NL1004544C2

NL1004544C2 - Werkwijze en inrichting voor het bepalen van de stroomsnelheid en/of doorvoer van een stromend fluïdum.

Info

Publication number: NL1004544C2
Application number: NL1004544A
Authority: NL
Inventors: Geeuwke De Ir Boer
Original assignee: Instromet Ultrasonics Bv
Priority date: 1996-11-15
Filing date: 1996-11-15
Publication date: 1998-05-18
Also published as: US6041663A; NO325042B1; NO975222D0; EP0843160A1; NO975222L; EP0843160B1

Description

Korte aanduiding: Werkwijze en inrichting voor het bepalen van de stroomsnelheid en/of doorvoer van een stromend fluïdum

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bepalen van de stroomsnelheid en/of doorvoer van een stromend fluïdum in een kanaal door het uitzenden en ontvangen van ultrasone geluidsgolven over paden tussen transdu-5 centen, die langs de omtrek van het kanaal zijn opgesteld en die als zender en ontvanger kunnen fungeren, het meten van de looptijden van de geluidsgolven, uitgezonden in tegengestelde richtingen over een pad, en het bepalen van het verschil tussen de looptijden daarvan en het berekenen van 10 de stroomsnelheid en/of doorvoer onder gebruikmaking van vermenigvuldigingsfactoren, waarbij ten minste één pad tussen twee in de stromingsrichting van het fluïdum op afstand van elkaar gepositioneerde transducenten is gelegen.

Een dergelijke werkwijze is bijvoorbeeld bekend uit de 15 Europese octrooiaanvrage 0 639 776 van Aanvraagster. Deze bekende werkwijze is gebaseerd op het herkennen van bepaalde eigenschappen van het stromingsprofiel - symmetrie, swirl en/of pulserende stroming - en op basis daarvan wordt een automatische aanpassing van de vermenigvuldigingsfactoren 20 uitgevoerd teneinde de doorvoer en/of stroomsnelheid te berekenen uit de gemeten looptijden. In een voorkeursuitvoeringsvorm van deze bekende werkwijze worden paren transducenten toegepast, die zodanig zijn opgesteld, dat de paden daarvan drie paden door het midden van het kanaal met enkel-25 voudige reflectie tegen de wand en twee paden volgens een ingeschreven driehoek omvatten.

Bij het uitvoeren van metingen, zoals bij gasproducenten, worden steeds strengere eisen gesteld aan de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de meetresultaten. Eén van de 30 oorzaken van de "onnauwkeurigheid" en "onbetrouwbaarheid", voorzover daarvan gesproken kan worden, van de met bekende werkwijzen verkregen resultaten, is de restgevoeligheid voor verschillende stromingsprofielen, die onder meer wordt veroorzaakt door de positie van de akoestische paden en dus 1004544 2 van de toegekende vermenigvuldigingsfactoren.

De uitvinding heeft ten doel een meetwerkwijze te verschaffen, waarbij de basisgevoeligheid voor axiaal symmetrische stromingspatronen is verminderd en het stromingsprofiel 5 niet behoeft te worden herkend.

De uitvinding heeft verder ten doel een dergelijke meetwerkwijze te verschaffen op basis van een geschikte keuze van de opstelling van de transducenten en aldus van de paden.

10 Nog een ander doel van de uitvinding is de nauwkeurig heid en betrouwbaarheid van de meetwerkwijze en zodoende van de daarmee verkregen meetresultaten te verbeteren.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt door een werkwijze van het hierboven genoemde type, waarbij de paden 15 ten minste één eerste pad door het midden van het kanaal omvatten, alsmede ten minste één tweede pad in de vorm van een ingeschreven driehoek en ten minste één derde pad met drie of meer reflecties tegen de wand van het kanaal.

Een pad, hierna ook wel akoestisch pad genoemd, is de 20 baan tussen de betreffende transducenten, ongeacht de richting waarin de uitgezonden geluidsgolven dit pad doorloot.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding worden aldus geluidsgolven over ten minste drie verschillende akoestische paden uitgezonden, een pad door het midden van het kanaal, 25 een pad in de vorm van een ingeschreven driehoek en een pad met meer dan twee reflecties tegen de wand van het kanaal. Langs elk pad worden de geluidsgolven in beide richtingen uitgezonden, zodat met behulp van het verschil in looptijd van de in tegengestelde richting uitgezonden geluidsgolven 30 de stroomsnelheid en/of het debiet kan worden berekend.

Door deze combinatie van akoestische paden kunnen de toe te kennen rekentechnische vermenigvuldigingsfactoren voor allerlei axiaal symmetrische stronmingsprofielen gelijk worden gesteld, onafhankelijk van het heersende stromings-35 profiel.

In de praktijk kan, indien nodig geacht, een combinatie van de werkwijze volgens deze uitvinding met de hierboven 1004544 3 beschreven werkwijze volgens EP-A-0 639 776 worden toege past.

Zoals hierna zal blijken, zijn de met de werkwijze volgens de uitvinding verkregen resultaten beter en dus be-5 trouwbaarder dan de tot nu toe bereikte resultaten.

