DK153810B - Apparat til maaling af fysiske stoerrelser af et fluidum. - Google Patents

Description

DK 153810 B

Opfindelsen angår et apparat til måling af fysiske størrelser, især strømningshastigheden, af et fluidum, ved hjælp af ultralyd med en ultralydsender og en ultralydmodtager, som $ definerer en langs et målerørs akse forløbende transmissi-5 onsvej.

Ved et kendt apparat af denne art strækker målerøret sig mellem to rørbuer, hvorved både sender og modtager er anbragt i en bues ydervæg. Der kendes andre apparater, ved hvilke sender og modtager, aksialt forskudt, er anbragt på 10 over for hinanden liggende sider af målerørvæggen. Endvidere kendes et apparat, ved hvilket målerøret består af kunststof, og sender og modtager er anbragt på målerørvæggen således, at der fås en siksak-formet transmissionsvej, ved hvilken ultralydbølgerne flere gange reflekteres på målerør-15 væggen.

I drift aktiveres senderen ved hjælp af en impuls, således at den kortvarigt afgiver et ultralydsignal. Ultralydsignalets løbetid konstateres, indtil det når modtageren. Når ved et strømmende medium såvel løbetiden i strømningsretningen 20 som løbetiden mod strømningsretningen måles, kan fx mediets strømningshastighed eller dets tæthed bestemmes. Væsentlig er herved den nøjagtige konstatering af ultralydsignalets løbetid. Dette forudsætter, at bølgefrontens ankomst ved modtageren kan konstateres ret nøjagtigt.

25 Det har vist sig, at løbetidsmålingerne bliver mere unøjagtige, jo mindre målerørets vidde, ved cirkelformet tværsnit altså diameteren, er. Der er imidlertid et stort behov for at kunne anvende målerør med mindre tværsnit, fx når forholdsvis små mængder af mediet skal ledes igennem med for-30 holdsvis stor strømningshastighed.

Det er formålet med opfindelsen at angive et apparat af den i indledningen beskrevne art, ved hvilket der arbejdes med 2

DK 153810B

meget små rørtværsnit, og ved hvilket der alligevel muliggøres en nøjagtig løbetidsmåling.

f

Dette opnås ifølge opfindelsen ved, at målerøret har en lysning, som er mindre end det 15dobbelte af ultralydsignalets 5 bølgelængde, og at målerørets indervæg består af et materiale, som har en mindre akustisk impedans end metal.

Denne konstruktion beror på den overraskende konstatering, at en nøjagtig løbetidsmåling ved målerør med lille tværsnit mislykkes ved, at modtageren, allerede før den af grundbøl-10 gen dannede bølgefront indtræffer, rammes af forudløbende bølger af ikke ubetydelig energi. Det blev konstateret, at disse forudløbende bølger er af senderkrystallet udstrålede bølger af første og anden orden, som ifølge bølgeligningen forplanter sig med større hastighed gennem fluidet end den 15 jævne grundbølge. Ifølge opfindelsen udnyttes den kendsgerning, at disse bølger af første og anden orden har en forplantningsretning, som står i en vinkel på grundbølgens forplantningsretning. Udstråles grundbølgen nemlig i retning af målerørets akse, så når denne modtageren udæmpet, mens bøl-20 gerne af første og anden orden rammer rørvæggen og reflekteres der, men får derved på grund af den mindre akustiske impedans af indervæggen en dæmpning. Dermed sikres det, at de forudløbende bølger er så svage, at modtageren ikke aktiveres heraf.

25 Ved de fleste væsker ligger lydhastigheden mellem 1500 og 1800 m/s. For vand gælder 1500 m/s. Ultralydfrekvensen skal holdes så høj som muligt, for at der fås en god opløsningsevne; en for høj frekvens giver dog for store transmissionstab. En gunstig værdi af ultralydfrekvensen ligger ved 30 1 MHz. Ved denne frekvens ligger følgelig den øvre lysning af et til vand beregnet målerør mellem 20 og 25 mm. Ved målinger kan det påvises, at der ved et målerør af metal med en diameter på 25 mm eller mere ikke er nogen problemer med

DK 153810 B

3 forudløbende bølger, mens disse problemer tydeligt optræder, når diameteren underskrider 20 mm. For andre væsker og andre ultralydfrekvenser gælder noget tilsvarende.

Transmissionsvejens længde må ved de her betragtede appara-5 ter ikke underskride en bestemt mindste størrelse, fordi tidsdifferencen for lydmålinger ved for små afstande mellem omformerne bliver lille, og der ikke kan opnås et nøjagtigt måleresultat. Denne nedre grænse er en ren praktisk værdi, som afhænger af apparatet og den måletekniske side; den er i 10 reglen mindst 40 - 50 gange ultralydsignalets bølgelængde.

Ofte anvendes der dog længere transmissionsveje, fx fra 150 - 200 gange bølgelængden, fx når ultralydsenderens krystal har et mindre tværsnit end målerørtværsnittet, og når dette rørtværsnit skal fyldes fuldstændigt med en lydbølge 15 for at få en middelværdi. Men også transmissionsveje fra 300 - 500 gange bølgelængden er ikke usædvanligt. I alle tilfælde fås de ifølge opfindelsen tilstræbte reflektioner med dæmpning af bølgerne af første og anden orden. Hyppige reflektioner fører til tilsvarende stærke dæmpninger.

