DE10084627B4 - Messwertaufnehmer zur akustischen Messung eines Gasstromes und deren Charakteristika - Google Patents

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Abstract

Messwertaufnehmer für akustische Messungen eines Gasstromes mit:
einem ersten starren Gehäuse, das ein erstes Endteil aufweist;
einer starr an dem ersten starren Gehäuse befestigten Membran zum Abdichten des ersten Teils von einem Gasstrom;
einem Aktuator, der in dem ersten Endteil angeordnet ist, zum Interagieren mit der Membran;
einem akustisch leitfähigen Material, welches zwischen der Membran und dem Aktuator angeordnet ist, wobei das akustisch leitfähige Material eine akustische Impedanz zwischen einer akustischen Impedanz des Aktuators und einer akustischen Impedanz des Gasstromes aufweist;
einem zweiten starren Gehäuse, das vom ersten starren Gehäuse durch einen Dämpfer zum Dämpfen akustischer Energie von dem Aktuator getrennt ist; und
einer akustisch isolierten zentralen Röhre, die sich durch den Dämpfer und in das erste und das zweite starre Gehäuse an den jeweiligen Enden der zentralen Röhre erstreckt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Strömungsmessungen, und insbesondere Vorrichtungen zur akustischen Strömungsmessung zum Messen von Gasströmungscharakteristika.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der in der US 4,976,150 offenbarte Ultraschallwandler umfasst eine piezoelektrische Schicht und Kopplungsschichten zum Anpassen der Wandler-Luft Impedanz des Wandlers.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Detail in der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei:
  • 1 eine Querschnittssicht einer Vorrichtung zur akustischen Strömungsmessung in Gasen, gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine Querschnittssicht einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung zur akustischen Strömungsmessung in Gasen gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 3 eine Vorderansicht eines akustischen Reflektors, der an der Vorrichtung nach 1 gemäß der vorliegenden Erfindung befestigt ist;
  • 4 eine Seitenansicht des Reflektors, der an der Vorrichtung nach 1 gemäß der vorliegenden Erfindung befestigt ist;
  • 5 eine Rückansicht des Reflektors, der an der Vorrichtung nach 1 gemäß der vorliegenden Erfindung befestigt ist;
  • 6 eine Querschnittssicht der Vorrichtung nach 1, die gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Rohr angebracht ist;
  • 7 eine Querschnittssicht zweier Vorrichtungen nach 1, die in einem Rohr mit Reflektoren gemäß der vorliegenden Erfindung gesehnt angebracht sind; und
  • 8 eine Querschnittssicht einer abwechselnden Ausführungsform der Vorrichtung zur akustischen Strömungsmessung in Gasen gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Folglich wird die Zeitdifferenz delta t als Funktion einer Phasendifferenz gemäß einer Formel berechnet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (19)