Voorkeursuitvoeringsvormen van de werkwijze volgens de uitvinding zijn in de onderconclusies gedefinieerd. Bij voorkeur omvat het eerste pad door het midden van het kanaal één reflectie tegen de kanaalwand, omdat een dergelijk pad 10 ongevoelig is voor swirl. Verder is het derde pad met de meeste reflecties bij voorkeur een ingeschreven vierkant, zodat de totale padlengte weinig invloed heeft op de nauwkeurigheid meting, die tengevolge van absorptie van de geluidsgolven door het medium kan worden verslechterd.

15 De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het bepalen van de stroomsnelheid en/of doorvoer van een stromend fluïdum in een kanaal, welke inrichting paren van transducenten omvat, die langs de omtrek van het kanaal zijn opgesteld en die als zender en ontvanger kunnen funge- 2 0 ren, waarvan ten minste één paar transducenten in de stro- mingsrichting van het fluïdum op afstand van elkaar gelegen is, alsmede middelen, verbonden met de transducenten, voor het uit de betreffende looptijden van de akoestische golven tussen de paren transducenten bepalen van de stroomsnelheid 25 van het fluïdum in het kanaal. Een dergelijke inrichting is eveneens in het vak bekend, bijvoorbeeld uit de hierboven genoemde Europese octrooipublikatie 0 639 776.

De inrichting volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat de paren transducenten zodanig zijn opgesteld, dat 3 0 deze ten minste één eerste pad door het midden van het kanaal omvatten, alsmede ten minste één tweede pad in de vorm van een ingeschreven driehoek en ten minste één derde pad met drie of meer reflecties tegen de wand van het kanaal .

35 Voorkeursuitvoeringsvormen van de inrichting volgens de uitvinding zijn in de onderconclusies 6 en 7 beschreven.

De uitvinding zal hierna in meer detail worden geïllus- 1004544 4 treerd aan de hand van de bijgevoegde tekening, waarin

Figuur 1 een grafiek van de weegfactoren voor verschillende akoestische paden is;

Figuur 2 is een grafiek van de weegfactoren voor een 5 ideaal akoestisch pad in vergelijking met die voor een combinatie van akoestische paden volgens de stand van de techniek;

Figuur 3 is een grafiek van de restfout van de combinatie volgens figuur 2; 10 Figuur 4 is een schematisch weergave van een voorkeurs uitvoeringsvorm van configuraties van transducenten en akoestische paden in een kanaal, die bij de onderhavige uitvinding wordt toegepast;

Figuur 5 is een grafiek van de weegfactoren en restfout 15 voor de combinatie van akoestische paden volgens figuur 4.

Opgemerkt wordt dat met de term weegfactor de geometrische weegfactor is bedoeld; dit ter onderscheiding van de rekentechnische vermenigvuldigingsfactoren, die bij het berekenen van de snelheden en/of het debiet van het medium 20 als correctiefactoren worden toegepast.

Aan de uitvinding liggen de volgende beginselen ten grondslag. Voor het bepalen van de stroming door een cylin-drisch kanaal wordt het oppervlak van een dwarsdoorsnede door het kanaal in een reeks concentrische ringen opgedeeld. 25 Elke ring heeft een oppervlak van 27rr.$r, waarbij <Sr de breedte van de concentrische ring is. Het oppervlak van een ring neemt dus rechtevenredig met de waarde van r toe. Zie kromme 1 in figuur 1, waarin de relatieve bijdrage van een ring als functie van de straal is weergegeven.

30 Voor een axiaal symmetrische stroming kan het volume Q

dat door de buis stroomt, gevonden worden door het sommeren of integreren van de snelheid V(r), vermenigvuldigd met het oppervlak van de bijbehorende concentrische ring ofwel in formulevorm: Q = j V(r).2nr.Sr. De grootte van de snelheid 35 V(r) wordt door de ultrasone meetinrichting bepaald. De toe te kennen vermenigvuldigingsfactor is afhankelijk van de positie van het akoestisch pad. Naast de ideaal te bereiken 1004544 5 weegkromme l, zijn in fig. 1 de weegfactoren voor een drietal verschillende paden weergegeven. Bij een akoestisch pad door het midden van de buis heeft elk segment met een breed-tefrequentie dezelfde weegfactor, zoals met kromme 2 in deze 5 fig. is aangeduid. Met kromme 3 is de weegfactor van een akoestisch pad in de vorm van een ingeschreven driehoek (mid-radius pad met dubbele reflectie) weergegeven. Kromme 4 komt overeen met de weegfactoren van een pad in de vorm van een ingeschreven vierkant.

10 In fig. 2 is de ideale weegcurve (!), alsmede de samen gestelde weegcurve (+) van een combinatie van een enkel reflectiepad met een dubbel reflectiepad, zoals deze uit de stand van de techniek bekend is, weergegeven. In fig. 3 is de relatieve meetfout (*) daarvan (weegcurve minus ideale 15 weegcurve) als functie van de positie getekend. Daaruit blijkt dat weegfouten ontstaan, die variëren van ongeveer -0,02 tot +0,054. Dergelijke weegfouten geven op hun beurt aanleiding tot meetfouten, wanneer het werkelijke stromings-profiel afwijkt van het stromingsprofiel dat tijdens cali-20 bratie aanwezig was of dat wat werd verwacht.

