Устройство для определения и/или контролирования объемного и/или массового расхода среды в резервуаре
Устройство содержит по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь, соединенный с элементом связи, через который ультразвуковые измерительные сигналы под заданным углом вводятся в измерительную трубу, соответственно, выводятся из трубы. Элемент связи имеет по меньшей мере два частичных элемента в виде клиньев, выполненных и/или расположенных так, что заданный угол ввода, соответственно, угол вывода является постоянным в диапазоне температур от 0°С до 100°С. Клинья связи состоят из различных материалов (например, пластмасс), которые выбраны так, что вызываемые изменениями температуры изменения скорости звука, соответственно, показателя преломления среды и в двух частичных элементах взаимно компенсируются. Изобретение повышает точность измерения в широком диапазоне температур. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к устройству для определения и/или контролирования объемного и/или массового расхода среды в резервуаре, в частности, в трубе, содержащему по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь, который передает и/или принимает ультразвуковые измерительные сигналы, соединенный с ультразвуковым преобразователем элемент связи, через который ультразвуковые измерительные сигналы под заданным углом ввода, соответственно, углом вывода вводятся в резервуар, соответственно, выводятся из резервуара, и блок регулирования и оценки, который на основании измерительных сигналов, соответственно, на основании измерительных данных, которые выводятся из измерительных сигналов, определяет объемный и/или массовый расход протекающей в измерительной трубе среды.
Ультразвуковые расходомеры широко применяются в технике управления и автоматизации процессов. Они позволяют бесконтактным способом определять объемный и/или массовый расход среды в трубопроводе.
Известные ультразвуковые расходомеры работают либо на основе эффекта Доплера, либо на основе разницы времени прохождения. При использовании разницы времени прохождения оценивают различное время прохождения ультразвуковых измерительных сигналов в направлении потока и против направления потока среды. Для этого ультразвуковые преобразователи попеременно передают, соответственно, принимают в направлении потока и против потока. Из разницы времени прохождения ультразвуковых измерительных сигналов можно определять скорость потока и тем самым при известном диаметре трубопровода определять объемный расход, а при известной плотности среды - массовый расход.
При использовании эффекта Доплера ультразвуковые измерительные сигналы с заданной частотой вводят в протекающую среду. Оценивают отраженные в среде ультразвуковые измерительные сигналы. На основании возникающего сдвига частоты между вводимым и отраженным ультразвуковым измерительным сигналом можно также определять скорость потока среды, соответственно, объемный и/или массовый расход.
Применение ультразвуковых расходомеров, работающих на основе эффекта Доплера, возможно лишь тогда, когда в среде имеются воздушные пузырьки или загрязнения, от которых отражаются ультразвуковые измерительные сигналы. Таким образом, применение таких ультразвуковых расходомеров довольно ограничено по сравнению с ультразвуковыми расходомерами, работающими на основе разницы времени прохождения.
Относительно типов измерительных приборов различают ультразвуковые датчики расхода, которые вводятся в трубопровод, и прижимаемые снаружи расходомеры, в которых ультразвуковые преобразователи прижимают к трубопроводу снаружи с помощью затяжного замка. Наружные расходомеры описаны, например, в ЕР 0686255Б US-PS 4484478 или US-PS 4598593.
В обоих типах расходомеров ультразвуковые измерительные сигналы излучаются и/или принимаются под заданным углом в трубопровод, соответственно, в измерительную трубу, через которую протекает среда. Для обеспечения оптимального согласования полного сопротивления ультразвуковые измерительные сигналы вводятся в трубопровод, соответственно, выводятся из трубопровода через предварительное тело, или клин связи. Главной составной частью ультразвукового преобразователя является по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент, который создает и/или принимает ультразвуковые измерительные сигналы.
Создаваемые в пьезоэлектрическом элементе ультразвуковые измерительные сигналы направляются через клин связи, соответственно, предварительное тело и, в случае прижимного расходомера, через стенку трубы в жидкую среду. Поскольку скорости звука в жидкости и в пластмассе отличаются друг от друга, то ультразвуковые волны при переходе из одной среды в другую преломляются. Сам угол преломления определяется по закону Снеллиуса, т.е. угол преломления при переходе из одной среды в другую среду зависит от отношения скоростей звука cm, cn в обеих средах n, m.
