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Die
vorliegende Erfindung betrifft Strömungsmessungen, und insbesondere
Vorrichtungen zur akustischen Strömungsmessung zum Messen von
Gasströmungscharakteristika.
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Gasströmungscharakteristika
sind schwierig zu messen, wenn man Ultraschall-Durchflussmesser einsetzt.
Das liegt zum Teil an der geringen Dichte und letztendlich an der
Fehlanpassung der Impedanz akustischer Wellen, die von einem Messwertaufnehmer
in das Gas wandern, wenn man konventionelle Vorrichtungen einsetzt.
Ultraschall-Messwertaufnehmer verwenden typischerweise ein festes
Element zum Einbringen von Ultraschall-Energie in einen Fluid-Strom.
In vielen Fällen
bietet der Übergang
von dem Feststoff zu einem Fluid eine akustische Fehlanpassung der
Impedanz dar und verursacht einen großen Prozentsatz der akustischen
Energie reflektiert zu werden. Für
Flüssigkeiten
ist diese Fehlanpassung ausreichend klein um Ultraschallmessungen der
Strömung
zu erlauben, selbst wenn die akustische Energie durch die Metallwand
eines Rohrs hindurch muss. Für
Gasströmungsmessungen
ist die Impedanz-Fehlanpassung groß und kann nicht einfach überwunden
werden.
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Weiterhin
sind Gasströmungsparameter charakteristischerweise
schwer mit akustischer Energie zu messen, aufgrund der geringen
akustischen Impedanz des Gases. Gehäuse und Rohrwände können ebenfalls
in Resonanz geraten oder schallen, wenn akustische Energie in den
Gasstrom von einem energetischen Messwertaufnehmer eingegeben wird,
der physisch an der Rohrwand befe stigt ist. Diese Resonanz macht
es schwierig, das in den Gasstrom eingebrachte Signal zu identifizieren
und zu messen.
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Deshalb
besteht ein Bedarf an einer Vorrichtung zum genauen Messen der Strömung in
Gasströmen.
Ein weiterer Bedarf besteht an einer Vorrichtung, die imstande ist,
ausreichend an den Gasstrom gekoppelt zu sein, um die Impedanz-Fehlanpassung zu überwinden
und ausreichend Energie in das Gas von einer Niederspannungsübertragungsquelle
einzubringen. Ein noch weiterer Bedarf besteht an einer Vorrichtung,
welche die Vorrichtung akustisch von der Rohrwand isoliert, um die
Kontamination des akustischen Signals im Gas zu verhindern.
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Die
US 5,515,733 offenbart in
einem Gehäuse
befestigte Empfangs- und Sendewandler zum Einleiten von Signalen
in ein Fluid und eine am Gehäuse befestigte
Mehrzahl von Masseelementen zwischen den Empfangs- und Sendewandlern,
um ein Übersprechen
zu reduzieren.
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Der
in der
US 4,976,150 offenbarte
Ultraschallwandler umfasst eine piezoelektrische Schicht und Kopplungsschichten
zum Anpassen der Wandler-Luft Impedanz des Wandlers.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Messwertaufnehmer für
akustische Messungen von Gasströmen
gemäß der vorliegenden
Erfindung beinhaltet ein Gehäuse,
das ein erstes Endteil aufweist, eine Membran die starr mit dem
Gehäuse
verbunden ist, um das erste Endteil von dem Gasstrom abzudichten,
und einen Aktuator, der in dem ersten Endteil zum in Wechselwirkung
mit der Membran treten angeordnet ist. Ein akustisch leitfähiges Material
ist zwischen der Membran und dem Aktuator angeordnet. Das akustisch
leitfähige
Material weist eine akustische Impedanz auf, die zwischen einer akustischen
Impedanz des Aktuators und einer akustischen Impedanz des Gasstromes
liegt.
