SE515156C2 - Sätt och anordning för bestämning av flödeshastigheten hos ett i en kanal strömmande medium - Google Patents

Description

anno» neon: 20 25 30 o o o | en 515156 n un" e vu en 1- un. so; n s. . , . , e ø - -- -- e s = = = ; z a . 2 = = a '. .. u u n » ø « a o. o lerna inte utsändes och mottages samtidigt, vilket medför, att en tillfällig förändring av flödeshastigheten kommer att påverka beräkningen av flödeshastigheten. En ytterli- gare nackdel är att extremt dyra kretsar erfordras vid den ifrågavarande metoden. Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma ett sätt och en anordning för be- stämning av flödeshastigheten hos ett i en kanal strömmande medium, vilka undanrö- jer den bristande exaktheten vid de ovan beskrivna förfaringssätten och gör det möj- ligt att använda mindre dyra kretsar för genomförandet av de olika funktionema.

För tillgodoseende av detta ändamål kännetecknas sättet enligt uppfinningen av att bestämningen av fasförskjutningen mellan signalema sker under kompensation för de pulsformiga, oscillerande signalernas uppehållstid i mediet. Fasförskjutningen mellan signalerna korrigeras alltså med hänsyn till signalemas hastighet i mediet så att den fasförskjutning, som utnyttjas för beräkningen av flödeshastigheten utgöres av den fasförskjutning mellan signalerna, som föreligger vid en och samma uppehållstid för signalerna i mediet.

Det är vid sättet enligt uppfinningen föredraget, att de båda pulsformiga, oscillerande signalerna samtidigt sändes genom mediet från var sin på avstånd från varandra i mediets flödesriktning anordnade signalgeneratorer mot var sin signalmottagare, varvid det är lämpligt att använda signalgeneratorer, som kan omställas till signalmot- tagare. Härvid utsändes de båda pulsformiga, oscillerande signalema från var sin av signalgeneratorerna mot den andra signalgeneratorn och omställes signalgenerato- rerna till signalmottagare, innan de utsända, pulsformiga signalema ankommer till dessa.

Det är vid sättet enligt uppfinningen föredraget, att signalerna utsändes och mottages vid motsatta sidor av kanalen och att bestämningen av fasförskjutningen mellan sig- nalerna sker under kompensation även för vinkeln mellan signalernas rörelseriktning och mediets flödesriktning.

Lämpligen tillföres var och en av signalgeneratorerna en sinusformad, pulsformig spänning, vilken av signalgeneratorerna omvandlas till en ultraljudsignal, vilken via det strömmande mediet tillföres signalmottagaren och av denna omvandlas till en si- nusformad, pulsformig spänning. De sinusformade, pulsformade spänningarna från canon annan 20 25 30 515 15-6 3 ou :nu a n signalmottagama ledes till en analog fasdetektor för bestämning av fasförskjutningen mellan de sinusformade, pulsformiga spänningarna. Härvid kan kanalen för det strömmande mediet vara bildad av ett rör, vilket består av ett material, som tillåter ultraljudet att passera utan allt för stor dämpning eller avledning. Rörväggarna bör dock bestå av ett relativt homogent material, vilket ger bättre och renare signaler. För att undvika de problem, som kan uppstå, då ultraljudet passerar rörväggarna, är det även möjligt att anordna signalgeneratorema inuti röret.

Uppfinningen omfattar även en anordning för genomförande av sättet.

Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas under hänvisning till bifogade rit- ningar.

Fig. 1 visar schematiskt en anordning enligt uppfinningen, vilken åskådliggör de prin- ciper, som ligger till grund för uppfinningen.

Fig. 2, 3 och 4 visar schematiskt altemativa anordningar enligt uppfinningen.

Fig. 5 åskådliggör sättet och anordningen enligt uppfinningen i form av ett logikschema.

Fig. 6 åskådliggör i form av ett blockschema den i anordningen enligt uppfinningen ingående elektroniken.

