CZ188195A3 - Flow meter - Google Patents

Description

Oblast techniky '~~ —' — _____/

Vynález še týká průtokoměru kapaliny, a to druhu, který obsahuje první akustický snímač umístěný vůči druhému zvukovému snímači ve směru proti proudu kapaliny, a kde se k měření rychlosti toku kapalného média používá čas, který jednotlivé zvukové vlny potřebují k průchodu mezi oběma snímači.

Dosavadní stav techniky

Ultrazvukové zařízení pro sledování pohybu kapaliny, které používá tuto metodu, je popsáno v EP-A-0347096. Toto zařízení se dá použít k měření průtoku plynu průchodem o známém rozměru. Objem průtoku se dá vypočítat vynásobením změřené rychlosti koeficientem závislým na rychlosti. Popsané zařízení se dá použít jako část domácího plynoměru.

Nevýhodou tohoto zařízení podle dosavadního stavu techniky, t.j. EP-A-0347096 je skutečnost, že se objem průtoku musí počítat násobením měřené rychlosti koeficientem závislým na rychlosti. Vztah mezi měřenou rychlostí a objemem průtoku není lineární, což činí tuto techniku měření pro praxi složitou a nepřesnou. Proto bude výhodné, jestliže budeme schopni poskytnout pro výpočet objemu průtoku mnohem přesnější metodu.

Jak je popsáno v publikaci Teorie doby průchodu ultrazvukových průtokoměrú (j. Hemp, Cranfield Institute of technology, ze dne 27.července 1981) je, za jistých průtokových a akustických podmínek, fázový posun rovinné vlny, procházející trubicí vlivem průchodu touto trubicí proporcionální, vzhledem k objemu samotného průtoku. Je to způsobeno integračními vlastnostmi rovinné zvukové vlny.

Náhrada za mimoosový modus je popsána ve W093/00570. U této metody je použita technika prstencového přenosu, při které je každý čtvrtý svazek vln inverzní vzhledem k předchozímu svazku, a to za účelem anulování efektu šíření modusú vyššího řádu v potrubí.V US-A-4365518 je uveden zvukový průtokoměr, ve kterém je dráha toku prútokoměrem rozdělena do množství prodloužených trubiček, které jsou dostatečně velké, vzhledem k délce ultrazvukové vlny, takže ultrazvuková tlaková vlna prochází každou trubičkou bez podstatného zkreslení. Dosavadní stav techniky není schopen dosáhnout lineární odezvy na významnější vzdálenost.

V GB-A-2209216 se uvádí, že zavedením průchodů o průměru, který je pod jistou hodnotou průřezu, se přenáší podél dráhy toku pouze rovinná vlna. Objem průtoku se potom dá přímo spočítat bez použití koeficientu závislém na rychlosti.

Nejvyšší přesnosti se dá dosáhnout tehdy, sleduje-li měřený signál přímou dráhu přenosu, aniž by byl modifikován konstruktivními nebo destruktivními ozvěnami, které mi mohly vyvolat fázové chyby. Z toho důvodu omezení podmínek rovněž zlepšuje přesnost tím, že zajišťuje, že signály sledují přímou dráhu. Průchody toku jsou uspořádány do těsných svazků v průtokové trubičce tak, že různé dráhy průtoku kapaliny v průchodech jsou nastaveny v různé radiální vzdálenosti od střední osy průtokové trubky. To může vésti k chybám při měření průtoku.

Podstata vynálezu

Podle prvního aspektu tohoto vynálezu, obsahuje průtokoměr kapaliny dvojici snímačů, umístěných odděleně ve směru proudu kapaliny, dále prostředky pro přenos zvukových signálů kapalinou v obou směrech pomocí snímačů, a prostředky pro zpracování informací, které se týkají toku kapaliny, a které monitorují čas přenosu zvukových signálů přijímaných snímači, kde část prostoru mezi snímači určuje dráhu toku, která má strukturu toku složenou z množství rovnoběžných průchodů toku kapaliny, které axiálně vybíhají ve směru toku, kde rozměry průřezu průchodu jsou voleny tak, aby byly těmito průchody přenášeny pomocí kapaliny pouze rovinné vlny, a kde by za určitých pracovních podmínek kapalina protékala každým průchodem tak, že poměr objemu průtoku průchodem k celkovému množství průtoku zůstává konstantní, vzhledem k celkovému objemu průtoku. (J tohoto uspořádání je každý průchod reprezentativním vzorkem části celkového průtoku.