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In
anderen Ausführungsformen
weist der Messwertaufnehmer bevorzugt ein zweites Endteil des Gehäuses auf
und einen Dämpfer,
der zwischen dem ersten Teil des Gehäuses und dem zweiten Teil des
Gehäuses
angeordnet ist, um akustische Energie durch den Aktuator zu dämpfen. Der
Dämpfer kann
ein Dämpfungsmaterial
aufweisen, das eine diskontinuierliche äußere Oberfläche aufweist. Die diskontinuierliche äußere Oberfläche kann
Rippen und Rillen aufweisen. Der Dämpfer kann eine Vielzahl von
Beilegscheiben aufweisen, die abwechselnd dämpfende und übertragende
Beilegscheiben beinhalten. Der Aktuator kann ein Stapel von piezoelektrischen
Scheiben aufweisen. Der Messwertaufnehmer kann einen Reflektor,
der an das erste Endteil des Gehäuses
angekoppelt ist, aufweisen, um eine Richtung der akustischen Energie
zu verändern,
die zu oder von dem Messwertaufnehmer gerichtet ist. Die akustische
Impedanz des leitfähigen
Materials kann ein geometrischer Mittelwert der akustischen Impedanz
zwischen der akustischen Impedanz des Aktuators und der akustischen
Impedanz des Gasstromes aufweisen. Die Membran kann ein Metall aufweisen,
welches durch den Aktuator verlagert wird, um akustische Wellen
zu produzieren, oder durch den Gasstrom verlagert wird, um akustische Energie
an den Aktuator zu übertragen.
Das akustisch leitfähige
Material kann eine Dicke von einer viertel Wellenlänge einer
vom Aktuator erzeugten Wellenlänge
aufweisen.
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Ein
Messwertaufnehmer für
akustische Messungen eines Gasstroms beinhaltet einen ein Rohr definierenden
Messwertaufnehmerkörper,
der ein erstes Endteil aufweist und ein Dämpferteil, das benachbart zu
dem ersten Endteil angeordnet ist, wobei das erste Endteil an einen
Gasstrom angrenzen soll. Eine Membran wird starr an dem Gehäuse befestigt, um
das erste Endteil von dem Gasstrom abzudichten, und ein Aktuator
ist in dem ersten Endteil angeordnet, um mit der Membran in Wechselwirkung
zu treten. Ein akustisch leitfähiges
Material ist zwischen der Membran und dem Aktuator angeordnet. Das akustisch
leitfähige
Material weist eine akustische Impedanz zwischen einer akustischen
Impedanz des Aktuators und einer akustischen Impedanz des Gasstromes
auf. Ein Dämpferaufbau
ist in dem Dämpferteil
des Messwertaufnehmerkörpers
angeordnet. Der Dämpferaufbau
be inhaltet eine Vielzahl von dämpfenden
Beilegscheiben, die zwischen akustisch übertragenden Beilegscheiben
angeordnet sind. Der Dämpferaufbau
dämpft
akustische Energie durch den Messwertaufnehmer.
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In
alternativen Ausführungsformen
kann das Dämpferteil
eine Wanddicke aufweisen, die kleiner als eine Wanddicke an dem
ersten Endteil ist. Der Messwertaufnehmerkörper kann Stahl beinhalten, und
die Wanddicke des Dämpferteils
beträgt
bevorzugt zwischen etwa 15 bis etwa 25 tausendstel Zoll. Der Aktuator
kann einen Stapel piezoelektrischer Scheiben beinhalten. Der Messwertaufnehmer
kann einen Reflektor, der an das erste Endteil des Gehäuses gekoppelt
ist, aufweisen, um die Richtung der akustischen Energie, die zu
oder von dem Messwertaufnehmer geleitet wird, zu verändern. Die
akustische Impedanz des leitfähigen
Materials kann einen geometrischen Mittelwert der akustischen Impedanz zwischen
der akustischen Impedanz des Aktuators und der akustischen Impedanz
des Gasstromes beinhalten. Die Membran kann ein Metall beinhalten, welches
durch den Aktuator verlagert wird, um akustische Wellen zu produzieren
oder wird durch den Gasstrom verlagert, um akustische Energie zu
dem Aktuator zu übertragen.
