pilen 97. Med strømningsretningen i flukt med den . akustiske bane dvs. 0 lik 0°, er hastigheten bak bærestangen 0 og vil øke med avstanden x opp til utjevningsverdien. Denne verdi er under V. fordi hastigheten aldri kan nå den sanne maksimale hastighet.som følge av tilstedeværelsen av bærestengene. En midlere målt hastighet Vm er lik den maksimale hastighet VA-AV.. Den midlere hastighet V er plassert slik at arealet 102 mellom kurven 100 og den strekede linje V me-r lik arealet 103 mellom den strekede linje V mog resten av kurven 100.

Fig. 4B viser situasjonen for en strømningsretning

0 lik-15°. Hvis det.f.eks. antas at den maksimale strømnings-hastighet- VA er 1 på fig. 4A, vil VA på fig. 4B være 0,966

(1 x cosinus til 15°). Da-strømningen er mindre hindret av bærestangen, vil hastighetskurven 105 rette seg ut i mindre avstand fra bærestangen enn for kurven 100 på. fig. 4A. Den målte verdi V"mhar en posisjon hvor arealet 107 er lik arealet 108 og differensen mellom den målte verdi Vm og den maksimale verdi VA er Av. Fig. 4 C viser situasjonen for en vinkel 8 lik 45° og da bærestangen har mindre virkning på strømningen enn i de tidligere to tilfeller, når hastighetskurven 109 en utjevnings-del meget hurtig og hvor igjen de.t målte hastighetsnivået har en posisjon hvor arealet 112 er lik arealet 113. For en strøm-ningsretning i en vinkel 45° på den akustiske akse vil f.eks. den maksimale verdi VA være lik 0,707 og differensen mellom den

målte verdi V og den maksimale verdi V. er Av. Som det

m ° A

tydelig fremgår vil når vinkelen 6 øker virkningen av bærestangen bli mindre og mindre, slik at Av avtar likesom forholdet Av til VA. Fig. 5 viser et grunnriss av en strømningsmåler ifølge oppfinnelsen og fig. 5A til 5C viser hastighetskurver i likhet med hastighetskurvene på fi:g. 4A til 4C. For det tilfellet hvor strømningsretningen er i flukt med den akustiske bane, dvs. 0 lik 0°, er hastighetskurven 116 meget lik hastighetskurven 100 på fig. 4A og den målte verdi Vm ligger slik at arealet 117 er lik arealet 118. Differensen mellom den maksimale verdi V. og den malte verdi V^er betegnet Av. Fig. 5B.viser kurven 120 for en strømningsretning i en vinkel 0 lik 15° i forhold til den akustiske bane svarende til kurven 105 på fig. 4B og som følge av tilstedeværelsen av ringen vil det være en hindring for strømmen også ved 15° vinkel. Også her er like arealer 122 og 123 beliggende mellom den målte verdi V m som er Av mindre enn den maksimale verdi V"A, hvor Av er større enn den tilsvarende Av på fig. ^B. Fig.5C viser det tilfellet hvor strømningsretningen danner en vinkel 0 lik 45° med den akustiske bane og kurven 125 er meget forskjellig fra kurven 109 på fig. 4C fordi ringen danner en hindring for strømningen. Arealene 126 og 127 er også like og den målte verdi V m er lik den maksimale verdi VA.-Av som her er meget større enn Av på fig. 4CV

Bare den ene akustiske, bane er tatt i betraktning og det er klart at samme resultat oppnås for den andre akustiske bane.

Ved aktuelle målinger varierer forholdet Av til VA betydelig ved den kjente strømningsmåler mens det samme forhold holdes praktisk'talt konstant ved strømningsmåleren ifølge oppfinnelsen. Måleresultatene på fig. 6 hvor 0 er tegnet opp langs den horisontale akse og hastigheten langs den vertikale akse, viser at kurven 130 er en sann cosinuskurve og at den aktuelle hastighet VA er en funksjon av 0 når det ikke opptrer noen hindring for strømningsmediet. Kurven 131 representerer hastigheten målt med en tidligere kjent•strømningsmåler og kurven 132 representerer hastigheten målt ved en strømningsmåler ifølge oppfinnelsen som vist på fig. 2A. Den vertikale avstand mellom den sanne cosinuskurve 130 og kurven 131 for enhver vinkel, representerer Avvf.eks. på fig. 4A-4C. Den samme vertikale avstand mellom den sanne cosinuskurve 130 og kurven 132 som i enhver vinkel representerer Av fra f.eks. fig. 5A-5C". Av ved -strømningsmåleren ifølge oppfinnelsen blir mindre i forhold' til verdiene på kurven 130 som funksjon av 8, men dette er ikke tilfelle for den tidligere, kjente strømningsmåler.

