SE512920C2 - Anordning för temperaturkompensering av längdförändring hos en akustisk flödesmätare. - Google Patents

Description

20 25 30 512 920 2 andra via sing-around-elektronik, som visas schematiskt i form av en box 7.

För att exempelvis mäta hastigheten v för fluidet i passagen 2 upprättas sing-around-slingor både motströms och medströms strömningsriktningen, vilket kan ske sam- tidigt eller företrädesvis först i ena riktningen, t ex uppströmsriktningen, genom att sing-around-elektroniken 7 exciterar givaren 5 till att sända ut en ultraljudspuls, vilken mottas av givaren 6 efter det att den har genom- löpt fluidet i passagen 2. När sing-around-elektroniken 7 detekterar att givaren 6 mottar en ultraljudspuls excite- rar den givaren 5 till att sända ut en ny ultraljudspuls.

Den sålunda upprättade sing-around-slingan upprätthålls under ett förutbestämt antal varv N. Därefter upprepas förfarandet i nedströmsriktningen.

Sing-around-slingan kommer att oscillera med en viss period, som kallas sing-around-perioden och som beror av ljudhastigheten c i fluidet mellan givarna, avståndet Lu mellan givarna och strömningshastigheten. Sing-around- perioden t; i nedströmsriktningen ges av: r L" 1 c+v-cosø och sing-around-perioden tg i uppströmsriktningen ges av: r L" I c-v-cosø Om avståndet Lu mellan givarna samt vinkeln Q mellan res- pektive givare och passagen är kända och sing-around- perioderna tl och tg mäts, kan exempelvis strömnings- hastigheten v bestämmas enligt följande formel: ,_ L« l_l 2cosø tl 5 10 15 20 25 30 35 512 920 3 Med hjälp av samma information och med kännedom om passagens 2 tvärsnittsarea och form kan dock även exem- pelvis volymflödet i passagen 2 bestämmas enligt följande formel: där Vol är volymflödet och A är fluidumpassagens tvär- snittsarea.

En nackdel med de kända flödesmätarna av ifråga- varande typ är att både avståndet Lu mellan givarna och tvärsnittsarean A för fluidumpassagen är temperatur- beroende. Om således fluidets temperatur från ett ut- gångsvärde To exempelvis ökar till ett värde T1, påverkas med tiden även det material av vilket mätarhuset är gjort, vilket medför en ökning av avståndet Lu mellan givarna och en ökning av tvärsnittsarean A. Det inses att denna omständighet måste beaktas speciellt vid bestäm- ningen av volym- eller massflöden,_eftersom möjliga fel vid sådan bestämning potentieras.

Mot denna bakgrund är ändamålet med föreliggande uppfinning att åstadkomma en anordning vid en mätare av inledningsvis nämnd typ, vilken anordning undanröjer de onoggrannheter som temperaturförändringar kan medföra hos nämnda mätare.

Enligt uppfinningen uppnås detta genom att ett kompenseringsorgan i ljudlinjens förlängning är anbringat mellan åtminstone ett av transducerfästena och den till- hörande transducern, vilket kompenseringsorgan är gjort av ett material med en känd längdutvidgningsfunktion och har en sådan längd sett i ljudlinjens förlängning, att en genom en temperaturförändring hos fluidet orsakad dimen- sionsförändring av fluidumpassagen på sträckan mellan transducerfästena, vilken dimensionsförändring innefattar en längdförändring av sträckan mellan transducerfästena, l0 20 30 35 512 920 4 väsentligen kompenseras av en av samma temperaturföränd- ring orsakad men mot nämnda längdförändring riktad längd- förändring av kompenseringsorganet.

Fackmannen inser att ett sådant kompenseringsorgan är förhållandevis lätt att åstadkomma och dimensionera, eftersom olika materials längdutvidgningsfunktioner är väl dokumenterade och inom rimliga temperaturgränser uppvisar ett väsentligen linjärt förlopp. Fackmannen inser dessutom att det genom val av material med större längdutvidgningsfuntion för kompenseringsorganet tack vare uppfinningen går att åstadkomma mycket kompakta men ändå noggranna mätare, och att det trots val av material med olinjär längdutvidgninsfunktion, såsom plaster, tack vare uppfinningen ändå är möjligt att åstadkomma billiga mätare med godtagbar noggrannhet. Olika på dessa insikter baserade utföringsformer av uppfinningen anges i de underordnade patentkraven.