Das akustisch leitfähige
Material kann eine Dicke von einer viertel Wellenlänge einer
vom Aktuator erzeugten Wellenlänge
beinhalten. Die dämpfenden
Beilegscheiben können
eine Dicke von einer viertel Wellenlänge einer vom Aktuator erzeugten
Wellenlänge
beinhalten.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden durch die folgende detaillierte Beschreibung veranschaulichender
Ausführungsformen
ersichtlich werden, welche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
zu lesen ist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Detail in der folgenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen mit
Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei:
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1 eine
Querschnittssicht einer Vorrichtung zur akustischen Strömungsmessung
in Gasen, gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine
Querschnittssicht einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung
zur akustischen Strömungsmessung
in Gasen gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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3 eine
Vorderansicht eines akustischen Reflektors, der an der Vorrichtung
nach 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung befestigt ist;
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4 eine
Seitenansicht des Reflektors, der an der Vorrichtung nach 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung befestigt ist;
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5 eine
Rückansicht
des Reflektors, der an der Vorrichtung nach 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung befestigt ist;
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6 eine
Querschnittssicht der Vorrichtung nach 1, die gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem Rohr angebracht ist;
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7 eine
Querschnittssicht zweier Vorrichtungen nach 1, die in
einem Rohr mit Reflektoren gemäß der vorliegenden
Erfindung gesehnt angebracht sind; und
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8 eine
Querschnittssicht einer abwechselnden Ausführungsform der Vorrichtung
zur akustischen Strömungsmessung
in Gasen gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Strömungsmessungen und insbesondere
eine akustische Strömungsmessungsvorrichtung
zur Messung von Strömungscharakteristika
in einem Gasstrom. Die vorliegende Erfindung stellt ein akustisch
passendes Interface zwischen dem Gasstrom, der gemessen werden soll,
und der Messvorrichtung bereit. Dieses Interface beinhaltet bevorzugt
ein akustisch leitfähiges
Gel. Das akustisch leitfähige
Gel ist bevorzugt ein im Wesentlichen inkompressibles Material, welches
akustische Energie zwischen der Vorrichtung und dem Gasstrom überleitet,
um die Impedanz-Fehlanpassung zu reduzieren und somit die Übertragung
akustischer Energie zu vergrößern. Die Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung stellt ebenfalls einen Dämpfer innerhalb der Vorrichtung bereit,
um die Kopplung akustischer Energie von einer aktiven Ultraschallproduzierenden
Einrichtung an die Struktur in Kontakt mit der Rohrwand zu reduzieren.
Der Dämpfer
hält akustische
Energie davon ab, auf ein Gehäuse
der Vorrichtung übertragen
zu werden. Weiter wird ein Isolationsteil der Vorrichtung bereitgestellt,
welches die Befestigung der Vorrichtung an einem Rohr oder Gehäuse, ohne Übertragung oder
Aufnahme von Resonanzen oder anderen vibrationsähnlichen Effekten zu oder von
dem Gehäuse oder
der Rohrwand, erlaubt.
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Detailliert
auf die Zeichnungen bezogen, in welchen gleiche Bezugszeichen ähnliche
oder gleiche Elemente in den verschiedenen Ansichten bezeichnen
und anfangs mit Bezug auf 1, ist eine Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung 10 beinhaltet einen
Stapel oder aktives Element 6, welches akustische Wellen
bereitstellt, bevorzugt Ultraschallwellen, zum akustischen Messen
von Gasströmungscharakteristika
in einem Rohr oder anderem Medium. Die Vorrichtung 10 kann
zu beidem eingesetzt werden als Übertrager
und Empfänger
akustischer Energie. Die Vorrichtung 10 beinhaltet ein
Gehäuse 18,
welches bevorzugt ein Metall ist wie Stahl, Edelstahl, Titan, usw. Das
Gehäuse 18 ist
so konfiguriert und dimensioniert, um einen Schutz für die inneren
Komponenten der Vorrichtung 10 bereitzustellen.
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Das
aktive Element 6 (hiernach der Stapel 6) beinhaltet
bevorzugt einen piezoelektrischen Stapel oder einen magnetorestriktiven
Stapel. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet Stapel 6 eine Vielzahl
von dünn
geschnittenen piezoelektrischen Kristallschichten 4 aus
einem Bleimetaniobat, jede Schicht 4 ist entgegengesetzt
der benachbarten Schichten gepolt, um den Stapel sich synchron ausdehnen
und zusammenziehen zu lassen. Eine elektrische Verbindung zu den
Kontakten zwischen den Schichten wird über die Peripherie des Stapels 6 hergestellt,
so dass eine Potentialdifferenz über
jedem Waver oder Schicht geschaffen wird, wenn eine Spannung anliegt.
Elektrische Verbindungen 13 werden am Platz mit Epoxidharz
befestigt, bevor der Stapel 6 im Gehäuse 18 verbunden wird.