Na rozdíl od dosavadního stavu techniky, může tento vynález dosáhnout po tři dekády ±% linearity. Mezery mezi průchody jsou blokovány, aby se mezi nimi zabránilo průtoku kapaliny.

Přednost se dává tomu, aby každý průchod měl kruhový průřez. Použití kruhového průřezu má proti šestihrannému průřezu používanému v GB-A-2209216 mnoho výhod. Zvláště v tom, že umožňuje dosažení optimálního kompromisu mezi potřebou minimalizovat pokles tlaku podél dráhy toku, a maximalizovat fázový posun.

Vynálezu bylo dosaženo uspořádáním symetrické soustavy se snímači umístěnými centrálně na koncích dráhy toku. Průchody toku mohou být umístěny svými středy ve stejné radiální vzdálenosti od čáry, která spojuje středy snímačů, a jsou vzorem ekvivalentního toku a zvukových polí, jestliže je tok izolován od vnějších vlivů. Ačkoliv to není podstatné, může se toho rovněž dosáhnout vytvořením rotačního toku kapaliny ve vstupní komoře, jestliže v axiálním směru průchodů neexistuje žádná složka rychlosti.

V souladu s druhým aspektem tohoto vynálezu, poskytujeme prútokoměr kapaliny, který obsahuje pár snímačů umístěných od sebe ve směru toku kapaliny, prostředky pro vytvoření zvukových signálů, které se přenáší kapalinou v obou směrech pomocí snímačů, a prostředky pro příjem informací týkajících se toku kapaliny a to tak, že se monitoruje čas přenosu zvukových signálů přijímaných snímači, kde část prostoru mezi snímači určuje dráhu toku, která má strukturu obsahující prstencové průchody toku, a kde snímače mají rovněž odpovídající prstencový tvar.

Ve všech těchto případech je žádoucí odstranit ze struktury toku zvukové ozvěny. Přednost se nicméně dává tomu, aby struktura toku představovala pro přicházející zvukové signály příslušné hranaté, rovinné plochy.

Prútokoměr, tak jak byl popsán, může být fyzický značně zmenšen (na velikost domovní cihly), a může se vyrábět s nízkými náklady. Jednotka, tak jak byla popsána^ je velmi vhodná pro použití jako domácí plynoměr.

Velmi malé spotřeby proudu, což vede k dlouhé pracovní době baterie, se dosahuje pomocí vysoké efektivnosti elektroakustické přeměny a jednoduchým zpracováním dat.

Konstrukce je citlivá na složení plynu, jestliže se používá jako plynoměr, a dá se rovněž přizpůsobit pro jiné tekutiny, včetně kapalin, například pro vodu.

Přehled obrázků na výkrese

Vzor průtokoměru kapaliny, podle tohoto vynálezu, bude nyní popsán s odvoláním na přiložené výkresy, na kterých :

obr.l znázorňuje blokové schéma celého systému, obr.2 znázorňuje příčný řez aparátem průtokového čidla obr.3 znázorňuje zjednodušenou konstrukci průtokové trubičky, obr.4 znázorňuje alternativní zjednodušenou konstrukci průtokové trubičky, obr.5 znázorňuje příčný řez vzorku struktury toku z obr.l podél čáry A-A,

obr. 6	znázorňuje příčný druhého vzorku,	řez	podobně	jako	na	obr.5,	ale	u
obr. 7	znázorňuje příčný třetího vzorku,	řez	podobně	jako	na	obr.5,	ale	u
obr. 8	znázorňuje příčný	řez	podobně	jako	na	obr.5,	ale	u

