NO332347B1 - Fremgangsmate ved maling av gjennomstromning ved hjelp av ultralyd - Google Patents

Abstract

En fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd for måling av strømningshastighet for et medium som strømmer gjennom en måleledning, utføres ved hjelp av to ultralydomformere anordnet i innbyrdes avstand i mediets strømningsretning. Fra de to ultralydomformere sendes det hver for seg på den ene side ut ultralydpulser og det på den annen side mottas ultralydpulser sendt ut fra vedkommende annen ultralyd- omformer. Strømningshastigheten beregnes så på grunnlag av løpetiden for ultralydpulser mottatt av henholdsvis den ene og annen ultralydomformer. På grunnlag av beregnet lydhastighet for en ultralydpuls som løper fra den ene til den annen ultralydomformer bestemmes det i det minste en korrekturparameter, idet beregningen av lyd-utberedelsen for en ultralydpuls som løper fra den ene til den annen ultralydomformer skjer under hensyntagen til et forut gitt frekvensspekter av ultralydomformerens oscillasjoner, og Strømningshastigheten beregnes da under hensyntagen til denne bestemte korrekturparameter.

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte ved måling av gjennomstrøm-ning ved hjelp av ultralyd for å måle strømningshastigheten for et medium som strømmer gjennom en måleledning ved hjelp av to ultralydomformere som er anordnet i innbyrdes avstand i mediets strømningsretning, idet det fra de to ultralydomformere vekselvis på den ene side sendes ut ultralydpulser og det på den annen side mottas ultralydpulser sendt ut fra vedkommende annen ultralydomformer og hvor strømningshastigheten beregnes på grunnlag av løpetider for ultralydpulser mottatt av den ene eller annen ultralydomformer, og det på grunnlag av beregnet lydutbredelse for ultralydpulser som løper fra den ene til den annen ultralydomformer bestemmes i det minste en korrekturparameter, og strømningshastig-heten beregnes under hensyntagen til den bestemte korrekturparameter.

En sådan fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømningshastighet ved hjelp av ultralyd er f.eks. kjent fra GB 2 339 907 A.

Før het det at en fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd tjener til å måle strømningshastigheten for et medium som strømmer gjennom en måleledning. Til dette skal det bemerkes at mediet som strømmer gjennom måleledningen typisk strømmer med en bestemt strømningsprofil og ved laminær strømning, f.eks. med en sådan strømningsprofil som er lineær med hastighetsforløpets radiale gradient. I alle fall strømmer mediet i forskjellige punk-ter på måleledningens tverrsnitt som regel med innbyrdes ulike hastigheter, slik at det ved måling ved strømningshastighet alltid bare dreier seg om den midlere eller gjennomsnittlige strømningshastighet langs målebanen, dvs. forbindelsen mellom de to ultralydomformere.

Videre behøver denne midlere strømningshastighet ikke nødvendigvis være lik den midlere strømningshastighet for hele mediet i måleledningen, men derimot være avhengig av forløpet av målebanen gjennom mediet. Den midlere eller gjennomsnittlige strømningshastighet for hele mediet som strømmer gjennom måleledningen bestemmes ved hjelp av en måling med to ultralydomformere bare når det med hensyn til måleledningen dreier seg om en rotasjonssymmetrisk ledning hvor også strømningsprofilen er rotasjonssymmetrisk og forbindelseslinjen mellom de to ultralydomformere krysser måleledningens lengdeakse.

Med hensyn til måleledningen skal det forøvrig bemerkes at denne typisk er hovedsakelig rotasjonssymmetrisk og også har et sirkulært tverrsnitt. Prinsipielt kan imidlertid måleledningens tverrsnitt være et hvilket som helst. Dessuten kan måleledningen på den ene side være et rør som er lukket omkring det hele eller også på den annen side, være utformet som en åpen renne.

