PL188218B1

PL188218B1 - Przepływomierz ultradźwiękowy

Info

Publication number: PL188218B1
Application number: PL98327962A
Authority: PL
Inventors: Günther Hauenstein; Urs Falk
Original assignee: Landis & Gyr Gmbh; Landis+Gyr Gmbh
Priority date: 1997-08-14
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2004-12-31
Also published as: EP0897101A1; PL327962A1; DE59712467D1; DK0897101T3; EP0897101B1

Abstract

1. Przeplywomierz ultradzwiekowy, z obudowa z króccem wlotowym i króccem wylotowym, i umieszczonym pomiedzy nimi ultradzwiekowym odcinkiem pomia- rowym, przez który, pomiedzy pierwszym zwierciadlem i drugim zwierciadlem odbi- jajacym ultradzwieki z przetwornika ultra- dzwiekowego, przeplywa medium w kie- runku osiowym, znamienny tym, ze zwier- ciadlo (10) odbijajace ultradzwieki z prze- twornika ultradzwiekowego (8 albo 9) znaj- duje sie w króccu wlotowym (3) i w króccu wylotowym (4) obudowy, przy czym kazde zwierciadlo (10) utrzymywane jest przez wspornik z tworzywa sztucznego (11). Fig . 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest przepływomierz ultradźwiękowy z obudową z króćcem wlotowym i króćcem wylotowym i umieszczonym pomiędzy nimi ultradźwiękowym odcinkiem pomiarowym, przez który, pomiędzy pierwszym zwierciadłem i drugim zwierciadłem zasilanym ultradźwiękami przez przetwornik ultradźwiękowy, przepływa medium w kierunku osiowym.

Takie przepływomierze nadają się do wykrywania prędkości przepływu i, rozbudowane do tego celu, do wykrywania natężenia przepływu i, w kombinacji z pomiarami różnic temperatur, do wykrywania i obliczania zapotrzebowania ciepła.

Tego rodzaju przepływomierz znany jest z opisu EP 0 392 294. Ten przepływomierz posiada rurę płaszczową, która po stronie dopływowej płynnego medium posiada króciec przyłączeniowy. Na nim znajduje się gwint zewnętrzny, na który nakręcana jest szczelnie nakrętka złączkowa rury przepływowej. Strona odpływowa rury płaszczowej tego przepływomierza posiada gwint wewnętrzny, w który wkręcony jest element redukcyjny, zaopatrzony w dalszy króciec przyłączeniowy, którego gwint zewnętrzny jest taki sam jak gwint zewnętrzny poprzedniego króćca przyłączeniowego i na który nakręcana jest szczelnie nakrętka złączkowa rury przepływowej, do której wpływa medium. Przetworniki ultradźwiękowe, które są przewidziane do pomiaru przepływu umieszczone są w wycięciach rury płaszczowej. W rurze płaszczowej umieszczona jest rura pomiarowa z tworzywa sztucznego, w której osadzone są metalowe zwierciadła, których powierzchnia odbijająca tworzy wspólną powierzchnię z powierzchnią wewnętrzną rury pomiarowej.

Dalej, w opisie EP 0 559 938 ujawniony został przepływomierz z rurą płaszczową, która na swoich obu końcach posiada gwinty zewnętrzne. Do wnętrza rury płaszczowej wprowadzona jest rura pomiarowa z osadzonymi w niej zwierciadłami, przez którą przepływa mierzone medium i która posiada w końcowych obszarach, począwszy od miejsc usytuowania zwierciadeł, rozszerzone obszary przepływu, które co najmniej częściowo nakładają się na obszary gwintów zewnętrznych. Przetworniki ultradźwiękowe, które są przewidziane do pomiaru przepływu umieszczone są w wycięciach rury płaszczowej i oddzielone tylko ścianką od gwintów przylegających do niej.

Obydwa przepływomierze w cytowanych dokumentach mają cechę wspólną taką, że zwierciadła prowadzące ultradźwięki przez rurę pomiarową same muszą się znajdować w tej rurze pomiarowej. Co więcej, te zwierciadła muszą być wprowadzane do rury płaszczowej obudowy przepływomierza wspólnie z rurą pomiarową.

