PL182118B1 - Miernik ultradzwiekowy do wyznaczania natezenia przeplywu cieczyplynacej przez system rur PL - Google Patents

Abstract

1. Miernik ultradzwiekowy do wyznaczania natezenia przeplywu cieczy plynacej przez sy- stem rur, zawierajacy rurowa obudowe, która sklada sie z krócca wlotowego i krócca wylo- towego, polaczonych zlaczka posrednia, i przez która ciecz przeplywa w zasadzie w tym samym, osiowym kierunku, przy czym miernik zawiera emitujace w kierunku osiowym przetwo- rniki ultradzwiekowe, z których kazdy jest wspa- rty na jednym wsporniku i styka sie bezposrednio z ciecza, tak ze w zlaczce posredniej pomiedzy przetwornikami ultradzwiekowymi znajduje sie odcinek pomiarowy, znamienny tym, ze zlaczka posrednia (4) ma promieniowo usytuowane po- wierzchnie (8), na których zamocowane sa wsporni- ki (11), przy czym kazda z powierzchni (8) za- wiera otwór (12) do wyprowadzenia przewodów przylaczeniowych (17; 18) przetworników ultra- dzwiekowych (9; 10) z wnetrza obudowy (1) na zewnatrz. Fig. 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest miernik ultradźwiękowy do wyznaczania natężenia przepływu cieczy płynącej przez system rur.

182 118

Tćik.ie mierniki nadają się przykładowo do pomiaru prędkości przepływu i do wyznaczania, w oparciu o ten pomiar, natężenia przepływu, a w połączeniu z różnicowymi pomiarami temperatury do wyznaczania i obliczania zużycia ciepła.

Tego typu miernik ultradźwiękowy jest znany z międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO 86/02723. Miernik ten ma rurową obudowę z odcinkiem pomiarowym. Zakończenia obudowy są poszerzone i zaopatrzone w gwinty zewnętrzne do montażu w systemie rur. Przetworniki ultradźwiękowe sa usytuowane centralnie na osi rury i zamocowane promieniowo na zakończeniach za pomocą wsporników. Miejsce, jakie jest potrzebne na gwinty zewnętrzne i do zamocowania wsporników, powoduje przy zadanej minimalnej długości montażowej obudowy zbytnie skrócenie odcinka pomiarowego, a co za tym idzie, zmniejszenie dokładności miernika. Ponadto z uwagi na zaokrąglone powierzchnie trudno jest uszczelnić, wychodzące na zewnątrz w zakończeniach, przewody przyłączeniowe przetwornika ultradźwiękowego. W celu zmniejszenia oporów przepływu przed przetwornikami ultradźwiękowymi umieszczone są elementy wyporowe.

Inne mierniki ultradźwiękowe są znane z amerykańskiego opisu patentowego nr 3 817 098, międzynarodowego zgłoszenia patentowego nr WO 94/20822 i niemieckiej publikacji nr 35 18 266.

Ze szwajcarskiego opisu patentowego nr 654 410 znany jest przetwornik ultradźwiękowy, w którym dzięki specjalnej geometrii elektrod uzyskuje się dzwonowe odbicie dźwięku.

Celem wynalazku jest zaproponowanie miernika ultradźwiękowego, w którym łatwo jest zamocować wsporniki przetworników ultradźwiękowych i uszczelnić prowadzące na zewnątrz przewody przyłączeniowe przetworników ultradźwiękowych, a minimalna długość montażowa przy zadanej długości odcinka pomiarowego jest jak najmniejsza.

Miernik ultradźwiękowy do wyznaczania natężenia przepływu cieczy płynącej przez system rur, zawierający rurową obudowę, która składa się z króćca wlotowego i króćca wylotowego, połączonych złączką pośrednią, i przez którą ciecz przepływa w zasadzie w tym samym, osiowym kierunku, przy czym miernik zawiera emitujące w kierunku osiowym przetworniki ultradźwiękowe, z których każdy jest wsparty na jednym wsporniku i styka się bezpośrednio z cieczą, tak że w złączce pośredniej pomiędzy przetwornikami ultradźwiękowymi znajduje się odcinek pomiarowy, według wynalazku charakteryzuje się tym, że złączka pośrednio ma promieniowo usytuowane powierzchnie, na których zamocowane są wsporniki, przy czym każda z powierzchni zawiera otwór do wyprowadzenia przewodów przyłączeniowych przetworników ultradźwiękowych z wnętrza obudowy na zewnątrz.

Korzystnie oś króćca wlotowego i króćca wylotowego jest przesunięta w kierunku promieniowym względem osi złączki pośredniej.

Korzystnie w króćcu wlotowym zamontowana jest przesłona.

Korzystnie przetworniki ultradźwiękowe zawierają kołowe tarcze z piezoceramiki, które emitują ultradźwięki, przy czym środki symetrii tych tarcz leżą poza osią złączki pośredniej.

Korzystnie każdy z przetworników ultradźwiękowych składa się z tarczy piezoceramicznej, przy czym osadzony we wsporniku przetwornik ultradźwiękowy wystaje nieco ze wspornika w kierunku emisji dźwięku i jest zamocowany we wsporniku za pomocą membrany, zespawanej w stanie naciągniętym ze wspornikiem.

Korzystnie przednia i tylna strona tarczy przetwornika ultradźwiękowego zawierają po jednej kołowej elektrodzie, zaś średnica tarczy przetwornika ultradźwiękowego wynosi mniej niż 9 mm.

Korzystnie w obszarze króćca wlotowego względnie króćca wylotowego zamocowany jest jeden element wyporowy.

