NL8902495A - Ultrasone stromingsmeter. - Google Patents

Description

Ultrasone stromlngsmeter.

Aanvraagster noemt als uitvinders: Ing. A.H. Boer

Ing. A.M. Heijnsdijk Ing. P.N.J. van Nistelrooij Dr. D.M. Oldenziel H.L. Spoor Ing. H.J. Pelle

De uitvinding heeft betrekking op een ultrasone stromingsmeter voor het meten van de stroomsnelheid van fluidums in een buis, voorzien van êën of meer paren van transducenten die telkens per paar een schuin door de buis verlopende meetlijn in het fluïdum bepalen en aan de uiteinden daarvan zijn opgesteld, en die zowel voor het uitzenden als voor het ontvangen van ultrasone langs de meetlijn overgedragen geluidsgolven dienen, waarbij de transducenten en hun behuizingen per paar aan de uiteinden van de meetlijn in doorboringen in de buiswand zijn ingevoerd en waarbij de hartlijnen van de beide bij de twee transducenten van een meetlijn behorende uittreevlakken in eikaars verlengde langs de meetlijn vallen. Een dergelijke ultrasone stromingsmeter is bekend uit het Britse octrooischrift 1.533.845.

Bij de uit bovengenoemd octrooischrift bekende ultrasone stromingsmeter zijn de transducenten en hun behuizingen in doorboringen in de buiswand aangebracht waarvan de hartlijnen in eikaars verlengde eveneens langs de schuin door de buis verlopende meetlijn vallen. Als gevolg hiervan staan de hartlijnen van de doorboringen in de buiswand schuin ten opzichte van de normaal op de buiswand. Deze schuine stand brengt met zich mee dat in de buiswand een ovale opening moet worden gemaakt hetgeen op zich lastig is te realiseren.

Ook is uit het Amerikaanse octrooischrift 4.308.754 een dergelijke ultrasone stromingsmeter bekend waarin de beide transducenten en de behuizingen hartlijnen hebben die in eikaars verlengde langs de meetlijn vallen. De schuin op de buis staande behuizing is aan de contour van de genoemde ovale opening gelast. De lengte van de las is door de ovale vorm van de opening in de buiswand noodzakelijkerwijs groter dan de cirkelomtrek van de behuizing. In de praktijk blijkt ook dat als gevolg van de lengte en de plaats van de las de kans groter is dat de buis in de omgeving van de behuizing wordt vervormd hetgeen een nadelige invloed heeft op het stromingsprofiel van het fluidum. Een verder pro- bleem doet zich voor dat als gevolg van de plaatselijk scherpe hoek tussen opstaande wand van de behuizing en omtrek van de meetbuis de laselektrode moeilijk de las kan bereiken en dat de niet-destructieve lascontrole ook moeilijk kan worden uitgevoerd.

De uitvinding beoogt deze problemen te ondervangen en een ultrasone stromingsmeter te verschaffen, die een meer compacte en goedkopere opbouw heeft en waarmee de genoemde moeilijkheden bij de fabricage en eventuele verstoringen in bedrijf worden vermeden.

Dit wordt bij een ultrasone stromingsmeter van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding aldus bereikt, doordat de behuizingen van de transducenten loodrecht op de buiswand zijn bevestigd, dat het bij elke transducent behorende uittreevlak zodanig schuin in de behuizing is geplaatst dat de hoek tussen de met de meetlijn samenvallende hartlijn van het uittreevlak en de hartlijn van de behuizing tussen 0° en 90° ligt, en dat noch het uittreevlak noch de behuizing binnen de binnenomtrek van de buis steekt. Bij deze uitvoering volgens de uitvinding is zowel het maken van de doorboring van de buiswand als het vastlassen of bevestigen van de behuizing aanzienlijk vereenvoudigd waardoor een meer betrouwbare constructie en een besparing op de fabricage-kosten wordt verkregen. Een verder voordeel doet zich voor bij de fabricage dat de laselektrode de lasplaats gemakkelijk kan bereiken onder een in hoofdzaak constante hoek van bijvoorbeeld 45°. Verder kan vanzelfsprekend het niet-destructieve onderzoek van de laskwaliteit ook eenvoudiger worden uitgevoerd.

