PL178702B1

PL178702B1 - Sposób pomiaru objętości płynu przepływającego przez oscylator strumieniowy i oscylator strumieniowy do pomiaru przepływu płynu

Info

Publication number: PL178702B1
Application number: PL95317644A
Authority: PL
Inventors: Patrice Ligneul; Philippe Hocquet
Original assignee: Schlumberger Ind Sa
Priority date: 1994-06-17
Filing date: 1995-06-08
Publication date: 2000-06-30
Also published as: JPH10501605A; EP0835385B1; DE69516316D1; CA2192583A1; FR2721360B1; RU2153603C2; AU2742895A; EP0835385A1; DK0835385T3; DE69516316T2; ES2147292T3; WO1995035448A1; PL317644A1; CN1151788A; FR2721360A1; AU703888B2; ATE191772T1

Abstract

7. Oscylator strumieniowy do pomiaru przeplywu plynu, zbudowany z dwóch przetworni- ków ultradzwiekowych dolaczonych do obwodu ge- nerowania sygnalu ultradzwiekowego w przeplywajacym plynie od jednego przetwornika ultradzwiekowego do drugiego przetwornika ultra- dzwiekowego i odbierania sygnalu ultradzwiekowe- go zmodulowanego przez oscylacje strumienia plynu, oraz z dolaczonego do obwodu generowania i odbierania sygnalu ultradzwiekowego obwodu przetwarzania odebranego sygnalu ultradzwieko- wego na wielkosc objetosci plynu, który przeplynal przez oscylator strumieniowy, przy czym oscylator strumieniowy zawiera ponadto otwór doplywowy plynu o okreslonym wymiarze poprzecznym lub szerokosci i wysokosci umieszczony miedzy prze- twornikami ultradzwiekowymi, komore oscylacyjna polaczona z jednej strony z otworem doplywowym plynu, zas z drugiej strony z otworem wylotowym plynu, oraz co najmniej jedna przeszkode umiesz- czona w komorze oscylacyjnej miedzy otworem doplywowym plynu a otworem wylotowym plynu, przy czym otwór doplywowy i otwór wylotowy plynu znajduja sie w podluznej plaszczyznie syme- trii, znamienny tym, ze przetworniki ultradzwieko- we (52, 54) sa ustawione na podluznej plaszczyznie symetrii (P) wzdluz osi kanalu przeplywowego. FIG. 2 PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru objętości płynu przepływającego przez oscylator strumieniowy i oscylator strumieniowy do pomiaru przepływu płynu.

178 702

Znane jest wykorzystanie oscylatorów strumieniowych do pomiaru wielkości związanej z objętością płynu, takiej jak natężenie przepływu, jeśli mierzy się częstotliwość oscylacji lub objętość, jeśli zlicza się liczbę oscylacji. Z francuskiego zgłoszenia patentowego nr 92 05301 znany jest oscylator strumieniowy, w którym wykrywa się częstotliwość oscylacji dwuwymiarowego strumienia płynu przepływającego w komorze oscylacji.

Strumień płynu przepływa przez szczelinę, otwierającą się do komory oscylacji, przy czym oscyluje on poprzecznie względem płaszczyzny symetrii podłużnej oscylatora strumieniowego. W komorze oscylacji umieszczona jest przeszkoda, posiadająca wgłębienie w swej części czołowej, przy czym wgłębienie to mieści się na drodze strumienia płynu tak, że strumień płynu omiata ściany wgłębienia podczas oscylacji. Pomiar natężenia przepływu wykonuje się poprzez wykrywanie oscylacji strumienia płynu podczas omiatania dna wgłębienia, przy czym częstotliwość oscylacji strumienia jest proporcjonalna do natężenia przepływu płynu.

W zgłoszeniu patentowym Wielkiej Brytanii nr 2002904 jest ujawniony miernik przepływu zawierający oscylator strumieniowy, który jest przeznaczony do pomiaru wentylacji poruszającego się człowieka lub zwierzęcia. Miernik przepływu ma wlot, dwa kanały wylotowe i dwa wloty kontrolne połączone kołowym kanałem kontrolnym, jeden z każdej strony połączenia pomiędzy kanałami wlotowym i wylotowym. Wszystkie kanały są współpłaszczyznowe, a wlot ma kształt klina. Oscylacje spowodowane przepływem płynu przez miernik są wykrywane przez nadajnik i odbiornik ultradźwiękowy umieszczone w punkcie końcowym kanału kontrolnego. Jednak w pewnych przypadkach taki miernik przepływu nie jest dokładny przy pomiarze natężenie przepływu lub objętości, zwłaszcza czułość nie może być łatwo poprawiona, a pomiar wielkości związanych z przepływem płynu nie jest możliwy, gdy przepływ płynu jest tak mały, że nie jest możliwe wykrycie oscylacji w strumieniu płynu.

Znany jest również z opisu patentowego Wielkiej Brytanii nr 2120384 oscylator strumieniowy działający na nieco innej zasadzie, ze względu na to, że jest on oscylatorem strumieniowym wykorzystującym zjawisko Coanda, przy czym jego celem jest pomiar wielkości związanej z objętością płynu, poprzez wykrycie częstotliwości oscylacji strumienia płynu. Ten oscylator strumieniowy zawiera trzy przeszkody znajdujące się w komorze oscylacji, dwa z tych oscylatorów usytuowane są po przeciwnych stronach płaszczyzny symetrii podłużnej, w kierunku przepływu płynu tuż za otworem dopływowym płynu do komory i współdziałają z bocznymi ścianami komory oscylacji przy formowaniu dwóch symetrycznych kanałów, zaś trzecia przeszkoda umieszczona jest czołowo względem otworu dopływowego płynu, ale w kierunku przepływu płynu po bokach tych pierwszych przeszkód.

Podczas swego ruchu omiatającego, strumień płynu natrafia na jedną z bocznych przeszkód i przylega do niej, następnie przepływ płynu zwraca się pod prąd i zajmuje kanał uformowany pomiędzy przeszkodą i jedną ze ścian komory oscylacji, które powodują ponowną cyrkulację płynu. Kiedy przepływ płynu osiągnie strefę wlotową, usytuowaną blisko otworu dopływowego płynu, przy której znajduje się podstawa strumienia płynu, wtedy przepływ spowoduje przemieszczenie strumienia płynu w kierunku drugiej przeszkody bocznej i to samo zjawisko powtarza się z drugą przeszkodą boczną. Oscylator strumieniowy zawiera również dwa przetworniki ultradźwiękowe rozmieszczone po obu stronach przepływu płynu tak, że sygnały ultradźwiękowe są nadawane i odbierane w płaszczyznach, które są zasadniczo poprzeczne względem wzdłużnego kierunku przepływu płynu.

Znane rozwiązania pomiaru zapewniają dobrą powtarzalność pomiarów dla typowego zakresu natężeń przepływu dla oscylatora strumieniowego. Jednakże, w pewnych przypadkach, konieczne jest uzyskanie bardzo dobrej dokładności pomiaru natężenia przepływu lub objętości, a tym samym korzystnie jest mieć oscylator strumieniowy, którego czułość można łatwo poprawić w typowym dla niego zakresie natężeń przepływu. Ponadto, znany oscylator strumieniowy nie może mierzyć wielkości, związanej z objętością płynu, jeśli natężenie

178 702 przepływu płynu jest tak niskie, że nie jest możliwy dalszy pomiar częstotliwości oscylacji strumienia płynu.

Wiadomo również, że w instalacjach domowych, przez większą część czasu, natężenie przepływu płynu, na przykład gazu, są bardzo niskie, zwykle przyjmując wartość poniżej 200 litrów na godzinę. Stąd szczególnie ważna jest możliwość pomiaru przepływów przy takich właśnie natężeniach, jak również możliwość pomiarów maksymalnych wartości, które pojawiają się sporadycznie. Ponadto, ważna jest możliwość wykrywania wycieków płynu, jeśli takie się zdarzą, a zatem musi istnieć możliwość rozróżnienia natężenia wycieku od małego natężenia przepływu.

Istotą sposobu pomiaru objętości płynu przepływającego przez oscylator strumieniowy, w którym strumień płynu oscyluje poprzecznie względem podłużnej płaszczyzny symetrii, i w którym nadaje się z przetwornika ultradźwiękowego sygnał ultradźwiękowy do przepływającego płynu, odbiera się zmodulowany przez oscylację strumienia płynu sygnał ultradźwiękowy przez drugi przetwornik ultradźwiękowy i określa się objętość płynu w oparciu o parametr odebranego sygnału charakterystyczny dla prędkości jego propagacji według wynalazku, jest to, że sygnał ultradźwiękowy nadaje się w kierunku podłużnego przepływu płynu, przy czym po nadaniu sygnału ultradźwiękowego z jednego przetwornika ultradźwiękowego do drugiego przetwornika ultradźwiękowego odbiera się sygnał ultradźwiękowy, którego prędkość propagacji została zmodyfikowana przez przepływ płynu i wyznacza się pierwszą wartość parametru odebranego sygnału ultradźwiękowego, następnie powtarza się powyższe etapy pomiaru zamieniając funkcje przetworników ultradźwiękowych z nadajnika na odbiornik i odwrotnie, oraz wyznacza się dnigą wartość parametru sygnału ultradźwiękowego, po czym na podstawie tak wyznaczonych wartości określa się wielkość objętości przepływającego płynu.