čtvrtého vzorku, obr.9 znázorňuje piezoelektrický snímač, přenášející zvukové vlny do průchodu z obr.8, obr.10 znázorňuje půdorys obr.9, na kterém jsou zobrazeny radiální oscilace piezoelektrického prvku, obr.11 zobrazuje konvenční reproduktor, obr.12 znázorňuje druhý vzorek prstencového snímače přenášející vlny do prstencového průchodu, a obr.13 znázorňuje příčný řez podobně jako na obr.5, ale pátého vzorku.

Příklady provedení vynálezu

Průtokoměr znázorněný na obr.l a 2 se skládá ze dvou částí: průtokového čidla 1 a elektronického měřícího systému 2. Kapalina vstupuje do průtokového čidla u vtoku 3. a vystupuje u výtoku 4 po tom, co protekla měřící trubičkou 5 spojující komoru vtoku a výtoku 6 a 7.

Proud kapaliny je sondován v průtokovém čidle použitím dvou ultrazvukových snímačů 8 a 9, které emitují a přijímají zvukové pulsy v měřící trubičce. Uplynulý časzt od vyslání signálu po jeho příjem, je měřen ve směru proti proudu (+) a po proudu (-) elektronickým systémem 2. Na základě tohoto měření je vypočítán průtok tak, jak to bylo popsáno dříve.

Elektronický systém 2 obvykle obsahuje generátor signálu, který uvádí v činnost snímač 8 pro měření toku proti proudu, a přepíná na snímač 9 pro měření po proudu. Zvukové signály se šíří přes měřící trubičku 5 a jsou přijímány druhým snímačem. Přijímané signály jsou digitalizovány a vedeny do digitální jednotky pro zpracování signálu odkud je průtokový signál vyveden.

Komora vtoku 6 je válcovitá dutina do které je kapalina přicházející přes vtok 2 tangenciálně vstřikována, za účelem vytvoření rotačního průtoku mezi komorou 6, která nemá v axiálním směru měřící trubičky 5 žádnou složku rychlosti. Důvodem proč se to dělá, je snaha odstranit vlivy proudění proti proudu vtoku, které by mohly ovlivnit rychlost proudění v měřící trubičce 5. Měřící trubička je tím odpojena od vnějších rušivých vlivů ve vstupním proudění, a tok kapaliny trubičkou je rotačně symetrický okolo čáry 32, která spojuje středy snímačů.

Vnitřní držák trubičky může být tvarován tak, aby odrážel jakýkoliv signál pryč od přímé dráhy tak, aby ozvěny jím odražené neinterferovaly se signálem přímé dráhy, dokud nebylo měření provedeno. Může se to realizovat pomocí hranatých ploch s malým průřezem, které mohou signál rozptýlit a odrazit směrem k delší interferenční dráze nebo k absorpční dráze. Ozvěny jsou rovněž známy vlivem odrazu zvukového signálu od konce 11 měřící trubičky 5 zpět k snímači 8 nebo 9. Dá se tomu vyhnout konstrukcí trubičky 5 tak, jak je to znázorněno na obr. 3 nebo 4. Měřící trubička 5 má množství průchodů (61,62) nebo (71,72). Konce (11,11') měřící trubičky 5 jsou zúžené tak, aby odrážely signál 12 směrem od snímače a od přímé dráhy, což vede k tomu, že odražené ozvěny v průběhu měření neinterferují s přímou drahou signálu.

Směrovost snímače může být zabezpečena tak, aby minimalizovala sílu signálu, který neprochází měřicí trubičkou.

Objem průtoku přes měřič je odvozen od měřené rychlosti. Jestliže je během proudění rychlost stálá, objem průtoku bude:

Q= U A kde Q je objem průtoku, U je stálá rychlost proudění a A je příčný průřez oblasti průtoku.

V důsledku působení viskozity však rychlost není stálá, a vykazuje od vtoku v kruhovém potrubí vzrůstající parabolické rozložení.