Den i fig. 1 schematiskt visade anordningen är avsedd för att bestämma flödeshas- tigheten hos ett genom ett rör 2 strömmande medium, tex en vätska, vilken strömmar genom röret 2 i pilarnas 4 riktning. Anordningen innefattar två till röret 2 anslutna sensorenheter 6 och 8 och en elektronisk beräkningsenhet 10. Sensorenhetema 6 och 8 utgöres av omställbara sändare/mottagare för ultraljud och är anordnade vid var sin sida av röret 2 på avstånd från varandra i rörets 2 längdriktning och så inrikta- de, att ultraljud, som utsändes från den ena sensorenheten 6 eller 8 träffar den andra sensorenheten 8 eller 6. Sensorenhetema 6 och 8 tillföres under förutbestämd tid och samtidigt en sinusformad spänningspuls. Spänningspulsema omvandlas i sensoren- heterna till var sin ultraljudpuls av i sensorenheterna anordnade, piezoelektriska ele- ment. Den i sensorenheten 6 alstrade ultraljudpulsen lämnar sensorenheten i den av pilen 12 visade riktningen mot sensorenheten 8, samtidigt som den av sensorenheten 515 156 91-1? 62"? *'==ïï. i' * 4 š--z ä; :-_::__:=:__: ' ' 88-- a. 8 alstrade ultraljudpulsen lämnar sensorenheten 8 i den av pilen 14 visade riktningen mot sensorenheten 6. Sedan ultraljudpulserna lämnat sensorenheterna 6 och 8 om- ställes dessa till mottagningsläge, så att sensorenheten 6 kan motta ultraljudpulsen från sensorenheten 8 och sensorenheten 8 kan motta ultraljudpulsen från sensoren- s heten 6 då ultraljudpulserna ankommer till respektive sensorenhet 6 och 8_ Vid an- komsten till sensorenheterna 6 och 8 omvandlas ultraljudpulserna av de i sensoren- heterna anordnade, piezoelektriska elementen till sinusformade spänningspulser, vil- ka ledes till elektronikenheten 10. 10 Det inses, att de båda ultraljudpulser, som färdas genom det medium, som strömmar genom röret 2, båda rör sig med samma hastighet i förhållande till det strömmande mediet. Denna hastighet bestämmes av den hastighet, med vilken det ifrågavarande mediet leder ljud vid rådande temperatur- och tryckförhållanden. Det inses även att ultraljudpulsema kommer att röra sig med skiljaktig hastighet i förhållande till senso- 15 renhetema 6 och 8, eftersom ultraljudpulsen från sensorenheten 6 rör sig i mediets strömningsriktning medan ultraljudpulsen från sensorenheten 8 rör sig mot mediets strömningsriktning. Denna skillnad i ultraljudpulsemas hastighet relativt sensorenhe- terna medför att den ultraljudpuls, som lämnar sensorenheten 6 kommer att nå sen- sorenheten 8 innan den ultraljudpuls, som lämnar sensorenheten 8 kommer att nå 20 sensorenheten 6. Denna tidsskillnad kommer förutom av det strömmande mediets flödeshastighet att bestämmas av ultraljudets hastighet i mediet samt ultraljudsigna- Iernas vinkel i förhållande till mediets rörelseriktning. Den tidsskillnad, med vilken ult- raljudpulserna ankommer till sensorenhetema 6 och 8 leder till en fasförskjutning mellan de båda sinusformade spänningspulser, som alstras av de piezoelektriska 25 kristallerna i sensorenheterna 6 och 8. De sinusformade spänningspulsema 16 och 18, som schematiskt visas i tig. 1 kommer alltså att uppvisa en fasförskjutning 20, vilken såsom ovan nämnts i huvudsak bestämmes flödeshastigheten hos mediet i röret 2 men även påverkas av ultraljudpulsernas hastighet i mediet och ultraljudpul- sernas rörelseriktning relativt det strömmande mediets flödesriktning. so .šïïz Elektronikenheten 10 registrerar den tid, som det tagit för den från sensorenheten 6 ,"'; utsända ultraljudpulsen att förflytta sig till sensorenheten 8, varvid fasförskjutningen 20 i elektronikenheten 10 korrigeras med hänsyn till olika ultraljudhastigheter i det genom röret 2 strömmande mediet. Efter korrigering ledes de sinusformade spän- 35 ningspulserna till en analog fasdetektor, där fasförskjutningen mellan pulserna be- 515 156 . H ,, , . H . _ _ ,. g n ø 0 I " ' ., . n c I I.. .ü f. ß-f: !'Z 2. . . f f 3 _ . . v. ._ . __ . . . . .. 5 Ä o u I I' " " " ' stämmes. Härvid tar man även hänsyn till vilken frekvens, som använts, och resulta- tet användes för att med stor noggrannhet bestämma tidsdifferensen mellan spän- ningspulserna och därmed mediets flödeshastighet i röret 2. För bestämningen av ljudhastigheten i mediet relateras den ovan angivna tiden, som det tagit för ultraljud- s signalerna att passera mellan sensorenheterna 6 och 8 till den tillryggalagda vägen, dvs storleken av rörets innerdiameter samt signalsträckans vinkel relativt det ström- mande mediets rörelseriktning.

