SE445261B - Ultrasonisk flodesmetare och sett att meta hastigheten av en fluid som strommar inuti en ledning - Google Patents

Description

7910586-'7 eller omvandlaren.

Enligt de amerikanska patenten 3 731 532, 3 738 169, 3 727 454 och 3 727 458 föreslås att en tredje mätning utföres såsom komplettering till ljudpropageringstiderna uppströms och nedströms för bestämning av ljudhastigheten i vätskan, och att denna mätning utnyttjas för korrigering av eventuella varia- tioner i vätskeljudhastigheten. Ingen korrektion göres för eventuella ändringar i den akustiska banan. Dessutom beaktas enligt dessa patent ej effekterna av fel härrörande från änd- ringar i ljudhastigheten i omvandlaren, vilka ändringar kan alstra ändringar i den akustiska banan. Sådana fel kan vara speciellt betydelsefulla vid processtyrningsapplikationer eftersom utgångsnoggrannheten hos flödesmätaren måste upprätt- hållas över ett brett temperatursvängningsområde. Vidare inne- fattar de ovan beskrivna systemen en eller annan tillkommande ultraljudomvandlare med därmed förknippade fördyrade kretsar och ökande framställningskostnader samt ökande komplexitet hos flödesmätarefl- Trots alla ansträngningar som redan nedlagts på detta område är det sålunda uppenbart att det fortfarande föreligger ett behov av en förbättrad ultrasonisk flödesmätare som har stor noggrannhet och är särskilt lämpad för att användas vid industriell processtyrning.

I en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning innehåller en förbättrad ultrasonisk flödesmätare ett par om- vandlare monterade externt på samma sida av ett rör som inne- håller en strömmande fluid. Omvandlarna är i sin tur kopplade till en ljudprob som överför och mottager alstrade akustiska pulser mellan omvandlarna genom den strömmande fluiden. Om- vandlarna och proberna är anordnade så att akustiska pulser når in i röret under en sned vinkel mot gränsytan mellan det fasta materialet och fluiden, vid vilken punkt refraktionen uppträder. Pulserna propagerar sedan genom fluiden mot den motsatta rörväggen där de reflekteras till den andra omvand- laren. Den akustiska banan inuti fluiden är entydigt bestämd för en given uppsättning villkor genom förhållandet mellan ljudhastigheten i proben och ljudhastigheten i fluiden i enlig- het med Snells lag. Omvandlarna exciterassekventiellt för bil- dande av akustiska pulser som först vandrar från den uppströms 7910386-7 belägna omvandlaren till den nedströms belägna omvandlaren och vice versa. En grindad räknare mäter resp. ljudpropagerings- tider mellan de två omvandlarna.

I enlighet med en viktig aspekt av uppfinningen är flö- desmätarens utsignal i huvudsak opåverkad av ljudhastighets- variationer som ändrar den akustiska banan. Elimineringen av ljudhastighetsberoendet uppnås genom att man inom ljudproberna inkluderar organ som definierar en fix bana med känd längd utmed vilken en del av de alstrade akustiska pulserna propa- gerar.

På detta sätt bildar en enda transmission av en akustisk puls två elektriska utgângssignaler, av vilka en representerar överföringstiden mellan omvandlarna genom den strömmande flui- den och den andra representerar överföringstiden inuti ljud- proben.

För en given geometri och omvandlare beskrivs mätarens akustiska fält fullständigt av hastigheten av den strömmande fluiden och ljudhastigheterna i proben och fluiden. Följakt- ligen alstrar de två omvandlarsystemen enligt föreliggande upp- finning tre oberoende ljudpropageringstidmätningar, vilket är tillräckligt för att fullständigt karaktärisera utgångssvaret.

Det vill säga, de tre överföringstidmätningarna kan kombineras i enlighet med välkända fysikaliska och matematiska principer för bildande av en utsignal som är proportionell mot fluid- hastigheten och oberoende av ljudhastighetsändringarna både i fluiden och transmissionstrâden och sålunda av ändringar i propageringsbanan.

I enlighet med en annan aspekt av uppfinningen bibehålles innerytan av röret utmed det område där akustiska pulser in- träder i och lämnar röret såsom en slät borrning med likformigt tvärsnitt. I den föredragna utföringsformen är omvandlarna och ljudproberna anordnade att införas genom en öppning i röret, varvid probens ände invid den strömmande fluiden är formad att passa till rörets innerkontur. Alternativt kan omvandlar/prob- aggregatet klämmas på rörets yttersida utan modifiering av rörets innerväggar.

Ytterligare en fördel hos föreliggande uppfinning som härrör från placeringen av båda omvandlarna på samma sida om 7910386-7 röret och överföring av akustiska pulser mellan omvandlarna genom "studsning" av pulserna mot den motsatta rörväggen är ökningen i mätarens totala känslighet. Detta resulterar fak- tiskt i en fördubbling av skillnaden mellan ljudpropagerings- tiderna uppströms och nedströms i fluiden, medan samtidigt effekterna av radiella fluidhastighetskomponenter reduceras.

Andra aspekter, fördelar och egenskaper hos föreliggande uppfinning kommer att framgå av nedanstående beskrivning av den för tillfället föredragna utföringsformen.