Dette er vist på fig. 7 hvor 8 i grader er tegnet opp langs den horisontale akse og forholdet mellom Av og V i virkeligheten V clsom representerer en prosentvis feil er tegnet opp langs den vertikale akse. Kurven 134 representerer prosentoal feil for det tilfellet hvor bærestengene har en diameter på 0,952 cm og har en innbyrdes avstand på 40,64 cm. Det fremgår at når strømmen er i flukt med den akustiske bane, er feilen ca. 13% og avtar til 0 ved en vinkel på ca. 50°. Ved hjelp av denne kurve kandde målte verdier korrigeres, men det vil kreve kjennskap til strømningsretningen og bevegelige deler for å bestemme denne strømningsretning er uønsket særlig for lange måleperioder.

Den prosentoale feil for utførelsen ifølge fig. 2

og 2A er vist ved kurven 135 med de der angitte dimensjoner og kurven 136 gjelder for utførelsen ifølge fig. 3 og 3A med de der angitte dimensjoner. Det fremgår at for den sistnevnte ut-førelse med hydrofoil er den prosentoale feil forholdsvis konstant på ca. 6% og ved sirkelformet tverrsnitt ifølge fig. 2 og 2A er den prosentoale feil også forholdsvis konstant med ca. 15% over hele området av 9 fra 0-90°. Fig. 7 viser tydelig at foreliggende oppfinnelse er målefeilene som funksjon av vinkelen 8 praktisk talt konstant og uavhengig av vinkelen og det er

derfor mulig å korrigere for hastighetsavlesningene ved hjelppav en enkel skalafaktor i behandlingsutstyret.

Ved å anvende en skalafaktor på f.eks. 15%, vil kurven 132 på fig. 6 være en nær tilnærmelse til den sanne cosinuskurve. 130 slik som vist på fig. 8 hvor skalakurven er betegnet med 132. Lignene resultater oppnås med hydrofoilutførelsen ved å anvende en skalafaktor på ca. 6%.

Den mekanisme ved hvilken den ringformede bæreinnretning gir en slik konstant strømnings feil for en hvilken som helst innfallsvinkel av strømningsretningen, er vist på fig. 9-'Prinsipielt og med henvisning til fig.'4A-4C og 5A-5C har den innfallende strømningsretning på ringen en vinkel 8 og ringen medfører en hindring for strømningsmediet. F.eks. vil strømmen i et punkt x^langs den akustiske bane være den samme 'som i en avstand x^. på fig. 4a som tilsvarer d^på fig. 9, som om strømmen var i flukt med en imaginær bærestang 92'. For enhver innfalingsvinkel for strømmen vil den aktuelle hydrodynamiske analyse medføre bestemmelse av enkeltavstandene d^, d2J...d-, fra den sirkelformede del av ringen til punktene x1,x2...x^og deretter foretas en aritmetisk integrering av de^oppnådde størrelser.

Da ringen på fig. 2A har sirkulært tverrsnitt og effektivt eliminerer målefeil i måleplanet, vil den ,1'ite endre strømmer med en vinkel til,måleplanet. Dette kan inntreffe hvis strømningsmåleren monteres slik at den heller i forhold til horisontalplanet eller strømmen har en vertikalkomponent. Hydrofoiltverrsnittet som vist på fig. 3A løser dette problem innenfor et valgt helningsområde. F.eks. er en del av en ring 150 vist på fig. 10 med hydrofoiltverrsnitt og hellende slik at måleplanet p danner en vinkel a med strømmen. Med den viste orientering og bortsett fra ringen 150 vil komponenten av strømningshastigheten langs måleplanet p bli minsket fra den aktuelle verdi med en faktor cosinus a. Med hydrofoiltverrsnittet vil strømmen over den bakre kant av hydrofoilen øke som følge av angrepsvinkelen og bevirke innenfor visse grenser en invers proporsjonalitet til cosinus a hvilket resul-terer i en hovedsakelig selvkompenserende anordning.'

Fig. 11 viser virkningen av varierende helningsvinkler.

Helningsvinkelen a erttegnet opp langs den horisontale akse og den relative prosentoale feil er tegnet opp langs den vertikale akse. Resultatet viser at mellom helningsvinkler på +_ 15° er feilen ikke større enn 2%.