Det grunnleggende måleprinsipp for den innledningsvis beskrevne fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd er basert på at ultralydpulsene gjennom det strømmende medium løper med på den ene side en hastighetskomponent i retning av strømningshastigheten og på den annen side, imot strøm-ningshastigheten, slik at det gir seg følgende løpetider for ultralydpulsene:

hvor Tab er løpetiden for en ultralydpuls med en hastighetskomponent i retning av strømningshastigheten, 7"ba er løpetiden for en ultralydpuls med en hastighetskomponent motsatt strømningshastigheten, L er avstanden mellom de to ultralydomformere, c er lydhastigheten i mediet som strømmer gjennom måleledningen, vm er den midlere hastighet for mediet langs målebanen, dvs. forbindelseslinjen mellom ultralydomformerne, og 9 er vinkelen mellom forbindelseslinjen mellom de to ultralydomformere og strømningsretningen.

Med ligningene 1 og 2 lar den midlere hastighet for mediet seg beregne på følg-ende måte:

Ligning 3 viser at lydhastigheten i mediet ikke inngår i beregningen av mediets strømningshastighet. Ifølge denne beregning er altså mediets strømningshastighet uavhengig av lydhastigheten i mediet.

Med utgangspunkt i den innledningsvis beskrevne fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd har oppfinnelsen som oppgave å angi en sådan fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd, som oppviser forbedret målenøyaktighet.

Den her tilhørende og påpekte oppgave løses ved at beregningen av lydutbredelsen for en ultralydpuls som løper fra den ene til den annen ultralydomformer skjer under hensyntagen til et forut gitt frekvensspekter av ultralydomformerens oscillasjoner.

Ved beregning av lydutbredelsen for en ultralydpuls som løper fra den ene til en annen ultralydomformer blir det således tatt hensyn til systemparametre, slik som ultralydpulsens frekvensavhengige dempning i mediet og/eller lydhastigheten i mediet, og da for et forut gitt frekvensspekter. Det betyr at bestemmelsen av korrekturparameteren under hensyntagen til i det minste en systemparameter, ikke skjer bare for en eneste frekvens, men for flere frekvenser. Med frekvensspekteret kan det på den ene side dreie seg om et kontinuerlig frekvensspekter hvor de enkelte frekvenser følger kontinuerlig etter hverandre, men det kan også være et ad-skilt frekvensspekter som oppviser adskilte frekvenser i innbyrdes avstand.

Alternativt eller i tillegg til de nevnte systemparametre, nemlig den frekvensavhengige dempning av ultralydpulsen i mediet og lydhastigheten i mediet, kan ytterligere systemparametre, slik som diameteren eller arealet av ultralydomformerens oscillasjonsaktive område, mediets densitet, avstanden mellom ultralydomformerne og derved lengden av målebanen, osv., tas i betraktning. Det område av ultralydomformeren som på grunn av sin svingningsevne står for henholdsvis utsendelsen og mottagningen av ultralydpulser betegnes det oscillasjonsaktive areal av ultralydomformeren. Størrelsen og formen av ultralydomformerens oscillasjonsaktive område har blant annet betydning for den genererte ultralydpuls sin karakteristikk.

En korrekturparameter kan f.eks. være den forventede løpetid for en ultralydpuls som løper fra den ene til en annen ultralydomformer eller forsinkelsen av denne løpetid. Fortrinnsvis skjerda bestemmelsen av korrekturparameteren ved en antatt strømning på 0, slik at det, idet tilfellet løpetiden er korrekturparameter, blir mulig med en direkte utledning av mediets strømningshastighet på grunnlag av den løpetid som oppnås etter korrektur av den målte løpetid. Det kan i tillegg også be-nyttes ytterligere korrekturparametre.