Korzystnie elementy wyporowe mają skrzydełka, sięgające do zbiornika pomiarowego.

Korzystnie każdy z elementów wyporowych jest zaopatrzony w korpus, który jest połączony z elementem wyporowym za pomocą skrzydełek, przy czym na korpusie jest wsparta, zamontowana w złączce pośredniej, rura pomiarowa.

Korzystnie koniec rury pomiarowej jest osłonięty korpusem dla minimalizacji odbicia dźwięku.

18:2 118

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia obudowę miernika ultradźwiękowego w pierwszej płaszczyźnie przekroju, fig. 2a do 2 c - obudowę miernika ultradźwiękowego w różnych płaszczyznach przekroju, fig. 3a, b - wspornik z przetwornikiem ultradźwiękowym, fig. 4 - miernik z dodatkową rurą pomiarową wykonany w postaci falowodu dla małych przepływów, fig. 5 - szczegóły konstrukcji korpusu zmniejszającego odbicie, fig. 6 - szczegóły konstrukcji elementu wyporowego i obudowy, fig. 7 - inny miernik wykonany w postaci falowodu dla małych przepływów, fig. 8 - miernik do dużych przepływów o konstrukcji innej niż falowód, fig. 9 miernik z asymetrycznie usytuowanym odcinkiem pomiarowym, fig. 10 - złożoną z kilku części obudowę, zaś fig. 11 - wstawiony w system rur miernik z zamontowanymi przesłonami.

Na figurze 1 ukazana jest w pierwszej płaszczyźnie przekroju obudowa 1 miernika ultradźwiękowego do wyznaczania natężenia przepływu płynącej przez system rur cieczy poprzez pomiar średniej prędkości przepływu za pomocą sygnałów ultradźwiękowych. W przybliżeniu rurowa obudowa 1 ma króciec wlotowy 2 i króciec wylotowy 3, połączone złączką pośrednią 4. Króciec wlotowy 2, złączka pośrednia 4 i króciec wylotowy 3 stanowią korzystnie jedną część, przy czym jako materiał nadaje się tu zwłaszcza, z uwagi na dużą wytrzymałość na ścieranie, mosiądz, brąz aluminiowy, stal lub mosiądz czerwony. Ciecz płynie przez króciec wlotowy 2, złączkę pośrednią 4 i króciec wylotowy 3 w zasadzie w tym samym, zaznaczonym strzałką, osiowym kierunku 5. Króciec wlotowy 2 i króciec wylotowy 3 są zaopatrzone w gwint zewnętrzny 7 i mają, ustawioną promieniowo, to znaczy pionowo i prostopadle do kierunku osiowego 5, płaską powierzchnię 8 do osiowego zamocowania wspornika 11, 11' na którym umieszczony jest przetwornik ultradźwiękowy 9 lub 10.

Na figurze 2a ukazany jest w szczegółach króciec wlotowy 2 w pierwszej płaszczyźnie przekroju, która na fig. 2b przebiega wzdłuż linii A-A'. Na fig. 2c króciec wlotowy 2 uwidoczniony jest w drugiej płaszczyźnie przekroju, która przebiega tutaj wzdłuż linii B-B'. Wreszcie na fig. 2b przedstawiony jest widok w kierunku przepływu do pustej obudowy 1. Powierzchnia 8 zawiera równoległy do osiowego kierunku 5 otwór 12, który rozciąga się od wnętrza obudowy 1 na zewnątrz, oraz dwa równoległe do otworu 12 otwory ślepe 13, 14. Powierzchnia 8 zawiera ponadto, otaczające otwór 12, zagłębienie 15, w które włożony jest element uszczelniający 16 (fig. 2a). Wspornik 11 przetwornika (fig. 1) jest za pomocą śrub wkręconych w ślepe otwory 13, 14 zamocowany na powierzchni 8, przy czym pomiędzy wspornik 11 przetwornika i powierzchnię 8 wciśnięty jest element uszczelniający 16. Wymiary elementu uszczelniającego 16 i zagłębienia 15 są tak dobrane, że uszczelnienie pomiędzy wnętrzem obudowy i jej otoczenia zapewnione jest nawet wówczas, gdy zamontowany wspornik 11 przetwornika opiera się o powierzchnię 8. Dzięki takiej konstrukcji maksymalne odkształcenie, jakiemu może podlegać element uszczelniający 16, jest ograniczone głębokością t zagłębienia 15. Przez otwór 12 wyprowadzone są na zewnątrz obudowy 1 gazo- i wodoszczelnie przewody przyłączeniowe 17, 18 (fig. 3a) przetworników ultradźwiękowych 9 lub 10 (fig. 1).

Jak wynika z fig. 1, oba odbijające wzajemnie ultradźwięki, przetworniki ultradźwiękowe 9 i 10 tworzą w złączce pośredniej 4 odcinek pomiarowy. Rurowa złączka pośrednia 4 ma oś 19, zaś oba króćce 2, 3 mają oś 20. Wewnętrzna średnica a złączki pośredniej 4 jest niniejsza niż wewnętrzna średnica b króćca wlotowego 2 i króćca wylotowego 3. Zwiększa to prędkość przepływu w obszarze odcinka pomiarowego. Przejście z króćca wlotowego 2 na złączkę pośrednią 4 jest ukształtowane na przykład w postaci stożka, oczywiście z wyjątkiem tego sektora koła, który zawiera płaską powierzchnię 8. Przejście to jest na fig. 2a i 2b przedstawione jako linia prosta, jednak mogą je tworzyć korzystnie również powierzchnie wygięte, aby spadek ciśnienia był minimalny. W wykonaniu obudowy 1 według fig. 2a-c oś 19 złączki pośredniej 4 pokrywa się z osią 20 króćca wlotowego 2. W wykonaniu obudowy 1 według fig. 1 oś 19 i osie 20 są przesunięte względem siebie.