Pâ de bifogade ritningarna visar fig. l en tvärsnittsvy av det primära elementet av en ultrasonisk flödesmätare konstruerad i enlighet med föreliggan- de uppfinning, fig. 2 en förstorad tvärsnittsvy av den akustiska om- vandlaren och ljudprobaggregatet i mätaren enligt fig. l, fig. 3 en schematisk representation av mätaren enligt fig. l visande en typisk variation i banan för en akustisk stråle mellan de två omvandlarna förorsakad av ändringar i ljudhastigheterna, varvid även de geometriska förhållandena för utföringsformen definieras, “ fig. 4 en schematisk representation av omvandlar/prob- aggregat i mätaren enligt fig. 1 visande banan för en akustisk stråle som överföres ortogonalt från omvandlarens centrum, fig. 5 ett blockdiagram visande den elektroniska kretsen för bildande av en flödesutsignal för utföringsformen, fig. 6 ett tidsdiagram för utföringsformen, fig. 7 en schematisk representation av en alternativ utföringsform visande banan för en överförd akustisk stråle, varvid omvandlarna är placerade på motsatta sidor av röret, fig. 8 en schematisk representation av en annan utförings- form med ett annat omvandlar- och probaggregat samt visande banan för en överförd akustisk stråle, och A fig. 9 en schematisk representation av ytterligare en annan utföringsform visande banan av en överförd akustisk strå- le, varvid båda omvandlarna är inhysta i en enhetlig struktur.

Enligt fig. l och 2 innefattar det primära elementet av en ultrasonisk flödesmätare 10 en rörsektion 12 och ett par akustiska omvandlare 14, 24 monterade inuti rörformiga hus 15, 7910386-7 25, vilka är fastsvetsade på samma sida av röret i uppströms resp. nedströms belägna positioner. Omvandlarna är anordnade så att de akustiska pulser som alstras av varje omvandlare pro- pagerar genom fluiden till den motsatta rörväggen där de ref- lekteras och sedan mottages vid den andra omvandlaren. Genom denna anordning vandrar pulserna diagonalt genom fluiden utmed en akustisk bana 13, och utgör på känt sätt skillnaden i över- föringstid mellan de akustiska pulserna mellan den uppströms och nedströms belägna omvandlaren ett mått på fluidhastighe- ten.

Var och en av omvandlarna 14, 24 är av identisk konstruk- tion, och följaktligen är det tillräckligt att beskriva en av omvandlarna, vilken mera tydligt visas i fig. 2. Den uppströms belägna akustiska omvandlaren 14 innefattar ett cylindriskt kvarhållande element 14A med en fast ljudprob 16 anordnad vid den ena änden. Det kvarhållande elementet och ljudproben bildar en integrerad enhet som är anordnad att införas i huset 15 och hållas där mot en skuldra 32. Huset öppnar sig i sidled genom rörväggarna så att proben sträcker sig fram till gränsytan med den strömmande fluiden. En tätning som är anordnad på proben tätar mot processfluiden. Den ände av proben som är belägen invid fluidumgränsytan är formad för att exakt passa konturen av rörets innervägg, varigenom det bildas en jämn borrning med likformigt tvärsnitt i det område där de akustiska pulserna når och lämnar röret. En urtagning 18 är bearbetad in i proben för reflektering av en del av de alstrade pulserna tillbaka genom proben, vilket kommer att förklaras närmare nedan. Proben är framställd av rostfritt stål men kan vara konstruerad av ett godtyckligt fast material kapabelt att överföra akustiska pulser.

En piezoelektrisk kristall 20 anordnad att alstra akus- tiska pulser när den exciteraselektriskt är placerad inuti det kvarhållande elementet 14A och fastklämd mot den från fluiden vända änden av tråden 16. Sålunda verkar proben såsom ett mel- lanliggande överföringsmedium för att rikta de alstrade pulser- na in i fluiden under en lämplig vinkel för mottagning vid den nedströms belägna omvandlaren 24. När akustiska pulser motta- ges av sådana piezoelektriska kristaller alstras givetvis mot- svarande elektriska utgångssignaler. 791Û386'7 För att garantera maximal elektro-akustisk omvandlings- effektivitet mellan kristallen 20, vilken är polariserad för att alstra skjuvningsvågor, och dess tillhörande prob 16 över- lappar de båda kontaktytorna varandra och kläms kristallen mot proben under ett tryck approximativt 1000 psi. Detta höga presstryck uppnås med en kolv 36 som pressas mot kristallen inuti det kvarhâllande elementet 14A genom kombinationen av en styv tryckkolv 38, en fjäder 40, en rotationsförhindrande bricka 42 och en omvandlarbelastningsmutter 44. Förutom maxi- mering av energiöverföringen från proben till fluiden måste skjuvningsvâgkristallernas polarisationsplan vara vinkelrätt mot prob/fluidgränsytan. Detta säkerställes genom fixering av kristallen till kolven med polarisationsriktningen i linje _med ett kilspår 46 format på kolven. Kolven är sedan riktigt placerad i förhållande till proben med hjälp av kilspåret.

