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Verfahren und Anordnung zum Messen der mittleren Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten mittels Ultraschall
Für die Messung der Geschwindigkeit strömender Flüssigkeiten ist es bekannt, zwei Ultraschallmessstrecken mit je einem Sender und Empfänger zu benutzen, wobei man über diese Messstrecken eine Folge von Ultraschallimpulsen mit einer in der Strömungsrichtung und einer gleichgrossen, entgegen der Strömungsrichtung verlaufenden Richtungskomponente sendet, mit Hilfe der in den Empfängern ankommen- den Impulse diejenigen des zugehörigen Senders synchronisiert und dann die der Strömungsgeschwindigkeit proportionale Differenz der Impulsfolgefrequenzen in den beiden Messstrecken durch ein Koinzidenzverfahren ermittelt.
Diese Messung liefert aber nur dann genaue Resultate, wenn die beiden zusammengehörigen Messstrecken genau gleiche Länge haben und unter genau dem gleichen Winkel zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit verlaufen, und wenn die inneren Laufzeiten der an die Messstrecken angeschlossenen Messkreise genau übereinstimmen. Allfällige Unterschiede in den Laufzeiten über die Messstrecken und in den Messkreisen lassen sich durch eine Eichmessung oder Nullpunktkontrolle bei ruhender Flüssigkeit feststellen.
Dies ist jedoch meistens nur in Laboratoriums-Versuchen möglich ; für Messungen in der Natur, z. B. an einem Fluss, kann die Flüssigkeitsströmung in der Regel nicht unterbunden werden.
Durch die Erfindung wird nun die Lehre gegeben, wie auch bei strömender Flüssigkeit oder bei stillstehender Flüssigkeit eine Eichung möglich ist bzw. der allfällig vorhandene Nullpunktfehler ermittelt werden kann. Dabei wird erfindungsgemäss so verfahren, dass man zur Nullpunktkontrolle bzw. Eichung in einer der zusammengehörigen Messstrecken die Funktionen von Sender und Empfänger vertauscht und die sich dabei ergebende Differenz der Impulsfolgefrequenzen ermittelt und in die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit einbezieht.
In der deutschen Auslegeschrift Nr. 1026998 war das sich stellende Problem zwar richtig erwähnt. In den nachher abgeleiteten und in der Folge ausschliesslich benutzten Formeln hingegen wird nur die Laufzeit in der Flüssigkeit berücksichtigt, nicht aber diejenige in den elektrischen Messkreisen, so dass dieser bekannte Vorschlag nicht zu genauen Resultaten führen kann. Wie die Praxis zeigt, sind die elektrischen Messkreise für die sich einstellende Impulsfolgefrequenz jedoch in hohem Masse verantwortlich. Unterschiede in dem elektrischen Übertragungsmass in den beiden Messkreisen können erhebliche Fehler in der Messung verursachen. In der genannten Druckschrift ist erwähnt, dass zur Bestimmung des Restfehlers, d. h. zur Nullpunktkontrolle, die Strömung der Flüssigkeit abgestellt werden muss, was aber in vielen praktischen Anwendungsfällen nicht möglich ist.
Zudem ist der Restfehler nicht konstant, sondern von äusseren Einflüssen, wie z. B. Temperatur, Feuchtigkeit, Netzspannung usw., abhängig, so dass also der Restfehler von Fall zu Fall bestimmt werden muss. Das kann aber nur nach dem Verfahren gemäss der Erfindung auf einfache und bequeme Weise und zudem bei strömender Flüssigkeit durchgeführt werden.