Als gevolg van de loodrechte plaatsing van de transducentbehuizing op de buiswand onder behoud van het recht tegenover elkaar staan van de beide bij een meetlijn behorende uittreevlakken van de ultrasone golven zullen zoals bovengesteld de uittreevlakken onder een hoek staan ten opzichte van de hartlijn van de transducentbehuizingen. Deze hoek kan bij een uitvoering met een enkelvoudige meetlijn tussen 0° en 90°, en bij een uitvoering met een dubbele meetlijn tussen 30° en 90° liggen, en bij voorkeur 45° bedragen.

Doordat de uittreevlakken onder een schuine hoek zijn opgesteld, doet het probleem zich voor dat de in het fluidum uitgezonden ultrasone golven verstrooid raken doordat zij de rand van de binnenomtrek van de buis raken. Dit kan worden vermeden door de transducenthouder zo ver binnen de binnenomtrek van de buiswand uit te doen steken dat de akoestische meetlijn tussen de beide tegenover elkaar gelegen uittreevlakken niet door de binnenomtrek van de buiswand wordt doorsneden. Dit brengt echter met zich mee dat de behuizing en het uittreevlak in de fluïdum- stroom steken en zo het stromingsprofiel verstoren.

In de stromingsmeter volgens de uitvinding zijn nu de behuizingen en de daarin aangebrachte uittreevlakken zodanig aangebracht dat zij niet binnen de binnenomtrek van de buis steken en derhalve niet de fluidumstroom verstoren. Een onbelemmerde directe akoestische meetlijn tussen beide uittreevlakken wordt verkregen doordat het uittreevlak asymmetrisch ten opzichte van de hartlijn van de transducentbehuizing is aangebracht in de richting naar de binnenomtrek van de buis.

De uitvinding zal aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin: fig. 1 een perspectivisch aanzicht geeft van een stromingsmeter volgens de uitvinding met twee meetlijnen en daarbij behorende trans-ducentbehui zingen; fig. 2 een doorsnedeaanzicht geeft volgens de lijn II-II van fig. 1; en fig. 3 een dwarsdoorsnedeaanzicht geeft van de transducenthouder uit fig. 1.

De in de fig. 1 en 2 aangegeven ultrasone stromingsmeter volgens de uitvinding omvat een viertal transducenten. Deze transducenten zijn opgenomen in transducenthouders 2 welke op hun beurt resp. in trans-ducentbehuizingen 3 zijn aangebracht welke loodrecht op de meetbuis zijn aangelast. De constructie is zodanig dat de hartlijnen c.q. normalen van de bij de transducenten 1 behorende uittreevlakken 4 een hoek vormen resp. met de hartlijnen van de bijbehorende sensorbehuizingen 3. De genoemde hartlijnen van deze uittreevlakken liggen per paar transducenten in het verlengde van de gevormde meetlijnen.

De meetbuis 5 kan op bekende wijze in het circuit geplaatst worden waardoor het te meten fluïdum stroomt. Daartoe is de meetbuis 5 aan weerszijden voorzien van flenzen. Zoals verder duidelijk uit de fig. 1 en 2 blijkt zijn de behuizingen loodrecht op de meetbuis geplaatst rond de bijbehorende openingen in de buiswand. De in de genoemde houders opgenomen transducenten zijn van het fluidum gescheiden door een akoestisch venster dat bijvoorbeeld van metaal is. De in aanraking met het fluidum zijnde buitenoppervlakken van deze akoestische vensters vormen de genoemde uittreevlakken 4.

In dit uitvoeringsvoorbeeld zijn de transducenten 1 tegen het bin-nenoppervlak van de akoestische vensters aangedrukt. De uitvoering is zodanig dat, na beëindiging van de invoer van de transducenthouders in de bijbehorende behuizingen, de hartlijnen of normalen van de uittreevlakken van de ultrasone golven paarsgewijs met elkaar uitgelijnd zijn en langs de door hen bepaalde meetlijn vallen. Hierbij zijn deze trans-ducenthouders en bijbehorende uittreevlakken zodanig geplaatst dat de projecties van de door hen gevormde meetlijnen op een projectie- of dwarsdoorsnedevlak, loodrecht op de lengterichting van de buis 5 veelal evenwijdig lopen. Hierbij liggen deze meetlijnprojecties ieder op ongeveer een halve buisstraalafstand van de as van de buis 5 aan weerszijden daarvan. Hiertoe maken de projecties van de hartlijnen van de paarsgewijs bij elkaar behorende behuizingen een hoek van ongeveer 120° met elkaar.