Математически закон Снеллиуса можно предпочтительно выразить следующей сокращенной формулой:
где cn обозначает скорость звука, например, в клине связи, изготовленном, например, из пластмассы;
cm, обозначает скорость звука, например, в среде, которая является, например, водой;
αn обозначает угол между путем прохождения звука и перпендикуляром к поверхности раздела клина связи в точке прохождения ультразвукового измерительного сигнала через поверхность раздела;
αm обозначает угол между путем прохождения звука и перпендикуляром к поверхности раздела среды в точке прохождения ультразвукового измерительного сигнала через поверхность раздела.
С помощью клиньев связи, соответственно, предварительных тел из пластмассы можно обычно обеспечивать хорошее согласование полного сопротивления, однако скорость звука в пластмассе проявляет относительно сильную зависимость от температуры. Обычно скорость звука в пластмассе изменяется от около 2500 м/с при 25°С до около 2200 м/с при 130°С. Дополнительно к вызванному температурой изменению времени прохождения ультразвуковых измерительных сигналов в пластмассе клина связи, изменяется также направление распространения ультразвуковых измерительных сигналов в текущей среде. Оба изменения, естественно, отрицательно влияют на точность измерения ультразвуковых расходомеров, работающих на основе разницы времени прохождения. К этому добавляется то, что скорость распространения в некоторых средах также сильно зависит от температуры.
Для компенсации зависимости от температуры клиньев связи из WO 02/39069 известно изготовление элемента связи из нескольких круговых сегментов. Сегменты предпочтительно выполнены из металла. Отдельные сегменты расположены отдельно друг от друга и проходят от плоскости контакта, обращенной к пьезоэлектрическому элементу, до плиты основания, которая соединена со стенкой трубы. При этом длина отдельных сегментов выбрана так, что ультразвуковые измерительные сигналы на плите основания излучаются, соответственно, принимаются под заданным углом. Однако такое выполнения является относительно дорогим.
В основу изобретения положена задача создания устройства для определения и/или контролирования объемного и/или массового расхода среды в резервуаре, в частности трубе, точность измерения которого относительно не чувствительна к изменениям температуры среды и/или окружения.
Задача решена тем, что элемент связи имеет по меньшей мере два частичных элемента, которые выполнены и/или расположены так, что заданный угол ввода в резервуар, соответственно, заданный угол вывода из резервуара в широком диапазоне температур приблизительно не зависит от температуры клина связи. Под широким диапазоном температур в решении, согласно изобретению, следует понимать по меньшей мере диапазон температур от около 0°С до 130°С.
Предпочтительная модификация устройства, согласно изобретению, относится к случаю, когда скорость звука в самой измеряемой среде имеет относительно сильную зависимость от температуры, при этом температура измеряемой среды изменяется так же, как температура клина связи. В этом случае, в соответствии с законом Снеллиуса, угол ввода, соответственно, угол вывода ультразвуковых измерительных сигналов определяется также зависимостью от температуры скорости звука в среде. Для того чтобы удерживать угол ввода в среду, соответственно, угол вывода из среды, приблизительно постоянным в широком диапазоне температур, материалы и размеры по меньшей мере двух частичных элементов элемента связи выбраны так, что по существу не происходит изменения угла ввода, угла вывода, которое бы отрицательно влияло на результаты измерения внутри желаемых границ допуска. Это решение является, таким образом, специфическим для среды решением.
Согласно предпочтительному варианту выполнения устройства, согласно изобретению, элемент связи состоит по меньшей мере из двух клиньев ввода, через которые последовательно проходят ультразвуковые измерительные сигналы. Клинья связи предпочтительно выполнены из пластмасс с различными скоростями звука.
Частичные элементы, соответственно, клинья связи состоят, согласно предпочтительному варианту выполнения устройства, согласно изобретению, из различных материалов, при этом материалы выбраны так, что вызванные изменением температуры изменения скорости звука, соответственно, показателя преломления материала первого частичного элемента, соответственно, первого клина связи, приблизительно компенсируются вызванными изменениями температуры изменения скорости звука, соответственно, показателя преломления по меньшей мере одного второго частичного элемента, соответственно, второго клина связи. Компенсация предпочтительно происходит в возможно большем диапазоне температур.
Согласно альтернативному варианту выполнения устройства, согласно изобретению, предусмотрено несколько частичных элементов, соответственно, несколько соединенных друг с другом клиньев связи из различных материалов, при этом материалы выбраны так, что вызванные изменениями температуры изменения скорости звука, соответственно, показателя преломления среды и вызванные изменениями температуры изменения скорости звука, соответственно, показателя преломления по меньшей мере в двух частичных элементах, соответственно, клиньях связи приблизительно взаимно компенсируются.