Hela omvandlaraggregatet 14 bestående av prob, kristall, klämmekanism och kvarhållande element är sålunda uppbyggt så- som en integrerad enhet som införes i huset 15 och kläms mot skuldran 32 med hjälp av en låsmutter 23. Den enhetliga natu- ren av omvandlaraggregatet förenklar testning och underhåll av flödesmätaren även under fältbetingelser. Vidare förbättrar monteringen av omvandlaren på detta sätt i motsats till svets- ning eller annan fastsättning av proben 16 direkt på röret flödesmätarens ljudsignal-till-brusförhållande, eftersom den relativt dåliga kontakten metall mot metall mellan proben och huset tillåter endast minimal transmission av akustiskt brus in i rörväggen. Följaktligen når mindre akustiskt brus till den andra omvandlaren genom denna rena matalliska bana.

En flödesmätare med jämn borrning utan fickor eller utsprâng komplicerar den akustiska konstruktionen. För att upp- nå den erforderliga diagonala överföringen mellan omvandlarna 14, 24 måste pulser som härrör från antingen den uppströms be- lägna piezoelektriska kristallen 20 och vandrargenom ljud- proben 16 eller från motsvarande nedströms belägna kristall 30 och vandrar genom ljudproben 26 snett infalla mot prob/ fluidgränsytan. Följaktligen måste effekterna av modomvandling och refraktion vid denna gränsyta beaktas.

I den nu beskrivna utföringsformen kan förutom de väl- 7910386-7 definierade reflekterade skjuvningsvågorna falska longítudi- nella vågor alstras inuti proben (d.v.s. modomvandling) när de överförda skjuvningsvågorna infaller mot prob/fluidgräns- ytan. Sådana longitudinella vågor skulle felaktigt kunna trigga flödesmätarens utgângselektronik, vilket skulle resultera i betydande ljudpropageringstidsfel. För att utesluta detta prob- lem förblir all ljudenergi inuti proben i skjuvningsmoden genom val av en infallsvinkel för de överförda vågorna sådan att den reflekterade longitudinella vågen ej alstras (d.v.s. under be- aktande av förhållandet mellan longitudinella och skjuvnings- ljudhastigheter inuti proben, en infallsvinkel vid vilken en- ligt Snells lag sinus för vinkeln av den oönskade reflekterade vågen är > l).

Ett svårare pr0blematt beakta innefattar refraktion av de akustiska pulserna vid prob/fluidgränsytan. Detta problem uppkommer genom det faktum att om antingen hastigheten av lju- det i metallproben (CM) eller i fluiden (CL) ändras, vilket kan inträffa vid ändringar i temperatur, tryck och/eller kompo- sition, kommer refraktionsvinkeln att variera, vilket ger upp- hov till en åtföljande ändring i den akustiska banlängden. Detta illustreras bäst i fig. 3 där den akustiska banan 13 för de ursprungliga konstruktionsförhållandena har förskjutits (bana l3A) p.g.a. ett annat förhållande mellan ljudhastigheten inuti de båda medierna. Variationen i den akustiska banan ändrar direkt propageringstiden för de akustiska pulserna mellan de två kristallerna 20, 30 och är sålunda en källa till instru- mentfel.

Eftersom sådana förändringar 1 akustisk bana uppträder på ett känt sätt kan de beaktas genom utnyttjande av etable- rade fysikaliska och.matematiska principer. Följaktligen är en viktig aspekt av denna uppfinning erbjudande av en ultra- sonisk flödesmätare med två omvandlare kapabel att alstra tre oberoende ljudpropageringstidmätningar vilka är tillräckliga för att exakt karaktärisera mätarens utgångssvar oberoende av varia- tionerna i den akustiska banan. Grunden för ett sådant tre- mätningssystem kommer att beskrivas nedan för långfältapproxi- mationen av det akustiska fältet (d.v.s. när den mottagande om- vandlaren är tillräckligt långt bort från den utsändande omvand- 7910386-'7 laren så att sändaren kan betraktas såsom en punktkälla). Det bör dock observeras att tre-mätningssättet är helt allmänt och likaväl kan tillämpas för närfältapproximationen.

I det följande betraktas den fysikaliska modell som representeras i fig. 3 närmare i detalj. Det akustiska fält som resulterar från excitationenav kristallen 20 kan approxi- meras med ett flertal räta strålar som härrör från centrum av kristallen. För enkelhets skull betraktas endast strålarna i planet för fig. 3. För en given mätare med fixa geometriska för- hâllanden såsom i fig. 3 är banan för en akustisk strâle som härrör från centrum av sändarkristallen entydigt definierad genom två parametrar, nämligen strâlens infallsvinkel i ljud- proben ((9M) och strålens refraktionsvinkel i fluiden (BL).

För tvâ media i vila relativt varandra är det möjligt att relatera GL till GM genom Snells lag sin GM sin GL T_'="c__ (1) M L Om emellertid ett media rör sig i förhållande till det andra i en riktning utmed gränsytan måste, när fluid strömmar i en ledning, Snells lag modifieras enligt följande. sin GM _ sin GL c " c 1* v sin em (2) M L ( C L där V = flödeshastigheten, och + och - tecknet repre- senterar ljudpropagering utmed resp. mot flödet.

För en fix geometri är följaktligen banan för en given akustisk våg, d.v.s. för ett godtyckligt givet GM, entydigt definierad såsom en funktion av ljudhastigheterna både i proben och fluiden samt fluidströmningshastigheten, d.v.s.