Korzystnym jest, że sygnał ultradźwiękowy nadaje się w kierunku przepływu płynu przez oscylator strumieniowy.

Korzystnym jest, że po odebraniu sygnału ultradźwiękowego mierzy się na jego podstawie częstotliwości oscylacji, która równa się podwojonej częstotliwości oscylacji strumienia płynu.

Korzystnym jest, że sygnał ultradźwiękowy nadaje się ponadto w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu płynu przez oscylator strumieniowy.

Korzystnym jest, że jako parametr sygnału ultradźwiękowego stosuje się czas propagacji sygnału ultradźwiękowego.

Korzystnym jest, że jako parametr sygnału ultradźwiękowego stosuje się fazę sygnału ultradźwiękowego.

Istotą oscylatora strumieniowego do pomiaru przepływu płyny, zbudowanego z dwóch przetworników ultradźwiękowych dołączonych do obwodu generowania sygnału ultradźwiękowego w przepływającym płynie od jednego przetwornika ultradźwiękowego do drugiego przetwornika ultradźwiękowego i odbierania sygnału ultradźwiękowego zmodulowanego przez oscylacje strumienia płynu, oraz z dołączonego do obwodu generowania i odbierania sygnału ultradźwiękowego obwodu przetwarzania odebranego sygnału ultradźwiękowego na wielkość objętości płynu, który przepłynął przez oscylator strumieniowy, przy czym oscylator strumieniowy zawiera ponadto otwór dopływowy płynu o określonym wymiarze poprzecznym lub szerokości i wysokości umieszczony między przetwornikami ultradźwiękowymi, komorę oscylacyjną połączoną z jednej strony z otworem dopływowym płynu, zaś z drugiej strony z otworem wylotowym płynu, oraz co najmniej jedną przeszkodę umieszczoną w komorze oscylacyjnej między otworem dopływowym płynu a otworem wylotowym płynu, przy czym otwór dopływowy i otwór wylotowy płynu znajdują się w podłużnej płaszczyźnie symetrii, według wynalazku jest to, że przetworniki ultradźwiękowe są ustawione na podłużnej płaszczyźnie symetrii wzdłuż osi kanału przepływowego.

178 702

Korzystnym jest, że przetworniki ultradźwiękowe są rozmieszczone na różnych płaszczyznach poprzecznych, przy czym jeden z przetworników ultradźwiękowych jest przetwornikiem wlotowym, zaś drugi z przetworników ultradźwiękowych jest przetwornikiem wylotowym.

Korzystnym jest, że przetwornik wlotowy jest umieszczony w kierunku przepływu płynu przed otworem dopływowym płynu.

Korzystnym jest, że przeszkoda ma część przednią, w której, naprzeciw otworu dopływowego płynu, znajduje się uformowane wgłębienie.

Korzystnym jest, że przetwornik wylotowy jest przytwierdzony do przeszkody.

Korzystnym jest, że przetwornik wylotowy jest umieszczony we wgłębieniu przeszkody.

Korzystnym jest, że zawiera w kierunku przepływu płynu przed przeszkodą przejście dla płynu, które znajduje się między dwoma ściankami, przy czym ścianki te są prostopadłe do podłużnej płaszczyzny symetrii i są oddalone od siebie na odległość równą wysokości.

Korzystnym jest, że zawiera w kierunku przepływu płynu przed otworem dopływowym płynu kanał rozciągający się wzdłużnie i uformowany co najmniej z jednej części przejścia dla płynu, przy czym kanał ma stałą szerokość, która jest prostopadła do wysokości.

Korzystnym jest, że kanał posiada przy jednym ze swych końców otwór wylotowy, który odpowiada otworowi dopływowemu płynu oraz przy swym przeciwległym końcu posiada otwór wlotowy, który w płaszczyźnie równoległej do kierunku przepływu płynu i prostopadle do podłużnej płaszczyzny symetrii jest zbieżny i jego szerokość zmniejsza się postępująco do szerokości.

Korzystnym jest, że przetwornik wlotowy umieszczony jest w kierunku przepływu płynu przed kanałem.

Korzystnym jest, że zawiera dwa wloty płynu, które są rozmieszczone symetrycznie wobec podłużnej płaszczyzny symetrii i połączone z kanałem.

Korzystnym jest, że zawiera pustą przestrzeń formującą inny odcinek przejścia dla płynu, która jest umieszczona w kierunku przepływu płynu przed kanałem, przy czym dwa wloty płynu są połączone z pustą przestrzenią.

Korzystnym jest, że przetwornik wlotowy jest umieszczony w kierunku przepływu płynu przed pustą przestrzenią.

Korzystnym jest, że przetworniki ultradźwiękowe są umieszczone po tej samej stronie w kierunku prostopadłym do podłużnego kierunku przepływu płynu i usytuowane w podłużnej płaszczyźnie symetrii.

Korzystnym jest, że przetworniki ultradźwiękowe są przymocowane do tej samej, jednej ze ścianek określających przejście dla płynu.

Korzystnym jest, że przetworniki ultradźwiękowe są wyrównane w kierunku prostopadłym do kierunku podłużnego przepływu płynu i usytuowane w podłużnej płaszczyźnie symetrii.

Korzystnym jest, że każdy przetwornik ultradźwiękowy jest przymocowany do jednej ze ścianek określających przejście dla płynu.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia dokładny pomiar objętości przepływającego płynu w typowym zakresie natężeń przepływu dla oscylatora strumieniowego, przy czym przystosowane ono jest także do mierzenia małych przepływów płynu, przy których zanikają oscylacje strumienia płynu.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój w podłużnej płaszczyźnie symetrii P pierwszego przykładu wykonania oscylatora strumieniowego według wynalazku, fig. 2 - przekrój oscylatora strumieniowego w płaszczyźnie Pj z fig. 1, fig. 3 - przekrój oscylatora strumieniowego w płaszczyźnie A z fig. 1, fig. 4 - przekrój drugiego przykładu wykonania oscylatora strumieniowego w płaszczyźnie ?! z fig. 1, fig. 5 - pierwsze rozmieszczenie przetworników ultradźwiękowych według przykładu wykonania z fig. 1, fig. 6 - drugie rozmieszczenie przetworników ultradźwiękowych według przykładu wykonania z fig. 1, fig. 7 - trzecie rozmieszczenie przetworników

178 702 ultradźwiękowych według przykładu wykonania z fig. 1, fig. 8 - czwarte rozmieszczenie przetworników ultradźwiękowych według przykładu wykonania z fig. 1, fig. 9 - następny przykład wykonania oscylatora strumieniowego według wynalazku w przekroju płaszczyzny P_t z fig. 1, fig. 10 - schemat blokowy części układu elektronicznego do pomiaru objętości gazu przepływającego przez oscylator strumieniowy, fig. 11 - schemat bloku elektronicznego 100 z fig. 10, fig. 12 - zmodulowany sygnał ultradźwiękowy po wzmocnieniu przez wzmacniacz 102 z fig. 11, fig. 13 - sygnał ultradźwiękowy z fig. 12 po wyprostowaniu przez obwód 104 z fig. 11, fig. 14 - sygnał ultradźwiękowy z fig. 13, po przefiltrowaniu przez blok elektroniczny 106 z fig. 11, fig. 15 - sygnał ultradźwiękowy z fig. 14 po przejściu przez elektroniczny blok wzmocnienia 108 i przez elektroniczny blok detekcji szczytowej 112, fig. 16 - wpływ elektronicznego bloku detekcji szczytowej 112 na szczyt sygnału i fig. 17 - krzywą kalibracji oscylatora strumieniowego według wynalazku.

Jak przedstawiono na fig. 1 i fig. 2, oscylator strumieniowy 1, stosowany na przykład do domowego pomiaru gazu, posiada podłużną płaszczyznę symetrii P, ustawioną pionową i odpowiadającą płaszczyźnie fig. 1.

Oscylator strumieniowy 1 może również działać w takiej pozycji, że jego podłużna płaszczyzna symetrii P będzie pozioma lub nawet w pewnej innej pozycji, bez zakłócania pomiaru wielkości związanej z objętością przepływającego płynu, odpowiednio poprzez pomiar natężenia przepływu lub objętości płynu. Płynem przepływającym przez oscylator strumieniowy jest gaz, lecz równie dobrze mogłaby to być woda.