Ausser dem oben erwähnten Verfahren betrifft die Erfindung auch eine Messanordnung zum Durchführen des Verfahrens. Diese Messanordnung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens bei einer Messstrecke des Messstreckenpaares die Funktionen des Ultraschall-Senders und-Empfängers gegeneinander vertauschbar sind. Hiebei kann der Messkreis, der an die Messstrecke mit funktionell ver-
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tauschbarem Ultraschall-Sender und-Empfänger angeschlossen ist, zur wahlweisen Umkehrung der Signalrichtung mit Vorteil einen Umschalter aufweisen, damit eine rasche und bequeme Nullpunktkontrolle bzw. Eichung möglich ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in welcher die Erfindung rein beispielsweise und schematisch veranschaulicht ist.
Fig. l zeigt eine bisher gebräuchliche Messanordnung im horizontalen Schnitt ; Fig. 2 stellt die neue Messanordnung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens ebenfalls im horizontalen Schnitt dar.
Wird ein Ultraschallsignal durch ein Medium gesendet, so wird zur Überquerung eines bestimmten Abstandes eine gewisse Zeit benötigt. Bewegt sich dieses Medium, so addieren sich die Geschwindigkeiten der einzelnen Partikel, welche die Schallwellen übertragen, vektoriell, d. h. in Richtung und Grösse zu
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diesem Fall abhängig von den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit, der Temperatur, dem Abstand zwischen Sender und Empfänger und der Geschwindigkeit der zu messenden Flüssigkeit. Es sei vorerst das ebene Problem betrachtet.
Wird ein Ultraschallsignal unter einem Winkel 8 schräg gegen die Strömung durch einen Kanal F von einem Sender A zu einem Empfänger B und gleichzeitig oder abwechselnd ein gleiches Signal schräg mit der Strömung von B nach A, wobei die Funktionen der Sender und Empfänger vertauscht werden können, über eine bestimmte Messstrecke gesendet, so werden die Laufzeiten tl und 12 des Ultraschallsignals bei sich bewegender Flüssigkeit verschieden sein. Bei gleicher Länge d der Messstrecke ist die zeitliche Differenz von tl und t ein Mass für die mittlere Geschwindigkeit im Messquerschnitt.
Unter der Voraussetzung, dass die Geschwindigkeit v der Flüssigkeit klein in bezug auf die Schallgeschwindigkeit a bleibt, können folgende Gleichungen aufgestellt werden für Sendung von A nach B.
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Die beidenLaufzeiten t1. und t müssen nun so genau gemessen werden, dass die Differenz noch genau genug ermittelt werden kann ; eine Forderung, deren Erfüllung unter Berücksichtigung der sehr kleinen Laufzeiten auf erhebliche Schwierigkeiten stösst. Mittels einer Phasendifferenzmessung kann diese Schwierig- keit umgangen werden, wobei aber die Schallgeschwindigkeit in der aus (3) ableitbaren Umrechnungsformel erscheint. Für genaue Messungen sollte die Formel unabhängig von der Schallgeschwindigkeit sein, da diese z.
B. stark mit der Temperatur schwankt und daher nicht immer genau genug bestimmt werden kann.
Es ist bekannt, diese Schwierigkeit durch die Verwendung von zwei unabhängigen, aber nebeneinan-
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bzw. Kz angeschlossen sind. Die Arbeitsweise ist z. B. folgende :
Der Oszillator eines Impulssenders 11 im Messkreis K wird zu einer kurzen gedämpften Schwingung gebracht, so dass ein Impuls ausgelöst wird, der zum Sender S, gelangt.
Die mit der Geschwindigkeit v strömende Flüssigkeit wird vom Ultraschallimpuls in der Zeit t ! schräg gegen die Strömungsrichtung durcheilt, und im Empfänger E < wird die elastische Störung wieder in einen elektrischen Impuls zurückverwan- delt. Dieses Signal wird in einem Verstärker G 1 verstärkt und mittels eines Apparates 1\ in ein immer gleichbleibendes Startsignal für den Schwingkreis des Impuls-Oszillators 11 umgewandelt. Erreicht dieses Signal den Oszillator, so wird ein zweiter Impuls ausgelöst, der nach der gleichen Zeit t1 wieder'am Empfänger eintrifft, solange Strömungsgeschwindigkeit und Schallgeschwindigkeit unverändert bleiben.