GL = fe (CM, CL, V) (3) Givetvis är även tiden för strålen att tillryggalägga denna bana en direkt funktionavCM, CL och V. Eftersom den akustiska pulsen för långfältet består av ett oändligt antal strålar med samma funktionalitet kan på liknande sätt överfö- ringstükm (I) för pulsen att tillryggalägga sträckan mellan om- 7910386-7 vandlarna uttryckas såsom 1' = fr (CM, cL, v) (4) Eftersom CM och CL ej är a priori kända och eftersom de faktiskt kan variera inom relativt breda områden, vilket resulterar i betydande utsignalfel om fixa värden antages, är det av ovanstående uttryck för I klart att tre oberoende akus- tiska mätningar erfordras för erhållande av en exakt lösning för V i termer av endast uppmätta kvantiteter. I det mest allmänna fallet för en flödesmätare med fix geometri och en given omvandlare kan förhållandet mellan de olika parametrarna matematiskt uttryckas enligt följande Tl = fTl (CM, CL, V) (5) 12 = fn (CM, cL, v) (e) 13 = fü (CM, CL. v) m Genom användande av kända matematiska metoder kan ekva- tionerna (5), (6) och (7) inverteras för erhållande av V = fv (Il, I2, 13) (8) vilket explicit visar att tre oberoende ljudpropageringstid- mätningar är nödvändiga och tillräckliga för att specificera flödeshastigheten.

I den modell som visas i fig. 3 kan det akustiska upp- förandet av flödesmätaren antagas följa det för en enda akustisk stråle som lämnar centrum för den uppströms belägna kristallen 20 och når centrum för den nedströms belägna kristallen 30 och vice versa. Fastän ändliga strâleffekter, som uppkommer genom att andra strålar infaller mot den mottagande kristallen, före- kommer är utgångsfelen som härrör från dessa effekter betydligt mindre än de fel som uppkommer genom ändringar i den akustiska banan som diskuterats ovan. För de flesta praktiska industriella applikationer är valet av modellen med den akustiska strålen som går från centrum till centrum en giltig förutsättning.

Banan mellan omvandlarna l4, 24 genom fluiden bildar två oberoende akustiska mätningar, d.v.s. ljudpropageringstiden nedströms och uppströms (rd resp. fu). När den uppströms beläg- na kristallen 20 aktiveras reflekterar urtagningen 18 en del 791Û386'7 10 av den utsända strålen tillbaka till denna kristall över en bana med känd längd inuti ljudproben 16 (se fig. 4), varigenom en tredje oberoende akustisk mätning erbjudes, d.v.s. ljud- propageringstiden inuti metallproben (TM).

För den ovan valda modellen kan ekvationerna (5), (6) och (7) uttryckas såsom I 2H D d = ----- + -~ . (9) CM cos6M CL (1 + å_ sin GL) cos GL L I 2H D u = ----- + _ (10) CM cos6M CL (1 - %_ sin GL) cos GL L TM = -ålí- (u) M där H = avståndet från rörets innervägg till centrum av den piezoelektriska kristallen D = rörets innerdiameter P = banlängden i ljudproben från kristallen till reflektionspunkten vid urtagningen.

Som synes innerhåller ekvationerna (9), (lO) och (ll) två tillkommande variabler GL och GM i förhållande till de som uppträder i den funktionella formen av dessa ekvationer, d.v.s. (5), (6) och (7). Dessa två variabler är emellertid ej oberoende, eftersom enligt denna modell den utsända strålen skall vandra från centrum till centrum av varje kristall 20, 30 och samtidigt måste uppfylla Snells lag vid fast/fluidgräns- ytan (d.v.s. ekvation (2)). Avståndet L projicerat på röraxeln mellan kristallernas centra är givet av_ L = ZH tan GM + D tan GL (12) Ekvationerna (2) och (9) till (12) representerar fem oberoende ekvationer innehållande fem obekanta och kan sålunda lösas genom välkända metoder för att uttrycka en av de obekanta i termer av de tre akustiska mätningarna som beksrivits ovan och de geometriska konstanterna. På grund av komplexiteten av dessa ekvationer är det dock omöjligt att erhålla ett uttryck 7910386-7 ll för flödeshastigheten V i sluten analytisk form. Det har visat sig fördelaktigt att använda en digital dator för att lösa des- sa ekvationer för upprättande av förhållandet mellan V och de tre ljudmätningarna (Id, ru, IM). Sådana datormetoder är välkända för fackmannen och behöver sålunda ej förklaras i detalj här.

Beräkningarna kan utföras "on-line" om flödesmätaren inne- fattar en dataprocessor med tillräcklig kapacitet. Ur kommer- siell synpunkt är det dock att föredraga att antingen "off- line" konstruera en tabell av "V"-värden svarande mot uppmätta ljudpropageringstider för uppsökning "on-line", eller att "off- line" approximera en lösning för V genom någon matematisk funk- tion av Id, ru och IM för "on-line"-beräkning, eller att anordna någon kombination av dessa "off-line"-metoder. I denna utfö- ringsform är de tre uppmätta variablerna ingångsvärden till en approximerad "off-line"-lösning för flödeshastigheten involve- rande en potensserieutveckling i IM/TL given av I - I v = A u d i-a (s-so) + ß(s-s<>)2+... (13) T I M L där IL = Tu + Tá - BIM A och B = konstanter beroende av probens geometri S = IM/IL So = det värde av TM/IL som erhålles med konstruk- tionsfluiden vid konstruktionstemperaturen a och B = konstanter beroende av rörstorleken och/eller geometrin.