De hoek van de transducenthouder 2 met de normaal of hartlijn van het uittreevlak 4, m.a.w. de transducenthoek, ligt zoals eerder vermeld bij een uitvoering met een enkelvoudige meetlijn tussen 0° en 90° en bij een uitvoering met een dubbele meetlijn tussen 30° en 90°, en bedraagt bij voorkeur 45°. Aangezien elke transducenthouder door middel van schroefdraad 6 met zeer geringe spoed in de behuizing is aangebracht, kan het bij de transducent behorende uittreevlak of akoestisch venster, zodanig in de gewenste richting worden gedraaid dat hiermee met behulp van signaalwaarneming een zeer goede uitlijning met het tegenover gelegen uittreevlak wordt verkregen. De spoed is zo fijn dat bij draaiing over één gang de lengte van de meetlijn tussen twee trans-ducenten verwaarloosbaar wordt beinvloed.

Wanneer de genoemde transducenthoek 45° bedraagt is bij een uitvoering van de meetbuis met een enkelvoudige meetlijn de hoek tussen deze meetlijn en de as van de buis vanzelfsprekend gelijk aan 45°. Bij een uitvoering met twee meetlijnen, die schuin door de buis verlopen aan weerszijden van de buisas, is de genoemde hoek tussen elke meetlijn en de as van de buis gelijk aan ongeveer 54,7°.

In fig. 3 is een dwarsdoorsnedeaanzicht gegeven van een transducenthouder 2 met daarin opgenomen transducent 1 en akoestische venster of uittreevlak 4. In dit aanzicht is goed de schroefdraad 6 te zien via welke de houder 2 in de behuizing kan worden ingeschroefd en ingesteld. In de transducenthouder 2 is een holle ruimte 8 aanwezig waarin een staaf 7 van bijvoorbeeld kunststof van buitenaf wordt ingevoerd, aan het afgeschuinde einde waarvan de transducent 1 is bevestigd.

Door deze schuine opstelling van de transducent is het aandrukpro-bleem groter dan bij een opstelling waarin de transducent evenwijdig aan de langsrichting van de meetbuis, d.w.z. tegen een recht uiteinde van de staaf 7, zou zijn aangebracht.

De staaf 7 heeft nu vanaf het afgeschuinde einde af een taps weglopende vorm waarmede deze staaf met speling in de holle ruimte 8 kan worden ingevoerd. Met behulp van de door vering aangedrukte pen 9 en een beweeglijke kogel 10 wordt de kunststofstaaf in de holle ruimte aangedrukt. Met behulp van de kogel 10 en de in een uitdieping aan de omtrek van de staaf 7 opgenomen beweeglijke kogel 11 worden draaipunten verkregen waardoor de transducent 1 vlak tegen het akoestische venster of uittreevlak 4 kan worden aangedrukt. De krachtlijnen van de via de kogel 10 overgebrachte aandrukkracht en de door de houderwand via kogel 11 overgebrachte reactiekracht snijden elkaar bij benadering in het midden van de transducent 11. Met de genoemde tapse uitvoering en de toepassing van de twee kogels 10, 11 wordt de "overbepaaldheid" weggenomen en wordt een zelfzoekende aandrukking van de transducent verkregen.

Het spreekt vanzelf dat bij de constructie en plaats van de doorboringen in de wand van de buis rekening moet worden gehouden met het onder een vaste hoek, bijvoorbeeld 45°, staande schuine vlak van transducent en akoestisch venster opdat een correct werkende meetlijn wordt gevormd.

In de praktijk worden aan stromingsmeters strenge eisen voor wat betreft explosie-vrije werking gesteld. Dit houdt onder meer in dat de het fluidum voerende ruimte volstrekt geïsoleerd cq afgedicht is ten opzichte van de ruimte in de houder (in verband met eventuele vonkvor-ming aldaar door het transducentkristal) en ten opzichte van de buitenomgeving van de behuizing. Daartoe is het akoestische venster 4, dat van metaal is, met voordeel door middel van een dunne laserlas 13 aan de transducenthouder 2 gelast, en is deze houder door middel van een goed afdichtende schroefdraad 6 aan de behuizing bevestigd. Met behulp van de dunne laserlas 13 wordt bovendien een goede akoestische ontkoppeling tussen het akoestische venster 4 en de transducenthouder 2 bereikt.

Het is bij een alternatieve uitvoeringsvorm eveneens mogelijk om de staaf met recht einde uit te voeren en de transducent hierop vast te klemmen en vervolgens tussen de transducent en het schuin geplaatste akoestische venster een akoestische wig aan te brengen. Het spreekt hierbij vanzelf dat de materialen en derhalve brekingsindices van de wig en het akoestische venster zodanig moeten zijn dat uiteindelijk de ultrasone straal loodrecht uit het akoestische venster uittreedt. De lengte van de wig en de dikte van het akoestische venster moeten gelijk zijn aan een geheel aantal halve golflengten van de ultrasone golf.