Profil této rychlosti je dále modifikován nárazy turbulence při vysokých hodnotách průtoku.

Za těchto podmínek nemůže být rychlost prostě násobena plochou příčného řezu, abychom dostali hodnotu velikosti průtoku. Hodnoty je nutno korigovat.

Naneštěstí je profil rychlosti získaný v potrubí funkcí mnoha proměných, a vykazuje nelineární chování. Existují standardy metod zprůměrování získaných hodnot, které se snaží tyto nedostatky opravit, ale jsou příliš nákladné a pro praxi nepřesné.

Tento průtokoměr využívá integrujících vlastností rovinné zvukové vlny. Rovinná vlna procházející trubici získá během průchodu fázový posun. Za jistých podmínek průchodu a zvukových podmínek, je tento posun úměrný vlastnímu průtoku, tak jak je to uvedeno v Teorie doby průchodu ultrazvukových průtokoměrů (J.Hemp, Cranfield Institute of Technology, ze dne 27.července 1981, pp 142144).

Aby se zajistilo, že čas průchodu At je měřen pouze rovinnou vlnou, musíme odstranit modusy vyššího řádu časovou separací a/nebo pracovat pod mezní frekvencí měřící trubičky.

U současného měřiče, je měřící trubička 5 konstruována tak, aby přenášela pouze rovinné vlny s frekvencí používané pro zkoumání toku. Pro každou skupinu frekvencí, průtok, impedance stěny potrubí a geometrie potrubí odpovídají mezní frekvenci, kde pouze pod hodnotou této frekvence se zvuk bude šířit ve svém prvním modusu, nebo jako rovinná vlna.

Při frekvencích vyšších než je mezní frekvence, budou se šířit modusy vyššího řádu, tedy různé modusy šířící se rozdílnou skupinovou rychlostí. Tento rozdíl rychlostí se může rovněž využít pro izolování přenosu rovinných vln, diferenciací časových úseků mezi způsoby šíření.

U kruhového potrubí je dominantním parametrem nad mezní frekvencí průměr potrubí. Tím můžeme na problém pohlížet z hlediska mezního průměru. Tento je definován jako průměr, pod jehož hodnotou se bude zvuk šířit pouze jako rovinná vlna při dané frekvenci.

Vztah mezi mezními rozměry potrubí a mezní frekvenci je zhruba lineární, a nemusí být znám zcela přesně. U perfektně tuhého kruhového potrubí tento požadavek znamená používat menší průměr, než je hodnota 0.586 λ, kde A je vlnová délka signálu šířícího se volným prostorem. Tento požadavek můžeme pominout, bereme-li v úvahu pokles viskozity, pružnost stěn a kvalitu povrchu (texturu). Všechny tyto aspekty působí ve prospěch omezení nebo zabránění šíření vyšších modusů, a k dosažení toho, aby se potrubím šířila pouze rovinná vlna nad stanovenou mezní frekvencí. Tak například, někdo může navrhnout potrubí pokryté materiálem absorbujícím zvuk, který efektivně absorbuje odrazy modusů vyššího řádu a zabrání jejich šíření.

Předkládaný prútokoměr má měřící trubičku 5 s průměrem větším, než je mezní průměr pro vybranou pracovní frekvenci. Je rozdělena na množství paralelních axiálně směřujících průchodů, jejichž individuální průměry jsou pod hodnotou mezních průměrů, při 40 kHz. V průřezu má měřící trubička 5 průchody těsně u sebe, jak je znázorněno na obr.5, který je příčným řezem měřící trubičky 5, kde je znázorněno množství průchodů (51,52,53) · Mezery 33 mezi průchody 51,52,53 jsou blokovány.

Výhodou je, že se rychlost průtoku udržuje na nízké úrovni, a tím se snižuje průtočný odpor. Rovněž se snižuje hluk a zlepšuje se přesnost metody.