Antalet termer som bibehålles i ovanstående utveckling bestäms av den önskade noggrannheten för flödesmätaren. Såsom framgår av ovanstående är V vid konstruktionsreferensvillkor given av en enkel funktion av de tre akustiska mätningarna Tu, td och IM.

I det följande beskrivs funktionen av flödesmätaren 10.

Fig. 5 visar detaljerna av den elektroniska krets som driver primärelementet och behandlar de mätsignaler som mottages från detta i och för bildande av en utgående flödessignal. Blockdia- grammet i fig. 5 tillsammans med de vågformer som visas i fig. 7910386-7 12 6 och vars amplitud och tidsbas i illustrativt syfte visas i fel skala medger en bättre förståelse av anordningens funktion.

Vågformerna identifieras med motsvarande hänvisningsbeteckningar (d.v.s. A,B,C, etc.) som kretspunkterna i fig. 5.

I allmänhet måste kretsen (1) exciteraomvandlarna, (2) mäta ljudpropageringstiderna, (3) avläsa värdena av process- och/eller geometriska parametrar, (4) utföra ett antal arit- metiska standardcperationer, och (5) alstra en utgående styrsig- nal lämplig för processtyrningsapplikationer (exempelvis 4-20 ma).

Fastän detta teknikomràde är överfullt med analoga metoder för att utföra dessa funktioner, se exempelvis de ovan anförda amerikanska patenten 3 727 454, 3 731 532 och 3 738 169, har man funnit att det är fördelaktigt att använda digitala behand- lingsmetoder för den erforderliga signalhanteringen. För denna utföringsform har speciellt ett mikroprocessorsystem av den typ som är kommersiellt tillgängligt från INTEL under beteck- ningen 8085 utnyttjats. Det ligger inom den normala fackman- nens förmåga inom detta område att programmera sådana mikro- processorsystem för att utföra de ovan angivna stegen. Dessutom har användande av en programmerbar digital processor i en ultra- sonisk flödesmätare av den allmänna typ som här beskrivits i den amerikanska patentskriften 3 918 304.

I drift avger en digital processor 50 en laddningspuls 60 (vågform A) på 0,5 millisekunder till en laddnings-/tändnings- krets 51. Laddnings-/tändningskretsen laddar långsamt den upp- ströms belägna kristallen 20 till approximativt 40 volt. En styrd kisellikriktare 52 grindas sedan av laddnings-/tändnings- kretsen, vilket urladdar kristallen genom likriktaren på 10 nanosekunder eller mindre. Denna snabba urladdning bringar kristallen att generera en akustisk puls och alstrar även en negativt gående spik 61 vid ingången av en komparator 53 (våg- form E). Detta aktiverar i sin tur en tidsstyrningsgrind 54, så att en räknare 56, som drivs av en 100 MHz klocka 55, grin- dad från tidsstyrningsgrinden börjar att räkna.

Såsom visas i vågform C i fig. 6 mottages en typisk akustisk ekopuls 62 vid den uppströms belägna kristallen 20 trettio mikrosekunder efter urladdningen av kristallen. Pâ grund av geometrin av ljudproben 16 kommer denna händelse alltid 7910386'7 13 att inträffa på mindre än 60 mikrosekunder från urladdningen av kristallen. Sålunda ignorerartidsstyrningsgrinden 54 på kommando från den digitala processorn 50 eventuella ändringar i tillståndet av komparatorn 53 som uppträder inom perioden på 50 mikrosekunder efter urladdningen av den uppströms belägna kristallen. , Räknaren 56 fortsätter att räkna tills en akustisk puls mottages vid den nedströms belägna kristallen 50, vilket indi- keras av hänvisningbeteckningen 63 på vågformen D. Såsom även visas på vâgformerna E och F kommer komparatorn 53 endast att drivas till sitt höga tillstånd av pulser vars amplitud över- skrider en förutbestämd tröskelnivå "H", varigenom förhindras att komparatorn inställes genom falska pulser härrörande från reflexioner inuti röret 12 och proben 16. När å andra sidan komparatorn inställts måste en puls korsa nollnivån för att nollställa komparatorn. Tidsinställning till nollgenomgången är mer noggrann än tidsinställning till en nivå på en cykel av pul- sen p.g.a. att signalamplitudfluktuationer kan uppträda.

Eftersom pulsen 63 mottages av den nedströms belägna kristallen 30 mer än 50 mikrosekunder efter tändningen av den uppströms belägna kristallen 20 nollställs både komparatorn 53 och tidsstyrningsgrinden 54, varigenom räknaren 56 deaktiveras.

Antalet räknarsteg som upptecknats av räknaren matas sedan till den digitala processorn 50 för lagring. Antalet räknar- steg motsvarar tiden för ljudpropageringen från den uppströms belägna våggeneratorn till den nedströms belägna generatorn (Id).