Przetworniki ultradźwiękowe 9 i 10 (fig. 1) stanowią tarczowe przetworniki dźwięku z tworzywa piezoceramicznego. Odstęp d (fig. 2a) otworu 12 od osi 19 jest dobrany, że przetworniki ultradźwiękowe 9 i 10 sa przy zadanej długości wspornika 11 ustawione centralnie

182 118 na osi 19, nawet dla różnych wielkości obudowy 1. Warunek ten można spełnić zgodnie z fig. 2a-c przez odpowiedni kształt króćca wlotowego 2 i króćca wylotowego 3 oraz przez odpowiednie usytuowanie i wielkość powierzchni 8.

Na figurach 3a i 3b ukazany jest przykładowo wspornik 11 z zamontowanym przetwornikiem ultradźwiękowym 9 w dwóch, wzajemnie prostopadłych, płaszczyznach przekroju. Wspornik 11 składa się z części nośnej 21, membrany 22 ze stali nierdzewnej oraz części 23 z tworzywa sztucznego. Tarczowy przetwornik ultradźwiękowy 9 jest osadzony w części 23 z tworzywa sztucznego, która służy do izolacji elektrycznej elektrod 24, 25 przetwornika ultradźwiękowego 9 w stosunku do części nośnej 21 i membrany 22. Część 23 z tworzywa sztucznego jest wraz z przetwornikiem ultradźwiękowym 9 osadzona w części nośnej 21, która następnie jest spawana z membraną 22. Część 23 z tworzywa sztucznego ma ponadto zagłębienie i otwór, przez które przewód przyłączeniowy 17 elektrody 24 jest przegrodzony z przodu wspornika 11 na tył wspornika 11, skąd razem z przewodem przyłączeniowym 18 drugiej elektrody 25 jest poprowadzony do noska 26 i dalej przez ten nosek. Przewody przyłączeniowe 17 i 18 tworzą wspólnie kabel koncentryczny o średnicy 1 mm. Część nośna 21 jest korzystnie elementem wycinanym i giętym, nie może jednak być odkuwkąlub wytłoczką.

Jak widać na fig. 3b, wspornik 11 stanowi element okrągły z podłużną nasadką. Okrągły element mieści w sobie przetwornik ultradźwiękowy 9. Jego średnica zewnętrzna jest jedynie o ułamek milimetra większa niż średnica przetwornika ultradźwiękowego 9. Mechanizm 22 jest zespawana z częścią nośną 21 wzdłuż jej krawędzi. Chociaż membrana 22 ma na wysokości noska 26 (fig. 3a) odpowiedni otwór, to przetwornik ultradźwiękowy 9 jest po zamontowaniu w obudowie 1, dzięki obecności elementu uszczelniającego 16 (fig. 2a), odizolowany od cieczy.

Obie elektrody 24 i 25 (fig. 3a) są kołowe i mają promień R„ który jest mniejszy niż promień R₂ tarczowego przetwornika ultradźwiękowego 9. Promień R₁ jest korzystnie o 0,4 mm mniejszy niż promień R₂. Część 23 z tworzywa sztucznego i część nośna 21 są tak ukształtowane, że z jednej strony osadzony w części 23 z tworzywa sztucznego przetwornik ultradźwiękowy 9 wystaje w kierunku odbicia dźwięku poza część 23 z tworzywa sztucznego i część nośną 21, z drugiej zaś jest osadzony z promieniowym luzem w części 23 z tworzywa sztucznego. Membrana 22 zostaje teraz w stanie naprężonym przyspawana, na przykład wiązką laserową, do części nośnej 21 tak, że utrzymuje ona przetwornik ultradźwiękowy 9 pod naprężeniem rozciągającym i dociska go osiowo do części 23 z tworzywa sztucznego. Elektroda 24 lub membrana 22 jest przed procesem spawania pokrywana elastyczną warstwą kleju na bazie żywicy w celu elektrycznej izolacji i sklejenia elektrody 24 i membrany 22, co sprawia, że drgania przetwornika ultradźwiękowego 9 są w warunkach dobrego sprzężenia mechanicznego przenoszone na membranę 22 i w postaci ultradźwięków przekazywane do cieczy. Ponieważ elektroda 24 nie zakrywa przedniej strony do samej krawędzi, membrana 22 nie może wypychać warstwy żywicy na tyle, by nastąpiło zwarcie pomiędzy elektrodą 24 i membraną 22. Jeżeli elektroda 24 sięga do krawędzi tarczy, to znaczy R₁ = R2, wówczas skuteczną izolację elektryczną pomiędzy elektrodą 24 i membraną 22 można osiągnąć także za pomocą, ułożonego lub naklejonego na elektrodzie 24, cienkiego pierścienia z tworzywa sztucznego. Z drugiej strony dociskanie przetwornika ultradźwiękowego 9 przez membranę 22 sprawia, że jego położenie we wsporniku 11 jest ściśle określone i nie ulega zmianie wraz z upływem czasu. Podczas drgań wychylenia membrany 22 w kierunku osiowym i promieniowym wynoszą jedynie kilka mikrometrów, zatem luz promieniowy, wynoszący zaledwie kilka mikrometrów lub około jednej setnej milimetra, wystarcza, aby membrana 22 mogła drgać w określonym makroskopowo położeniu, a jednocześnie drgania te nie były tłumione promieniowe przez część 23 z tworzywa sztucznego.