Oproti struktuře s těsným uspořádáním průchodů, jak je to znázorněno na obr.5, dává se přednost struktuře znázorněné na obr.6 nebo 7. Mezery 33 na obr.6 jsou odblokovány a neobsahují kapalinu. Struktury na obr.6 nebo 7 se liší od struktury s těsným uspořádáním z obr.5 následovně. Střední osa 32 spojující snímače je znázorněna na obr.5 až 7, a je kolmá k rovině průduchů. Průchody (51,52,52) na obr.5 mají různou radiální vzdálenost od osy 32. To má za následek různý průtok a zvukovou dráhu u jednotlivých průchodů, ve srovnání s jiným průchodem. Naproti tomu, všechny průchody (.61,62) na obr.6 a (71,72) na obr.7 mají stejnou radiální vzdálenost od osy 32. Dráhy toku a zvuku v těchto průchodech jsou stejné, což má za následek omezení chyb.

U všech těchto vzorků je poměr q^/Q konstantní pro všechny pracovní hodnoty Q, kde je objem průtoku zkoumaným průchodem, a Q je celkový objem průtoku mezi komorami vtoku a výtoku 6 a 7. Měření parametru q dává hodnotu pro Q.

Alternativní průchod ( příčný řez) je znázorněn na obr.8. Prstencový průchod 82 obsahuje kapalinu, a uzavírá střední pevnou část 81, kterou je masivní tyč. Část 81 je podpírána lopatkami (nejsou znázorněné), které jsou umístěny v rámci struktury, která ji obklopuje. Vzdálenost d je pod hranicí mezního průměru, aby se potlačily radiální modusy.

Obvodové modusy jsou potlačeny zabezpečením ekvivalentní odezvy vysílače/přijímače okolo obvodu. Toho lze dosáhnout vhodnou konstrukcí snímačů. Ačkoliv to není znázorněno, je zřejmé že existuje množství kombinací vzorku z obr.8 se vzorky z obr.5 a 6.

Vzorek vhodného typu snímače je znázorněn na obr.9, u kterého prstencové průchody 82 jsou příkladem prstencové oblasti vln, emitovaných piezoelektrickým snímačem 130. Snímač zahrnuje piezoelektrický prvek 133, který je spojen s kovovým diskem 131, jak je to znázorněno v průřezu na obr.9. Na obr.10 lze v půdorysu vidět piezoelektrický prvek 133, jak kmitá v radiálním směru označeném 141. což má za důsledek, že kovový disk kmitá, což je označeno čárkováním 132 na obr.9.

Druhý vzorek vhodného snímače použitý ve spojení s prstencovým průchodem je znázorněn na obr.12. Konstrukce snímače se podobá obvyklému reproduktoru s pohyblivou cívkou s permanentním magnetem, jak je to znázorněno na obr.11. Permanentní magnet 141 přenáší magnetický tok, znázorněný čárami 142. Cívka 143. spojená s membránou 145, kmitá v magnetickém poli v prstencovém prostoru 146 mezi póly permanentního magnetu 141, jako odezva na elektrický proud který jí prochází, viz 147.

U snímače na obr.12 mají konce pólů 152. 153 kónický tvar za účelem zvýšení magnetického pole mezi póly. Lehká nevodivá membrána nese na svém povrchu spirálovou cívku vodičů proudu 155. Spirálová cívka se nachází v magnetickém poli mezi póly 152, 153 a kmitá jako odezva na procházející proud. To poskytuje prstencové zvukové pole 157, které může být vstupem do prstencového průchodu 82., a které se kolem obvodu prstence nemění, tak jak je to požadováno. Je výhodné, aby se vzdálenost 159 rovnala přibližně Λ/2, kde λ je vlnová délka zvuku v plynu.

Na obr. 13 je znázorněn příčný řez jiného alternativního průchodu, který má štěrbinu 121 s rozměry h a w, (kde w je mnohem větší než h). (Stejně jako na obr. 8 a 10, kapalina teče ve směru pohledu na výkres). Hodnota h je pod mezní hodnotou průměru, a modusy směřující od osy ve směru w jsou potlačeny vhodnou konstrukcí snímače, jak je tomu v případě prstencového průchodu.