188 218

Zadaniem wynalazku jest zaproponowanie przepływomierza ultradźwiękowego, który już przy małych natężeniach przepływu osiąga dużą dynamikę i wysoką dokładność, ma najmniejszą z możliwych stratę ciśnienia i jest prosty w wytwarzaniu.

Zadanie to zostało rozwiązane w przepływomierzu opisanego na wstępie rodzaju przez to, ze zwierciadło odbijające ultradźwięki z przetwornika ultradźwiękowego znajduje się w króćcu wlotowym i w króćcu wylotowym obudowy, przy czym każde zwierciadło utrzymywane jest przez wspornik z tworzywa sztucznego.

Korzystnie, każdy wspornik z tworzywa sztucznego jest pozycjonowany w króćcu wlotowym lub wylotowym za pomocą elementów zatrzaskowych.

Wspornik z tworzywa sztucznego jest zaopatrzony w korpus odchylający do minimalizowania oporu przepływaj.

Wynalazek w przykładzie wykonania został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przepływomierz według wynalazku w przekroju, a fig. 2 - przetwornik ultradźwiękowy w przekroju.

Figura 1 przedstawia przekrój podłużny przepływomierza 1 do określenia ilości medium, takiego jak na przykład woda, olej lub gaz, przepływającego przez rurociąg. Jego obudowa 2 posiada króciec wlotowy 3 i króciec wylotowy 4, połączone ze sobą poprzez część pośrednią 5. W części pośredniej 5 osadzona jest, fakultatywnie, rura pomiarowa 6. Rura pomiarowa 6 składa się, m przykład z pełnej lub ciągnionej stali nierdzewnej. Ciecz przepływa przez króciec wlotowy 3, ewentualnie rurę pomiarową 6 lub część pośrednią 5 i króciec wylotowy, w zasadzie w tym samym, wskazanym przez strzałkę, kierunku osiowym 7. Króciec wlotowy 3 i króciec wylotowy 4 posiadają gwint zewnętrzny. Na zewnątrz obudowy, bezpośrednio obok gwintu zewnętrznego króćca wlotowego lub wylotowego 3, 4 usytuowane są wsporniki przetworników 18 z przetwornikami ultradźwiękowymi 8 lub 9, które są zamocowane, na przykład, za pomocą kołnierzy, przy czym do uszczelnienia służą pierścienie typu O-ring. W króćcu wlotowym 3 i w króćcu wylotowym 4 znajdują się zwierciadła 10 utrzymywane przez wsporniki z tworzywa sztucznego 11. Zwierciadła 10 służą do odbijania wypromieniowywanych z przetworników ultradźwiękowych 8 lub 9 impulsów ultradźwiękowych, tak. zeby impuls ultradźwiękowy wysłany z przetwornika ultradźwiękowego 8 lub 9 przebiegł rurę pomiarową 6 i został odebrany przez drugi przetwornik ultradźwiękowy 9 lub 8. W części pośredniej 5 jest, dlatego, pomiędzy oboma zwierciadłami 10, zbudowany ultradźwiękowy odcinek pomiarowy. Przetworniki ultradźwiękowe 8 i 9 jednocześnie wysyłają impuls ultradźwiękowy składający się z wielu ciągów fal ultradźwiękowych i odbierają zaraz impuls ultradźwiękowy, wysłany przez drugi przetwornik ultradźwiękowy 9 lub 8, który przebiegł ultradźwiękowy odcinek pomiarowy.