De beräkningar, som genomföres i elektronikenheten 10 är således följande: a) ultraljudsignalernas hastighet i mediet beräknas genom att den tid, som det tagit för ultraljudsignalerna att passera från sensorenheten 6 till sensorenheten 8 sätts i relation till rörets 2 innerdiameter samt signalvägens vinkel relativt medi- ets rörelseriktning, b) signalernas fasförskjutning mätes och skalas mot den använda frekvensen för att ge samma utsignal oberoende av använd frekvens, och c) den erhållna fasförskjutningen skalas mot rådande ljudhastighet för att ge sam- 20 ma utsignal oberoende av ljudets hastighet i mediet varpå sistnämnda utsignal direkt kan utnyttjas för angivelse av mediets flödeshastighet i röret 2.

Exempel 1 25 Vid användning av anordningen enligt fig. 1 och vid följande värden på rörets 2 in- nerdiameter, vinkeln mellan ultraljudsignalernas sändningsriktning och mediets strömningsriktning, frekvens hos signalerna samt fasförskjutningen erhålles genom nedanstående beräkningar värdet på mediets flödeshastighet. nnqvu _ _ 30 Rörets innerdiameter: 200 Vinkel: 20° Frekvens: 2 MHz Medium: Vatten, ljudhastighet 1390 m/s Tidsenhet: Nanosekunder 35 Digital upplösning, fasförskjutning: 1024 bitar 20 25 515156 u n f Q en o Digital upplösning, tid för signal i röret: 200 ns (för bestämning av ljudhastigheten i mediet) Mätning av fasförskjutning: Flöde 0 m/s Flöde 1mls Flöde 6mls Tid från A-B 200/sin20/1390- 200lsin20/1390- 200/sin20/1390- -0*cos20 = 153119ns -1*cos20 = 153156ns -6*cos20 = 153345ns Tid från B-A 200/sin20/1 390+ 200/sin20/1 390+ 200/sin20/1390+ +0*cos20 = 153119ns +1*cos20 = 153081ns +6*cos20 = 152893ns Differens A-B 0 75 452 Fasförskjutning (gader 27,12Agrader 162,76 grader Digital upplösning 0 154 926 Kommentar: Den digitala avläsningen av den analoga mätningen av fasförskjutningen innebär att metoden med mycket enkla medel ger en tidsupplösning på ca en halv nanosekund i detta exempel.

Mätning av ljudhastighet i mediet: (Minimal inverkan om upp- eller nedströms väljs för detta) Tid från A-B (samma som ovan) 153119ns 153156ns 1 53345115 Klockcykler 765 765 766 Kommentar: Den förhållandevis långa tid det tar för signalen att passera mediet, gentemot de förändringar av denna tid som sker genom påverkan av flödet, innebär att man i praktiken kan bortse från flödets påverkan vid denna mätning. l detta exem- pel ges en noggrannhet av 765 steg för en ljudhastighet i mediet av 1390, dvs en upplösning på 1390/765 = 1,8 m/s. 1,8 m/s delat med ljudhastigheten 1390 ger då ett maxfel på 0,12%.

Exempel 2 Förutsättningar: Samma som ovan, men med en förändring av ljudets hastighet i mediet (exempelvis orsakat av en temperaturförändring). Medium: Vatten, ljudhastig- het 1430 m/s. luras anor: 20 25 515156 Mätning av fasförskjutning: n. f .4 n u u Flöde 0 mls Flöde 1m/s Flöde 6m/s Tid från A-B 148836ns 148871 ns 149049ns Tid från B-A 148836ns 148800ns 148622ns Differens A-B Ons 71 ns 427ns Fasförskjutning ___ _ OÅrader 25,63 grader 157,78 grader Digital upplösning 0 145 897 Mätning av ljudhastighet i mediet: Tid från A-B (samma som ovan) 148836ns 148871ns 149049ns Klockcykler 744 744 745 De digitala värden som erhålles i de båda ovanstående exemplen kan, genom att sättas i relation till använd vinkel, samt använd frekvens, enkelt konverteras till verk- liga värden för tidsdifferens och ljudhastighet. Detta i sin tur ger flödeshastigheten i mediet, oberoende av vilken ljudhastighet som råder i mediet och vilken frekvens som använts. l fig. 2, 3 och 4 visas altemativa sätt att ansluta sensorenheter till ett rör genom vilket mediet strömmar.