Sedan denna cykel är avslutad startar den digitala processorn 50 på ett liknande sätt en laddnings-/tändningsprocess för den nedströms belägna kristallen 30, d.v.s. en puls på 0,5 millisekunder matas till en nedströms belägen laddnings-/ tändningskrets 151 som laddar och sedan plötsligt urladdar kristallen 30 genom en tillhörande styrd kisellikriktare 152, varigenom kristallen bringas att alstra en akustisk puls åter- igen ignoreras en ekopuls 64 (vågform D) som mottages vid den nedströms belägna kristallen av tidsstyrningsgrinden 54, efter- som ekot uppträder inom 50 mikrosekunder efter urladdningen av den nedströms belägna kristallen. När en akustisk puls 65 (våg- 7910386-7 14 form C) slutligen mottages vid den uppströms belägna kristallen 20 avläses innehällen i räknaren 56 av den digitala processorn för tillhandahållande av en mätning av ljudpropageringstiden uppströms (Tu).

Såsom visas i fig. 5 och i fig. 6 vid vâgform E pâlägges utsignalerna från de båda kristallerna ett summeringsnät 57 varefter de matas till komparatorn 53. Fastän kombinationen av vågformerna något ökar komplexiteten av urskiljningen av rätt pulser för aktivering och deaktivering av tidsstyrnings- grinden 54 eliminerar en enda komparator behovet av noggrann anpassning av de elektriska propageringsbanorna, vilket skulle erfordras om flera komparatorer användes. Olika komparatorer och tillhörande tidsstyrningskretsar har olika totala fördröj- ningstider och skillnaden i total fördröjningstid kan vara inom tiondelar ett nanosekundområde. Eftersom skillnaden i ljud- propageringstider (d.v.s. ru - rd) som används vid flödesberäk- ningar ävenledes kan vara inom nanosekundsomrâdet inses att användande av flera komparatorer skulle införa ansenliga fel om ej noggrann anpassning användes.

Eftersom skillnaden i ljudpropageringstid (d.v.s. ru - rd) måste vara noggrant känd upprepas uppströms-/nedströmsmät- ningscykeln och bildas ett medelvärde över ett fixt antal cykler (exemplevis 400 par av mätningar) innan en mätning av ljudpropa- geringstiden i metallproben (IM) företages. Sedan dessa fixa par av mätningar utförts kommer den digitala processorn 50 att aktivera tidsstyrningsgrinden 54 för att reagera på en signal som följer på urladdningen av den uppströms belägna kristallen 20 med mindre än 50 mikrosekunder, medan pulser som uppträder mer än 50 mikrosekunder efter urladdningen (exempelvis den puls som mottages vid den nedströms belägna kristallen) ignoreras.

Eftersom digitala mätningar involverar en upplösning av en klockcykel (d.v.s. 10 nanosekunder i den beskrivna ut- föringsformen) och eftersom som nämnts ovan skillnaden i ljud- propageringstid även kan vara inom nanosekundsomrâdet har man funnit det önskvärt att utnyttja tidsintervallsmedelvärdesbild- ning för att ytterligare öka upplösningen och noggrannheten av flödesmätaren. Sådana metoder som involverar statistisk me- delvärdesbildning över många upprepade mätningscykler är väl- kända. För ytterligare diskussioner beträffande denna del hän- 7910386*7 15 visas till Hewlett/Packard Application Notes 162-1.

Efter de olika mätningscyklerna innerhåller sålunda den digitala processorn en mätning avseende ljudpropageringstiden uppströms, ljudpropageringstiden nedströms och lju propagerings- tiden inuti proben. Dessutom tillföres olika processparametrar,exew- pelvis noll och intervall tillsammans med de geometriska paramet- _ rarna för mätaren (d.v.s. höjd och läge för omvandlarna, rördia- meter o.s.v.) såsom insignaler till processorn. Därefter behand- las genom enkla aritmetiska operationer de olika parametrarna och uppmätta värdena för att kombineras (såsom exempelvis en- ligt ekvation (13)) av processorn i och för bildande av en digital flödessignal proportionell mot hastigheten. Detta di- gitala värde omvandlas till en motsvarande analog signal av en digital-till-analogomvandlare 58 i och för bildande av en utsignal kompatibel med industriella styrkrav, d.v.s. mellan 4 och 20 ma. Utsignalen matas sedan till en jordisolator 59 som kan antaga formen av en pulstransfcrmator för säkerställan- de av att jorden av den tillhörande processtyranordningen ej är knuten till jorden för flödesmätaren.

Placeringen av de två omvandlarna på samma sida av röret har den önskade effekten att i huvudsak eliminera käns- ligheten hos mätaren för radiella fluidhastighetskomponenter i planet för fig. 3, medan samtidigt dess känslighet för axiellt flöde fördubblas. Utsignalfel härrörande från radiellt flöde kan vara väsentliga, speciellt när omvandlarna är placerade nära krökar eller liknande områden med flödesstörningar.