Oscylator strumieniowy 1 przedstawiony na fig. 1 ma wlot gazu 10 centrowany względem podłużnej płaszczyzny symetrii P i otwierający się do pierwszej poziomej komory górnej 12 o dużych rozmiarach i umieszczonej symetrycznie względem podłużnej płaszczyzny symetrii P. Przekrój przepływu komory górnej 12 ma kształt prostokąta, równoległego do podłużnej płaszczyzny symetrii P, przy czym przekrój przepływu gazu, który doprowadzony jest poprzez wlot gazu 10 podlega nagłemu zwiększeniu np. o czynnik równy 4 w celu zlikwidowania turbulentnej struktury przepływu poprzez zmniejszenie jego prędkości.

Górna komora 12 posiada dwa przeciwległe otwory końcowe 12a i 12b, każdy otwierający się odpowiednio do pionowego kanału bocznego 14 lub 16 (jak przedstawiono na fig. 2 i fig. 3) o prostokątnym przekroju przepływu, identycznym z przekrojem przepływu pierwszej komory 1. Dwa pionowe kanały boczne 14 i 16 są symetryczne względem siebie wzdłuż podłużnej płaszczyzny symetrii P.

Każdy kanał boczny 14, 16 łączy się swym górnym końcem 14a, 16a ze skrajem 12a, 12b górnej pierwszej komory 12 oraz na przeciwległym, dolnym końcem 14b, 16b z dolną, drugą komorą 18, która jest identyczna z pierwszą komorą 12, jak przedstawiono na fig. 1. Komory górna i dolna 12 i 18 są symetryczne względem siebie wzdłuż płaszczyzny ?! przedstawionej na fig. 1 oraz są równoległe względem siebie, lecz możliwe jest, żeby objętość dolnej komory 18 była mniejsza.

Każdy z dwóch pionowych kanałów bocznych 14 i 16 stanowi wlot gazu i ma po środku otwór boczny 14c, 16c przekroju przepływu, równoległy do podłużnej płaszczyzny symetrii P (fig. 2). Wloty gazu 14 i 16 otwierają się poprzez swoje boczne otwory Mci 16c do pustej przestrzeni 20, usytuowanej w połowie odległości między komorami dolną i górną 18 i 12. Pusta przestrzeń 20, która tworzy komorę pośrednią o mniejszych rozmiarach niż komora górna 12, ma poprzeczny wymiar, który jest prostopadły do podłużnej płaszczyzny symetrii P i jest określona wzdłuż tego wymiaru, po pierwsze przez ściankę 22 od strony przeciwnej do kierunku przepływu gazu (przy wlocie) i po drugie przez ściankę 24 od strony zgodnej do kierunku przepływu gazu (przy wylocie). Ścianki 22 i 24 są oddalone od siebie na odległość, odpowiadającą wymiarowi wzdłużnemu otworów bocznych 14c i 16c. Kanał 26, wyrównany w podłużnej płaszczyźnie symetrii P, ma ściankę 24 przy wylocie. Kanał 26 jest kanałem głównym, przy czym ma on poprzeczny wymiar lub szerokość d, która jest zasadniczo stała wzdłuż całego wymiaru wzdłużnego lub długości tego kanału. Korzystnie długość kanału jest większa niż 10 d w celu uzyskania dobrej dokładności pomiarów gazu przy jego niskich

178 702 natężeniach przepływu, to jest, gdy oscylacje strumienia gazu są za słabe aby dokonać ich pomiaru. Jak przedstawiono na fig. 2, otwór 26a od strony wlotu kanału głównego, ma kształt zbieżny względem płaszczyzny P_p Każda część otworu 26a od strony wlotu, która znajduje się po jednej lub drugiej stronie płaszczyzny P ma profil wypukły, na przykład profil w zasadzie zaokrąglony, przyczyniając się tym samym do postępującego zmniejszenia szerokości tego otworu do szerokości d głównego kanału 26.

W drugim przykładzie wykonania wynalazku przedstawionym na fig. 4, wloty gazu lub pionowe kanały boczne 14 i 16 (nie przedstawione na tej figurze) otwierają się poprzez otwory boczne 14c i 16c do poziomych kanałów wlotowym gazu 15 i 17. Przekrój przepływu każdego takiego kanału poziomego zwęża się postępujące. Dwa kanały wlotowe gazu 15 i 17 są symetryczne względem płaszczyzny P i stykają się w strefie 19, usytuowanej w tej płaszczyźnie P bezpośrednio w kierunku przeciwnym do przepływu gazu za otworem 26a kanału głównego. Kanały poziome są określone po pierwsze poprzez wspólną ścianę szczytową 21 od strony zgodnej z kierunkiem przepływu gazu, która rozpościera się w kierunku wylotowym, po drugie poprzez wspólną ścianę szczytową 23 od strony przeciwnej do kierunku przepływu gazu. Jak opisano powyżej, kanał główny 26 wyrównany w podłużnej płaszczyźnie symetrii P zaopatrzony jest w ścianę od strony zgodnej z kierunkiem przepływu gazu. Kanały wlotowe gazu 15 i 16 oraz kanał główny 16 tworzą przez to poziome przejście dla gazu, które ograniczone jest od góry oraz od dołu poprzez ścianki górną i dolną (nie przedstawione w płaszczyźnie fig. 4) tak, że są one odległe od siebie o wysokość h.

Oscylator strumieniowy przedstawiony na fig. 1 i fig. 2 zawiera obwody generowania dwuwymiarowego strumienia gazu, który oscyluje poprzecznie względem podłużnej płaszczyzny symetrii P. Obwody te są tworzone przez otwór dopływowy gazu do komory oscylacyjnej 32, której otwór zbiega się z otworem wylotowym 26b kanału głównego, mającym kształt prostokątny. Komora oscylacyjna 32 ma jeden ze swych krańców połączony z otworem wylotowym 26b kanału głównego 26 oraz ma przeciwległy kraniec połączony z otworem wylotowym 24 o szerokości większej niż d. Otwory dopływowy i wylotowy gazu 26b i 34 są wyrównane w płaszczyźnie P.

Oscylator strumieniowy zawiera również przeszkodę 36 o wysokości h, umieszczoną w środku komory oscylacyjnej 32 między otworem dopływowym gazu 26b i otworem wylotowym gazu 34. Przejście poziome dla gazu usytuowane w kierunku przeciwnym do przepływu gazu od przeszkody 36 jest uformowane częściowo przez pustą przestrzeń 20 i kanał 26 oraz jest ograniczone odpowiednio od góry i od dołu przez ściankę górną 28 i ściankę dolną 30 (fig. 1). Obie te ścianki 28 i 30 są oddalone od siebie o wysokość h. Taka przeszkoda 36 ma część przednia 36a, w której uformowane jest wgłębienie 37, określane jako wgłębienie środkowe, przy czym to wgłębienie znajduje się na wprost otworu dopływowego 26b komory oscylacyjnej 32.

Dwa drugie wgłębienia 38 i 39 znajdują się również w części przedniej 36a przeszkody 36 symetrycznie względem płaszczyzny P. Komora oscylacyjna 32 posiada ścianki boczne 40 i 42 w kształcie zasadniczo pasującym do kształtu zewnętrznego przeszkody 36, przez co współdziałają one z tą przeszkodą, aby dostarczyć symetryczne drugie kanały Cl i C2 umieszczone po obu stronach podłużnej płaszczyzny symetrii P.

Szerokość drugich kanałów Cl i C2 jest w zasadzie stała w celu uniknięcia zakłócenia przepływu gazu. Drugie kanały Cl i C2 przechodzą dookoła przeszkody 36 i stykają się ponownie, w kierunku zgodnym z przepływem gazu od niej, w strefie 44 usytuowanej w kierunku przeciwnym z przepływem gazu bezpośrednio przy otworze wylotowym 36 komory oscylacyjnej 32. Ten wylot gazu 34 otwiera się do pionowego przejścia 36 w punkcie znajdującym się w połowie drogi prowadzącej pionowo, jak przedstawiono na fig. 1. Przejście pionowe 46 jest symetryczne względem podłużnej płaszczyzny symetrii P i przy swym końcu górnym 46a ma pionowy wylot gazu 48 osadzony centralnie względem płaszczyzny P. Zaletą konfiguracji opisanej z odniesieniem do fig. 1, fig. 2 i fig. 3 jest uzyskanie zadawalającego upakowania przez oscylator strumieniowy.

178 702

Obecnie opisany zostanie ruch gazu w oscylatorze strumieniowym. Gaz jest doprowadzany do oscylatora strumieniowego poprzez wlot gazu 10 i przedostaje się do górnej komory 12 tego oscylatora strumieniowego, gdzie rozdziela się na dwie części. Obie te części głównego przepływu przemieszczają się poziomo przez górną komorę 12 oscylatora strumieniowego w przeciwnych kierunkach prostopadłych do podłużnej płaszczyzny symetrii P. Jak przedstawiono na fig. 3, każda część przepływu przechodzi przez otwór końcowy 12a, 12b górnej komory 12 oscylatora strumieniowego i przedostaje się do jednego z pionowych kanałów bocznych 14, 16, wykonując ruch obrotowy zanim trafi do pustej przestrzeni 20 przez jeden z bocznych otworów 14c, 16c.