I fig. 2 visas ett rör 2a, genom vilket mediet strömmar i pilamas 4a riktning. Två sen- sorenheter 6a och 8a av samma slag som sensorenhetema 6 och 8 enligt fig. 1 är anordnade vid samma sida av röret. Sensorenhetema 6a och 8a alstrar på samma sätt som sensorenheterna enligt fig. 1 ultraljudpulser, vilka utsändes i riktningarna 12a och 14a. Ultraljudpulsema studsar mot den relativt sensorenheterna 6a och 8a motsatta väggen av röret 2a på sådant sätt, att den av sensorenheten 6a utsända ultraljudpulsen ankommer till sensorenheten 8a och den av sensorenheten 8a utsän- da ultraljudpulsen ankommer till sensorenheten 6a. Sensorenheterna 6a och 8a är på samma sätt som sensorenheterna enligt fig. 1 omställbara mellan sändning och mot- tagning.

Det i fig. 3 visade röret 2b genomströmmas av mediet i pilarnas 4b riktning och har ett stort U-format parti 22. Vid denna utföringsform är sensorenheterna 6b och 8b anord- nade vid ändarna av livdelen av rörets 2b U-formade parti 22 på sådant sätt, att de av sensorenheterna 6b och 8b utsända ultraljudsignalerna har en av pilarna 12b och 14b visad riktning, som sammanfaller med mediets flödesriktning. Vid denna utföringsform 515 155 az-:æ =.";":= »"~.-.:: Ju- n. u" n. s". au; a n. s s u n . 8 . . . '. .."..' '..' .. .... ..' erfordras således ingen kompensation för vinkelawikelse mellan ultraljudsignalerna och mediets flödesriktning.

Vid den i fig. 4 visade utföringsformen strömmar mediet genom röret 2c i pilamas 4c s riktning och uppbåres sensorenheterna 6c och 8c centralt i röret medelst radiellt rik- tade hållare 24. Liksom vid utföringsformen enligt fig. 3 utsändes ultraljudsignalerna från sensorenheterna 6c och 8c i sådana av pilarna 12c och 14c visade riktningar, som är parallella med mediets flödesriktning. Inte heller vid denna utföringsform er- fordras alltså kompensation för vinkelavvikelse mellan ultraljudsignalernas riktning io och mediets flödesriktning utan endast kompensation för ultraljudsignalemas uppe- hållstid i mediet, dvs skiljaktiga ljudhastigheter hos ultraljudet i mediet.

Fig. 5 åskådliggör sättet och anordningen enligt uppfinningen i form av ett block- schema. 15 Block 32 betecknar de icke föränderliga storheterna vid anordningen enligt uppfin- ningen, nämligen innerdiametern hos det rör, genom vilket mediet strömmar och vin- keln mellan ultraljudsignalerna och mediets flödesriktning. 20 Block 34 betecknar igångsättning av anordningen med inställning av frekvensen hos de sinusformiga spänningspulser, som matas till sensorenhetema. Sensorenhetema utsänder till följd härav sina ultraljudpulser i mediet, varefter sensorenheterna omstäl- les till mottagning. Om signalerna mottages, vilket bestämmes av blocket 38, matas informationen vidare till blocket 40. Om signalerna däremot inte mottages av respek- 25 tive sensorenhet beordrar blocket 30 via blocket 42 ändring av frekvensen hos de sinusformiga spänningspulser, som tillföres sensorenheterna till dess att korrekt mottagning sker. I blocket 40 bestämmes, huruvida ultraljudsignalernas amplitud lig- ger över ett undre gränsvärde. Om så inte är fallet sker återkoppling till blocket 42 för ny inställning av frekvensen hos de sinusformade spänningspulsema. Om amplitud- 30 värdet ligger över det undre gränsvärdet beordras blocken 44 och 46 att avkänna ultraljudpulsernas uppehållstid i mediet respektive fasförskjutningen mellan de av ult- raljudpulserna i sensorenheterna, som omställts till mottagning, alstrade, sinusforma- de spänningspulserna. Informationen från blocken 44 och 46 tillföres blocket 48, som med hjälp av mottagen information, dvs 35 annan nnnnn 20 30 515156 n . n i .s . =.-;= nnn nnn n n nnnn n n n n n n n n n n 9 n n n nn nn n n nn n n n n n 1. rörets innerdiameter 2. vinkeln mellan ultraljudsignalerna och mediets flödesriktning 3. frekvensen 4. ultraljudsignalernas uppehållstid i mediet (ultraljudsignalernas hastighet i mediet) F" fasförskjutningen beräknar mediets flödeshastighet i röret. Det från anordningen avgivna resultatet är betecknat med blocket 50.