  1. Messwertaufnehmer für akustische Messungen eines Gasstromes mit: einem ersten starren Gehäuse, das ein erstes Endteil aufweist; einer starr an dem ersten starren Gehäuse befestigten Membran zum Abdichten des ersten Teils von einem Gasstrom; einem Aktuator, der in dem ersten Endteil angeordnet ist, zum Interagieren mit der Membran; einem akustisch leitfähigen Material, welches zwischen der Membran und dem Aktuator angeordnet ist, wobei das akustisch leitfähige Material eine akustische Impedanz zwischen einer akustischen Impedanz des Aktuators und einer akustischen Impedanz des Gasstromes aufweist; einem zweiten starren Gehäuse, das vom ersten starren Gehäuse durch einen Dämpfer zum Dämpfen akustischer Energie von dem Aktuator getrennt ist; und einer akustisch isolierten zentralen Röhre, die sich durch den Dämpfer und in das erste und das zweite starre Gehäuse an den jeweiligen Enden der zentralen Röhre erstreckt.
  2. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, wobei der Dämpfer ein dämpfendes Material beinhaltet, welches eine diskontinuierliche äußere Oberfläche aufweist.
  3. Messwertaufnehmer nach Anspruch 2, wobei die diskontinuierliche äußere Oberfläche Rippen und Rillen aufweist.
  4. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, wobei der Aktuator ein Stapel von piezoelektrischen Scheiben beinhaltet.
  5. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1 mit: einem an das erste Endteil des Gehäuses gekoppelten Reflektor zum Ablenken einer Richtung akustischer Energie, die zu oder von dem Messwertaufnehmer gerichtet ist.
  6. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die akustische Impedanz des leitfähigen Materials ein geometrisches Mittel der akustischen Impedanz zwischen der akustischen Impedanz des Aktuators und der akustischen Impedanz des Gasstromes beinhaltet.
  7. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die Membran ein Metall beinhaltet, welches durch den Aktuator verlagert wird, um akustische Wellen zu produzieren.
  8. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die Membran ein Metall beinhaltet, welches durch den Gasstrom verlagert wird, um akustische Energie auf den Aktuator zu übertragen.
  9. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, wobei das akustisch leitfähige Material eine Dicke einer viertel Wellenlänge einer durch den Aktuator erzeugten Wellenlänge beinhaltet.
  10. Messwertaufnehmer zum akustischen Messen eines Gasstromes mit: einem eine Röhre bildenden Messwertaufnehmer, der ein erstes Endteil und ein zum ersten Endteil benachbartes Dämpferteil aufweist, wobei das erste Endteil zum Interagieren mit einem Gasstrom vorgesehen ist; einer starr am Gehäuse befestigten Membran zum Abdichten des ersten Endteils von dem Gasstrom; einem in dem ersten Endteil angeordneten Aktuator zum Interagieren mit der Membran; einem zwischen der Membran und dem Aktuator angeordneten akustisch leitfähigen Material, das eine akustische Impedanz beinhaltet, wobei die akustische Impedanz des leitfähigen Materials ein geometrisches Mittel der akustischen Impedanz zwischen einer akustischen Impedanz des Aktuators und einer akustischen Impedanz des Gasstromes beinhaltet; und einem in dem Dämpferteil des Messwertaufnehmerkörpers angeordneten Dämpferaufbau, der eine Vielzahl von dämpfenden Beilegscheiben und eine Vielzahl von akustisch übertragenden Beilegscheiben beinhaltet, wobei jede dämpfende Beilegscheibe abwechselnd neben wenigstens einer akustischen übertragenden Beilegscheibe angeordnet und der Dämpferaufbau zum Dämpfen akustischer Energie durch den Messwertaufnehmer vorgesehen ist.
  11. Messwertaufnehmer nach Anspruch 10, wobei das Dämpferteil eine Wanddicke beinhaltet, die geringer ist als eine Wanddicke des ersten Endteils.
  12. Messwertaufnehmer nach Anspruch 10, wobei der Messwertaufnehmerkörper Stahl beinhaltet und die Wanddicke des Dämpferteils zwischen etwa 38,1 bis etwa 63,5 Tausendstel Zentimeter liegt.
  13. Messwertaufnehmer nach Anspruch 10, wobei der Aktuator einen Stapel piezoelektrischer Scheiben beinhaltet.
  14. Messwertaufnehmer nach Anspruch 10 mit: einem an dem ersten Endteil des Gehäuses gekoppelten Reflektor zum Ablenken einer Richtung akustischer Energie, die zu oder von dem Messwertaufnehmer gerichtet ist.
  15. Messwertaufnehmer nach Anspruch 10, wobei das geometrische Mittel die Wurzel aus dem Produkt der akustischen Impedanz des Aktuators und der akustischen Impedanz des Gasstromes ist.
  16. Messwertaufnehmer nach Anspruch 10, wobei die Membran ein Metall beinhaltet, welches durch den Aktuator verlagert wird, um akustische Wellen zu produzieren.
  17. Messwertaufnehmer nach Anspruch 10, wobei die Membran ein Metall beinhaltet, welches durch den Gasstrom verlagert wird, um akustische Energie auf den Aktuator zu übertragen.
  18. Messwertaufnehmer nach Anspruch 10, wobei das akustisch leitfähige Material eine Dicke einer viertel Wellenlänge einer durch den Aktuator erzeugten Wellenlänge beinhaltet.
  19. Messwertaufnehmer nach Anspruch 10, wobei die dämpfenden Beilegscheiben eine Dicke einer viertel Wellenlänge einer durch den Aktuator erzeugten Wellenlänge beinhalten.
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8327 Change in the person/name/address of the patent owner

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