För en ultraljudsmätare, som är av den i fig l visade diagonaltypen och har en fluidumpassage med ett runt tvärsnitt, kan man uttrycka avståndet Lu mellan nämnda transducers enligt nedan, varvid $ är vinkeln mellan ljudlinjen och fluidumpassagen, Du är transducer- diametern, Dp är passagens diameter och ap respektive dt är längdutvidgningskoefficienter för passagen respektive kompenseringskroppen antaget en linjär längdutvidgnings- funktion.

Dp(1+apAT) sin (á +Duwnø(1+apAT) Tvärsnittsarean A kan uttryckas som: 1 2 2 A=z7rDp (h-ap AT) Detta ger om eq = ImA: 10 15 20 25 512 920 _ 5 1 Dp(1+a AT) eq=z --Si-Ií-+Dutanø (1+apAT) rrDp2(1+ap AT)2 Temperaturberoendet åskådliggörs av derivatan med avseende på temperaturen, varvid eqd = diff(eq, dT): 1 Dpaß 2 2 eqd=z Sínø +Dutanøap frDp (1+apAT) 1 D (1+ AT) +ší +Dutanø(I+apAT) rrDpz (1+apAT)ap Tvärsnittsarean gånger transduceravstàndet, dvs ALu, kommer att få ett temperaturberoende på grund av längd- utvidgning med temperaturen. Detta kommer att i sin tur medföra ett fel i ultraljudsflödesmätare baserade på transit-time- eller sing-around-teknik.

Genom att enligt uppfinningen införa en transducer med en kompenseringskropp, som verkar motsatt fluidum- passagens temperaturberoende längdförändringar, kan detta temperaturberoende nästan helt motverkas. Använder man dessutom ett material med en annan längdutvidgnings- koefficient kan utformningen av transducern med kompense- ringskroppen göras mycket kompakt och enkel. Införing av en sådan transducer med kompenseringskropp k i uttrycket för Lu ger: _Dp(1+apAT) _ sinø +2L,(1+apA7)-2 L, (1+a, AT) Lk ll +Dutançó (1+apAT) och om eqk = LkuA: 1 Dp(1+ap AT) eqk=z Sinø +Dutanç5 (1+apAT) +2L,(1+ap An-2L,(1+a, AI) )fi1>p*(1+ap An* 512 920 6 Genom att söka minima för temperaturberoendet genom differentiering med avseende på AT är det möjligt att bestämma hur ingående komponenter ska dimensioneras för att ge ett i det närmaste totalt oberoende av tempera- turen, alltså eqd_k = diff(eqd, AT): (fl eqd k=líDfpap+Dutanqfia +2L a)fzDp2(1+a AT)2 '_ 4 smø p ' ' P 1 Dp(1+apAI) +šß-ïšmí--+Dumnø(l+apAT) +21., (hr-ap ATÜ-2L,(I+a, AT) )rr Dp: (1+ap Anal, Detta ger för Lt_eqd_kO = solve (eqd_k= O, L(t)): å. 2 lO (Dp+Dpap AT+Dutangó sinø+Dutanø sind» ap AT) /(sinç5 (-ap -Bapz AT+a, +3a,ap AD) Lt_eqd_kO= ap För L(t) = Lt_eqd_kO erhålles då: L, =-2'ap (Dp+DpapAT+Dutanq5 sinø +Dutanø sing) apAT /mnø (flp-sapzmmaß a, apan) 15 Det framgår således av det ovan stående att det enligt uppfinningen är möjligt att med utgångspunkt från kända dimensionsförhållanden för en i övrigt godtycklig geometri vid en referenstemperatur TO och med kännedom om 20 längdutvidgningsfunktionerna för mätarehuset och kompen- seringsorganet beräkna en i sammanhanget lämplig längd Lt för detta organ, och det inses att det är möjligt att optimera kompenseringsorganets utformning genom att i be- räkningen även beakta temperaturpåverkan på transducer- 25 diametern Du och passagediametern Dp. 10 15 20 25 30 35 512 920 7 Dessutom inses det att det inte i alla sammanhang är nödvändigt att utnyttja kompenseringsorganet för kompen- sering både för tvärsnitts- och längdförändringar. Om man mot denna bakgrund endast önskar kompensera för fluidum- passagens temperaturberoende längdförändringar, kan man förenkla de nödvändiga beräkningarna avsevärt. De för- hållanden som därvid ska råda kan utifrån avståndet Lu mellan ovan nämnda transducers skrivas som: L, = L, (1 +01, (TO _ T))-2L,(1a,(1;, _ 1)) där Lb är avståndet mellan tranducerfästena, L; är kompen- seringsorganets längd, TO är aktuell temperatur, ut är kompenseringsorganets längdutvidgningsfunktion och ap är husets längdutvidgningsfunktion. Differentiering av denna ekvation med avseende på temperatur ger då: dLu=Lba,,-2L,a, För att dLu ska vara noll måste gälla att: Lbab =2L,a, alltså: LI = Lbab 2a I I det följande beskrivs uppfinningen närmare under hänvisning till bifogade schematiska ritningar, på vilka mot varandra svarande hänvisningsbeteckningar använts för mot varandra svarande detaljer och på vilka: fig l, vy som med hjälp av en känd mätare illustrerar principen som redan har diskuterats, är en schematisk för sing-around-tekniken; fig 2 visar en mot mätaren i fig l svarande mätare innefattande en anordning enligt uppfinningen; 10 20 25 30 35 512 920 8 fig 3 visar en alternativ mätare innefattande en anordning enligt uppfinningen; fig 4 är ett diagram som visar temperaturberoendet för en känd mätare; och fig 5 är ett diagram som visar temperaturberoendet för en mätare innefattande anordningen enligt uppfin- ningen.