Der Stapel 6 dehnt sich aus und zieht sich zusammen im
Einklang, um eine Auslenkungsamplitude zu erreichen. Diese Auslenkungsamplitude
wird über
ein 1/4 Wellenlängen
impedanzangepasstes Interface an eine dünne Metallmembran 12 angelegt,
welche starr an dem Gehäuse 18 befestigt
ist, zum Beispiel durch Elektronenstrahl-Schweißen. Die Membran 12 wiederum verursacht
Druckwellen, die sich in einem Gasstrom verbreiten, oder, wenn im
Empfangsmodus, überträgt Membran 12 akustische
Energie zum Stapel 6, welcher die akustische Energie in
ein elektrisches Signal umwandelt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein akustisch leitfähiges Material 8 zwischen
Membran 12 und Stapel 6 angeordnet. Material 8 ist
bevorzugterweise ein im Wesentlichen imkompressibles Material, welches
eine akustische Impedanz bereitstellt, die so nah wie möglich am
geometrischen Mittelwert (√Z1·Z2) zwischen der akustischen
Impedanz des Stapels (Z1) und eines Gasstromes (Z2), der gemessen
werden soll, ist. Materialien wie ULTEMTM,
TORLONTM oder TEFLONTM können verwendet
werden. Die akustische Impedanz, wie den Fachleuten auf diesem Gebiet
bekannt, ist proportional zur Dichte eines Materials und der Schallgeschwindigkeit
des Materials. Auf diese Weise kann ein akustisches Gel auf der
Basis der Anwendung und den physikalischen Gegebenheiten der Vorrichtung
und des zu messenden Gases gewählt
werden. Da die Membran 12 dünn ist, ist sie „akustisch
unsichtbar" und
ihr Effekt ist vernachlässigbar
in der Impedanzberechnung. Das Material 8 wird ebenfalls
auf Basis seiner Temperatur- und Drucktauglichkeit ausgewählt. Manche Anwendungen
der vorliegenden Erfindung können Temperaturen
größer als
550 F und Drücke
größer als
etwa 6000 psi beinhalten. Andere Temperaturen und Drücke können ebenfalls
eingesetzt werden. Das Material 8 ist bevorzugt 1/4 der
Wellenlänge
der Übertragungsfrequenz
der akustischen Welle. Das Material 8 kann näherungsweise
0,1 Zoll dick sein. Das Material 8 kann ebenfalls aus TEFLONTM hergestellt sein und kann eine Dicke von
etwa 0,12 Zoll beinhalten. Das Gehäuse 18 kann zum Beispiel
aus Stahl oder Titan hergestellt werden, mit einem Dämpfer 20 der
aus TEFLONTM hergestellt ist und integral damit
geformt ist.
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Der
Stapel 6 ist im Gehäuse 18 eingesetzt. Ein
Abstandshalter 15 kann verwendet werden, um einen ordnungsgemäßen Abstand
des Stapels 6 innerhalb des Gehäuses 18 zu gewährleisten,
und das Material 18 von der Membran 12 zu stützen. Der
Abstandshalter 15 ist in der Dicke vielleicht etwa 1/4 Wellenlänge der
Wellenlänge
der akustischen Wellen, die von Stapel 6 erzeugt werden.
Der Abstandhalter 15 kann aus Plastik hergestellt werden,
wie TEFLONTM und die Membran 12 kann
ein Metall beinhalten wie Stahl oder Titan mit einer Dicke zwischen
etwa 5 bis 10 Tausendstel Zoll. Der Abstandshalter 15 kann
ebenfalls einbezogen sein, um den Stapel 6 und das Material 8 zu
stützen
und zu positionieren, und einen Raum entlang der Seiten des Stapels 6 für elektrische
Verbindungen 13 und Epoxydharz bereitzustellen, das während dem
Verbinden fließen
soll, wie nachfolgend erklärt
wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Dämpfer 20 zwischen
dem Stapel 6 und dem Gehäuse 18 bereitgestellt.
Der Dämpfer 20 wird
in das Gehäuse 18 eingepasst
durch eine Schrumpfpassung oder durch Anwenden eines Klebers oder
Epoxydharzes dazwischen. Der Dämpfer 20 dämpft akustisch
jede Energie, die das Gehäuse 18 sowohl über die
Membran 12 oder interne Pfade betritt. Die Energie wird
vorteilhaft gedämpft,
so dass die beibehaltene Energie sich nicht mit Signalen geringer
Amplitude überlagert,
welches aufgrund der hohen Dämpfung akustischer
Signale beim Durchlaufen des Gasstromes resultiert.
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Der
Stapel 6 wird von einer Druckstützplatte 22 gestützt, um
eine Unterstützung
für Stapel 6 bereitzustellen
und eine Druckscheibe zur Durchführung
elektrischer Verbindungen 13 zum Stapel 6 bereitzustellen.
Vor dem Füllen
des Hohlraumes 17 mit Epoxydharz oder Silikon wird ein
Metallverschluss 28, zum Beispiel aus Stahl, mit einer
Mutter 24 und einer akustischen Isolationsbeilegscheibe 26 eingepasst.