Przy montażu, wspornik z tworzywa sztucznego 11 jest wprowadzany z boku do króćca wlotowego 3 lub króćca wylotowego 4, przy czym co najmniej dwa noski zatrzaskowe wspornika z tworzywa sztucznego 11 zaskakują w obwodowy rowek 12 obudowy 2. Wspornik z tworzywa sztucznego 11 ma dalej dwie krzywki 13, które wchodzą w wybrania obudowy 2 ukształtowane w ten sposób, że położenie zwierciadła 10 jest jednoznaczne i nieprzesuwne. Wspornik z tworzywa sztucznego 11 ogranicza również ewentualnie ułozyskowanie osiowe rury pomiarowej 6, która ze swojej strony podparta jest w obudowie 2 pierścieniem typu 0-ring. Wspornik z tworzywa sztucznego 11 pokrywa korzystnie całą przestrzeń wewnętrzną króćca wlotowego 3 lub wylotowego 4. To ukształtowanie obudowy 2 i wspornika z tworzywa sztucznego 11 ma te zalety, że obudowę 2 można wytworzyć tanio z mosiądzu o składzie 58% Cu, 3% Pb (Pressmesing), że wspornik z tworzywa sztucznego 11 pokrywa bez problemów wszystkie miejsca obudowy 2, w których mogą wystąpić niepożądane odbicia ultradźwięków. Jako materiał do wytwarzania wspornika z tworzywa sztucznego 11 nadaje się zwłaszcza pochłaniający ultradźwięki PVDF (polifluorek winylidenu), ponieważ w tym materiale wystarcza juz grubość ok. 1,5 mm dla takiego zmniejszenia odbić, ze podwyższenie grubości nie przynosi żadnego zauważalnego polepszenia. Wspornik z tworzywa sztucznego 11 jest dalej ukształtowany, fakultatywnie, z korpusem wyporowym 14, który minimalizuje opór przepływu zwierciadła 10.

Wspornik z tworzywa sztucznego 11 jest korzystnie tak ukształtowany, że może zostać osadzony w przepływomierzu z rurą pomiarową 6 lub bez rury pomiarowej 6. Dzięki temu

188 218 można zrealizować przepływomierze dla znamionowego natężenia przepływu o wartości 0,6 m^J/h i dla znamionowego natężenia przepływu o wartości 1,5 m³/h, które różnią się miedzy sobą tylko tym, że mają albo nie mają rury pomiarowej 6.

Aby przy danej długości konstrukcyjnej przepływomierza 1 wynoszącej na przykład 110 mm, ultradźwiękowy odcinek pomiarowy był jeszcze wystarczająco długi, żeby można było mierzyć wystarczająco dokładnie różnicę czasu przebiegu wynikającą z impulsu ultradźwiękowego wysyłanego w kierunku przepływu i przeciw kierunkowi przepływu, również przy małym natężeniu przepływu, konieczne jest, aby przetworniki ultradźwiękowe 8, 9 były możliwie małe. Długość ultradźwiękowego odcinka pomiarowego skraca się mianowicie proporcjonalnie do średnicy przetworników ultradźwiękowych 8, 9. Dlatego przewidziane są przetworniki ultradźwiękowe 8, 9 z piezoelektrycznych tarcz ceramicznych, przy czym na tarczy ceramicznej z obu stron znajdują się kołowe elektrody i przy czym średnica tarczy ceramicznej wynosi najwyżej 9 mm.

Figura 2 przedstawia przetwornik ultradźwiękowy 8, który składa się z okrągłej tarczy ceramicznej 15. Górna i dolna strona tarczy ceramicznej 15 pokryte są kołową elektrodą 16 lub 17. Przetwornik ultradźwiękowy 8 jest wbudowany we wspornik przetwornika 18, który zawiera część wsporczą 19, membranę 20 ze stali nierdzewnej jak również część z tworzywa sztucznego 21. Przetwornik ultradźwiękowy 8 w postaci tarczy jest włożony w część z tworzywa sztucznego 21, która służy do izolacji elektrycznej elektrod 16, 17 przetwornika ultradźwiękowego 8 względem części wsporczej 19 i membrany 20. Część z tworzywa sztucznego z przetwornikiem ultradźwiękowym 8 jest włożona w część wsporczą, która w końcu jest zespawana z membraną 20. Część wsporcza 19 jest korzystnie częścią wytłaczaną i wygięt;ą może być ona również odkuwką lub wypraską. Membrana 20 jest zespawana z częścią wsporczą 19 wzdłuż jej krawędzi. Wymiar wspornika przetwornika 18 wynosi tylko 11,5 mm, podczas gdy średnica tarczy ceramicznej wynosi 9 mm. Stąd wynika długość ultradźwiękowego odcinka pomiarowego wynosząca ok. 80 mm przy długości konstrukcyjnej obudowy tylko 110 mm.