Konfigurację tę zaprojektowano, aby umożliwić usunięcie z gazu cząsteczek zanieczyszczeń, na przykład pyłu, które mogą się w nim znajdować, gdy przechodzi on przez pionowe kanały boczne 14 i 16, gdzie przy wykorzystaniu zjawiska grawitacji i ruchu obrotowego przepływu, takie cząsteczki odsyłane są w kierunku dolnej komory 18 oscylatora strumieniowego.

Kiedy dwie części przepływającego gazu przedostają się, symetrycznie względem płaszczyzny P, do pustej przestrzeni 20, wtedy spotykają się one w tej płaszczyźnie i są wchłaniane przez otwór wlotowy 26a kanału głównego 26. Przepływający gaz przemieszcza się wzdłuż kanału głównego 26 i podlega transformacji w oscylacyjny dwuwymiarowy strumień przy jego otworze końcowym 26b. W obrębie komory oscylacyjnej 32 przepływ gazu zmienia się między kanałem Cl a kanałem C2 zanim osiągnie otwór wylotowy 34 i następnie popłynie w górę do pionowego przejścia 46 w kierunku pionowego wylotu gazu 48.

Zakładając, że pionowe przejście 46 rozciąga się pionowo do poziomu poniżej komory oscylacyjnej 32, może ono również służyć do uwalniania gazu od pewnych cząsteczek zanieczyszczeń, jeśli jeszcze nie zostały wyeliminowane. Oscylator strumieniowy można także umieścić w innej pozycji, w której nie ma potrzeby stosować dolnej komory 18 w celu usuwania pyłu z gazu.

Oscylator strumieniowy ma dwa przetworniki ultradźwiękowe 52 i 54, które są ustawione w szeregu na podłużnej płaszczyźnie symetrii P. Korzystnie usunięcie większej części cząsteczek zanieczyszczeń zapobiega zanieczyszczaniu tych przetworników, co powoduje wydłużenie ich żywotności.

W przykładzie wykonania wynalazku przedstawionym na fig. 1 do 3 przetworniki ultradźwiękowe 52 i 54 są przesunięte kątowo o około 1,5° od podłużnej płaszczyzny symetrii P, aby uzyskać głównie częstotliwość oscylacji f strumienia gazu w sygnale ultradźwiękowym zmodulowanym przez oscylację strumienia gazu. To przesunięcie kątowe służy rozróżnianiu częstotliwości f od częstotliwości 2f w zmodulowanym sygnale ultradźwiękowym. Jeśli przesunięcie kątowe przekroczy 2°, to istnieje ryzyko, że sygnały ultradźwiękowe będą wielokrotnie odbijane w kanale głównym 26, pogarszając tym samym jakość sygnału, a w szczególności zmniejszając stosunek sygnał/szum. W przypadku kiedy wymaga się polepszenia czułości oscylatora strumieniowego ponad jego zwykły zakres natężeń przepływu (np. od 100 litrów/h do 6000 litrów/h), wtedy w celu poprawienia pomiaru częstotliwości 2f, konieczne jest umieszczenie przetworników ultradźwiękowych 52, 54 bardzo dokładnie na podłużnej płaszczyźnie symetrii P i korzystnie jest nadawać sygnał ultradźwiękowy od strony wlotowej, w kierunku strony wylotowej, to jest zgodnie z kierunkiem przepływu gazu.

Jak przedstawiono na fig. 1 i 2, przetworniki ultradźwiękowe 52 i 54 są rozmieszczone naprzeciwko siebie w różnych płaszczyznach poprzecznych. Termin „płaszczyzna poprzeczna” jest tu użyty do określenia płaszczyzny prostopadłej do podłużnej płaszczyzny symetrii P i do kierunku przepływu gazu. Jeśli przetworniki ultradźwiękowe 52, 54 są rozmieszczone w tej samej płaszczyźnie poprzecznej, jak to jest w dotychczasowym stanie techniki, to nie są one odpowiednie do pomiaru objętości przepływającego gazu przy niskich natężeniach przepływu, ponieważ nadawane sygnały ultradźwiękowe nie mogą zebrać informacji dotyczącej szybkości przepływu gazu.

178 702

Przetwornik wlotowy 52 usytuowany jest w kierunku przeciwnym do przepływu gazu od otworu dopływowego 26b, a bardziej dokładnie od pustej przestrzeni 20. Jak przedstawiono na fig. 1 i 2 przetwornik wlotowy 52 jest zamocowany w ścianie szczytowej od strony wlotowej 22 i przez to chroniony jest przed przepływem gazu. Przetwornik wylotowy 54 umocowany jest w przeszkodzie 36, a bardziej dokładnie, umieszczony jest w głównym wgłębieniu 37 tej przeszkody.

Jak przedstawiono w drugim przykładzie wykonania na fig. 4, przetwornik wlotowy 52 jest zamocowany w środkowej części ściany szczytowej od strony wlotowej 21, to jest w jej części najbliższej kanału głównego 26, przy czym przetwornik wylotowy 54 umocowany jest w przeszkodzie 36, jak opisano powyżej.

W przykładzie wykonania z odniesieniem do fig. 1 i 2 przetworniki wlotowy i wylotowy 52 i 54 są usytuowane na tej samej wysokości względem wysokości h kanału 26 oscylatora strumieniowego. W innym wariancie przetworniki ultradźwiękowe wlotowy oraz wylotowy mogą być usytuowane na różnych wysokościach względem wysokości h kanału 26 oscylatora strumieniowego, lecz zawsze muszą być umieszczone naprzeciwko siebie, na przykład, jak przedstawiono na fig. 5, różnica wysokości między przetwornikami ultradźwiękowymi wlotowym oraz wylotowym w zasadzie może się równać wysokości h.

W innym wariancie, jak przedstawiono na fig. 6, przetworniki ultradźwiękowe wlotowy i wylotowy 52, 54 są usytuowane na różnych wysokościach, ale przetwornik wlotowy 52 zamontowany jest na dnie wnęki 53 utworzonej w ścianie dolnej 30 oscylatora strumieniowego, poniżej pustej przestrzeni 20. Przetwornik wylotowy 54 zamontowany jest u góry wnęki 55 znajdującej się ścianie górnej 28 oscylatora strumieniowego, zasadniczo ponad przeszkodą 36. Przetworniki ultradźwiękowe wlotowy oraz wylotowy 52 i 54 rozmieszczone są naprzeciwko siebie.

W jeszcze innym wariancie, jak przedstawiono na fig. 7, przetworniki ultradźwiękowe wlotowy oraz wylotowy 52 i 54 są usytuowane na tej samej wysokości, lecz nie znajdują się naprzeciwko siebie jak poprzednio. Przetworniki są zamontowane w odpowiednich wnękach 53 i 55, obie utworzone w ścianie górnej 28 oscylatora strumieniowego. Przetwornik wylotowy 54 usytuowany jest zasadniczo ponad przeszkodą 36, przy czym wnęka 55, w której jest on zainstalowany sięga tylko do kanału 26, aby zapobiec zakłócaniu formowania się strumienia gazu. Ponadto przetwornik wylotowy 54 musi być umieszczony w kierunku zgodnym z przepływem gazu od kanału 26 tak, że sygnały ultradźwiękowe mogą być zmodulowane wystarczająco przez oscylacje strumienia gazu. Stąd droga po której przechodzą sygnały ultradźwiękowe w podłużnej płaszczyźnie symetrii P ma kształt litery V.

Wariant przedstawiony na fig. 8 służy również uzyskaniu drogi o kształcie litery V dla sygnałów ultradźwiękowych w podłużnej płaszczyźnie symetrii P, lecz przy rozmieszczeniu przetworników ultradźwiękowych 52, 54 na różnych wysokościach. Przetwornik wlotowy 52 jest zamontowany we wnęce, utworzonej w ścianie szczytowej 22 tak, że znajduje się naprzeciwko przeszkody 36. Przetwornik wylotowy 54 pozostaje nadal zainstalowany w ten sam sposób, jak opisano z odniesieniem do fig. 7.

Należy zauważyć, że poprzez umieszczenie przetwornika wylotowego 54 powyżej lub poniżej przeszkody 36, oscylacje strumienia gazu są mniej zakłócane, niż gdy przetwornik ten mieści się w centralnym wgłębieniu przeszkody 36, przez co polepsza się jakość sygnału ultradźwiękowego zmodulowanego przez oscylacje strumienia gazu. Byłoby również możliwe nachylenie przetwornika wlotowego 52 ku dolnej ścianie 30 oscylatora strumieniowego.