С помощью этого варианта выполнения можно непосредственно исключать влияние колебаний температуры среды на угол ввода, соответственно, угол вывода, соответственно, их влияние уменьшать настолько, что они лишь не существенно ухудшают точность измерения.
Согласно предпочтительному варианту выполнения устройства, согласно изобретению, предусмотрено, что длина пути, который проходят ультразвуковые измерительные сигналы в частичных элементах клиньев связи, соответственно, предварительных тел, выбрана так, что сумма соответствующих времен прохождения, которые необходимы для прохождения ультразвуковых измерительных сигналов через частичные элементы, является в заданном диапазоне температур по меньшей мере приблизительно постоянной. Это достигается предпочтительно за счет соответствующего выбора размеров частичных элементов. За счет такого выполнения обеспечивается прием каждым ультразвуковым преобразователем всегда максимальной амплитуды ультразвукового измерительного сигнала независимо от изменений температуры. Поэтому более или менее сложные регулировки ультразвуковых преобразователей на трубе вследствие изменения температуры датчиков не требуются.
Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - прижимной ультразвуковой расходомер в системе с двумя траверсами;
фиг.2 - продольный разрез варианта выполнения ультразвукового преобразователя, согласно изобретению; и
фиг.3 - графики зависимости угла ввода и угла вывода от температуры с и без компенсации.
На фиг.1 схематично показан прижимной расходомер 1 в системе с двумя траверсами. Расходомер 1 определяет объемный и/или массовый расход среды 10 в трубе 7 с помощью известного способа измерения разницы времени прохождения.
Существенными компонентами прижимного ультразвукового расходомера 1 являются оба ультразвуковых преобразователя 3, 4 и блок 9 регулирования и оценки. Оба ультразвуковых преобразователя 3, 4 установлены с помощью не изображенного на фиг.1 крепежного устройства на трубе 7. Соответствующие крепежные устройства хорошо известны из уровня техники и предлагаются и распространяются также заявителем. Через трубу 7 с заданным внутренним диаметром di протекает среда 2 в направлении S потока.
Ультразвуковой преобразователь 3; 4 содержит в качестве существенных составных частей по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент 5; 6, который создает и/или принимает ультразвуковые измерительные сигналы, и клин связи, соответственно, предварительное тело 11; 12. Ультразвуковые измерительные сигналы через клинья 11, 12 связи вводятся в протекающую через трубу 7 среду 10, соответственно, выводятся из трубы 7. Клинья 11; 12 связи задают направление ввода, соответственно, вывода ультразвуковых измерительных сигналов из трубы, соответственно, среды; кроме того, они служат для оптимального согласования полного сопротивления ультразвуковым измерительным сигналам при переходе в трубу 7, соответственно, из трубы 7.
Оба ультразвуковых преобразователя 3, 4 расположены на расстоянии L друг от друга, при этом расстояние L выбрано так, чтобы возможно большая часть энергии излучаемых одним ультразвуковым преобразователем 3; 4 ультразвуковых измерительных сигналов принималась другим ультразвуковым преобразователем 4; 3. Оптимальное расположение зависит от множества различных параметров системы и/или процесса. Этими параметрами системы и/или процесса являются, например, внутренний диаметр di трубы 7, толщина стенки 8 трубы, скорость звука с3 в материале, из которого выполнена труба 7, или скорость звука с4 в среде 10. Дополнительно к этому, скорости звука в различных материалах, таких как материалы клина связи, стенки трубы или среды, имеют более или менее сильную зависимость от температуры.
В показанном случае расстояние L между обоими ультразвуковыми преобразователями 3, 4 выбрано так, что ультразвуковые измерительные сигналы, которые в соответствии со способом измерения разницы времени прохождения передаются и принимаются обоими ультразвуковыми преобразователями 3, 4, распространяются по пути прохождения звука SP в протекающей в трубе 7 среды 10. Путь прохождения звука SP имеет две траверсы, т.е. два пересечения трубы 7. Траверсы могут проходить диаметрально или кордиально.
На фиг.2 показан в разрезе вариант выполнения ультразвукового преобразователя 3; 4. Элемент 11; 12 связи состоит, согласно изобретению, по меньшей мере из двух частичных элементов 13, 14, через которые последовательно проходят ультразвуковые измерительные сигналы, которые передаются и/или принимаются пьезоэлектрическими элементами 5; 6.