Den i anordningen enligt uppfinningen ingående elektroniken framgår av fig. 6.

Uppfinningen kan modifieras inom ramen för de följande patentkraven.

Claims (7)

15 20 30 515 156 10 PATENTKRAV

1. Sätt för bestämning av flödeshastigheten hos ett i en kanal strömmande medium, vilket utgöres av en vätska eller en gas, varvid två pulsformiga, oscillerande signaler sändes genom mediet med den ena signalen riktad mot och den andra riktad med flödeshastigheten bestämmes med hjälp av den av mediets strömning orsakade signalen mediets flödesriktning, signalerna mottages och fasförskjutningen mellan de mottagna, pulsformiga signalerna, varvid de båda pulsformiga signalerna utsändes från var sin på avstånd från varandra i mediets flödesriktning anordnade signalgeneratorer mot var sin signalmottagare och de båda pulsformiga, oscillerande signalerna samtidigt sändes genom mediet, k ä n n e- t e c k n a t av att bestämningen av fasförskjutningen mellan signalerna sker under kompensation för de pulsformiga, oscillerande signalernas uppehållstid i mediet, att de båda pulsformiga, oscillerande signalerna utsändes från var sin av signalgeneratorerna mot den andra signalgeneratorn och att signalgeneratorerna, innan de utsända, pulsformiga signalerna ankommer till dessa, omställes till signalmottagare.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att signalerna utsändes och mottages vid motsatta sidor av kanalen och att bestämningen av fasförskjutningen mellan signalerna sker under kompensation även för vinkeln mellan signalernas rörelseriktning och mediets flödesriktning.

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att var och en av signalgeneratorerna tillföres en sinusformad, pulsformig spänning, vilken omvandlas till en ultraljudsignal, vilken via det strömmande mediet tillföres signalmottagaren och av denna omvandlas till en sinusformad, pulsformig spänning.

4. Sätt enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att de sinusformade, pulsformiga spänningarna från signalmottagarna ledes till en analog fasdetektor för bestämning av fasförskjutningen mellan de sinusformade spänningarna.

5. Sätt enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att den av fasdetektorn bestämda fasförskjutningen avpassas med hänsyn till använd frekvens hos de sinusformade spänningarna för att oberoende av använd frekvens ge samma utsignal vid en och samma flödeshastighet. IS 20 25 30 35 51511156

6. Sätt enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att den erhållna utsignalen avpassas med hänsyn till den i mediet rådande signalhastigheten för att oberoende av denna signalhastighet ge samma utsignal vid en och samma flödeshastighet.

7. Anordning för att på sättet enligt krav 1 bestämma flödeshastigheten hos ett i en kanal strömmande medium, innefattande två signalgeneratorer (6, 8) för utsändning av var sin av två pulsformiga, oscillerande signaler genom mediet med den ena signalen riktad mot och den andra signalen riktad med mediets flödesriktning, två signalmottagare (8, 6) och organ för bestämning av den av mediets strömning orsakade fasförskjutningen mellan de mottagna, pulsformiga signalerna, varvid signalgeneratorerna är anordnade på avstånd från varandra i mediets flödesriktning och är anordnade att samtidigt sända de båda pulsformiga oscillerande signalerna genom mediet, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen innefattar organ för att vid bestämning av fasförskjutningen kompensera för de pulsformiga, oscillerande signalernas uppehållstid i mediet, att de båda signalgeneratorerna är anordnade att utsända de båda pulsformiga, oscillerande signalerna mot den andra signalgeneratorn och att signalgeneratorerna är anordnade att omställas till signalmottagare, innan de utsända, pulsformiga signalerna ankommer till signalgeneratorerna.