Forskjellig elektronisk utstyr kan anvendes for indi-kering av strømningshastigheten, og fig. 12 viser en slik anordning. Den elektroniske del 152 står i signalforbindelse med bæreringen 153 som inneholder omformerne, har en sløyfesirkuler-ingskrets 155 som trigger en sender 158 som igjen leverer sendesignaler til omformerne i ringen 153 ved hjelp av en kop-lingsinnretning 159. Signalene som leveres av omformeren som resultat av et akustisk signal blir via koplingsinnretningen 159 tilført mottageren l6l som ligger i sirkuleringssløyfen 155.

Prinsipielt måler det elektroniske utstyr den del av strømkomponenten som faller langs de innbyrdes ortogonale akustiske baner med to resulterende utgangssignaler og til-

føres disse til huset. De to komponenters vx og vy har form-av tall som innføres i registeret v:dog v i kretsen 163 slik at

x y

det oppnås strømningshastighet med retning.- Disse beregninger kan enten skje i selve strømningsmåleren eller på et fjernt-liggende sted. Utgangssignalet v x og v y angir de to komponenter av strømmen referende til strømningsmåleren. Hvis strømnings-måleren befinner seg i en fast posisjon med referanse til

"j ordkoordinaténae, kan v og v også bestemme de magnetiske

x ■ y

vektorer vnT(nord-syd) og vg (øst-vest). Hvis strømnings-måleren kan rotere fritt, må et kompass anvendes i tillegg for

å må.leoorienteringen av strømningsmåleren i forhold til jordens koordinatsystem. For å oppnå dette, kan det anordnet et kompsss 165 for å, tilveiebringe et orienterende utgangssignal til beregningsdelen 167 slik at utgangssignalene v x og v y kan roteres "i forhold til jordkoordinatsystemet. Behandlingsdelen 167 er prinsipielt en krets som multipliseres vo og vy avles-ningene med sinus eller cosinus til vinkelen 0 som indikert ved hjigip -av kompasset 165 og utfører følgende regneoperasjon:

v n = v. x cosinus 0 - v sin 0 og 6 v = v x sin 0 ■+ v ycosinus 0

Hele den elektroniske del 152 kan anbringes i et hus

170 som vist på fig. 13 someer forbundet med ringen 70 som vist på fig. 3 og 3A, ved hjelp av forholdsvis tynne bærestenger 173 til 176.

Undersiden av ringen 70 på fig. 13 er vist uten omformere og dekkmateriale slik at sporene og utsparingene er vist.' I det minste den ene av bærestengene 173 til 176 er hul slik at ledninger kan føres gjennom for signalene til og fra omformerne og den elektroniske del i huset 170.

Claims (9)

1. Strømningsmåler med et antall elektroakustiske omformere i kontakt med strømningsmediet, karakterisert ved et.antall par omformere som er anbrakt slik at en akustisk bane dannes mellom omformerne i hver part, og en bæreinnretning for omformerne som senkes ned i strømningsmediet, hvilke baner ligger i en sentral del av bæreinnretningen.

2. Strømningsmåler ifølge krav 1, kara ktt e r i - sert ved to par omformere hvis akustiske baner ligger tilnærmet vinkelrett på hverandre.

3. Strømningsmåler ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at bæreinnretningen omfatter en ubrutt ring.

4. Strømningsmåler ifølge krav 3, karakterisert ved at ringen er sirkulær.

5. Strømningsmåler ifølge krav 3 eller 4, kar akk t e - risert ved at ringen har sirkelformet tverrsnitt.,

6. Strømningsmåler ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at ringen har hydrofoilformet tverrsnitt med en avrundet forreste kant og smalner av mot den bakre kant.

7. Strømningsmåler ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at bæreinnretningen danner en hindring for strømningsmediet • i en vinkel+<_> 0 fra hhver akustisk bane.

8. Strømningsmåler ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved et hus som inneholder elektronisk utstyr som er forbundet med omformerne, og minst en støtte som forbinder huset med bæreinnretningen.

9. Strømningsmåler ifølge kravene 3-7, og 3" 7 og 8, karakterisert ved at bæreinnretningen har et antall utsparinger som hver opptar en omformer som er dekket med et beskyttelsesmateriale med akustiske overføringsegenskaper svarende til det omgivende strømningsmateriales akustiske over-føringsegenskaper og at beskyttelsesmaterialet er formet i samsvar med ringens tverrsnittsform.