Рассмотрим сначала случай, когда ультразвуковые измерительные сигналы вводятся в трубу 7, соответственно, выводятся из трубы 7 лишь через частичный элемент 13. Угол ввода и угол вывода определяется по существу геометрическими размерами частичного элемента 13, т.е. геометрические размеры частичного элемента 13 выбираются так, что возможно больше энергии проходит через поверхность раздела между частичным элементом 13 и проходящей по трубе среды 2. Ввод и вывод большой доли энергии ультразвуковых измерительных сигналов имеет решающее значение для хорошей точности измерения. Кроме того, для обеспечения надежных результатов измерения в течение периода времени любой длительности важно, чтобы заданный оптимальный угол ввода и вывода оставался постоянным. В целом, любое отклонение от заданной величины приводит к ухудшению точности измерения. Постоянное удерживание неизменным угла ввода и угла вывода является трудным, в частности, потому, что скорости звука в различных материалах в более или менее сильной степени изменяются в зависимости от температуры.
Для исправления этого используется решение, согласно изобретению: за счет добавления второго частичного элемента 14, скорость звука которого отличается от скорости звука первого частичного элемента 13, можно по меньшей мере приблизительно, а в идеальном случае полностью компенсировать зависимость от температуры элемента 11; 12 связи. Естественно, что элемент 11; 12 связи, согласно изобретению, может быть выполнен из более чем двух частичных элементов 13, 14. Их можно выполнять так, чтобы зависящий от температуры угол преломления отдельного частичного элемента 13; 14 был обратно пропорционален сумме зависящих от температуры углов преломления всех остальных частичных элементов элемента 11; 12 связи.
Принципиально одинаковым является случай, когда дополнительно к температурной зависимости скоростей звука элемента 11; 12 связи скорость звука в среде 2 также имеет сильную зависимость от температуры. Например, в качестве среды 2 может быть вода. При таком применении состоящий из двух частичных элементов 13, 14 элемент 11; 12 связи необходимо выполнять так, чтобы он по меньшей мере приблизительно компенсировал влияние изменений температуры воды на угол ввода, соответственно, угол вывода ультразвуковых измерительных сигналов в соответственно большом диапазоне температур.
Для определения подходящих углов в частичных элементах 13, 14 элементов 11; 12 связи, можно высчитать путь прохождения звука SP для диапазона температур или для отдельных опорных температур (в показанном случае 25°С) и удерживать угол ввода и угол вывода в подлежащей измерению среде, например в воде, на возможно более постоянной величине. Дополнительно к этому, место входа в подлежащую измерению среду 2, соответственно, место выхода из подлежащей измерению среды зависят от угла ввода, соответственно, угла вывода в частичных элементах 13, 14. Для удерживания влияния температуры на ультразвуковые преобразователи 3, 4 возможно меньшим, размеры частичных элементов 13, 14 выбирают так, чтобы сумма величин времени прохождения ультразвуковых измерительных сигналов через частичные элементы ультразвуковых преобразователей 3, 4 в широком диапазоне температур оставалась постоянной.
Математически зависимость скорости звука с в среде n от температуры можно представить в первом приближении следующим уравнением (2):
В качестве опорной величины для температурного изменения скорости света обычно принимается скорость звука в среде n при 25°С. Δс обозначает в формуле изменение скорости звука с в зависимости от температуры Т.
Посредством последовательного применения закона Снеллиуса можно вычислить угол ζ ввода в протекающую в трубе среду (n=4), соответственно, угол вывода из среды с помощью следующей формулы:
где Т обозначает температуру;
с (Т, n) характеризует скорость звука в различных материалах, при этом цифры
n=1...4 обозначают следующее:
1 - компенсационный клин, соответственно, второй частичный элемент 14;
2 - клин связи, соответственно, первый частичный элемент 13;
3 - стенка 8 трубы;
4 - протекающая в трубе 7 среда 2;
δ2 обозначает угол компенсационного клина 14 и
δ3 обозначает угол клина связи.
Если температура среды является постоянной или можно пренебречь изменением скорости звука в среде в зависимости от температуры, то справедлива следующая формула:
где Т обозначает температуру;
с (Т, 1) характеризует скорость звука в компенсационном клине, соответственно, во втором частичном элементе 14;
с (Т, 2) характеризует скорость звука в клине связи, соответственно, первом в частичном элементе 13;
δ2 обозначает угол компенсационного клина 14 и
δ3 обозначает угол клина связи.