Claims (10)

1. Ultrasone stromingsmeter voor het meten van de stroomsnelheid van fluidums in een buis, voorzien van éên of meer paren van transdu-centen die telkens per paar een schuin door de buis verlopende meetlijn in het fluidum bepalen en aan de uiteinden daarvan zijn opgesteld, en die zowel voor het uitzenden als voor het ontvangen van ultrasone langs de meetlijn overgedragen geluidsgolven dienen, waarbij de transducenten en hun behuizingen per paar aan de uiteinden van de meetlijn in doorboringen in de buiswand zijn ingevoerd en waarbij de hartlijnen van de beide bij de twee transducenten van een meetlijn behorende uittreevlak-ken in eikaars verlengde langs de meetlijn vallen, met het kenmerk, dat de behuizingen van de transducenten loodrecht op de buiswand zijn bevestigd, dat het bij elke transducent behorende uittreevlak zodanig schuin in de behuizing is geplaatst dat de hoek tussen de met de meetlijn samenvallende hartlijn van het uittreevlak en de hartlijn van de behuizing tussen 0° en 90° ligt, en dat noch het uittreevlak noch de houder binnen de binnenomtrek van de buis steekt.

2. Ultrasone stromingsmeter volgens conclusie 1, waarin het uittreevlak door een akoestisch venster wordt gevormd en de transducent een platte schijfvorm heeft, met het kenmerk, dat transducent en uittreevlak aanliggend tegen elkaar asymmetrisch ten opzichte van de hartlijn van de behuizing zijn aangebracht aan die zijde van de hartlijn die het verst weg is gelegen van de aan de tegenover gelegen zijde van de bijbehorende meetlijn aangebrachte transducent.

3. Ultrasone stromingsmeter volgens conclusie 1 of 2, waarbij de behuizing als ronde bus is bevestigd aan de buiswand, met het kenmerk, dat de transducent in een houder is opgenomen die in de behuizing is ingebracht via schroefdraad die een kleine spoed heeft waarmee de uit-lijning van de hartlijnen van de genoemde bij éên meetlijn behorende uittreevlakken wordt gerealiseerd.

4. Ultrasone stromingsmeter volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de houder van de transducent van metaal is, dat het akoestische venster van metaal is en door middel van een laserlas aan de houder is bevestigd.

5. Ultrasone stromingsmeter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de houder een holle ruimte heeft, waarin met speling een staaf is ingevoerd met een afgeschuind einde waaraan de transducent is bevestigd.

6. Ultrasone stromingsmeter volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat staaf verend in de houder is opgenomen zodat de transducent tegen het akoestische venster wordt aangedrukt.

7. Ultrasone stromingsmeter volgens conclusie 5 of 6, met het kenmerk, dat de staaf naar het van het afgeschuinde einde afgekeerde einde taps toeloopt en vanaf dat einde een volgens de asrichting verlopende centrale boring heeft met een daarin aangebrachte verende aandrukpen.

8. Uitrasome stromingsmeter volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat aan het einde van de centrale boring een kogel is aangebracht, waartegen de verende aandrukpen aandrukt, dat de staaf in zijn buitenomtrek nabij het uiterste punt van het afgeschuinde einde een uitdieping heeft voor een andere kogel die bij de invoer van staaf met trans— ducent als draaiend steunpunt tegen de binnenomtrek van de holle ruimte van de houder dient, zodanig dat bij aandrukking van de staaf de krachtlijnen van de via de ene kogel aangebrachte aandrukkracht en de via de andere kogel aangebrachte reactiekracht van de binnenomtrek van de holle houderruimte elkaar bij benadering in het midden van de transducent snijden.

9. Ultrasone stromingsmeter volgens een der voorgaande conclusies, waarbij twee elk bij een meetlijn behorende paren van transducenten zijn aangebracht, met het kenmerk, dat de projecties van de beide meetlijnen op een dwarsdoorsnedevlak van de buis in hoofdzaak evenwijdig lopen, en dat de kortste afstand van elke meetlijn tot de lengteas van de buis bij benadering gelijk is aan de halve buisstraal.

10. Ultrasone stromingsmeter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de genoemde hoek ongeveer 45° bedraagt.