For å få rask tilgang til verdien av korrekturparameteren, fortrinnsvis særlig i sann tid, kan det gås frem slik at systemparametre ordnes i en matrise for bestemmelse av korrekturparameter. Da blir en kombinasjon på to eller flere systemparametre nøyaktig tilordnet en korrekturparameter. Siden det bare registreres adskilte systemparametre er det ifølge en foretrukket videreutvikling av oppfinnelsen forut-sett at det tas hensyn til mellomverdier av systemparametrene ved hjelp av en fortrinnsvis lineær interpolering. Det kan imidlertid også være ordnet slik at for bestemmelse av korrekturparameter anvendes det en utjevningskurve som system-parameterfunksjon, eventuelt i form av en nøyaktig analytisk og/eller empirisk formel. Dermed står det et kontinuerlig system for bestemmelse av korrekturparameter til rådighet.

I detalj finnes det nå en mengde muligheter for utforming og videreutvikling av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd, med hensyn til hvilke det henvises til underkravene til vedføyde patentkrav 1 såvel som den etterfølgende beskrivelse av et foretrukket utførelses-eksempel på oppfinnelsen under betraktning av de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 skjematisk viser det anvendte koordinatsystem for beregning av en ultralydpuls sitt lydtrykkfelt, fig. 2 viser utviklingen over tid for en ultralydpuls sendt ut av en ultralydomformer

inn i et medium,

fig. 3 skjematisk viser bestemmelse av en korrekturparameter for lydutbredelsen under hensyntagen til et forut gitt frekvensspekter av ultralydomformerens

oscillasjoner ved hjelp av Fourier-transformasjon,

fig. 4 viser på den ene side forsinkelsestider funnet i avhengighet av lydhastighet

og på den annen side avstanden mellom ultralydomformerne, og

fig. 5 viser skjematisk forløpet av en fremgangsmåte ved måling av gjennom-strømning ved hjelp av ultralyd ifølge et foretrukket utførelseseksempel på oppfinnelsen.

I fig. 1 er det oscillasjonsaktive område av en ultralydomformer som ultralydpulsene sendes ut fra, skjematisk vist som en plan skive. Det lokale trykk p i lydtrykkfeltet generert i mediet av ultralydomformeren kan beskrives i avhengighet av avstanden r fra skivens midtpunkt og vinkelen 9, slik at for utviklingen av lydtrykkfeltet over tid gjelder (Kinsler, Frey, Coppens, Sanders: " Fundamentals of Acoustics", Third Edition, Wiley, side 176):

hvor t er tiden, p er mediets densitet, Uoer amplituden av svingningene i ultralydomformerens oscillasjonsaktive område, k er bølgetallet, to er vinkelfrekvensen for ultralydomformerens svingninger og S er arealet av ultralydomformerens oscillasjonsaktive område.

Ultralydomformerens oscillasjonsaktive område beveger seg frem og tilbake med en bestemt hastighetsfunksjon u{ t) i ultralydpulsenes utstrålingsretning. Denne hastighetsfunksjon er kjennetegnende forden enkelte ultralydomformertype. Med den erkjennelse at det med hensyn til bevegelsen av den anvendte ultralydom-formers oscillasjonsaktive område, ikke dreier seg om noen harmonisk svingning, men svingning med bredt frekvensspekter, kan det for hastighetsfunksjonen skrives følgende:

hvor Fn er amplituden ved den enkelte frekvens.

Hastighetsfunksjonen u{ t) kan nå underkastes en Fourier-transformasjon, slik at lydtrykkfeltets komponenter Pn( r, 9, fn) finnes for hver Fourier-koeffisient n i frek-vensområdet. For disse komponenter kan det da, på i og for seg prinsipielt kjent måte, tas hensyn til systemparametrene ved beregning av lydtrykkfeltet. I det etterfølgende er dette gjort som et eksempel, for dempningskoeffisienten a.

For dempningskoeffisienten gjelder (Kinsler, Frey, Coppens, Sanders: " Fundamentals of Acoustics", Third Edition, Wiley, side 148):

hvor q er mediets dynamiske viskositet.