20 Især kan målerørets indervæg bestå af kunststof, fortrinsvis polyamid. Kunststoffer har enten fra naturens side en væsentlig ringere akustisk impedans end metal, eller kan uden vanskeligheder fremstilles med en sådan impedans.

Det er nok, når kun en indre vægbeklædning består af kunst-25 stof. Selve målerøret kan derfor være fremstillet af metal.

Dette er især hensigtsmæssigt, hvor der stilles større krav til soliditeten eller temperaturbestandigheden af målerøret.

Det har vist sig, at forholdsvis ringe tykkelser af vægbeklædningen er tilstrækkelige for at opnå de tilstræbte re-30 sultater. Tykkelsen behøver kun at udgøre 0,5 - 1,5 mm, fortrinsvis ca. 1 mm.

DK 153810B

4

Opfindelsen bliver nedenstående nærmere forklaret ved hjælp af et på tegningen vist udførelseseksempel, som skematisk, delvis i snit, viser et apparat ifølge opfindelsen.

Et målerør 1 er forsynet med en indervæg-beklædning 2 af po-5 lyamid. Målerøret har på sin ene ende et hoved 3, som optager et tilløbsrør 4 og i aksial forlængelse af målerøret 1 en ultralydomformer 5. På den anden ende er der anbragt et hoved 6, som optager et tilløbsrør 7 og i aksial forlængelse med målerøret 1 en anden ultralydomformer 8.

10 De to omformere 5 og 8 er forbundet med en styre- og målekreds 9. Denne afgiver i en første takt en aktiveringsimpuls til omformeren 5, hvorpå denne som sender frembringer et ultralydsignal. Det af omformeren 8 som modtager optagne ultralydsignal meldes til kredsen 9, således at ultralydsigna-15 lets løbetid kan konstateres. Da fluidet tilføres i retning af pilen P, sker denne løbetidsmåling i strømningsretningen.

I anden takt afgiver styre- og målekredsen 9 en aktiveringsimpuls til omformeren 8, således at denne tjener som sender for det næste ultralydsignal. Det af den nu som modtager 20 virkende omformer 5 optagne ultralydsignal meldes kredsen 9, således at løbetiden denne gang måles mod strømningsretningen. Af disse måleresultater kan en med kredsen 9 forbundet udnyttelsekreds 10 konstatere og angive strømningshastigheden og, da rørtværsnittet er forudbestemt, også den derigen-25 nem løbende mængde. Af de målte værdier kan også lydhastigheden i fluidet og dermed dettes tæthed konstateres.

I det foreliggende udførelseseksempel er fluidet vand, ved hvilket lydhastigheden udgør ca. 1500 m/s. Ultralydomformeren arbejder med en grundfrekvens på 1 MHz. Bølgelængden af 30 en ultralydsvingning udgør derfor 1,5 mm. Målerøret har en ydre diameter Da på 20 mm, en vægtykkelse på 1 mm, således at der fås en mellemdiameter Dz på 18 mm.

DK 153810 B

5

Kunststof-beklædningen 2 har ligeledes en vægtykkelse på 1 mm, således at der fås en indre diameter på 16 mm. Dette svarer omtrent til 11 gange bølgelængden. Transmissionsvejens L længde er 50 cm. Dette svarer til 333 gange bølge-5 længden. Ved denne konstruktion er de den egentlige bølgefront forudløbende bølger så små, at de er uden betydning. Anvender man derimod et målerør med samme indre diameter, som består af stål, fås meget udprægede forudløbende bølger.

Lignende gode resultater opnås også med kunststof-beklædnin-10 ger på 0,5 og 2,0 mm. Det samme gælder for mindre indre diametre, fx 10 eller 14 mm, samt for noget større indre diametre, som fx 20 mm, og for forskellige længder L, fx 20 cm eller 75 cm.

Claims (5)

1. Apparat til måling af fysiske størrelser, især strømningshastigheden, af et fluidum, ved hjælp af ultralyd med en ultralydsender og en ultralydmodtager, som definerer en langs et målerørs akse forløbende transmissi- 5 onsvej, kendetegnet ved, at målerøret (1) har en lysning (d^), som er mindre end det 15dobbelte af ultralydssignalets bølgelængde, og at målerørets in-dervæg (2) består af et materiale, som har en mindre akustisk impedans end metal.

2. Apparat ifølge krav 1,kendetegnet ved, at målerørets indervæg (2) består af kunststof.

3. Apparat ifølge krav 2, kendetegnet ved, at målerøret (1) er af metal og har en indre vægbeklædning (2) af kunststof.

4. Apparat ifølge krav 3,kendetegnet ved, at vægbeklædningens (2) tykkelse udgør 0,5 - 1,5 mm, fortrinsvis ca. 1 mm.

5. Apparat ifølge et af kravene 1-4, kendetegnet ved, at kunststoffet er en polyamid.