W pierwszym wariancie (fig. 3a) na tylną stronę wspornika 11 nasadzany jest element wyporowy 27 z tworzywa sztucznego, który powoduje zmniejszenie oporów przepływu, wywołanych przez wspornik 11. Element wyporowy 27 ma w związku z tym zaokrągloną powierzchnię o kształcie, odpowiadającym liniom przepływu.

182 118

W drugim wariancie element wyporowy 27 nie jest zamocowany na wsporniku 11, lecz na króćcu wlotowym 2 lub króćcu wylotowym 3. Wariant ten jest o tyle korzystny, że wspornik 11 i element wyporowy 27 są mechanicznie rozłączone. Gwałtowny wzrost ciśnienia w mierniku lub uderzenie narzędziem w element wyporowy 27 nie zmienia zatem położenia przetwornika ultradźwiękowego 9 lub 10. Dzięki temu uderzenia ciśnienia nie powodują zmian odstępu S (fig. 1) pomiędzy przetwornikami ultradźwiękowymi 9 i 10, a co za tym idzie, również dokładności pomiarowej miernika.

Maksymalny odstęp S (fig. 1) pomiędzy przetwornikami ultradźwiękowymi 9 i 10 jest określony przez długość montażową najmniejszego miernika. Przekrój złączki pośredniej 4 ewentualnie zamontowanej dodatkowo w złączce pośredniej 4 rury pomiarowej jest korzystnie tak dopasowany do odstępu S, że przesunięcie fazowe pomiędzy falami ultradźwiękowymi, wysyłanymi zgodnie z prądem i pod prąd, wynosi przy przepływie nominalnym około 30°C. W przypadku miernika przeznaczonego dla mniejszego przepływu nominalnego średnica króćca wlotowego 2 lub króćca wylotowego 3 jest także zadana z góry i wynosi około 20 mm. Ciecz opływa przetwornik ultradźwiękowy 9 lub 10. Opory przepływu, spowodowane przez przetworniki ultradźwiękowe 9 lub 10 wzrastają zatem wraz ze wzrostem średnicy przetworników ultradźwiękowych 9 lub 10, lub ich wsporników 11.

Średnica 2*R₂ tarczy przetwornika ultradźwiękowego 9 wynosi korzystnie w pierwszej wersji około 7,5 mm, co najwyżej jedńak 9 mm, natomiast w drugiej wersji około 16 mm, zaś grubość elementu piezoceramicznego wynosi w obu przypadkach około 2 mm. Przy średnicy tarczy równej 7,5 mm wymiar wspornika 11 w kierunku poprzecznym do osi 20 wynoszą co najwyżej 8 mm. Elektrody 24, 25 są korzystnie wykonane z metalu szlachetnego, jak srebro lub złoto.

Ukształtowanie elektrod 24, 25 z promieniem R_b który jest mniejszy niż promień R₂ tarczy piezoceramicznej, oraz zamocowanie przetwornika ultradźwiękowego 9 lub 10 we wsporniku 11 powodują dzwonowe odbicie ultradźwięków, których maksymalny poziom przypada na oś 19.

W trakcie fazy emisji przetworniki ultradźwiękowe 9 i 10 wysyłają jednocześnie, na przykład okresowo, pakiet N okresów fal ultradźwiękowych o częstotliwości F i stałej amplitudzie. Po fazie emisji przetwornik ultradźwiękowy 9 lub 10 jest dopiero po pewnym czasie oczekiwania równym N/4 okresu przełączany na N/2 okresu na odbiór, aby zadany wycinek przesłanego przez złączkę pośrednią 4 pakietu ultradźwięków, który został wysłany przez drugi przetwornik ultradźwiękowy 10 lub 9, przetworzyć w sygnał elektryczny i doprowadzić do nie pokazanego tutaj układu obliczeniowego, który na podstawie przesunięcia fazowego fal ultradźwiękowych, odbieranych przez oba przetworniki ultradźwiękowe 9 i 10, wyznacza prędkość przepływu, a z niej natężenie przepływu. Częstotliwość f leży w pobliżu częstotliwości rezonansowej przetworników ultradźwiękowych 9, 10 i wynosi korzystnie około 1 MHz. W wodzie długość W fali wynosi zatem około 1,5 mm. Długość W fali jest zależna od rodzaju cieczy i temperatury.

Poniżej opisanych jest szczegółowo kilka mierników ultradźwiękowych dla różnych wartości przepływów nominalnych. Wspólną cechą wszystkich tych mierników jest jednakowy odstęp S (fig. 1) pomiędzy przetwornikami ultradźwiękowymi 9 i 10, wynoszący korzystnie 94 mm.

Na figurze 4 ukazana jest połowa miernika dla małego przepływu nominalnego, wynoszącego przykładowo od 0,6 do 1,5 m³/h. Zamiast gwintu przyłączeniowego 7 (fig. 1) zastosowano tutaj kołnierz. W złączce pośredniej 4 o wewnętrznej średnicy a = 15 mm zamontowana jest rura pomiarowa 28, której koniec jest wsparty na odpowiednich częściach poszerzonego elementu wyporowego 27. Rura pomiarowa 28 jest wykonana ze stali, jej wewnętrzna średnica D = 10 mm, zaś długość L_sta wynosi około 80 mm. Długość L_sta jest zatem większa niż obliczona według europejskiego opisu patentowego nr 451 355, minimalna długość A falowodu . A = K * (D/2)2/W (1) która dla wartości K=4,67 dla stali i częstotliwości f = 1 MHz wynosi 78 mm. Dźwięk odbity od przetwornika ultradźwiękowego 10 rozchodzi się w postaci strugi dźwiękowej, która na swej drodze do drugiego przetwornika ultradźwiękowego 9 (fig. 1) co najmniej raz pada na rurę pomiarową 28 i ulega w tym miejscu odbiciu.