Es ergibt sich somit eine periodische Folge von Schallimpulsen über die Messstrecke, wobei die im Sen-
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werden. Bisher wurde nur das ebene Problem betrachtet.
Die zu messende Flüssigkeit befindet sich z. B. in Kanälen, Rohrleitungen, Flüssen usw., also in räumlichen Querschnitten. Es genügt daher meistens nicht, in einer bestimmten horizontalen Ebene die Geschwindigkeitsverteilung zu messen, da diese in andern Punkten des Messquerschnittes sehr verschieden sein kann. Es ist folglich zweckmässig, diese oben beschriebene ebene Messmethode in genügender Anzahl auf verschiedenen Höhen durchzuführen und nachher durch eine z. B. graphische Integration die mittlere Geschwindigkeitsverteilung im gesamten Messquerschnitt zu ermitteln. Diese kann bei einfacher seitlicher Begrenzung durch Verschiebung der Sender und Empfänger auf die gewünschte Höhe erfolgen.
Es können auch mehrere Sender- und Empfängerpaare auf verschiedene Messhöhen angeordnet werden.
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chen. In den wenigstens Fällen ist es möglich, bei ruhender Flüssigkeit eine Nullpunktkontrolle bzw.
Eichung vorzunehmen. Um diese aber auch bei strömender Flüssigkeit jederzeit durchführen zu können,
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ders SI bei der einen Messstrecke Mi vertauschbar gemacht, so dass die Signale in beiaen Messstrecken A, und M in gleicher Richtung gesendet werden können und gleichgrosse und gleichsinnig gerichtete, zur Strömungsrichtung parallele Richtungskomponenten aufweisen. Um die Umschaltung rasch und bequem durchführen zu können, ist in der Messanordnung ein Umschalter U vorgesehen.
Unmittelbar vor oder nach der eigentlichen Messung mit entgegengesetzten Senderichtungen über die Messstrecken M, und M wird der Umschalter U umgelegt und über beide Messstrecken zwecks Nullpunktkontrolle bzw. Eichung in gleicher Richtung gesendet.
Besteht nun ein kleiner Längenunterschied der Messstrecken oder ein Laufzeitunterschied in den entsprechenden Messkreisen, dann wird sich unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit eine Differenzfrequenz fE oder Schwebungsfrequenz einstellen, die in die Berechnung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit gemäss folgender Formel einzubeziehen ist :
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fD bedeutet die Impulsfolgefrequenz bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit, wobei die Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwellen zwischen dem Sender und dem Empfänger der einen Messstrecke eine in der Strömungsrichtung der Flüssigkeit verlaufende und der andern Messstrecke eine entgegen der Strömungsrichtung der Flüssigkeit verlaufende Komponente aufweist. fE hingegen bedeutet die sich beim Eichen einstellende Impulsfolgefrequenz, wenn in der einen Messstrecke die Funktionen von Sender und Empfänger vertauscht sind, d. h. wenn in beiden Messstrecken die Fortpflanzungsrichtung der Schallwellen zwischen Sender und Empfänger gleichsinnig gerichtete, zur Strömungsrichtung parallel verlaufende Komponenten aufweisen.
Diese Komponenten können mit oder entgegen der Strömungsrichtung der Flüssigkeit
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gerichtet sein.
Die beschriebene Messanordnung hat den grossen Vorteil, dass eine Eichung bzw. Nullpunktkontrolle jederzeit unabhängig von störenden Fremdeinflüssen, z. B. vor und nach jeder Messung möglich ist, wobei eventuelle Änderungen der Strömungsgeschwindigkeiten sich nicht störend bemerkbar machen können.
Sind dieMessstrecken nahe beieinander angeordnet, so ist es notwendig, scharf bündelnde Ultraschallsen- der zu verwenden, was durch geeignete Wahl des Durchmessers der Sender und der Ultraschall-Trägerfrequenz erreicht werden kann.
