SE423577B - Anordning for metning av fysikaliska storheter sasom vetskedjup, medelstromningshastighet och genomstromningsmengd, som skall bestemmas med ledning herav, hos en vetska, som med fri vetskespegel strommar i en kanal - Google Patents

Description

7800957-8 deras resultat summeras under hänsynstagande till förutbestämda vikt- faktorer. Denna princip kan även tillämpas pâ öppna kanaler eller så- dana rör, som ej helt är fyllda med vätska, så att en fri vätskespe- gel uppkommer. För exakt genomströmningsmätning förutsättes emeller- tid, att vätskespegelns höjd ej ändras. Vid en känd öppen kanal, vid vilken fyra mätsträckor är anordnade över varandra, blir visserligen vid vätskespegelns sänkning den då för tillfället friliggande mät- sträckan overksam, men härigenom erhålles ej någon exakt mätning av vätskedjupet, som erfordras för tvärsnittsberäkningen (jfr DE-OS 19 53 978).

Genom publikationen Ultrasonics, september 1973, sid. 195-196 är det vidare för noggrannare mätning av genomströmningsmängden i en öppen kanal känt att fastställa å ena sidan medelströmningshastighe- ten medelst tvâ diagonalt på motstående sidor anordnade ultraljudom- vandlare och vätskedjupet medelst en med ett motstånd försedd höjdmä- tare och att bilda genomströmningsmängden med ledning av de båda stor- heterna._ Det är vidare känt att mäta fyllhöjden i en med vätska fylld behållare därigenom, att vid behâllarens botten en ultraljudomvandla- re är anordnad, som utsänder en ultraljudsignal och åter mottager den- na efter reflexion vid vätskespegeln, varvid löptiden för denna sig- nal fastställes ljfr DE-PS 958 776).

Uppfflufingen är baserad på uppgiften att utveckla enaærudning av inled- ningsvis angiw1artf\fid.viH«aLvät§en1ned fri.vätskespegel stfiïmer i en öppen eller-sluten kanal och.för vilken endast en mätsträcka erfordras och nedelst vilken trots höjdvarierande vätskespegel ej enbart nedelströxmiingsliastigheterx utan även vätshaíhmet, dvs totalt genumänimingsmàmfibn.kanI&üas.

Ebligtxqmíinningen löses dennaflnggfift genom attzmüsträckan dessuümnlæm en kaggmuauzi wædfikalriktning och är ilxmörimgneá en med.vätskespegeln tilllüü- da1varflaende1zäffyta,sâzfitlmfiætfimansluüfingwæmàmzr:mfl"wä:$eq§ræ1n,och att utvärderingssteget nedelst sunnan av de båda-löptidernainverterade värden bil- dar en funktkxxaw'lutningsvinkeln och de önskade suuheterna under hänsynsünfiufiæ till denna fmfleimnf via aenna nafanøransng varierar neta-Jackan; långa och asså lutning och där- ned även de båda löptiderna. Genom att taga hänsyn till sunnan av de inverterade värdena av de båda löptiderna kan emellertid en funktion av mätsträckans lutninge- vinkel eller längd bildas, ned vars hjälp å ena sidan nätningen kan korrigeras ned hänsyn till nedelströmningshastigheten och å andra sidan även vätskedjupet kan fast- ställas. Om enellertid nedelströmningshastigheten och det av vätskedjupet beroende tvärsnittet hos den fyllda kanaldelen är kända, kan gencnströmningsmängden beräknas ned hög noggflnmhet. ddliíeoddodødisdvd~dle i Mätsträekan sträcker sig med fördel i ett lodrätt plan, som bildar en vinkel av mindre än 45° med strömningsriktningen. Före- trädesvis bör planet ligga i huvudsak parallellt med strömningsrikt- ningen. Ju mindre vinkeln är, desto större är skillnaden mellan löp- tiderna och desto noggrannare mätresultatet.

Vid en utföringsform är den ena ultraljudomvandlaren anordnad på en kanalvägg och flyter den andra ultraljudomvandlaren på vätskan men är orörlig i horisontell riktning. Den flytande omvandlaren kan isynnerhet vara lagrad på ett vertikalt styrelement. Härvid består mätsträckan av ett enda rätlinjigt avsnitt, vars lutning ändras i beroende av vätskeståndet. Vid en annan utföringsform är båda ultra- ljudomvandarna anordnade på kanalväggar och riktade på sådant sätt, att ljudvågreflexion äger rum vid vätskespegeln. På detta sätt upp-- nås utan större svårighet längre mätsträokor. Det har vidare visat sig vara gynnsamt, om den eller de på kanalvägg anordnade omvandlar- na är förskjutna i förhållande till den djupaste kanalbottnen. På detta sätt påverkas ej omvandlarnas verkningssätt av smntsavlagring- ar, som ej kan undgàs vid öppna kanaler. Omvandlarna kan t.ex. vara anordnade i sneda sidoväggar på kanalen.