Dermed finnes det følgende for komponentene Pn:

Etter at det tilsvarende er gjennomført for alle systemparametre som det skal tas hensyn til, transformeres det med en invers Fourier-transformasjon tilbake til tids-domenet, slik at utviklingen over tid av lydtrykkfeltet p( r, 9, t, a) oppnås. En frem-stilling av lydtrykkfeltet ved fire forskjellige tidspunkter, dvs. utviklingen over tid av ultralydpulser sendt ut fra en ultralydomformer inn i mediet, er vist i fig. 2. Bestemmelsen av korrekturparameteren for lyd utbredelsen under hensyntagen til et forutbestemt frekvensspekter av ultralydomformerens svingninger ved hjelp av Fourier-transformasjon, slik som beskrevet ovenfor, er skjematisk vist i fig. 3. Der er det vist at i tillegg til å ta hensyn til viskositeten med hensyn til dempningskoeffisienten a kan det tas hensyn til ytterligere systemparametre, slik som diameteren a av ultralydomformerens oscillasjonsaktive område, lydhastigheten c i mediet, mediets densitet p og målebanens lengde L, som tilsvarer avstanden mellom de to ultralydomformere. Korrekturparameterens tilsvarende avhengighet av systemparametrene eller systemparametrenes innbyrdes avhengighet er godt kjent av fagfolk eller kan slås opp av disse i faglitteraturen, slik som i den allerede nevnte lærebok: Kinsler, Frey, Coppens, Sanders: " Fundamentals of Acoustics", Third Edition, Wiley. Som et resultat lar derved det resulterende lydtrykkfelt pres>såvel som til sist løpetiden 7for ultralydpulsen fra den ene til den annen ultralydomformer, seg bestemme.

En endring i det resulterende lydtrykkfelt pres tilsvarer en endring i løpetiden 7 for ultralydbølgen langs målebanen. Ved en teoretisk antatt gjennomstrømnings-hastighet for mediet gjennom måleledningen på null, lar løpetiden seg bestemme ved innføring av en forsinkelsestid Td, som følger:

Den derved innførte forsinkelsestid 7<y er sammensatt av to tider:

hvor tiden TC0TOf er et konstant tidsbidrag til forsinkelsestiden, som i det vesentlige skyldes forsinkelser i elektronikken i det anvendte ultralydmåleapparat for gjen-nomstrømning og forsinkelser i ultralydomformerne. Tiden AT er et variabelt bidrag til forsinkelsestiden, som i det vesentlige bestemmes av lydtrykkfeltet. Slik som vist

ovenfor er nemlig forsinkelsestiden ikke konstant, men en funksjon av lydhastigheten c, målebanens lengde L, dempningskoeffisienten er, radien a av ultralydomformerens oscillasjonsaktiverende område, osv., slik at for forsinkelsestiden gjelder det følgende:

For en gitt ultralydomformer er diameteren a kjent. Sees det bort fra innvirkningen fra dempning og ytterligere systemparametre utover lydhastigheten c og målebanens lengde L, kan forsinkelsestiden Td beregnes i avhengighet av lydhastigheten cog lengden L. De forsinkelsestider som derved blir funnet, er gjengitt i dia-grammet vist i fig. 4.

Med kjennskap til de konkrete verdier av forsinkelsestiden Td i avhengighet av lydhastigheten c og lengden L for en bestemt type ultralydomformer, lar nå den etter-følgende korreksjonsprosess, som skjematisk er vist i fig. 5, seg gjennomføre.

Det faktisk tilstedeværende lydtrykkfelt fører til en bestemt løpetid Tfor en ultralydpuls fra den ene til den annen ultralydomformer. Disse løpetider Tab og 7i,a i henholdsvis strømningsretningen og motsatt denne, blir målt i trinn I. På grunnlag av de målte løpetider Ta&og 7i,a blir så i trinn i II lydhastigheten c beregnet f.eks. ved anvendelse av ligningene 1 og 3. Denne beregning skjer under den egentlige fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd i sann tid. Det finnes da at:

Med kjennskap til lengden L for det ultralydmåleapparat for gjennomstrømning som anvendes, kan da den egentlige korrektur gjennomføres i trinn III. Ifølge det her beskrevne, foretrukne utførelseseksempel på oppfinnelsen blir det for dette formål lagt inn en matrise for forsinkelsestiden Td i avhengighet av lengden L og lydhastigheten c i det ultralydmåleapparat for gjennomstrømning som anvendes for gjennomføring av fremgangsmåten ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd. Hvert par med konkrete verdier for henholdsvis L og c blir nøye tilordnet en verdi Td. Mellomverdier av henholdsvis L og c blir funnet ved hjelp av lineær interpolering mellom tilsvarende verdier av Td. Med den kjente lengde L og den bestemte lydhastighet c kan det da i trinn III finnes et bidrag til forsinkelsestiden som skyldes en lengde L av målebanen som avviker fra kalibreringslengden LCaisom i en kalibreringsprosess typisk legges i et register og som kan finnes:

På grunn av den i sann tid bestemte lydhastighet kan det tilsvarende også gjøres for en lydhastighet som avviker fra lydhastigheten i mediet anvendt for kalibreringen:

Som korrigert forsinkelsestid Td>corrfinnes da:

Under hensyntagen til den korrigerte forsinkelsestid TdiCorr kan da i skritt IV den gjennomsnittlige strømningshastighet um langs målebanen, beregnes.

I det her beskrevne, foretrukne utførelseseksempel på oppfinnelsen er bare forsinkelsestiden Td trukket frem til korrektur. Denne fremgangsmåte er ekvivalent med betraktning av hele løpetiden 7, hvor forsinkelsestiden Td er innbefattet. Dessuten kan det naturligvis gjøres en korrektur ikke bare med hensyn til løpetid, men også andre parametre.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd for å måle strømningshastigheten for et medium som strømmer gjennom en måleledning ved hjelp av to ultralydomformere som er anordnet i innbyrdes avstand i mediets strømningsretning, idet det fra de to ultralydomformere vekselvis på den ene side sendes ut ultralydpulser og det på den annen side mottas ultralydpulser sendt ut fra vedkommende annen ultralydomformer og hvor strømningshastig-heten beregnes på grunnlag av løpetider for ultralydpulser mottatt av den ene eller annen ultralydomformer, og det på grunnlag av beregnet lydutbredelse for ultralydpulser som løper fra den ene til den annen ultralydomformer bestemmes i det minste en korrekturparameter, og strømningshastigheten beregnes under hensyntagen til den bestemte korrekturparameter, karakterisert vedat beregningen av lydutbredelsen for en ultralydpuls som løper fra den ene til den annen ultralydomformer skjer under hensyntagen til et forut gitt frekvensspekter av ultralydomformerens oscillasjoner.

2. Fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd som angitt i krav 1, og hvor det for bestemmelse av korrekturparameter brukes en systemparameter som gjelder lydhastigheten i mediet, fortrinnsvis bestemt i sann tid.

3. Fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd som angitt i krav 1 eller 2, og hvor det for bestemmelse av korrekturparameter brukes en systemparameter som gjelder den frekvensavhengige dempning av ultralydpulser i mediet.

4. Fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd som angitt i et av kravene 1 - 3, og hvor det for bestemmelse av korrekturparameter brukes systemparametre som legges i en matrise.

5. Fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd som angitt i krav 4, og hvor mellomverdier av systemparametrene finnes ved hjelp av interpolering.

6. Fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd som angitt i et av kravene 1 - 3, og hvor det for bestemmelse av korrekturparameter anvendes en utjevningskurve som funksjon av systemparameter.

7. Fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd som angitt i et av kravene 1 - 6, og hvor korrekturparameteren finnes ved en antatt strømning på null.

8. Fremgangsmåte ved måling av gjennomstrømning ved hjelp av ultralyd som angitt i et av kravene 1 - 7, og hvor den forventede løpetid for en ultralydpuls som løper fra den ene til den annen ultralydomformer eller en forsinkelse av løpetiden for en ultralydpuls som løper fra den ene til den annen ultralydomformer, brukes som korrekturparameter.