Die zu messende Differenzfrequenzen sind z. B. für Strömungsmessungen in Wasser sehr klein, z. B. in der Grössenordnung von 0 bis 1 Hz. Um diese kleinen Werte zu messen, wird zweckmässig ein Koinzidenzverfahren angewendet. Das Prinzip dieses Verfahrens ist folgendes :
Werden die beiden Impulsfolgefrequenzen f1 und f2 miteinander verglichen, so wird es einen Moment geben, in welchem die Impulse beider Messkreise zeitlich gleichzeitig erscheinen. In diesem Augenblick wird elektronisch ein Signal ausgelöst. Dieses Spiel wiederholt sich, wenn beide Impulse von neuem koinzidieren. Der zeitliche Abstand dieser beiden Signale ist der reziproke Wert der Differenzfrequenz fD bzw. f.
Mittels dieses Verfahrens können handelsübliche Messgeräte, z. B. graphische Schreiber mit Zeitmarke oder elektronische Kurzzeitmesser, zur genauen Frequenzdifferenzbestimmung verwendet werden. Sollen nicht sehr regelmässig fliessende Strömungen gemessen werden, so kann man über einen längeren Zeitabschnitt messen, wobei dann der Quotient Koinzidenzanzahl dividiert durch Gesamtzeit direkt die integrierte mittlere Differenzfrequenz ergibt.
Besonders bei kleineren Messquerschnitten ist der Einfluss der Anordnung von den Ultraschallgebern zu berücksichtigen. Werden Sender und Empfänger der Ultraschall-Messstrecken innerhalb des Strömungsquerschnittes der Flüssigkeit oder in offenen Vertiefungen der den Flüssigkeitsstrom begrenzenden Wände angebracht, so ist die Entstehung von ungeordneten, gegebenenfalls turbulenten und partiell rückläufigen Strömungen in unmittelbarer Nähe der Sender und Empfänger nicht zu vermeiden. Die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit ist dann gerade an der Messstelle gestört, wodurch Messfehler bei der Ermittlung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit auftreten. Diese Messfehler können die durch das erfindungsgemässe Verfahren zu erzielende Verbesserung der Messgenauigkeit beeinträchtigen oder gar überdecken.
Dieser Nachteil lässt sich gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch vermeiden, dass die Ultraschall-Sender und-Empfänger ausserhalb des Strömungsquerschnittes der Flüssigkeit hinter einem schalldurchlässigen Teil der die Strömung begrenzendenWände angeordnet werden. Zweckmässig sind die Ultraschall-Sender und-Empfänger je in einer entsprechend geformten Ausnehmung der Strömungskanalbegrenzungswand angeordnet, welche Ausnehmungen gegen die Strömung durch flüssigkeitsdichte, aber sch. lldurchlässige Scheiben abgedeckt sind. Die schalldurchlässigen Teile sind mit Vorteil derart ausgebildet und angeordnet, dass sie auf der strömungsbegrenzenden Seite eine glatte Fortsetzung der Strömungs- kanalwand bilden.
So treten in der Umgebung der Sender und Empfänger innerhalb des Strömungsquerschnittes keine Störungen in der Strömung auf und es erfährt der Strömungsquerschnitt an der Messstelle keine Änderung, so dass auch die Bestimmung der pro Zeiteinheit durchströmenden Flüssigkeismenge mit grösserer Genauigkeit möglich ist.
Durch die aufgezählten Massnahmen ist es mit der beschriebenen Messanordnung möglich, mittlere Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten in begrenzten Querschnitten ohne Zuhilfenahme von empirischen Korrekturfaktoren zu bestimmen. Die Umrechnungsformel, um von den gemessenen Grössen auf die mittlere Geschwindigkeit zu gelangen, ist nur von den geometrischen Abmessungen der Begrenzungen abhängig.
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