Obie elektrody 16 i 17 są kołowe i mają promień Ri mniejszy od promienia R2 przetwornika ultradźwiękowego 8 w postaci tarczy. Promień Ri jest korzystnie o 0,4 mm mniejszy od promienia R2. Kształt części z tworzywa sztucznego 21 i części wsporczej 19 są tak zwymiarowane, że z jednej strony osadzony w części z tworzywa sztucznego 21 przetwornik ultradźwiękowy 8 w kierunku promieniowania ultradźwiękowego wystaje ponad część z tworzywa sztucznego 21 i część wsporczą 19 a z drugiej strony przetwornik ultradźwiękowy 8 osadzany jest w części z tworzywa sztucznego 21 z luzem promieniowym. Membrana 20 jest teraz w stanie naprężonym tak przyspawana do części wsporczej 19, na przykład spawaniem laserowym, że utrzymuje ona przetwornik ultradźwiękowy 8 pod naprężeniem rozciągającym i dociska go do części z tworzywa sztucznego 21. Elektroda 16 łub membrana 20 pokrywana jest podczas spawania elastyczną błoną żywicy klejącej, przez co elektroda 16 i membrana 20 są elektrycznie izolowane i sklejone, żeby drgania przetwornika ultradźwiękowego 8 były przenoszone w dobrym mechanicznym sprzężeniu na membranę 20 i jako fala ultradźwiękowa oddawane do cieczy. Ponieważ elektroda 16 nie sięga do krawędzi przedniej strony, jest wykluczone, że membrana 20 może zgnieść błonę żywicy klejącej tak dalece, że możliwe jest wystąpienie zwarcia pomiędzy elektrodą 16 i membraną 20. W przypadku, kiedy elektroda 16 sięga aż do krawędzi tarczy, to jest wte'dy. kiedy Ri = R2 izolację elektryczną pomiędzy elektrodą 16 i membraną 20 można osiągnąć również poprzez nałożony lub naklejony na elektrodę 16 cienki pierścień z tworzywa sztucznego. Z drugiej strony naprężenie przetwornika ultradźwiękowego 8 przez membranę 20 zapewnia, że jego osadzenie we wsporniku przetwornika 18 jest całkowicie określone i stabilne w długim czasie. Przy drganiach, wychylenia membrany 20 w kierunku osiowym jak i promieniowym wynoszą tylko kilka mikrometrów··. Przez to wystarcza luz promieniowy niewielu mikrometrów lub około jednej setnej milimetra, zeby membrana 20 mogła drgać w makroskopowo określonym położeniu, bez promieniowego tłumienia drgań przez część z tworzywa sztucznego 21.

Korzystnie przetworniki ultradźwiękowe 8, 9 są zbudowane z tarcz ceramicznych 15, których średnica wynosi około 7,5 mm. Przy średnicy 7,5 mm i żądanej częstotliwości rezonansowej 1 MHz grubość tarczy ceramicznej 15 wynosi około 2 mm.

188 218

Fig.2

18

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Przepływomierz ultradźwiękowy, z obudową z króćcem wlotowym i króćcem wylotowym, i umieszczonym pomiędzy nimi ultradźwiękowym odcinkiem pomiarowym, przez który, pomiędzy pierwszym zwierciadłem i drugim zwierciadłem odbijającym ultradźwięki z przetwornika ultradźwiękowego, przepływa medium w kierunku osiowym, znamienny tym, ze zwierciadło (10) odbijające ultradźwięki z przetwornika ultradźwiękowego (8 albo 9) znajduje się w króćcu wlotowym (3) i w króćcu wylotowym (4) obudowy, przy czym każde zwierciadło (10) utrzymywane jest przez wspornik z tworzywa sztucznego (11).
2. Przepływomierz według zastrz. 1, znamienny tym, ze każdy wspornik z tworzywa sztucznego (11) jest pozycjonowany w króćcu wlotowym (3) lub wylotowym (4) za pomocą elementów zatrzaskowych (12,13),
3. Przepływomierz według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wspornik z tworzywa sztucznego (11) zaopatrzony jest w korpus odchylający (14) do minimalizowania oporu przepływu.