Drugi przykład wykonania wynalazku jest przedstawiony na fig. 9, przy czym odniesienia do różnych elementów tej figury poprzedzone są cyfrą 2. O oscylatorze strumieniowym 201 mówi się, że jest w linii, ponieważ wlot gazu 210 oraz wylot gazu 212 są wyrównane w podłużnej płaszczyźnie symetrii P, inaczej niż w przykładzie wykonania przedstawionym na fig. od 1 do 7, gdzie ruch przepływu gazu zamyka się w pętli. Wlot gazu 210 jest połączony z przejściem 214, który ma swój otwór wylotowy otwierający się do pierwszej komory 216, która jest wyrównana z przejściem w płaszczyźnie P. Pierwsza komora ma kształt, który rozszerza

178 702 się kloszowo w kierunku zgodnym z przepływem gazu aż do osiągnięcia poziomu poprzecznej płaszczyzny P₂, która jest prostopadła do płaszczyzny P i poza płaszczyzną P₂ zbiega się tak, że łączy się z wlotowym końcem 218a kanału głównego 218, mającym takie same charakterystyki, jak kanał główny 26, przedstawiony na fig. od 1 do 7. Pierwsza komora zawiera również element opływowy 220 usytuowany zasadniczo w jej środku i wyrównany z płaszczyzną P. Element ten ma wnękę 222, która zwrócona jest w kierunku zgodnym z przepływem gazu i zawiera wlotowy przetwornik ultradźwiękowy 224, chroniony przez niego przed przepływem. Element opływowy 220 może również służyć do uspokajania przepływu gazu.

Kanał główny 218 wyrównany jest w podłużnej płaszczyźnie symetrii P oraz otwiera się do drugiej komory 26, stanowiącej komorę oscylacyjną i mającej te same charakterystyki, jak komora 32 opisana powyżej z odniesieniami do fig. od 1 do 8. Komora oscylacyjna zawiera przeszkodę 228 identyczną z przeszkodą 36 przedstawioną na fig. od 1 do 8. Przeszkoda 228 ma centralne wgłębienie 230 usytuowane naprzeciwko otwartego, w kierunku zgodnym z przepływem gazu, zakończenia kanału głównego 218 oraz ma również drugie wgłębienia 231 i 232 ulokowane po obu stronach centralnego wgłębienia 230. Drugi przetwornik ultradźwiękowy 234 mieści się w centralnym wgłębieniu 230 tak, że dwa przetworniki ultradźwiękowe są zasadniczo wyrównane w podłużnej płaszczyźnie symetrii P.

W odniesieniu do fig. od 10 do 16 zostanie przedstawiony sposób pomiaru objętości przepływającego płynu, takiego, jak gaz, który przepłynął przez oscylator strumieniowy, jak opisano powyżej z odniesieniem do fig. od 1 do 3.

W omawianym przykładzie, zakres natężenia przepływu gazu, który ma być mierzony rozciąga się od 5 litrów/h do 6000 litrów/h (domowy miernik gazu).

Układ elektroniczny 60, przedstawiony schematycznie na fig. 10, służy do zasilania różnych bloków funkcjonalnych w energię elektryczną i do sterowania pomiarem objętości gazu. Układ elektroniczny 60 zawiera mikrosterownik 62 połączony ze źródłem energii elektrycznej 64, na przykład z baterią, oraz z zegarem kwarcowym 66 o częstotliwości na przykład 10 MHz, który również zasilany jest ze źródła energii elektrycznej 64. Mikrosterownik 62 jest również połączony z blokiem emisji 68 i blokiem odbioru 70, przy czym każdy z nich zasilany jest przez źródło energii elektrycznej 64. Każdy z tych bloków zawiera wzmacniacz operacyjny i przetwornik, zwłaszcza przetwornik cyfrowo-analogowy dla bloku emisji 68 i przetwornik analogowo-cyfrowy dla bloku odbioru 70. Układ elektroniczny 60 zawiera również układ przełączający 72, zasilany przez źródło energii 64, który połączony jest z blokami emisji 68 i odbioru 70 oraz z przetwornikami ultradźwiękowymi 52 i 54.

Kiedy oscylacje strumienia gazu w komorze oscylacyjnej 32 są za słabe, aby możliwy był pomiar ich częstotliwości, to jest kiedy natężenie przepływu gazu jest poniżej wartości przejściowej równej np. 100 litrów/h, wtedy przetworniki ultradźwiękowe 52 i 54 są używane do mierzenia natężenia przepływu, a przez to i objętości gazu w następujący sposób (warunki niskiego natężenia przepływu):

- przetwornik wlotowy 52 nadaje sygnał ultradźwiękowy w kierunku przetwornika wylotowego 54;

- przetwornik wylotowy 54 odbiera sygnał ultradźwiękowy, którego szybkość propagacji c jest modyfikowana przez szybkość przepływu gazu Vq (c+Vq);

- pierwsza wartość jest określana dla wielkości, która jest charakterystyczna dla prędkości propagacji odebranego sygnału ultradźwiękowego, jest jego czasem propagacji;

- fiinkcje nadajnika i odbiornika przetworników ultradźwiękowych 52 i 54 są zamieniane;

- przetwornik wylotowy 54 nadaje obecnie sygnał ultradźwiękowy w kierunku przetwornika wlotowego 52;

- przetwornik wlotowy 52 odbiera ten sygnał ultradźwiękowy, który rozchodzi się z szybkością (c-Vq);

- druga wartość jest określana dla drugiego czasu propagacji sygnału ultradźwiękowego; i

178 702

- na tej podstawie określa się miarę natężenia przepływu gazu, która po scałkowaniu służy do dostarczenia miary całkowitej objętości gazu, przepływającego przez oscylator strumieniowy.

Z odniesieniem do fig. 10, pomiar przeprowadza się jak następuje. Układ sekwencyjny (nie przedstawiony na rysunku) mikrosterownika 62 uaktywnia blok emisji 68 do wysłania sygnału elektrycznego do przetwornika wlotowego 52 i uaktywnia również źródło energii elektrycznej 64 do ustawienia układu przełączającego 72 tak, że blok nadawania 68 jest połączony z przetwornikiem wlotowym 52 i tak, że blok odbioru 70 jest połączony z przetwornikiem wylotowym 54. Sygnał elektryczny pobudza przetwornik wlotowy 52, który nadaje sygnał ultradźwiękowy do gazu w kierunku przepływu gazu w odpowiedniej chwili, która określona jest przez zegar 66. Sygnał rozchodzi się w środowisku gazowym z prędkością c, podczas gdy sam gaz porusza się z prędkością Vq. Po upływie czasu Tl zmierzonym przez zegar 66, przetwornik wylotowy 54 odbiera sygnał ultradźwiękowy, który pojawia się jako rozchodzący się z prędkością c+Vq.

Przy pomiarze czasu propagacji Tl sygnału ultradźwiękowego następuje, kolejno, generowanie i nadawanie sygnału ultradźwiękowego złożonego z pewnej liczby cykli lub impulsów, zawierającego zmianę fazy w obrębie sygnału, odbieranie sygnału ultradźwiękowego i pomiar zmiany fazy w obrębie odebranego sygnału tak, żeby chwila odpowiadająca tej zmianie fazy umożliwiała określenie czasu propagacji Tl.

Stosowanie do tego układu sekwencji mikrosterownika 62 powoduje, że układ przełączający 72 zamienia połączenia tak, że blok nadawania 68 jest teraz połączony przetwornikiem wylotowym 54, podczas gdy blok odbioru 70 połączony jest przetwornikiem wlotowym 52. Drugi sygnał ultradźwiękowy jest nadawany w podobny sposób przez przetwornik wylotowy 54 w kierunku przetwornika wlotowego 52 tak, że biegnie on w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu gazu, przy czym zegar 66 określa czas T2, wymagany do propagacji sygnału ultradźwiękowego.

Zakładając, że czasy propagacji Tl i T2 mogą być wyrażone poprzez następujące zależności:

Tl = L/ (c-Vq) T2 = L/ (c+Vq) wtedy jednostka arytmetyczno-logiczna (nie przedstawiona na rysunku) mikrosterownika 62 oblicza prędkość gazu Vq poprzez zastosowania następującej zależności:

Vq [τΐ τϊ] na podstawie której wyprowadza się mierzone natężenie przepływu gazu Qm, gdzie:

Qm = S y [γ2 - τϊ]

S jest wewnętrznym przekrojem kanału 26.

Mikrosterownik 62 porównuje każdą zmierzoną wartość natężenia przepływu z określoną wcześniej wartością natężenia przepływu, jaką przechowuje się w jego pamięci w celu określenia, czy następny pomiar natężenia przepływu gazu powinien być wykonany przy użyciu powyższego sposobu lub poprzez pomiar częstotliwości oscylacji strumienia gazu w komorze oscylacyjnej 32 oscylatora strumieniowego (warunki wysokiego natężenia przepływu gazu). Jeśli zmierzona wartość przepływu gazu jest poniżej przejściowego natężenia przepływu, to natężenie przepływu gazu mierzy się ponownie po określonej wcześniej przerwie czasu przy użyciu powyższego sposobu.