De båda omvandlarna kan isynnerhet vara kombinerade till en enhet, avsedd att införas i kanalen. Härigenom blir det möjligt att vid en senare tidpunkt utföra inbyggnad och dessutom är avsthdet mellan omvandlarna exakt bestämt. Enheten bör vara utformad såsom strömlinjeformad kropp och kan även placeras på kanalens botten. De då uppåtriktade och något över kanalens botten anordnade omvandlarna utsättas härvid praktiskt taget ej för någon nedsmutsningsrisk.

Det är vidare ändamålsenligt, att varje omvandlare utsänder en ljud- kon med så stor öppningsvinkel, att den andra omvandlaren vid höjd- variationer hos vätskespegeln förblir innanför konens mantelyta inom ett förutbestämt arbetsområde. De aktiva ytorna på omvandlarna be- höver då ej följa mätsträokans lutning och de i kanalväggarna anord- nade omvandlarna kan vara fast inbyggda.

Såsom förklaras närmare nedan, är funktionen av lutnings~ vinkeln företrädesvis en cosinusfunktion. Härav framgår, att i det enklaste fallet, nämligen vid en mätsträcka, som sträcker sig i ett med strömningsriktningen parallellt plan, utvärderingssteget med ledning av nedåtlöptid t1 och uppåtlöptid t2 bildar medelströmnings- hastigheten v vid bestämd projektion L av halvanätsträckan på ström- ningsriktningen och bestämd ljudhastighet c enligt likheten iššš "ovèdzšiåz- s i 'l¿t'l - 41172 (1/:1 + 1/r2)2 C och det ovanför en ultraljudomvandlare förekommande vätskedjupet IJ enligt likheten 0 (fl/m i+ 1/r2)2 _L2 Om mätsträckan sträcker sig i ett plan, som ligger snett i för- hållande till strömningsriktningen, skall fortfarande cosinus för vinkeln mellan detta plan och strömningsriktningen tagas hänsyn till.

Uppfinningen beskrivas närmare nedan i exempelform med led- ning av åtföljande ritning, där fig. 'l visar ett längdsnitt genom en kanal med mätanordningen enligt uppfinningen, fig. 2 ett tvär- snitt genom kanalen, fig. 5 kanalen sedd uppifrån, fig. 11- ett block- schema för mätanordningen, fig. ett tvärsnitt genom en annan ut- föringsform, fig. 6 den i fig. 5 visade utföringsformen sedd upp- ifrån, fig. 7 ett tvärsnitt genom ytterligare en utföringsform och fig. 8 den i fig. 7 visade utföringsformen sedd Ippifrån.

En kanal med en bottenvägg eller botten 2 och två sidoväggar .5 och ll- är fylld med vätska 6 upp till en spegel 5. Vätskedjupet ll kan variera inom arr område An . Der med vätska fyllda tvärsnit- tet hos kanalen 'l är en funktion av detta djup D. Vätskan har en medelhastighet v och genomströmningsmängden Q, beräknas med ledning av produkten av medelhastighet och vätsketwärsnitt.

I kanalens botten 2 är tva ulrraljudomvaralare 7 een ß ar- ordnade, som mellan sig bestämmer en ultraljudmätsträcka 9, som be- står av två. rätlinjiga avsnitt 9a och 9b. Ljudvågorna reflekteras vid en punkt '10 på vätskespegeln 5. Avståndet mellan de båda omvand- larna 7 och 8 i strömningsriktningen uppgår till PL, så att längden L är lika med projektionen av halva mätsträckan på strömningsrikt- ningen. Mätsträckan sträcker sig i ett vertikalt plan, i detta fall i kanalens mittplan, varvid avsnitten bildar en lutningsvinkel 9 med horisontallinjen. Det från varje omvandlare avgivna ljudet ut- strålas. i form av en kon med sådan öppningsvinkel, att den för till- fället andra omvandlaren inom vätskespegelns 5 höjdvariationsomràde _| i f/*išdóioàisiiåiïiieiiiiiii ÅÄD fortfarande befinner sig inom reílexionsrummet för denna kon.

Detta medför i sin tur, att lutningsvinkeln 9 för den verksamma mätsträckan 9 varierar i beroende av vätskespegelns 5 höjdläge.