Die Mutter 24 nimmt eine zentrale Röhre 32 auf, welche
nachfolgend beschrieben wird. Der Verschluss 28 wird in
dem Gehäuse 18 eingeschraubt und
die Gewindegänge
mit Epoxydharz abgedichtet. Der Verschluss 28 beinhaltet
ein Innengewinde, um einen akustischen Isolator 30 darin
zu befestigen. Die Mutter 24, die Beilegscheibe 26 und
der Verschluss 28 können
Antirotationsmechanismen wie Stifte, Muttern, usw. beinhalten. Der
Hohlraum 17 ist jetzt gefüllt mit Epoxydharz, um eine
Abstützung
für Stapel 6 gegen
Gasströme
unter hohem Druck bereitzustellen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung isoliert der akustische Isolator 30 akustische
Energie von einem Befestigungsteil 2 der Vorrichtung 10 und
einem Messwertaufnehmerteil 3 der Vorrichtung 10.
Die zentrale Röhre 32 ist
in den Verschluss 28 eingeschraubt und beinhaltet ein Loch
dort hindurch, um elektrische Verbindungen zum Stapel 6 dort
hindurch reichen zu können.
Vorteilhafterweise verbindet die zentrale Röhre 32, welche bevorzugt
ein Metall ist, den Befestigungsteil 2 mit dem Messwertaufnehmerteil 3 und
ist akustisch isoliert mittels der Umschließung durch dämpfende
Materialien (zum Beispiel TEFLONTM), um
akustische Energie davon abzuhalten, in die zentrale Röhre 32 eingebracht
zu werden und durch die zentrale Röhre 32 übertragen
zu werden. Dies wird ausgeführt
durch Verwenden von Beilegscheiben 26 und dem Isolator 30,
welche bevorzugt aus einem dämpfenden
Material wie TEFLONTM geformt sind. Der
Isolator 30 beinhaltet bevorzugt eine diskontinuierliche
Oberfläche,
welche Rippen und Rillen beinhaltet, um einen Durchlass weiterer akustischer
Energie zu verhindern. Die Beilegscheiben 26 und der Isolator 30 verhindern
den Durchlass von akustischer Energie vom Messwertaufnehmerteil 3 zum
Befestigungsteil 2. Diese akustische Energie, wenn vorhanden,
würde sich
mit Messsignalen überlagern,
welche vom Gasstrom während
des Betriebs empfangen werden.
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Zusätzlich zum
Zusammengehalten werden durch die zentrale Röhre 32 und die Muttern 24,
können
das Messwertaufnehmerteil 3 und der Befestigungsteil 2 klebetechnisch
verbunden und an den Oberflächen 19 abgedichtet
werden, durch Einsatz eines Epoxydharzes oder anderer verbindender
Medien. Dieser Druck dichtet diese Schnittstellen ab, um das Eindringen
von Gas zu verhindern.
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Das
Befestigungsteil 2 beinhaltet einen Rohranbau 42,
welcher ein Gehäuse
ist, das eingesetzt wird, um Teile eines Verbindungsstücks 44 elektronischer
Abstimmungselemente 40 und elektrischer Verbindungen 13 zu
schützen.
Ein Hohlraum 41 kann optional mit Epoxydharz oder anderem
Material gefüllt
werden. Ebenso wird die zentrale Röhre 32 bevorzugt mit
einem Epoxydharz oder anderem Material gefüllt, um das Eindringen von
Gas zu verhindern und jeden Hohlraum zu füllen. Die zentrale Röhre 32 kann
aufgeweitete Enden zur Kopplung an das Gehäuse 18 und dem Rohranbau 42 durch
ein akustisch isolierendes Material beinhalten. Andere Halterungseinrichtungen
können
ebenso verwendet werden.
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Der
Rohranbau 42 ist bevorzugt ein Metall wie Stahl, Edelstahl,
Titan, usw.. Der Rohranbau 42 kann vielfältige Befestigungsanpassungen
zum Befestigen der Vorrichtung in einer Gasstrom-Strömung, zum
Beispiel durch eine Rohrwand, beinhalten. Solche Anpassungen können eine
Anschlussplatte, eine Verlängerungsröhre, einen
Druckanbau oder Dichtung, ein Flanschanbau oder eine Heißabgriffventilarmatur
oder andere Mechanismen zum Anpassen des Befestigungsteils 2 für eine besondere Verwendung
in einer Rohrwand oder anderer Befestigungswand oder Oberfläche. Vorteilhaft
können Druckanbauten
oder Dichtungen verwendet werden aufgrund des Isolators 30 der
vorliegenden Erfindung.