Oscylator strumieniowy według niniejszego wynalazku, umożliwia dokonywanie pomiarów czasu propagacji sygnału ultradźwiękowego w przepływie gazu z małymi wartościami natężenia przepływu gazu, aby uniknąć wprowadzenia błędów do pomiarów przepływu gazu, powodowanych niestabilnościami przepływu gazu, które to niestabilności generowane

178 702 są przy przejściu z przepływu laminamego do turbulentnego. Stąd pomiary niskiego natężenia przepływu są dokładne oraz powtarzalne. Ponadto zakłada się, że tej techniki używa się do pokrycia względnie wąskiego zakresu natężenia przepływów, raczej z możliwym wykorzystaniem wąskopasmowych przetworników ultradźwiękowych, które typowo mają częstotliwość rezonansową 40 kHz, niż z wykorzystaniem przetworników, o częstotliwości rezonansowej 100 kHz, które są bardziej wyszukane oraz droższe.

Jeśli zmierzone natężenie przepływu ma wartość większą niż wartość przejściowego natężenia przepływu, to oscylacje strumienia gazu są wystarczająco silne dla pomiaru ich częstotliwości, które mogą być wykryte (warunki wysokiego natężenia przepływu gazu).

W takich okolicznościach układ sekwencyjny mikrosterownika 62 steruje układem przełączającym 72 tak, że blok nadawania 68 jest połączony z przetwornikiem wylotowym 54 a blok odbioru 70 jest połączony z przetwornikiem wlotowym 52. Układ sekwencyjny wywołuje takie ustawienie przełącznika 74, że sygnał przychodzący z przetwornika wlotowego 52 jest teraz poddany działaniu bloku elektronicznego 100, który widoczny jest po prawej stronie fig. 10. Poniżej blok ten zostanie opisany bardziej szczegółowo z odniesieniem do fig. u.

W warunkach wysokiego natężenia przepływu gazu, mikrosterownik 62 wywołuje generowanie przez blok nadawania 68 ciągłego sygnału elektrycznego do pobudzania wylotowego przetwornika ultradźwiękowego 54, na przykład generowanie sygnału fali prostokątnej, przy częstotliwości f_u tak, że przetwornik wylotowy ciągle emituje sygnał ultradźwiękowy o częstotliwości f_u w kierunku przetwornika wlotowego 54, przy czym kierunek ten ma nachylenie około 1,5° względem podłużnej płaszczyzny symetrii P. Sygnał ultradźwiękowy odbierany przez przetwornik wlotowy jest sygnałem o częstotliwości f_u zmodulowanym przez częstotliwość f i 2f, które są charakterystyczne dla zjawiska oscylacji strumienia gazu. Przykładowo częstotliwość f_u może być równa 40 kHz, a amplituda elektrycznego sygnału pobudzenia może być równa 20 mV.

Nadawanie sygnału ultradźwiękowego przeciwnie do przepływu gazu umożliwia znaczące zmniejszenie wpływu ciśnienia hydrodynamicznego strumienia, przez co zmniejsza się energię sygnału odbieranego w odniesieniu do częstotliwości 2f. Przykładowo zauważono różnicę 10 dB w amplitudzie sygnału odebranego przy częstotliwości 2f, co wystarcza, aby umożliwić rozróżnienie częstotliwości f od częstotliwości 2f w zmodulowanym sygnale, przy użyciu wyposażenia elektronicznego, które jest proste, tanie i zużywa mało energii. Poprzez nadawanie sygnału ultradźwiękowego przeciwnie do przepływu gazu, zmodulowany sygnał ultradźwiękowy wprowadza w czasie okresowość, co ułatwia pomiar częstotliwości f.

Dlatego też, kiedy przetwornik wlotowy 52 odbiera sygnał ultradźwiękowy zmodulowany przez oscylacje-strumienia gazu, wtedy sygnał ten wzmacnia się wstępnie w niskoszumnym wzmacniaczu analogowym 102. Wzmacniacz analogowy 102 jest wzmacniaczem nieodwracającym zaprojektowanym do połączenia z układami elektronicznymi, który wykonują pomiary w warunkach niskiego natężenia przepływu, przy czym jest to wzmacniacz operacyjny A], którego nieodwracające wejście ma połączenie po pierwsze ze zmodulowanym sygnałem, jako odbieranym przez przetwornik wlotowy 52, a po drugie z masą poprzez rezystor R_v Odwracające wejście wzmacniacza operacyjnego Aj jest połączone po pierwsze z masą poprzez rezystor R₂, a po drugie z wyjściem B_o poprzez rezystor R₃. Zmodulowany i wzmocniony sygnał ultradźwiękowy przyjmuje następnie postać przedstawioną na fig. 12.

Figura 11 przedstawia układ prostownika jednopołówkowego 104, przy czym zawiera on rezystor R₄ włączony między wyjście B_o wzmacniacza A_t i odwracające wejście B₃ wzmacniacza operacyjnego A₂, którego nieodwracające wejście jest połączone z masą. Odwracające wejście wzmacniacza A₂ jest połączone z wyjściem B₂ tego wzmacniacza poprzez równolegle połączone gałęzie, przy czym pierwszą gałąź stanowi rezystor R₅ połączony szeregowo z diodą D_ls włączoną zaporowo, a drugą gałąź stanowi dioda D₂. Jeśli różnica napięć V_B1-V_B2 jest większa niż napięcie progowe diody Dj, to jest ona w stanie przewodzenia, dając napięcie V_B3 = (Rj/R₄)/V_B2. Odwrotnie, jeśli wartość różnicy napięć V_B1-V_B2 spada poniżej

178 702 napięcia progowego diody D_v to dioda D₂ przechodzi w stan przewodzenia i napięcie V_B3 = 0, wygląd sygnału wyprostowanego podany jest na fig. 13.

W celu zachowania jedynie częstotliwości f oscylacji strumienia gazu, wyprostowany sygnał podlega filtracji w filtrze dolnoprzepustowym 106. Jak przedstawiono na fig. 11, filtr 106 ma dwa rezystory i R₈ oraz kondensator Cj, tworzące filtr typu T, który podlega ujemnemu sprzężeniu zwrotnemu poprzez rezystor R₇ i kondensator C₂ razem ze wzmacniaczem operacyjnym A₃, którego nieodwracające wejście jest połączone z masą. Odfiltrowany sygnał uzyskany na wyjściu B_s jest przedstawiony na fig. 14.

Następnie sygnał podawany jest do bloku wzmacniającego 108, który obejmuje dwa stopnie: pierwszy stopień 109, działający jako wzmacniacz pasmowy o wzmocnieniu 50 i mający częstotliwość odcięcia, leżącą w zakresie od 0,5 Hz do 50 Hz, i drugi stopień 110, działający jako wzmacniacz dolnopasmowy o wzmocnieniu równym 50 i o częstotliwości odcięcia równej 50 Hz.

Pierwszy stopień zawiera rezystor R, i kondensator C₃, włączone szeregowo między wyjście B_s filtra 106 i wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego A₄. Wejście nieodwracające wzmacniacza A₄ jest połączone z masą, a jego wejście odwracające połączone jest z jego wyjściem B₆ poprzez kondensator C₆ i rezystor R₁₀ połączone równolegle.

Drugi stopień 110, usytuowany zgodnie z kierunkiem przepływu gazu zawiera rezystor R_n połączony z odwracającym wejściem wzmacniacza operacyjnego Ag, którego wejście jest również połączone z wyjściem B₇ wzmacniacza poprzez połączone równolegle rezystor R₁₂ i kondensator C₅. Wejście nieodwracające wzmacniacza A_s jest połączone z masą.

Blok wzmacniający 108 służy do zmiany sygnału z filtru 106 tak, aby miał jedną polaryzację, oraz służy do wzmocnienia tego sygnału. Sygnał ten po wzmocnieniu, tą drogą, po pojawieniu się na wyjściu B₇ przechodzi do bloku detektora szczytowego 112, który dokonuje transformacji tego sygnału na sygnał impulsowy, jak przedstawiono na fig. 15.

Blok detektora szczytowego 112 zawiera wzmacniacz operacyjny A₆, którego nieodwracające wejście jest połączone z wyjściem B₇ i którego odwracające wejście połączone jest po pierwsze z wyjściem B₈ wzmacniacza operacyjnego A₆ poprzez rezystor R₁₄ i po drugie z wyjściem obwodu biernego, który zawiera wzmacniacz operacyjny A₇. Z powodu ujemnego sprzężenia zwrotnego z obwodu biernego, wzmacniacz operacyjny A₆ bardziej umożliwia wzmacnianie sygnałów o małej amplitudzie niż sygnałów o dużej amplitudzie.