Oś 19 złączki pośredniej 4 i oś 20 króćca wlotowego 2 nie pokrywają się ze sobą: złączka pośrednia 4 jest przesunięta asymetrycznie względem obu króćców 2, 3.

Krawędź czołowa 29 rury pomiarowej 28 jest tak zukosowana pod katem α, że wewnętrzna średnica rury pomiarowej 28 rozszerza się w kierunku końca. To zukosowanie zmniejsza spadek ciśnienia na mierniku, odbija jednak część padającego dźwięku do rury pomiarowej 28, co prowadzi do zniekształcenia pakietu fal ultradźwiękowych, przechodzących przez rurę pomiarową 28. W celu zminimalizowania odbicia dźwięku do rury pomiarowej 28 lub z powrotem do przetwornika ultradźwiękowego 10 przewidziane zostały, pojedynczo lub w kombinacjach, następujące środki:

- kąt a jest na tyle duży, że dźwięk padający pod kątem β i odbity pod kątem odbicia γ = β ani nie wchodzi do rury pomiarowej 28, ani też nie jest odbijany z powrotem do przetwornika ultradźwiękowego 10,

- zukosowana powierzchnia jest falista, co powoduje rozproszone odbicie dźwięku,

- czołowa krawędź 29 rury pomiarowej 28 jest wyłożona materiałem, absorbującym ultradźwięki, na przykład polifluorkiem winylidenu; okładzina ta stanowi korzystnie część elementu wyporowego 27 i podpiera jednocześnie rurę pomiarową 28,

- okładzina jest zaopatrzona w, biegnące w kierunku przepływu, rowki, aby mogła absorbować jak najwięcej dźwięku; ponieważ rowki biegną w kierunku przepływu, nie powodują znaczącego zwiększenia spadku ciśnienia,

- odstęp E pomiędzy przetwornikiem ultradźwiękowym 9 lub 10 oraz krawędzią czoło wą29 rury pomiarowej 28 jest mniejszy niż W * N/8.

Element wyporowy 27 może pełnić wszystkie lub niektóre z następujących funkcji:

- minimalizacja spadku ciśnienia na mierniku poprzez ukształtowanie elementu wyporowego w postaci kołpaka, umieszczonego przed przetwornikami ultradźwiękowymi 9 i 10,

- ochrona przetworników ultradźwiękowych 9 i 10 przed obciążeniem mechanicznym w wyniku działania ciśnienia przepływu lub uderzeń ciśnienia w systemie rurowym,

- kształtowanie profilu przepływu i gradientów temperatury w rurze pomiarowej 28 za pomocą nasadzonych skrzydełek 30,

- absorpcja niepożądanych dźwięków poprzez wyłożenie końca rury pomiarowej,

- podparcie końca rury pomiarowej 28 oraz

- osiowe zamocowanie rury pomiarowej 28, uniemożliwiające jej przesunięcie.

Element wyporowy 27 zawiera zatem korzystnie korpus 31, zaopatrzony w kleszczowy otwór 32 do umieszczenia czołowej krawędzi 29 rury pomiarowej 28. Otwór 32 jest tak ukształtowany, że wstawiona weń rura pomiarowa 28 jest wciśnięta weń na stałe. Wsparta z obu stron na korpusach 31 rura pomiarowa 28 nie styka się z obudową 1: jest ona akustycznie oddzielona od budowy 1. W celu poprawy uszczelnienia hydraulicznego rura pomiarowa 28 może być dodatkowo zamocowana w obudowie 1 za pomocą pierścienia 35 o przekroju kołowym. Korpus 31 jest połączony z elementem wyporowym 27 za pomocą na przykład czterech, skrzydełek 30, przy czym skrzydełka 30 są ukształtowane wewnątrz okrągłego korpusu 31 i na zewnątrz elementu wyporowego 27. Ustawione w kierunku przepływu skrzydełka 30 dzielą wnętrze obudowy na kilka komór i powodują uspokojenie przepływu. Mogą one stykać się ze ścianką obudowy 1 lub mieć jedynie minimalną. wysokość i służyć wyłącznie do podparcia korpusu 31. Skrzydełka 30 i/lub korpus 31 zawierają ponadto, nie przedstawione, sprężyny zatrzaskowe, które wskazują w odpowiednie rowki w obudowie 1 i unieruchamiają element wyporowy 27 w obudowie 1. Skrzydełka 30 mogą być rozmieszczone zarówno w regularnych, jak też nieregularnych odstępach kątowych. Odstępy o różnej wielkości są korzystne wówczas, gdy osie 19 i 20 nie pokrywają się ze sobą. Ponieważ skrzydełka 30 same w sobie stanowią przeszkodę dla przepływu, ich wzajemne ustawienie pozwala na lokalne zwiększenie lub zmniejszenie oporów przepływu, co z kolei umożliwia celowe kształtowanie profilu przepływu na odcinku pomiarowym. W tym celu pojedyncze lub wszystkie skrzydełka 30

182 118 mogą być wygięte, na przykład spiralnie, i w razie potrzeby wywoływać zawirowania w cieczy. Szczeliny, które mogą istnieć pomiędzy wewnętrzną ścianką obudowy 1 i korpusem 31, nie mają żadnego wpływu na spadek ciśnienia lub dokładność pomiaru, ponieważ spiętrzona tam ciecz działa jak stały element oporowy. Z uwagi na dzwonkowy kształt strugi dźwiękowej skrzydełka 30 mogą w razie potrzeby sięgać aż do środka rury pomiarowej 28, nie powodując niepożądanego odbicia dźwięku.