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Der
Stapel 6 kann durch Anlegen einer Spannung über den
Schichten 4 mit Energie versorgt werden. In einer bevorzugten
Ausführungsform
kann eine Multipuls-Übertragung
verwendet werden, in welcher eine Vielzahl von Pulsen eingeleitet
und empfangen werden. Die Techniken, die in US-Patent Nr. 5117698
verwendet werden, können
verwendet werden. Anfangs, zum Beispiel, wird ein kurzer Pulszug übertragen
und die gesamte Transitzeit zwischen Senden und Empfangen (tN) wird gemessen. Die Transitzeit im Fluid
wird genommen und ist tN, abzüglich der
bekannten Länge
der Zeit, welche die akustischen Signale in dem Messwertaufnehmer
und der Rohrwand tF verbleiben. Dann, um
die Durchflussrate zu messen, überträgt dieses
Verfahren einen Pulszug einer wesentlichen Länge (N) und detektiert einen
empfangenden Pulszug (Rx), dessen mittlerer Teil (anfänglichen
Transienteneffekten folgend) die gleiche Frequenz wie der gesendete
Pulszug aufweist. Dann ist es lediglich notwendig, den Teil des empfangenden
Signals zu detektieren, welcher phasenkohärent mit dem gesendeten Signal
ist und messen der Phasendifferenz zwischen den gesendeten und empfangenen
Signalen, um die Stromaufwärts-Stromabwärtszeit-Differenz
(delta t) zu bestimmen und somit die Durchflussrate.
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Folglich
wird die Zeitdifferenz delta t als Funktion einer Phasendifferenz
gemäß einer
Formel berechnet.
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Die
Länge N
des Pulszuges wird gewählt
das maximale delta t zu sein, das erlaubt ist, ohne ein Überlaufen
eines delta t Registers der speziellen Ausführungsform zu verursachen.
In diesem Verfahren testet eine Anfangs-Setup Routine einen Bereich von Ultraschallfrequenzen
und bestimmt ein Frequenzoptimum bevor die Durchflussraten-Messungen
gemacht werden.
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Die
empfangenen Impulse werden gespeichert und analysiert, um die Gasstrom-Charakteristika
bestimmen zu können,
zum Beispiel die Strömungsgeschwindigkeit,
die Strömungsrate,
die Gas-Schallgeschwindigkeit,
die Gasdichte und zusätzliche
Messungsparameter wie Druck und Temperatur, usw.. Der Wert der Pulse
kann abgetastet über der
Zeit und gemittelt werden, um sich an einen charakteristischen Wert
der Strömung
anzunähern.
Das stellt ein stabiles und genaues Ergebnis bereit, da eine Bestimmung
der gesendeten und empfangenen Pulse basierend auf den Charakteristika
der gespeicherten Pulse durchgeführt
werden kann. Signalverarbeitende Techniken können verwendet werden, um die
korrekten Signale zu entschlüsseln,
die eingesetzt werden, um die Strömungscharakteristika des Gasstromes
zu messen. Die korrekten Signale und nicht die Vibrationen und Geräusche, welche
gegenwärtig
sein können,
werden dann eingesetzt, um die Charakteristika des Gasstromes zu
bestimmen.
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Des
weiteren kann, da eine Isolation sowie auch bestimmte Multipuls-Signale
bereitgestellt werden, die vorliegende Erfindung Signal zu Rausch
Verhältnisse
größer als
1000 zu 1 erreichen. Dies ist erreichbar mit Spannungen am Stapel 6 von
zum Beispiel lediglich etwa 15 Volt Spitzenspannung, andere Spannungen
jedoch können
eingesetzt werden, zum Beispiel bis zu 300 Volt. Niederspannungsbetrieb wird
aus Sicherheitsgründen
bevorzugt.
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Die
vorliegende Erfindung kann in jedem Gasstrom verwendet werden. In
bevorzugten Ausführungsformen
wird die Vorrichtung 10 in Rohren oder Hochöfen zum
Messen der Charakteristika von Gasströmen in zum Beispiel Fackelgasen,
Erdgasen und Dampf verwendet.
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Bezüglich 2 wird
eine abwechselnde Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Eine Vorrichtung 100 beinhaltet
alle die Komponenten der Vorrichtung 10, ausgenommen Stapel 6 der
im Wesentlichen orthogonal zu einer longitudinalen Achse der Vorrichtung 100 gerichtet
ist. Eine Rückplatte 102 wird
verwendet, um den Stapel 6 nach der Installation zu sichern.