U tohoto příkladu je plocha příčného řezu A měřící trubičky 5 vybrána tak, že maximální rychlost toku je definovaná jako: U Q

A a vytváří subcyklický fázový posuv, to znamená:

c-u c+u f<l kde f je frekvence zvukové vlny, c je rychlost zvuku a 1 je vzdálenost mezi snímači.

Toto provedení zlepšuje linearitu měřiče a zjednodušuje měření. Analýza ukazuje, že redukce fázového posunu 4 0 vlivem proudu naAocjr, zajišťuje nezávislost měřeni na profilu rychlosti toku, a zvyšuje linearitu průtokoměru. Udržováním fázového posunu ve formě subcyklického posunu umožňuje, aby bylo použito stejné akviziční (vstupní-přístupové ?) okénko jak proti proudu, tak i po proudu, čímž se snižuje citlivost snímače při odezvě/zahájení. Použitím plochy A, která nevyvolává subcyklické fáze, se dosáhne plně přijatelného výkonu.

PATENTSERVI

Praha a.s.//

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Průtokoměr kapaliny zahrnuje pár snímačů 8., 9, které jsou od sebe odděleny ve směru toku kapaliny, prostředky přenosu 20, pro vyvolání zvukových signálů a jejich přenos kapalinou v obou směrech snímači, a prostředky pro zpracování informací 22 týkající se toku kapaliny, a vzniklé monitorováním času přenosu zvukových signálů příjmutých snímači, kde část prostoru mezi snímači definuje dráhu toku, sestávajíc! ze struktury toku 5, která má množství rovnoběžných průchodů kapaliny (51,52,61,62,71,72), které vybíhají rovnoběžně ve směru toku, kde jsou průměry příčných řezu vybrány tak, aby byly přes průchody kapalinou přenášeny pouze rovinné vlny, a kde za určitých pracovních podmínek kapalina protéká každým průchodem tak, že poměr objemu průtoku průchodem k celkovému objemu průtoku zůstává konstantní vzhledem k celkovému objemu průtoku.
2. 2. Průtokoměr podle nároku 1,vyznačující se tím, že kapalina je tangenciálně vstřikována do komory vtoku 6 za účelem vytvářet v rámci komory rotační tok kapaliny, který nemá v axiálním směru průchodu žádnou složku rychlosti.
3. 3. Průtokoměr podle nároku 1 nebo 2,vyznačující se tím, že průchod má kruhový průřez.
4. 4. Průtokoměr podle kteréhokoliv předchozího nároku, vyznačující se tím, že mezery 33 mezi průchody jsou blokovány, aby se zabránilo toku kapaliny kolem nich.
5. 5. Průtokoměr podle kteréhokoliv předchozího nároku, vyznačující se tím, že průchody jsou uspořádány do těsného svazku.
6. 6. Průtokoměr zahrnující pár snímačů (8,9) oddělených od sebe ve směru toku kapaliny, prostředky pro přenos 20 pro vyvolání zvukových signálů a jejich přenos kapalinou v obou směrech snímači, a prostředky pro zpracování informací 22 týkajících se toku kapaliny, a vzniklé monitorováním času přenosu zvukových signálů příjmutých snímači, kde část prostoru mezi snímači definuje dráhu toku, sestávající z prstencovítých průchodů 82, kde snímače mají rovněž odpovídající prstencový tvar.
7. 7. Průtokoměr podle kteréhokoliv předchozího nároku, má průchody, které jsou umístěny v radiální vzdálenosti od střední osy, která probíhá podél dráhy toku.
8. 8. Průtokoměr podle kteréhokoliv předchozího nároku, má strukturu toku, která představuje hranaté rovinné plochy 11 pro vstupující zvukové signály.
9. 9. Průtokoměr pro plyn podle kteréhokoliv předchozího nároku.