Blok ten zawiera również rezystor R₁₅ połączony z wyjściem B₈ wzmacniacza A₆ i punktem B₉, zawiera on również dwie diody D₃ i D₄ między punktami B₉ i B₁₀, które są równolegle względem siebie tak, że anoda jednej diody połączona jest z katodą drugiej. Punkt B₁₀połączony jest po pierwsze przez kondensator C₆ do masy i po drugie do nieodwracającego wejścia obwodu członu biernego A₇ i do odwracającego wejścia kolejnego wzmacniacza operacyjnego A₈. Wyjście wzmacniacza operacyjnego A₈ (punkt B₁₂) połączone jest z jego nieodwracającym wejściem poprzez rezystor R_ł7. Nieodwracające wejście tego wzmacniacza połączone jest również z diodami D₃ i D₄ poprzez rezystor R₁₆. Jeśli amplituda różnicy napięć V_B9-V_B10 wzrasta ponad próg zadziałania diody D₄, to dioda ta przewodzi a wartość sygnału napięciowego w punkcie B₉ minus spadek napięcia na diodzie D₄ zachowuje się w kondensatorze C₆. Wzmacniacz różnicowy A₈ porównuje następnie wartość napięcia w punkcie B_n, określonego jako:

VB9R17 + VB12R16

Vbu =----------R17 + R16 z wartością napięcia na kondensatorze C₆ oraz wytwarza sygnał o wysokiej wartości, jeśli napięcie w punkcie B₉ jest większe niż napięcie na kondensatorze C₆.

Jeśli sygnał osiągnie wartość szczytową i gdy amplituda sygnału zmniejszy się oraz różnica między wartością sygnału w punkcie B₉ a wartością sygnału, zachowaną w kondensatorze C₆ spadnie poniżej progu zadziałania diody D₄, to tym samym dioda D₄ nie przewodzi. Wartość sygnału zachowana w kondensatorze C₆ pozostaje nadal niezmieniona. Jeśli amplituda

178 702 sygnału w punkcie B₉ spadnie poniżej wartości zachowanej w kondensatorze. C₆, to wzmacniacz A₈ dostarczy sygnał o niskiej wartości, wskazujący, że pojawił się szczyt napięcia. Jeśli amplituda sygnału spadnie poniżej wartości zachowanej w kondensatorze C₆ o wielkość odpowiadająca progowi zadziałania diody D₃ plus napięcie w punkcie B₁₀, to dioda D₃ zaczyna przewodzić i wartość sygnału jaką zachowano w kondensatorze C₆ spadnie do wartości sygnału w punkcie B₉ minus spadek napięcia na diodzie D₃. Jeśli osiągnięto i przekroczono ujemny szczyt napięcia, to dioda D₃ będzie ponownie wskazywać zmianę stanu, jeśli tylko sygnał w punkcie B_u zwiększył się ponad wartość sygnału, zachowaną w kondensatorze C₆.

Na figurze 16, krzywa 150 przedstawia jak zmienia się napięcie pierwszego sygnału w punkcie B₉, a krzywa 151 przedstawia jak zmienia się napięcie na kondensatorze C₆. Początkowo napięcie 151 na kondensatorze jest równe wartości sygnału 150 minus wartość napięcia Vd, która odpowiada wartości spadku napięcia na diodzie D₄, tak więc wzmacniacz A₈ dostarcza sygnału o wysokim poziomie. Kiedy szczyt napięcia zostanie osiągnięty w czasie TO oraz gdy napięcie sygnału 150 spadnie poniżej progu zadziałania diody D₄, wtedy napięcie na kondensatorze 151 pozostaje niezmienione. W czasie Tl napięcie sygnału 150 spada poniżej wartości napięcia zachowanego na kondensatorze 150, toteż wyjście wzmacniacza Ą₈dostarcza sygnału o niskim poziomie. W czasie T2, kiedy różnica napięcia między pierwszym sygnałem 150 a napięciem zachowanym na kondensatorze 151 staje się większe niż napięcie progu zadziałania dla diody D₄, wtedy napięcie na kondensatorze ponownie podąża za napięciem pierwszego sygnału. Wzmacniacz A₈ z fig. 11 jest komparatorem z histerezą który porównuje wartości dwóch napięć 150 i 151 przedstawionych na fig. 16. Stąd, jeśli wartość napięcia w punkcie B_u, to jest V_Bn - napięcie na nieodwracającym wejściu wzmacniaęzą A₈jest większa niż wartość napięcia w punkcie B₁₀, to jest V_B10 - napięcie na odwracającym wejściu wzmacniacza A₈, to wzmacniacz dostarcza stałe napięcie wyjściowe równe +Vcc jest napięciem źródła zasilania wzmacniacza, przy czym napięcie w punkcie B_n przyjmuje wartość:

VccR16 + Vb9R17

Vbii =--------------R16 + Rl7

W przeciwnym przypadku, jak przedstawiono dla chwili Tl na fig; 16, jeśli napięcie V_Bn jest mniejsze niż napięcie V_B10, to napięcie wyjściowe wzmacniacza A₈ jest równe -Vcc tak, że napięcie w punkcie B_u przyjmuje wartość:

- VccRlć +VB9R17 Vbii =-------------Rlć+ R17

W rezultacie, sygnał na wyjściu z bloku detektora szczytowego 112 ma postać sygnału impulsowego, w którym każdy impuls reprezentuje jednostkę objętości gazu w przepływającym strumieniu gazu podczas jednej oscylacji (fig. 15).

Licznik elektroniczny (fig. 10) służy zatem do zliczania całkowitej liczby impulsów, umożliwiając przez to mikrosterownikowi 62 określenie objętości gazu, który przepłynął przez oscylator strumieniowy.

Należy zauważyć, że jeśli przetworniki 52 i 54 są prawidłowo ustawione w szeregu na podłużnej płaszczyźnie symetrii podłużnej P w celu zwiększenia energii odebranego sygnału przy częstotliwości 2f, to powyżej opisany blok elektroniczny 100 potrzebuje specyficznego pomiaru tej częstotliwości.

Kiedy oscylacje strumienia gazu stają się za słabe, aby możliwy był pomiar ich częstotliwości, to jest wtedy, gdy natężenie przepływu gazu staje się mniejsze niż podane powyżej przejściowe natężenie przepływu, to zakłada się użycie przetworników ultradźwiękowych 52 i 54 do pomiaru czasu propagacji sygnałów ultradźwiękowych (warunki niskiego natężenia przepływu). W celu zdecydowania, kiedy zastosować warunki niskiego natężenia przepływu lub warunki wysokiego natężenia przepływu możliwy jest pomiar przerwy czasowej między

178 702 następującymi po sobie impulsami i porównanie zmierzonej tym sposobem przerwy czasowej z określoną wcześniej wartością odpowiadającą przejściowemu natężeniu przepływu. Jeśli zmierzona przerwa czasowa przekracza określoną wcześniej wartość, to przetworniki ultradźwiękowe używane są przemiennie jako nadajnik lub odbiornik.

Możliwe jest również zapewnienie szerszego zakresu pomiarowego rozciągającego się od 100 litrów/h do 150 litrów/h, przy którym można użyć dwa powyższe operacyjne warunki dla kombinacyjnego oscylatora strumieniowego. Stąd, jeśli oscylator strumieniowy działa w warunkach niskiego natężenia przepływu, to można kontynuować pomiar natężenia przepływu tą drogą aż osiągnięta zostanie wysoka wartość szerszego zakresu, w tym punkcie pomiaru następuje przełączenie do warunków wysokiego natężenia przepływu. Podobnie, jeśli oscylator strumieniowy działa w warunkach wysokiego natężenia przepływu, to konieczny jest spadek natężenia przepływu poniżej niższej wartości szerszego zakresu, zanim nastąpi przełączenie oscylatora strumieniowego do pomiarów w warunkach niskiego natężenia przepływu.

Korzystnie jest mieć taki szerszy zakres pomiarowy, ponieważ wyklucza to konieczność ponownego przełączenia warunków pomiaru do warunków poprzednich, bezpośrednio po zaistniałym przełączeniu.

Kombinacyjny oscylator strumieniowy można adaptować do zmiennych zakresów natężenia przepływu i jest on w stanie, w szczególności, pokryć natężenia przepływu większe niż 6000 litrów/h. Figura 17 przedstawia kalibrowaną krzywą dla kombinacyjnego oscylatora strumieniowego działającego przy natężeniach przepływu rozciągających się w zakresie od około 10 litrów/h do około 7000 litrów/h. Krzywa przedstawia błąd względny odpowiadający pomiarom w obrębie powyższego zakresu. Zatem można zauważyć, że kombinacyjny oscylator strumieniowy jest korzystnym rozwiązaniem dla dużych zakresów natężeń przepływu.