Fig l har redan beskrivits ingående ovan och tas därför inte upp ånyo.

Fig 2 visar en mätare motsvarande den i fig l, vilken innefattar ett hus 1, genom vilket en fluidum- passage 2 sträcker sig. Passagen 2 har två mittemot var- andra anordnade och snett mot passagen 2 sig sträckande grenar 15, l6. Dessa definierar var sin botten som till- lika definierar var sitt transducerfäste 3, 4. Mellan dessa fästen föreligger en sträcka Lb, som påverkas så vid temperaturförändringar, att sträckan växer med ökande temperatur ock krymper med avtagande temperatur. På varje 6 monterad. transducerfäste 3, 4 är en transducer 5, Dessa transducers 5, 6 är som vid den kända mätaren akus- tiskt anordnade mittemot varandra och är inrättade att längs en ljudlinje l över en sträcka Lu till den mot- stående transducern 5, 6 sända och från denna mottaga ljudpulser. Dessa ljudpulser får därvid passera genom ett fluidum, som i en strömningsriktning a strömmar genom fluidumpassagen 2.

Eftersom sträckans Lu längd påverkas av temperaturen och detta även påverkar den för fluidumströmmen beräknade hastigheten v, är enligt uppfinningen bakom vardera transducer 5, 6, mellan denna och det tillhörande trans- ducerfästet 3, 4 en kompenseringskropp 8, 9 anordnad.

Denna kropp 8, 9 har en enligt ovan beräknad större tem- perutvidgningsfunktion än huset l och bidrar således till att den tidigare förekommande temperaturpàverkan på sträckan Lu upphävs genom motriktad utvidgning. Detsamma gäller vid motsvarande dimensionering givetvis även för 10 20 25 30 35 i 512 920 9 annan mekanisk påverkan som temperaturförändringar kan ha, exempelvis på fluidumpassagens 2 tvärsnittsarea.

I fig 3 visas en annan typ av mätare. Även den inne- fattar ett hus 1, genom vilket en fluidumpassage 2 sträcker sig. Fluidumpassagen 2 är dock i detta fall U- formig och har ett rakt parti 10, till vilket vid ändarna 11, 12 två vinkelräta krökar 13, 14 ansluter. Krökarna 13, 14 definierar vardera ett fäste 3, 4 för vardera en transducer 5, 6. Mellan fästena 3, 4 föreligger som ovan ett temperaturberoende avstånd Lb och mellan nämnda transducers 5, 6 ett avstånd Lu. Mellan respektive fäste 3, 4 och tillhörande transducer 5, 6 är åter en längd- kompenseringskropp anordnad, vilken kropp är så dimensio- nerad och utförd i sådant material, att de enligt uppfin- ningen önskade förhållandena uppfylls.