In figuur 4 is een voorkeursuitvoeringsvorm van de opstelling van transducenten en dus akoestische paden weergegeven, die bij de werkwijze en inrichting volgens de uitvinding wordt toegepast. Langs de omtrek van een kanaal 1 zijn 25 paren transducenten opgesteld. Een eerste paar transducenten 2a, 2b is in de lengterichting van het kanaal op afstand van elkaar gelegen. Deze definiëren een eerste akoestisch pad A met een enkele reflectie tegen de wand van het kanaal 1. Op vergelijkbare wijze is een tweede paar van transducenten 3a, 30 3b zodanig opgesteld, dat het tweede akoestisch pad B de vorm van een ingeschreven driehoek heeft. Een derde paar transducenten 4a, 4b is zodanig opgesteld, dat het derde akoestisch pad C daarvan de vorm van een ingeschreven vierkant heeft.

35 Met de combinatie van akoestische paden volgens de uit vinding wordt nu een kromme van samengestelde weegfactoren verkregen, die de ideale weegcurve zo dicht mogelijk bena- 1004544 6 dert.

In figuur 5 is de weegkromme (x) van deze combinatie weergegeven, alsmede de restfout daarvan, aangeduid met a, ten opzichte van de ideale weegcurve (niet-weergegeven).

5 Zoals daaruit blijkt, blijft de fout in dit geval binnen de -0,02 en +0,02, hetgeen een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de bekende combinatie betekent. Een bijkomend voordeel is, dat de pieken in de restfout beter verdeeld zijn over de ruimte (vgl. de enkelvoudige piek in kromme 2 10 van fig. 3 met de dubbele piek in de restfout volgens fig.

5) . Hierdoor neemt de gevoeligheid voor een lokale profiel-verstoring af.

Met de tot nu toe bestaande meettechniek kan een onnauwkeurigheid van ongeveer 0,5 % worden gerealiseerd, die 15 wordt veroorzaakt door (metastabiele) variaties in het stromingsprofiel. Bij de meetwerkwijze volgens de onderhavige uitvinding kan deze minimaal tot ongeveer 0,15 % worden gereduceerd.

1004544

Claims

1. Werkwijze voor het bepalen van de stroomsnelheid en/of doorvoer van een stromend fluïdum in een kanaal door het uitzenden en ontvangen van ultrasone geluidsgolven over paden tussen transducenten, die langs de omtrek van het 5 kanaal zijn opgesteld en die als zender en ontvanger kunnen fungeren, het meten van de looptijden van de geluidsgolven, uitgezonden in tegengestelde richtingen over een pad, en het bepalen van het verschil tussen de looptijden daarvan en het berekenen van de stroomsnelheid en/of doorvoer onder ge-10 bruikmaking van vermenigvuldigingsfactoren, waarbij ten minste één pad tussen twee in de stromingsrichting van het fluïdum op afstand van elkaar gepositioneerde transducenten is gelegen, met het kenmerk dat de paden ten minste één eerste pad (A) door het midden van het kanaal (1) omvatten, 15 alsmede ten minste één tweede pad (B) in de vorm van een ingeschreven driehoek en ten minste één derde pad (C) met drie of meer reflecties tegen de wand van het kanaal.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat een eerste pad (A) één reflectie tegen de wand van het kanaal 20 omvat.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat een derde pad (C) de vorm van een ingeschreven vierkant heeft.

4. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, met 25 het kenmerk dat vermenigvuldigingsfactoren worden toegekend, die afhankelijk zijn van de positie van het betreffende pad.

5. Inrichting voor het bepalen van de stroomsnelheid en/of doorvoer van een stromend fluïdum in een kanaal, welke inrichting paren van transducenten omvat, die langs de 30 omtrek van het kanaal zijn opgesteld en die als zender en ontvanger kunnen functioneren, waarvan ten minste één paar transducenten in de stromingsrichting van het fluïdum op afstand van elkaar gelegen is, alsmede middelen, verbonden met de transducenten, voor het uit de betreffende looptijden 35 van de akoestische golven tussen de paren transducenten 1004544 δ bepalen van de stroomsnelheid van het fluïdum in het kanaal, met het kenmerk dat de paren transducenten (2a, 2b; 3a, 3b; 4a, 4b) zodanig zijn opgesteld, dat deze ten minste één eerste pad (A) door het midden van het kanaal (1) omvatten, 5 alsmede ten minste één tweede pad (B) in de vorm van een ingeschreven driehoek en ten minste één derde pad (C) met drie of meer reflecties tegen de wand van het kanaal (1).

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk dat de transducenten (2a, 2b) zodanig zijn opgesteld, dat een 10 eerste pad (A) één reflectie tegen de wand van het kanaal (1) heeft.

7. Inrichting volgens conclusie 5 of 6, met het kenmerk dat de transducenten (4a, 4b) zodanig zijn opgesteld, dat een derde pad (C) de vorm van een ingeschreven vierkant 15 heeft. 1 0 0 4 5 4 4