När en enda mätningscykel är definierad genom utsändning av akustiska pulser från en omvandlare över mot den motsatta rörväggen och tillbaka över fluiden till den andra omvandlaren såsom i föreliggande flödesmätare är det uppenbart att för ett konstant radiellt flödesmönster utmed den axiella riktningen summering av dessa tvâ banor utsläcker vektorkomponenterna för det radiella flödet. Denna “studs"-teknik har tillförtför- delen med fördubbling av propageringstiderna för pulserna inuti fluiden och ännu viktigare med fördubbling av skillnaden i ljud- propageringstider. Eftersom skillnaden i ljudpropageringstid är direkt proportionell mot rördiametern har en "studs"-flödes- mätare med given diameter den dubbla känsligheten för axiellt flöde 7910386-7 16 i förhållande till en mätare med jämförbar storlek i vilken omvandlarna är placerade på motsatta sidor om röret.

Fastän uppfinningen har beskrivits i detalj under hän- visning till ett specifikt illustrativt exempel innefattande ett refraktivt mätsystem där utsignalen är opåverkad av varia- tioner i den akustiska banan kan de ovan beskrivna uppfinninge- särdragen likaväl tillämpas vid normala injektionsmätare (d.v.s. icke refraktiva) för erhållande av ett mått på flödeshastighe- ten oberoende av ändringar i ljudhastigheterna i fluiden och ljudproben. Ytterligare modifieringar är möjliga. Exempelvis visas i fig. 7 att omvandlarna kan vara monterade på diagonalt motstâende rörväggar. Denna konstruktion kan vara att föredraga i vissa fluidapplikationer där flödet är ostört under flera rördiametrar. Trots detta är ultraljudmätningen och signal- behandlingen som diskuterats ovan tillämpbar vid denna anord- ning av omvandlarna.

Figurerna 8 och 9 visar andra möjliga modifieringar som är relaterade till konstruktionen som inhyser omvandlarna och metoderna för härledning av en mätning av ljudpropagerings- tiden inuti denna konstruktion. I fig. 8 visas den piezoelekt- riska kristallen schematiskt fästad vid det yttre av en stympad pyramidformad konstruktion, varvid den akustiska banan inuti konstruktionen med den kända längden definieras utan användande av reflekterande urtagningar eller liknande. Fig. 9 visar ett enhetligt hus för båda omvandlarna, i vilket den akustiska ba- nan för mätning av ljudpropageringstiderna i huset upprättas mellan de två omvandlarna i stället för att härledas från en reflektion tillbaka till den utsändande omvandlaren såsom i ti- digare exempel.

Vidare har alla de tidigare exemplen visat omvandlarhus som svetsas eller på annat sätt förenas med röret. Behandling-/ mätmetoderna enligt föreliggande uppfinning kan dock likaväl realiseras genom omvandlarhus/ljudprobaggregat som kläms i läge på utsidan av ett rör, varigenom installation och underhåll underlättas. I Ytterligare modifieringar är uppenbara för fackmannen efter genomläsning av ovanstående detaljerade beskrivning.

Följaktligen begränsas uppfinningen ej av de beskrivna exemp- len utan endast av de bifogade patentkraven.

Claims (20)

7910386-7 l7 PATENTKRAV

1. l. Ultrasonisk flödesmätare för mätning av hastigheten av en fluid som strömmar inuti en ledning (12), innefattande första och andra omvandlarorgan (14, 24) fästade vid ledningen vid i längdriktningen åtskilda lägen i och för utsändning och mot- tagning av akustiska pulser, varvid omvandlarorganen innefattar respektive ljudöverföringsorgan (16, 26) anordnade att rikta akustiska pulser från ett av omvandlarorganen till det andra genom fluiden utmed en ljudbana som inkluderar överföringsorga- nen och fluiden, signalalstringsorgan (20, 30) kopplade till omvandlarorganen i och för åstadkommande av en första utsänd- ning av akustiska pulser från det första till det andra omvand- larorganet och sedan en andra utsändning akustiska pulser från det andra till det första omvandlarorganet utmed ljudbanan, k ä n n e t e c k n a d av organ (18) som inuti ljudöver- föringsorganen bildar åtminstone en akustisk bana med känd längd utmed vilken en del av de första utsända pulserna propa- gerar, varvid omvandlarorganen (14, 24) alstrar utsignaler såsom gensvar på mottagna akustiska pulser svarande mot ljud- propageringstider utmed ljudbanan mellan det första och andra omvandlarorganet och vice versa och utmed den akustiska banan inuti ljudöverföringsorganet, organ (fig.5) samverkande med signalalstringsorganet för mätning av ljudpropageringstiderna, varvid de uppmätta ljudpropageringstiderna behandlas för att kombineras i enlighet med kända fysikaliska principer i och för erhållande av ett mått på flödeshastigheten som är oberoende av ändringar i ljudhastigheterna i fluiden och i ljudöverförings- organen.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att innerytan av ledningen (12) bildar en jämn borrning med likformigt tvärsnitt vid åtminstone gränsytan mellan den ström- mande fluiden och ljudöverföringsorganen (16, 26) där de akustiska pulserna når och lämnar ledningen, varvid överfö- ringsorganen är anordnade att rikta akustiska pulser utmed en refrakterad bana som varierar i beroende av förhållandet mellan 7910386-7 18 ljudhastigheterna i överföringsorganen och fluiden, samt varvid måttet på flödeshastigheten är oberoende av ändringar i den refrakterade banan. I

3. Anordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att omvandlarorganen är placerade på samma sida av ledningen (fig. 1, 3, 5, 8, 9).