I fig 4 och 5 redovisas dels för en mätare av känt slag, dels för en mätare innefattande en kompenserings- anordning enligt uppfinningen diagram som åskådliggör av temperaturförändringar åstadkomna fel. Genom att därvid avbilda [(LuA)(T)]/[ImA)(T0)] som funktion av temperaturen är det möjligt att tydligt åskådliggöra temperaturberoen- det. metall (a = 2x1OÜ) och för kompenseringsanordningen har I de båda visade exemplen består mätarehuset av plastmaterial (a = 2xl0“) använts. Som synes blir felet vid användning av anordningen enligt uppfinningen mindre än 0,002 procent, medan det för den kända mätaren är cc 0,6 procent sett över ett temperaturintervall på O-100 °C, alltså drygt faktorn 100 mindre än för den kända mätaren. Uppfinningen kan således användas antingen för att på ett enkelt sätt åstadkomma mycket noggranna mätare eller för att tillverka mätare med hög noggrannhet av billigare material än tidigare. Försök med ett mätarehus helt i plast har således visat att det utan större svårighet är möjligt att inom ovan nämnda temperatur- intervall tack vare uppfinningen begränsa felet till 0,6 procent.

Claims (7)

lO 15 20 25 30 35 512 920 10 PATENTKRAV

1. Anordning vid en mätare för flödesmätning, vilken (1), material med en känd längdutvidgningsfunktion och genom (2) ducers (5, 6), som akustiskt sett motstäende varandra är mätare innefattar ett hus vilket är gjort av ett vilket en fluidumpassage sträcker sig, tvä trans- anbringade pä var sitt transducerfäste (3, 4) och som är inrättade att repetitivt väsentligen längs en ljudlinje (l) och över en sträcka LM mellan nämnda transducers (5, 6) mot respektive motstàende transducer (5, 6) utsända ljudpulser i ett fluidum, som i en riktning (a) strömmar genom fluidumpassagen (2), och att mottaga ljudpulser (5, 6) en elektronik- frän respektive motstäende transducer efter passage genom fluidet, och och beräknings- (7), (5, 6) för excitering och avläsning av dessa och som är inrättad t-) 4 enhet som är ansluten till nämnda transducers att med hjälp av ljudpulsernas löptider (tu över sträckan 1% mellan dessa bàde medströms och motströms fluidets strömningsriktning (a) beräkna volym- och/eller massflödet och/eller fluidets strömningshastighet v genom (2), k ä n n e t e c k n a d (8, 9) i (l) är anbringat mellan åtminstone ett av transducerfästena (3, 4) (5, 6), vilket kompenseringsorgan (8, 9) är gjort av ett material med en fluidumpassagen av att ett kompenseringsorgan ljudlinjens förlängning och den tillhörande transducern känd längdutvidgningsfunktion och har en sàdan längd sett (1) turförändring hos fluidet orsakad dimensionsförändring av i ljudlinjens förlängning, att en genom en tempera- fluidumpassagen (2) pà sträckan Luxnellan transducerfäs- tena (3, 4), vilken dimensionsförändring innefattar en längdförändring av sträckan Lp mellan transducerfästena (3, 4), väsentligen kompenseras av en av samma tempera- turförändring orsakad men mot nämnda längdförändring rik- tad längdförändring av kompenseringsorganet (8, 9). 10 15 20 25 512 920 ll

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att materialet, som kompenseringsorganet (8, 9) är gjort av, har en väsentligen linjär längdutvidgnings- funktion.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a d av att materialet, som kompenserings- organet (8, 9) är gjort av, har en större längdutvidg- ningsfunktion än det material av vilket huset (1) är gjort.

4. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda dimensionsförändring av fluidumpassagen (2) innefattar en förändring av fluidumpassagens tvärsnittsarea A.

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att fluidumpassagens tvärsnittsarea A är väsentligen cirkulär.

6. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att fluidumpassagen (2) har tvà motstàende och i förhållande till strömningsriktningen (a) med en vinkel (15, 16), är inrättat. ($) snedställda grenar i vilka vardera ett av transducerfästena (3, 4)

7. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att fluidumpassagen (2) har ett rakt parti (10), fràn vars ändar (ll, 12) vardera en passagegren (13, 14) skjuter ut, varvid vardera ett transducerfäste (3, 4) är inrättat vid vardera ände (11, 12).