Rozwiązanie według wynalazku można korzystnie stosować do innych typów oscylatorów strumieniowych, na przykład bazujących na efekcie Coanda. Jest możliwe użycie kombinacyjnego oscylatora strumieniowego według wynalazku zarówno do pokrycia zakresu natężeń przepływu cieczy, przy których oscylacje strumienia cieczy są wystarczająco silne, aby można było dokonać pomiaru ich częstotliwości, a także do zastosowania przy niskim natężeniu przepływu, jak objaśniono powyżej wyłącznie do określenia wyciekowego natężenia przepływu. Na przykład oscylator strumieniowy według wynalazku może zostać użyty jako komercyjny miernik gazu (zakres natężenia przepływu od 0,25 m³/h do 40 m³/h) lub jako przemysłowy miernik gazu (zakres natężenia przepływu od 1 m³/h do 160 m³/h), który jest w stanie mierzyć także natężenie wycieku. Możliwe jest również zwiększenie czułości miernika poprzez pozycjonowanie przetworników ultradźwiękowych dokładnie na podłużnej płaszczyźnie symetrii oscylatora strumieniowego.

178 702

FIG.4

178 702

3θ FTR Fi

FIG.7

178 702

FIG.9

178 702

FIG.10

178 702

AMPLITUDA

A

AMPLITUDA

FIG.12

FIG.13

AMPLITUDA

-E3>CZAS

FIG.14

AMPLITUDA

CZAS

FIG.15

178 702

FIG, 16

178 702

BŁĄD (%)

θ 6 4 2 O

-4 — 6 -O

100 1000 10⁴

NATĘŻENIE PRZEPŁYWU (LITRY/h)

178 702

36a

FIG.2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób pomiaru objętości płynu przepływającego przez oscylator strumieniowy, w którym strumień płynu oscyluje poprzecznie względem podłużnej płaszczyzny symetrii, i w którym nadaje się z przetwornika ultradźwiękowego sygnał ultradźwiękowy do przepływającego płynu, odbiera się zmodulowany przez oscylacje strumienia płynu sygnał ultradźwiękowy przez drugi przetwornik ultradźwiękowy i określa się objętość płynu w oparciu o parametr odebranego sygnału, charakterystyczny dla prędkości jego propagacji, znamienny tym, że sygnał ultradźwiękowy nadaj e się w kierunku podłużnego przepływni płynu, przy czym po nadaniu sygnału ultradźwiękowego z jednego przetwornika ultradźwiękowego do drugiego przetwornika ultradźwiękowego odbiera się sygnał ultradźwiękowy, którego prędkość propagacji została zmodyfikowana przez przepływ płynu i wyznacza się pierwszą wartość parametru odebranego sygnału ultradźwiękowego, następnie powtarza się powyższe etapy pomiaru zamieniając funkcję przetworników ultradźwiękowych z nadajnika na odbiornik i odwrotnie, oraz wyznacza się drugą wartość parametru sygnału ultradźwiękowego, po czym na podstawie tak wyznaczonych wartości określa się wielkość objętości przepływającego płynu.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sygnał ultradźwiękowy nadaje się w kierunku przepływu płynu przez oscylator strumieniowy.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po odebraniu sygnału ultradźwiękowego mierzy się na jego podstawie częstotliwość oscylacji, która równa się podwojonej częstotliwości oscylacji strumienia płynu.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sygnał ultradźwiękowy nadaje się ponadto w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu płynu przez oscylator strumieniowy.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako parametr sygnału ultradźwiękowego stosuje się czas propagacji sygnału ultradźwiękowego.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako parametr sygnału ultradźwiękowego stosuje się fazę sygnału ultradźwiękowego.
7. Oscylator strumieniowy do pomiaru przepływu płynu, zbudowany z dwóch przetworników ultradźwiękowych dołączonych do obwodu generowania sygnału ultradźwiękowego w przepływającym płynie od jednego przetwornika ultradźwiękowego do drugiego przetwornika ultradźwiękowego i odbierania sygnału ultradźwiękowego zmodulowanego przez oscylację strumienia płynu, oraz z dołączonego do obwodu generowania i odbierania sygnału ultradźwiękowego obwodu przetwarzania odebranego sygnału ultradźwiękowego na wielkość objętości płynu, który przepłynął przez oscylator strumieniowy, przy czym oscylator strumieniowy zawiera ponadto otwór dopływowy płynu o określonym wymiarze poprzecznym lub szerokości i wysokości umieszczony między przetwornikami ultradźwiękowymi, komorę oscylacyjną połączoną z jednej strony z otworem dopływowym płynu, zaś z drugiej strony z otworem wylotowym płynu, oraz co najmniej jedną przeszkodę umieszczoną w komorze oscylacyjnej między otworem dopływowym płynu a otworem wylotowym płynu, przy czym otwór dopływowy i otwór wylotowy płynu znajdują się w podłużnej płaszczyźnie symetrii, znamienny tym, że przetworniki ultradźwiękowe (52, 54) są ustawione na podłużnej płaszczyźnie symetrii (P) wzdłuż osi kanału przepływowego.
8. Oscylator według zastrz. 7, znamienny tym, że przetworniki ultradźwiękowe (52, 54) są rozmieszczone na różnych płaszczyznach poprzecznych, przy czym jeden z przetworników

178 702 ultradźwiękowych (52, 54) jest przetwornikiem wlotowym (52), zaś drugi z przetworników ultradźwiękowych (52,54) jest przetwornikiem wylotowym (54).
9. Oscylator według zastrz. 8, znamienny tym, że przetwornik wlotowy (52) jest umieszczony w kierunku przepływu płynu przed otworem dopływowy (26b) płynu.
10. Oscylator według zastrz. 7, znamienny tym, że przeszkoda (36) ma część przednią (36a), w której naprzeciw otworu dopływowego (26b) płynu, znajduje się uformowane wgłębienie (37).
11. Oscylator według zastrz. 8, znamienny tym, że przetwornik wylotowy (54) jest przytwierdzony do przeszkody (36).
12. Oscylator według zastrz. 10, znamienny tym, że przetwornik wylotowy (54) jest umieszczony we wgłębieniu (37) przeszkody (36).
13. Oscylator według zastrz. 7, znamienny tym, że zawiera w kierunku przepływu płynu przed przeszkodą (36) przejście dla płynu, które znajduje się między dwoma ściankami (28,30), przy czym ścianki te są prostopadłe do podłużnej płaszczyzny symetrii (P) i są oddalone od siebie na odległość równą wysokości (h).
14. Oscylator według zastrz. 13, znamienny tym, że zawiera w kierunku przepływu płynu przed otworem dopływowym (26b) płynu kanał (26) rozciągający się wzdłużnie i uformowany co najmniej z jednej części przejścia dla płynu, przy czym kanał (26) ma stałą szerokość (d), która jest prostopadła do wysokości (h).
15. Oscylator według zastrz. 14, znamienny tym, że kanał (26) posiada przy jednym ze swych końców otwór wylotowy, który odpowiada otworowi dopływowemu (26b) płynu oraz przy swym przeciwległym końcu posiada otwór wlotowy (26a), który z płaszczyźnie równoległej do kierunku przepływu płynu i prostopadle do podłużnej płaszczyzny symetrii (P) jest zbieżny i jego szerokość zmniejsza się postępująco do szerokości (d).
16. Oscylator według zastrz. 14, znamienny tym, że przetwornik wlotowy (52) umieszczony jest w kierunku przepływu płynu przed kanałem (26).
17. Oscylator według zastrz. 14, znamienny tym, że zawiera dwa wloty (14,16) płynu, które są rozmieszczone symetrycznie wobec podłużnej płaszczyzny symetrii (P) i połączone z kanałem (26).
18. Oscylator według zastrz. 17, znamienny tym, że zawiera pustą przestrzeń (20) formującą inny odcinek przejścia dla płynu, która jest umieszczona w kierunku przepływu płynu przed kanałem (26), przy czym dwa wloty (14,16) płynu są połączone z pustą przestrzenią (20).

18. Oscylator według zastrz. 18, znamienny tym, że przetwornik wlotowy (52) jest umieszczony w kierunku przepływu płynu przed pustą przestrzenią (20).
20. Oscylator według zastrz. 7, znamienny tym, że przetworniki ultradźwiękowe (52,54) są umieszczone po tej samej stronie w kierunku prostopadłym do podłużnego kierunku przepływu płynu i usytuowane w podłużnej płaszczyźnie symetrii (P).
21. Oscylator według zastrz. 13 albo 20, znamienny tym, że przetworniki ultradźwiękowe (52, 54) są przymocowane do tej samej, jednej ze ścianek (28, 30) określających przejście dla płynu.
22. Oscylator według zastrz. 7, znamienny tym, że przetworniki ultradźwiękowe (52, 54) są wyrównane w kierunku prostopadłym do kierunku podłużnego przepływu płynu i usytuowane w podłużnej płaszczyźnie symetrii (P).
23. Oscylator według zastrz. 13 albo 22, znamienny tym, że każdy przetwornik ultradźwiękowy (52, 54) jest przymocowany do jednej ze ścianek (28, 30) określających przejście dla płynu.

* * *