Die Rückplatte 102 wird
dann auf ein Gehäuse 104 geschweißt, um eine Stützung für Stapel 6 bereitzustellen.
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Bezüglich der 3, 4 und 5 kann ein
Reflektor 200 an der Vorrichtung 10 (oder Vorrichtungen 100 und 150)
verwendet werden, um gesendete akustische Wellen umzuleiten oder
akustische Wellen gerichtet zu empfangen. Der Reflektor 200 stellt
die Möglichkeit
bereit, gesehnte oder winkelige akustische Strahlinjektionen mit
einem normal (normale Befestigungsrichtung relativ zur Rohrwand)
befestigten Messwertaufnehmer. Der Reflektor 200 beinhaltet
eine Platte 202 zum Reflektieren der akustischen Energie.
Die Platte 202 ist bevorzugt ein steifes Material, wie
ein Metall, zum effizienten Richten der akustischen Wellen. Ein
Fenster 204 wird bereitgestellt, um die gerichtete Ver-breitung
der akustischen Wellen zu gestatten. Der Reflektor 200 kann abnehmbar
oder permanent am umformenden Teil 3 der Vorrichtung 10 befestigt
sein. Der Reflektor 200 kann gestaltet sein, um eine Winkelanpassung
zu gestatten oder kann mit verschiedenen Winkeln der Platte 202 relativ
zur Richtung des Stapels 6 verfügbar sein. Löcher 206 sind
ebenso beinhaltet, um die Behinderung des Gasstromes während des
Betriebs zu minimieren.
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Bezüglich der 6 und 7 werden
zwei Befestigungsschemata für
die vorliegende Erfindung dargestellt. Obwohl eine winkelige Befestigung
für die
Vorrichtung 10 verwendet werden kann, wird eine normale
Befestigung wie dargestellt bevorzugt. Für eine gesehnte Befestigung
kann die Vorrichtung 10 mit dem Reflektor 200 in
ein Rohr 300 eingepasst werden, welches einen Gasstrom
da hindurch aufweist. Der Reflektor 200 richtet ein gesendetes
Signal zu einer zweiten Vorrichtung 10, welche einen Reflektor 200 beinhalten
kann, um beim Empfang des Signals zu assistieren. Eine gesehnte
Befestigung wird bevorzugt für
Rohre, welche einen begrenzten Zugang haben. Da die Reynoldszahl
in etwa konstant über
einem Gasstrom ist, können
Ultraschallströmungsmessungen überall über der
Strömung
gemacht werden. Andere Befestigungsschemata werden als auf dem Gebiet
bekannt betrachtet. Zum Beispiel können Heißabgriff-Befestigungen verwendet werden, wo der
Messwertaufnehmer in einem separaten Rohr befestigt ist und der
Messwertaufnehmer eben oder in einer Aussparung vom Innendurchmessers
des Rohrs mit dem zu messenden Gasstroms ist.
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Bezüglich der 8 ist
eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bildhaft dargestellt. Ein Messwertaufnehmeraufbau 150 beinhaltet einen
Messwertaufnehmerkörper 103,
welcher bevorzugt eine Metallröhre
beinhaltet, zum Beispiel aus Edelstahl, Stahl oder Titan. Ein Vorderteil 104 ist
gestaltet und dimensioniert, um einen Stapel 6 darin aufzunehmen
und ist gleich dem vorderen Endteil, wie für die Ausführungsform nach 1 beschrieben.
Der Stapel 6 ist in einem Füllmaterial 108 fixiert, zum
Beispiel einem Epoxydharz, welches bevorzugt frei von Hohlräumen ist.
Das Vorderteil 104 beinhaltet eine Schulter 106,
welche eine Oberfläche
bereitstellt Druck entgegen zu wirken, welcher von einem Fluid auf
Stapel 6 anliegt, wenn das Füllmaterial 108 getrocknet
ist. Der Mess wertaufnehmerkörper 103 beinhaltet
ein Dämpferteil 110.