Przekrój wzdłuż linii C-C'jest przedstawiony na fig. 5. Wewnątrz ścianka korpusu 31 jest korzystnie zaopatrzona w, biegnące w kierunku przepływu, rowki 34 w celu zminimalizowania odbitych na obudowie 1 (fig. 4) fal ultradźwiękowych. Ultradźwięki, odbite od przetwornika ultradźwiękowego 10 (fig. 4) obok rury pomiarowej 28 ulegają częściowemu odbiciu od korpusu 31. Przy odbiciu od korpusu 31 niewielka część ultradźwięków przechodzi z powrotem do przetwornika ultradźwiękowego 10, natomiast większa część ulega wygaszeniu po wielokrotnym odbiciu w rowkach 34 korpusu 31.

Korzystnie odstęp E (fig. 4) pomiędzy przetwornikiem ultradźwiękowym 10 i czołową krawędzią 29 rury pomiarowej 28 jest na tyle mały, że N-ty, to znaczy ostatni wyemitowany w trakcie fazy emisji, okres drgań po odbiciu od korpusu 31 jeszcze w trakcie fazy oczekiwania pada ponownie na ten sam przetwornik ultradźwiękowy 10, aby pomiar nie był zakłócany w trakcie fazy odbioru.

Odstęp E, który odbite N-te drganie może pokonać w trakcie fazy oczekiwania przed przełączeniem przetwornika ultradźwiękowego 10 na odbiór, jest zależny od długości W fal ultradźwiękowych. W powyższym przykładzie odstęp E jest mniejszy niż N/8 długości fal, a zatem E = W * N/8. W przykładzie długości pakietu zawierającego 64 okresy fal ultradźwiękowych, emitowanego w trakcie fazy emisji, i długość W fal ultradźwiękowych wynosi około 1,5 mm. Odstęp E jest w związku z tym niniejszy niż 12 mm.

Element wyporowy 27 jest wykonany korzystnie z tworzywa sztucznego, odpornego na wodę do temperatury 150°C, zwłaszcza duroplastu lub termoplastu. Takim termoplastem jest na przykład polifluorek winylidenu.

Na figurze 6 ukazany jest kolejny przykład wykonania elementu wyporowego 27 i wpasowanie rury pomiarowej 28 w obudowę 1. Element wyporowy 27 stanowi pojedynczą symetryczną osiowo względem osi 19 i 20, część z tworzywa sztucznego, która składa się z półkuli 36 z nasadzonym cylindrem 37 i, zaopatrzonego w obwodową fazę 39, cylindra 38. Promień półkuli 36 wynosi 6,25 mm, grubość cylindra 37 - 0,75 mm, zaś grubość cylindra 38 - 1,0 mm. Faza 39 ma kształt zukosowania, skierowanego w stronę złączki pośredniej 4, które to zukosowanie tworzy z osią 19 kąt ε = 45°. Element wyporowy 27 ma kształt 40 do umieszczenia wspornika 11, w związku z czym wspornik 11 jest zamknięty z boku, z wyjątkiem części, służącej do zamocowania na obudowie 1. Wewnętrzna ścianka króćca wlotowego 2 jest równoległa względem osi 20 do miejsca, w którym element wyporowy 27 jest oddalony od złączki pośredniej 4 o 2 mm. Dalej znajduje się wygięta powierzchnia 41, która zwęża króciec wlotowy 2 do średnicy złączki pośredniej 4 w przypadku konstrukcji różnej od falowodu ewentualnie rury pomiarowej 28 w przypadku falowodu. Powierzchnia 41 jest tak wygięta, że styczna 42 do niej w punkcie P zbiega się ze zukosowaną czołowa krawędzią 29 rury pomiarowej 28. Począwszy od punktu P, ścianka wewnętrzna obudowy 1 jest znowu równoległa do osi 20. Pomiędzy rurą pomiarową 28, która za pomocą pierścienia 35 o przekroju kołowym jest zamontowana w złączce pośredniej 4 szczelnie pod względem hydraulicznym i w sposób akustycznie odizolowany, i wewnętrzną ścianką złączki pośredniej 4 znajduje się ze względów montażowych szczelina 43 o grubości 0,5 mm. Ponieważ w szczelinie 43 spiętrza się pewna ilość cieczy, szczelina ta nie oddziaływuje w żaden sposób na profil przepływu.

Jeżeli element wyporowy 27 nie zamyka z boku wspornika 11, wówczas korzystnie część nośna 21 (fig. 3a) wspornika 11 jest zaopatrzona we wspomnianą fazę 39.