Detta åskådliggöres i fig. 1 för det fall, då omvandlaren 7 tjänst- gör såsom sändare och omvandlaren 8 såsom mottagare. Omvänt gäller detsamma. _ De båda omvandlarna 7 och 8 styres omväxlande såsom sändare och mottagare, så att ljudsignalen omväxlande fortplantas uppströms och nedströms. Härvid mätes en uppàttid t1 och en nedåttid t2 med hjälp av en mätkoppling 12. Med ledning av dessa båda tider och andra parametrar såsom längden L, ljudhastigheten c i vätskan och kanalens 4 tvärsniüæform fastställes åtminstone tre fysikaliska storheter, nämligen vid utgången 14 vätskedjupet D, vid utgången 15 medelströmningshastigheten v och vid utgången 16 genomströmnings- mängden Q.

Av fig. 1 framgår, att t1 (c + v - cos Q ) = 2L/cos Q (1) t2 (c - v - cos Q ) = 2L/cos G (2) D = L - te 9 (5) Genom additon resp. subtraktion av (1) och (2) erhålles Q . L . (1/t1 + 1/ta) (4) cos G I” . (vw - me) (5) cos G v - cos 9 = om (4) och (5) omskrives och (4) insättas i (5), erhålles 02 _ (1/ta - 1/tz <6) (1/tfl + 1/r2)2 Genom sambandet 2 tgQ = 4/cos Q - 1 (7) och likheterna (5) och (4) erhålles 2 - L (8) vaooesv-s Med ledning härav kan även genomströmningsmängden beräknas i ovan angivna form. I och för beräkning finnes en mångfald, kon- ventionella kopplingar. Mätkopplingen '12 arbetar med fördel på det sättet, att de inverterade värdena av löptiderna motsvarar frekvenser, vilkas summor och skillnader lätt kan bildas.

I fig. 5 visas ett alternativ streckat, enligt vilket ultra- ljudomvandlarna 7', 8' är anordnade i väggarna 5 och 4- på kanalen 1.

Mätsträckan 9' bildar då en vinkel B med strömningsriktningen, som i detta fall uppgår till ca 25°. På-detta sätt tages hänsyn ej en- bart till haslïighetsshllnader i strömningshastigheten, som uppkom- mer vid olika höjdlägen, utan även de skillnader, som uppkommer fràn den ena sidan till den andra sidan av kanalen. vätskan strömmar som bekant i en kanal långsammare nära väggen än i mitten. Omvandlarna 7',8' befinner sig därför även något ovanför bottnen 2, så. att deras verkningssätt ej påverkas ogçynnsamt av smutsämnen, som avlagras. I detta fall måste dessutom hänsyn tagas till cos B, som hänför sig till sambandet mellan å. ena sidan projektionen L' av halva mät- sträckan 9' enligt likheten L' = L/cos ß och à andra sidan projek- tionen L iifig. 1. Hed liknande beräkning som ovan erhålles då. v = C? n S3ÄE1_:;lLEšl (9) L ' (1/tfi + 1/t2)2 6 och ' i ' ca - cos2§ _L2 ( ) (4/tfl + 1/t2)3 “O Vid utföringsformen enligt fig. 5 och 6 användes en kanal 24 med en halvcirkelformad vägg 22. vätskan är återigen beteclmad med 6 och vätskespegeln med 5. En ultraljudomvandlare 25 är anord- nad i väggen 22 förskjutet i förhållande till den djupaste kanal- i bottnen. En andra ultraljudomvandlare 21!- är fäst vid en flottör 25, som är rörlig uppåt och nedåt längs ett vertikalt styr-element 26.

Sett uppifrån befinner sig därför de båda omvandlarna 25 och 24 på. ett fast avstånd från varandra. Mätsträckan 27 mellan de bada omvandlarna bildar med horisontallinjen en lutningsvinkel 9 , som återigen varierar med vätskespegelns 5 höjdläge. Verkningssättet är detsamma som vid utföringsformen enligt fig. 1-5, men reflexion av ljudvàgor förekommer ej.

I fig. 7 och 8 visas en enhet 51, som är utförd såsom kropp 52 med strömlinjeformad yta och kombinerar två ultraljudomvandlare 7 7800957~8 53 och 54. Enheten befinner sig på kanalens botten, så att mät- sträckan har en reflexionspunkt vid vätskespegeln. Till följd av sin placering är omvandlarna skyddade mot smutsavlagringar i största möjliga utsträckning. Enheten kan genom fyllning med eller framställning av betcng eller liknande bibringas sådan tyngd, att den bibehåller sin plats till följd härav. En brukbar längd för en- heten är t.ex. 0,6 m.