Eine Dicke des Dämpferteils 110 des
Messwertaufnehmerkörpers 103 wird reduziert
auf bevorzugt zwischen etwa 5 Tausendstel Zoll bis etwa 30 Tausendstel
Zoll und insbesondere zwischen etwa 15 Tausendstel Zoll bis etwa
25 Tausendstel Zoll. Diese Reduktion der Dicke (von der Dicke des
Endteils 104) stellt einen geringeren akustischen Energietransfer
vom Vorderteil 104 (welches in Kontakt mit oder zumindest
teilweise eingebracht ist in das zu messende Fluid) zu einem hinteren
Teil 112 bereit. Zusätzlich
stellen dünne
Wände des Dämpferteils 110 einen
Transfer akustischer Energie zu den Beilegscheiben 114 des
Dämpferaufbaus 115 bereit.
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Der
Dämpferaufbau 115 beinhaltet
eine Vielzahl von akustischer Energie übertragenden Beilegscheiben 114 und
eine Vielzahl von dämpfenden
Beilegscheiben 116. Die Beilegscheiben 114 beinhalten bevorzugt
ein Metall, wie Edelstahl, Stahl oder Titan, während die dämpfenden Beilegscheiben 116 bevorzugt
dämpfende
Materialien beinhalten, wie Plastik, PTFE (zum Beispiel TEFLONTM). Die Beilegscheiben 114 und 116 wechseln
sich in dem Dämpferaufbau 115 (mit
S und T ausgewiesen) ab. Beilegscheiben 114 und 116 sind
mit dem Messwertaufnehmerkörper 103 durch
Verwenden eines verbindenden Mediums oder Klebstoffs verbunden.
Beilegscheiben 114 und 116 erlauben die Stapelverkabelung
(nicht dargestellt) durch ihren zentralen Bereich. Vorteilhaft ziehen
die Beilegscheiben 114 akustische Energie aus dem Messwertaufnehmerkörper 103 in
den Dämpferteil 110.
Die Energie die durch die Beilegscheiben 114 übertragen
wird, wird durch die Beilegscheiben 116 gedämpft. Der
Dämpferaufbau 115 dämpft deshalb
die meiste, wenn nicht alle, der akustischen Energie vom Stapel
oder von einem Rohr oder anderen Anbauten, welche in Kontakt mit
dem Messwertaufnehmer 150 sind. In einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Beilegscheiben 116 eine Dic ke von 1/4 Wellenlänge der
gemessenen akustischen Wellenlänge
(zum Beispiel die Wellenlänge
für die
der Messwertaufnehmer 150 zum Messen oder zum Übertragen gestaltet wird) auf.
Auf diesem Weg reduziert destruktive Überlagerung übertragene
akustische Energie zwischen dem Vorderteil 104 und dem Rückteil 112.
Die Beilegscheiben 114 und 116 stellen ebenfalls
eine Stützung
des Messwertaufnehmerkörpers 103 im
Dämpferteil 110 bereit,
welcher relativ dünn
ist.
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Ein
Füllmaterial 120 füllt die
zentralen Teile der Beilegscheiben 114 und 116 und
füllt einen
Teil des Rückteils 112.
Das Füllmaterial 120 kann
zum Beispiel ein Silikongummi beinhalten. Eine Leiterplatte 122,
zum Beispiel eine gedruckte Leiterplatte, und eine Schaltkreiskomponente 124,
zum Beispiel ein Drosselkreis oder -komponente, kann beinhaltet sein.
Die Leiterplatte 122 und die Komponente 124 können verwendet
werden, um Signale, die vom Stapel 6 kommen oder den Stapel 6 mit
Energie versorgen zu konditionieren, mit Energie zu versorgen, zu verstärken. Anschlusspins 126 werden
bereitgestellt, um Verbindungen zum Stapel 6, zur Leiterplatte 122 und/oder
der Komponente 124 zu erlauben. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein Koaxialkabel 128 verwendet, obwohl andere Kabel
oder Verkabelungsverfahren verwendet werden können.
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Es
sei verstanden, daß die
hierin beschriebenen Ausführungsformen
alleine eingesetzt werden können
oder ihre Komponenten kombinierte werden können, um eine unterschiedliche
Konfiguration bereit zu stellen, welche an eine spezielle Aufgabe
oder Verwendung angepasst ist. Des weiteren können Teile jeder Ausführungsform
modifiziert werden, um maßgefertigte
Anpassungen bereit zu stellen oder, um andererseits die Einrichtungen
der vorliegenden Erfindung kompatibel mit unterschiedlichen Verwendungen
oder Aufbauten zu machen. Zum Beispiel können Mess wertaufnehmer auf
Standard O-Ringgröße gestaltet
und dimensioniert oder mit Gewinde versehen werden, um eine Verbindung
mit Rohren oder anderen gas- oder fluidtragenden Medien zu erlauben.