W przykładzie ukazanym na fig. 7 zukosowana krawędź czołowa 29 (fig. 6) końca rury pomiarowej 28 od strony króćca wlotowego 2 jest zastąpiona klinowym zukosowaniem obudowy 1. Rura pomiarowa 28 jest wprowadzona w obudowę 1 od strony króćca wylotowego 3

182 118 i tworzy bezszwowe pirzejście ze zukosow<uniem 1' obudowy 1. Slkerowany w stronę wylotowego 3 koniec rury pomiarowej 28 ma opisane wyżej zukosowanie. Rura pomiarowa 28 jest z obu stron, za pomocą pierścieni 35 o przekroju kołowym, osadzona w zaopatrzonej w rowki obudowie 1, a jednocześnie odizolowana od niej akustycznie. W przykładzie tym straty ciśnienia ulegają dalszemu zmniejszeniu, ponieważ nie przedstawiony tu element wyporowy 27 zawiera, podobnie jak w wykonaniu według fig. 6, części do wyłożenia i podparcia rury pomiarowej 28, które zajmują miejsce.

Miernik jest przeznaczony dla nieco większego przepływu nominalnego, na przykład

2,5 m³/h i ma taką samą obudowę 1, jak miernik w przykładzie 1, jednak nie zawiera rury pomiarowej 28. Obudowa 1 jest wykonana w mosiądzu, którego wartość K według europejskiego opisu patentowego nr 451 355 wynosi 2,33. Złączka pośrednia 4 służy zatem jako rura pomiarowa, której średnica odpowiada średnicy wewnętrznej a = 15 mm, zaś długość L_mosiądz odstępowi S (fig. 1) pomiędzy dwoma przetwornikami ultradźwiękowymi 9 i 10. Długość L_mosi_ądz jest o 94 mm większa niż obliczona według równania (1) długość A = 87 mm, w związku z czym również ta złączka pośrednia 4 działa jako falowód dla ultradźwięków.

Na figurze 8 ukazany jest miernik dla dużej nominalnej wartości przepływu wynoszącej przykładowo 60 m³/h. Króciec wlotowy 2 i króciec wylotowy 3 są dłuższe niż odcinek pomiarowy, utworzony pomiędzy przetwornikami ultradźwiękowymi 9 i 10. Element wyporowy 27 jest również podłużnym tworem, którego długość jest w przybliżeniu równa długości króćca wlotowego 2 lub króćca wylotowego 3. Skrzydełka 30 rozciągają się na całej długości elementu 27 i są poprowadzone aż do złączki pośredniej 4. Na przekroju widoczne jest tylko jedno ze skrzydełek 30, rozmieszczonych w regularnych odstępach kątowych równych 120°. Na skrzydełkach 30 opiera się element wyporowy 27; zatrzaskują się one w ściance obudowy 1. Element wyporowy 27 otacza z boku wspornik 11. Oś 19 i oś 20 pokrywają się. Wspornik 11 zawiera przetwornik ultradźwiękowy 9 lub 10 z tarczą piezoceramiczną, której średnica wynosi około 16 mm, w związku z czym objętość wyznaczana przy pomiarze jest nieco większa niż w poprzednim przykładzie. Wewnętrzna średnica złączki pośredniej 4 wynosi co najmniej 28 mm, a miernik pracuje na zasadzie innej niż falowód. Przejście od króćców 2, 3 do złączki pośredniej 4 ma postać wygiętej łukowo powierzchni 41.

Na figurze 9 widoczny jest, mający konstrukcję różną od falowodu, miernik, w którym przetworniki ultradźwiękowe 9, 10 nie są usytuowane centralnie na osi 20: środek symetrii kołowej tarczy piezoceramicznej (fig. 3b) przetworników ultradźwiękowych 9, 10 nie leży na osi 19. Utworzony pomiędzy przetwornikami ultradźwiękowymi 9, 10 odcinek pomiarowy jest zatem przesunięty asymetrycznie względem osi 19. Korzystnie stosuje się przetworniki ultradźwiękowe 9, 10 o małej tarczy piezoceramicznej, aby przy większej wewnętrznej średnicy a złączki pośredniej 4 struga dźwiękowa nie uderzała w miarę możliwości w wewnętrzną ściankę obudowy w złączce pośredniej 4. Przy mniejszej wewnętrznej średnicy a może zaistnieć taka sytuacja, że części wewnętrznej ścianki obudowy, leżące w pobliżu osi łączącej środki symetrii przetworników ultradźwiękowych 9, 10, znajdą się w obszarze działania dźwięków, zaś części bardziej oddalone pozostaną poza tym obszarem. Małe przetworniki ultradźwiękowe 9, 10 charakteryzują się ponadto korzystnie małymi stratami ciśnienia. Element wyporowy 27 i skrzydełka 30 są tak ukształtowane, że ciecz przepływa przez objętość, pozostającą pod działaniem strugi dźwiękowej, zarówno przy przepływie przez dolny, jak też górny zakres pomiarowy miernika. Element wyporowy 27 jest w związku z tym ustawiony symetrycznie względem osi 19, a nie względem osi 20. Ponadto, jak już opisano w przykładzie 1, skrzydełka 30 są rozmieszczone w różnych odstępach kątowych, powodując lokalne zwiększenie lub obniżenie oporów przepływu, co umożliwia celowe kształtowanie profilu przepływu na odcinku pomiarowym.

Stabilność położenia przetworników ultradźwiękowych 9 i 10 jest wyjątkowo duża dzięki temu, że elementy wyporowe 27 są zamocowane na obudowie 1, a nie nasadzone na wsporniki 11 lub 11'.