4. Anordning enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att de akustiska pulser som utsänds av det första omvandlar- organet (14) propagerar genom fluiden till den motsatta väggen hav ledningen, vid vilken punkt de reflekteras för att mottagas vid den andra omvandlaren (24), varigenom flödesmätarens käns- lighet för radiella hastighetskomponenter i den strömmande fluiden elimineras, medan samtidigt känsligheten för axiellt flöde fördubblas.

5. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att omvandlarorganen är placerade på motsatta sidor av led- ningen (fig. 7).

6. _ Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av två rörformiga hus (15, 25) fastsvetsade på ledningen i och för mottagning av respektive omvandlarorgan, varvid husen i sidled öppnar sig genom ledningens innerytor.

7. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att varje omvandlarorgan innefattar en cylindrisk metallprob (16) monterad i huset så att den ena änden av proben gränsar till den strömmande fluiden, och ett ultraljud alstrande organ (20) anordnat att alstra akustiska pulser när det aktiveras, vilket organ pressas mot den andra änden av proben (fig. 2).

8. Anordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att det ultraljud alstrande organet (20) innefattar en piezo- elektrisk kristall polariserad för alstring av ultrasoniska skjuvningsvâgor, varvid kontaktytorna mellan kristallen och proben (16) överlappar varandra och proben och kristallen hålles i läge under högt tryck i och för maximering av den elektroakustiska omvandlingseffektiviteten däremellan.

9. Anordning enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av ett styvt gängat element monterande proben inuti huset och an- 7910386-7 19 ordnat att pålägga starka krafter på kristallen.

10. Anordning enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a d av ett fjäderorgan kopplat till det gängade elementet i och för upprätthållande av en relativt konstant kraft på kristallen över vida temperaturområden.

11. ll. Anordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda ena ände av proben (16) är formad att passa till konturen av ledningens (12) innervägg.

12. Anordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att proben (16) innefattar en urtagning (18) invid nämnda ena ände för reflektering av en del av den första transmissionen tillbaka till det ultraljud alstrande organet (20).

13. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att omvandlarorganet (14, 24) är anordnat att alstra akustiska pulser i skjuvningsmoden när det aktiveras elektriskt.

14. Anordning enligt krav 13, k ä n n e t e c k n a d av att ljudöverföringsorganet (16, 26) är anordnat att rikta de alstrade akustiska pulserna vid en infallsvinkel till gränsytan med fluiden sådan att all akustisk energi inuti ljudöverfö- ringsorganet förblir i skjuvningsmoden.

15. Sätt att mäta hastigheten av en fluid som strömmar inuti en ledning (12), varvid akustiska pulser alstras vid respektive första och andra omvandlarorgan (14, 24) för propagering fram och tillbaka mellan dessa genom fluiden, en första transmission av akustiska pulser genom ljudöverföringsorgan (16, 26) riktas från det första till det andra omvandlarorganet och en andra transmission från det andra till det första omvandlarorganet, samt varvid transmissionerna riktas mellan omvandlarorganen utmed en ljudbana innefattande ljudöverföringsorganen och fluiden, k ä n n e t e c k n a t av att en del av den första transmissionen leds utmed åtminstone en akustisk bana (18) med känd längd inuti ljudöverföringsorganen (16), att utsignaler svarande mot ljudpropageringstiderna utmed ljudbanan mellan det första och andra omvandlarorganet och vice versa samt utmed den akustiska banan inuti ljudöverföringsorganen bildas genom det första och andra omvandlarorganet såsom gensvar på mottagna 7910386-7 20 akustiska pulser, att dessa utsignaler svarande mot ljud- propageringstiderna kombineras enligt kända fysikaliska princi- per för erhållande av ett mått på flödeshastigheten oberoende av ändringar i ljudhastigheterna i fluiden och i ljudöver- föringsorganen (16, 26L

16. Sätt enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a t av att ledningens inneryta bibehålles såsom en jämn borrning åtminsto- ne vid gränsytan mellan den strömmande fluiden och ljudöverfö- ringsorganen där de akustiska pulserna når in i och lämnar led- ningen, och att akustiska pulser riktas utmed en refrakterad bana som varierar i beroende av kvoten mellan ljudhastigheten i överföringsorganet och i fluiden, varvid måttet på flödes- hastigheten är oberoende av ändringar i de refrakterade banorna.

17. Sätt enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a t av att akustiska pulser utsänds och mottages av omvandlarorgan place- rade på samma sida av ledningen.

18. Sätt enligt krav 17, k ä n n e t e c k n a t av att den första transmissionen av akustiska pulser riktas genom fluiden till den motsatta väggen av ledningen och att pulserna reflek- teras från den motsatta väggen för mottagning vid den andra om- vandlaren, varigenom känsligheten hos den uppmätta hastigheten för radiella komponenter av den strömmande fluiden i huvudsak elimineras medan samtidigt känsligheten för axiella flödeskom- ponenter fördubblas.

19. Sätt enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a t av att de akustiska pulserna utsänds och mottages av omvandlarorgan pla- cerade på motsatta sidor av ledningen.

20. Sätt enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a t av att skjuvningsvågor alstras av omvandlarorganen, vilka innefattar en metallprob och en piezoelektrisk kristall fastklämd mot proben.