Claims (13)

vanossv-8 8 10 15 20 . 25 30 35 Patentkrav

1. Anordning för mätning av fysikaliska storheter såsom vätskedjup, medelströmningshastighet och genomströmnings- mängd, som skall bestämmas med ledning härav, hos en vätska, som med fri vätskespegel strömmar i en kanal, med två om- växlande såsom sändare och mottagare arbetande ultraljud- omvandlare, som sett uppifrån har bestämt avstånd sinsemellan och mellan sig bildar en mätsträcka med en komponent i ström- ningsriktning, med en mätkoppling för att fastställa ultra- ljudvågornas löptider i båda riktningar och ett utvärde- ringssteg, som under hånsynstagande till dessa löptider bildar önskade storheter, k ä n n e t e c k n a d av att mätsträckan (95 9'; 27) dessutom har en komponent i vertikal- riktning och är i (beröring med en med vätskespegeln (5) till höjden varierande träffyta (5; 2Ä), så att mätsträckans lutning varierar med vätskespegeln, och att utvärderings- steget (13) medelst summan av de båda löptidernas (tl, t2) inverterade värden bildar en funktion av lutningsvinkeln (6) och de önskade storheterna under hänsynstagande till denna funktion.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k nia d av att 1 mätsträckan (93 9'; 27) sträcker sig i ett lodrätt plan, som med strömningsríktninga1bildar en vinkel (/3) av mindre än I 45°.

3. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att mätsträckan (9) sträcker sig i ett med strömníngsriktningen i huvudsak parallellt plan.

B. Anordning enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k- ¿ n a d fav att den ena ultraljudomvandlaren (23) är anordnad på en kanalvägg (22) och att den andra omvandlaren (2ü) 1 flyter på vätskan men är orörlig i horisontell riktning. ¿

5. Anordning enligt krav H, k ä n n e t e c k n a d av att den flytande omvandlaren (2U) är lagrad på ett vertikalt styrelement (26). 10 15 20 25 30 35 78Ü0957~8

6. Anordning enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k- n a d av att båda ultraljudomvandlarna (7, 8; 7', 8') är anordnade på kanalväggar (2-4) och riktade på sådant sätt, att ljudvågsreflexion äger rum vid vätskespegeln (5).

7. Anordning enligt krav U, 5 eller 6, k ä n n e t e c k- n a d av att den eller de på kanalvågg anordnade om- vandlarna (7', 8'; 23) är förskjutna i förhållande till den djupaste kanalbottnen.

8. Anordning enligt något av kraven 1-7, k ä n n e t e c k- n a d av att de båda omvandlarna (33, 3A) är kombinerade till en enhet (31), inrättad att införas i kanalen.

9. Anordning enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att enheten (31) bildar en strömlinjeformad kropp (32).

10. Anordning enligt krav 8 eller 9, k ä n n e t e c k- n a d av att enheten (31) är placerad på kanalens botten.

11. Anordning enligt något av kraven 1-10, k ä n n e t e c k- n a d av att varje ultraljudomvandlare (7, 8) utsänder en ljudkon (11) med så stor öppningsvinkel (CK), att den andra omvandlaren vid höjdvariationer hos vätskespegeln (5) för-H blir innanför konens mantelyta inom ett förutbestämt arbetsområde.

12. Anordning enligt något av kraven 1-11, k ä n n e- t e c k n a d av att utvärderingssteget (13) med ledning av nedåtlöptid ti och uppåtlöptid t2 bildar medelströmnings- hastigheten v vid bestämd projektion L av halva mätsträckan (9) på strömningsriktningen och bestämd ljudhastighet c en- ligt likheten 02 _ 1/:1 - 1/t2 V z E' T/*í + 1/"t2)2

13. Anordning enligt något av kraven 1-12, k ä n n e t e c k- n a d av att utvärderingssteget (13) med ledning av nedåt- löptid t1 och uppåtlöptid t2 bildar det ovanför en ultra- vsooèsv-s 10 ljudomvandlare förekommande vätskedjupet D vid bestämd prpjektion av halva mätsträckan (9) på strömningsrikt- ningen och bestämd ljudhastighet c enligt likheten i ' Tf* 5 e D¶L___2___ï _L2 (1/tl + 1/t2) ANFURDA PUBLIKATHJNER: Tysmand ass 776 (42 ezs4), 1 953 978 (42 ens/ns) us 3 546 935 (73-194)' Andra pubïikationerz Uïtrasonics, sept 1973, sid 195-196.