182 118

Zaopatrzenie obudowy 1 w promieniowe powierzchnie 8 umożliwia zarówno stabilne mechanicznie zamocowanie wsporników 11, jak tez łatwe uszczelnienie przewodów przyłączeniowych 17, 18 przetworników ultradźwiękowych 9 lub 10 względem cieczy. Króciec wlotowy 2, złączka pośrednia 4 i króciec wylotowy 3 mogą również stanowić trzy oddzielne części. W tym przypadku złączka pośrednia 4, jak przedstawiono na fig. 10, ma na swych końcach zaopatrzone w promieniowe powierzchnie 8 i otwory 12 kołnierze, na których zamocowane są zarówno wsporniki 11 lub 11', jak też króciec wlotowy 2 lub króciec wylotowy 3. W tym przykładzie złączka pośrednia 4 jest ponadto poszerzona w kierunku końców. Króciec wlotowy 2, złączka pośrednia 4 i króciec wylotowy 3 mogą być przy tym połączone ze sobą za pomocą skręcania, nitowania, spawania lub w inny sposób.

Na figurze 11 przedstawiony jest miernik, w którym średnica króćca wlotowego 2 lub króćca wylotowego 3 jest większa niż średnica rur 45, pomiędzy którymi zamontowany jest miernik. W tym przypadku korzystne z uwagi na parametry przepływu okazuje się zamontowanie, zamiast elementu wyporowego 27 lub dodatkowo względem niego, przesłony 46 co najmniej w króćcu wlotowym 2, korzystnie jednak także w króćcu wylotowym 3. Przesłona 46 ma kształt stożkowy, tak że średnica, istotna z uwagi na napływające medium, wzrasta w sposób ciągły od rury 45 do wejścia króćca wlotowego 2. Przesłona 46 ma obwodowy rowek, który wskazuje w spoinę w króćcu wlotowym 2. Korzystnie przesłony 46 nie można zdemontować bez jej zniszczenia. Dzięki przesłonie 46 profil przepływu na odcinku pomiarowym miernika jest w dużej mierze niezależny od przebiegu rur, w związku z czym przed króćcem wlotowym 2 ustala się odcinek uspokajający.

182 118

182 118

Fig. 3b

Fig.5

182 118

Fig. 6

\-_v/

1'

1^:2 118

Fig. 8

Fig.9

27 30 11

Fig. 10

F	ń	---c
\ 30	i α
12	8	12
y	ύ
X	(L__J
] /-

11'

182 118

Fig. 11

182 118

Fig. 1 b7 8

19 8 7

\tzXa • 11' -20

H-

>2

Fig.2b

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims (11)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Miernik ultradźwiękowy do wyznaczania natężenia przepływu cieczy płynącej przez system rur, zawierający rurową obudowę, która składa się z króćca wlotowego i króćca wylotowego, połączonych złączką pośrednią, i przez którą ciecz przepływa w zasadzie w tym samym, osiowym kierunku, przy czym miernik zawiera emitujące w kierunku osiowym przetworniki ultradźwiękowe, z których każdy jest wsparty na jednym wsporniku i styka się bezpośrednio z cieczą, tak że w złączce pośredniej pomiędzy przetwornikiami ultradźwiękowymi znajduje się odcinek pomiarowy, znamienny tym, że złączka pośrednia (4) ma promieniowo usytuowane powierzchnie (8), na których zamocowane są wsporniki (11), przy czym każda z powierzchni (8) zawiera otwór (12) do wyprowadzenia przewodów przyłączeniowych (17; 18) przetworników ultradźwiękowych (9; 10) z wnętrza obudowy (1) na zewnątrz.
2. 2. Miernik według zastrz. 1, znamienny tym, że oś (20) króćca wlotowego (2) i króćca wylotowego (3) jest przesunięta w kierunku promieniowym względem osi (19) złączki pośredniej (4).
3. 3. Miernik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w króćcu wlotowym (2) zamontowana jest przesłona (46).
4. 4. Miernik według zastrz. 1, znamienny tym, że przetworniki ultradźwiękowe (9,10) zawierają kołowe tarcze z piezoceramiki, które emitują ultradźwięki, przy czym środki symetrii tych tarcz leża poza osią (20) złączki pośredniej (4).
5. 5. Miernik według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy z przetworników ultradźwiękowych (9; 10) składa się z tarczy piezoceramicznej, przy czym osadzony we wsporniku (11) przetwornik ultradźwiękowy (9; 10) wystaje nieco ze wspornika (11) w kierunku emisji dźwięku i jest zamocowany we wsporniku (11) za pomocą membrany (22), zespawanej w stanie naciągniętym ze wspornikiem (11).
6. 6. Miernik według zastrz. 5, znamienny tym, że przednia i tylna strona tarczy przetwornika ultradźwiękowego (9; 10) zawierają po jednej kołowej elektrodzie (24; 25), zaś średnica tarczy przetwornika ultradźwiękowego (9; 10) wynosi mniej niż 9 mm.
7. 7. Miernik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w obszarze króćca wlotowego (2) względnie króćca wylotowego (3) zamocowany jest jeden element wyporowy (27).
8. 8. Miernik według zastrz. 7, znamienny tym, że elementy wyporowe (27) mają skrzydełka (30), sięgające do odcinka pomiarowego.
9. 9. Miernik według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że każdy z elementów wyporowych (27) jest zaopatrzony w korpus (31), który jest połączony z elementem wyporowym (27) za pomocą skrzydełek (30), przy czym na korpusie (31) jest wsparta, zamontowana w złączce pośredniej (4), rura pomiarowa (28).
10. 10. Miernik według zastrz. 9, znamienny tym, że koniec rury pomiarowej (28) jest osłonięty korpusem (31) dla minimalizacji odbicia dźwięku.
11. 11. Miernik według zastrz. 7, znamienny tym, że w króćcu wlotowym (2) zamontowana jest przesłona (46).

    * * *