На фиг.3 графически и наглядно показано, как с помощью решения, согласно изобретению, можно приблизительно компенсировать влияние температуры на угол ввода, соответственно, угол вывода в, соответственно, из среды. В частности, сплошная линия показывает зависимость от температуры угла ввода, соответственно, угла вывода ζ ультразвукового измерительного сигнала в, соответственно, из среды 2 с компенсацией; штриховая линия показывает соответствующую зависимость от температуры угла ввода, соответственно, угла вывода θ без компенсации, согласно изобретению. θ (Т, 3) характеризует соответствующее изменение угла, которое возникает при элементе 13 связи без дополнительного компенсационного клина 14. Δζ (Т, 4) обозначает отклонение в зависимости от температуры ζ (Т, 4) от угла ввода при 25°С. Измеряемая среда 2 в показанном случае является водой. Первый частичный элемент 13 состоит из пластмассы со скоростью звука с (25°С, 1), равной 2668 м/с, и Δc1=-4,5 м/с/К. Материалом второго частичного элемента 14 является пластмасса со скоростью звука с (25°С, 2), равной 2451 м/с, и Δс1=-0,73 м/с/К. Из кривых следует, что в диапазоне температур от 0°С до 100°С за счет добавления второго частичного элемента 14 (компенсационного клина) зависимость от температуры угла ввода, соответственно, угла вывода ζ в, соответственно, из среды 2 приблизительно компенсируется. Угол ввода, соответственно, угол вывода ζ во всем диапазоне температур, в котором используется или может использоваться ультразвуковой расходомер 1, является постоянным.
1. Устройство для определения и/или контролирования объемного и/или массового расхода среды в резервуаре, в частности в трубе, содержащее по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь, который передает и/или принимает ультразвуковые измерительные сигналы, соединенный с ультразвуковым преобразователем элемент связи, через который ультразвуковые измерительные сигналы под заданным углом ввода, соответственно углом вывода вводятся в резервуар, соответственно выводятся из резервуара, и блок регулирования и оценки, который на основании измерительных сигналов, соответственно на основании измерительных данных, которые выводятся из измерительных сигналов, определяет объемный и/или массовый расход протекающей в измерительной трубе среды, отличающееся тем, что элемент связи (11, 12) имеет по меньшей мере два частичных элемента (13, 14), которые выполнены и/или расположены так, что влияние изменений температуры на заданный угол ввода (ξ) в резервуар (7), соответственно на заданный угол вывода (ξ) из резервуара (7) приблизительно компенсируется в заданном, соответственно, широком диапазоне температур.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в случае, когда угол ввода, соответственно угол вывода (ξ) ультразвуковых измерительных сигналов определяется также зависимостью от температуры скорости звука в среде (2), частичные элементы (13, 14) элемента (11, 12) связи выполнены и/или расположены так, что угол ввода, соответственно угол вывода (ξ) в среду (2), соответственно из среды (2) является приблизительно постоянным в широком диапазоне температур.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что частичные элементы (13, 14) выполнены в виде клиньев связи, через которые последовательно проходят ультразвуковые измерительные сигналы.
4. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что частичные элементы (13, 14), соответственно клинья связи состоят из различных материалов, при этом материалы выбраны так, что вызванные изменением температуры изменения скорости звука (с2), соответственно показателя преломления материала первого частичного элемента (13), соответственно первого клина связи, приблизительно компенсируются вызванными изменениями температуры изменениями скорости звука (с1), соответственно показателя преломления по меньшей мере одного второго частичного элемента (14), соответственно второго клина связи.
5. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что частичные элементы (13, 14), соответственно клинья связи выполнены из пластмассы.
6. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что предусмотрено несколько частичных элементов (13, 14), соответственно клиньев связи из различных материалов, при этом материалы выбраны так, что вызываемые изменениями температуры изменения скорости звука, соответственно показателя преломления среды (2) и вызванные изменениями температуры изменения скорости звука, соответственно показателя преломления по меньшей мере в двух частичных элементах (13, 14), соответственно клиньях связи приблизительно взаимно компенсируются.
7. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что размеры частичных элементов (13, 14), соответственно величины длины путей, которые проходят ультразвуковые измерительные сигналы в частичных элементах (13, 14) клиньев связи (11, 12), соответственно предварительных тел, выбраны так, что сумма соответствующих времен прохождения, которые необходимы для прохождения ультразвуковых измерительных сигналов через частичные элементы (13, 14), является в заданном диапазоне температур по меньшей мере приблизительно постоянной.
