Verfahren und Anordnung zur Geschwindigkeits-und Mengenmessung strömender
Flüssigkeiten mittels Ultraschall
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Geschwindigkeits-und Mengenmes sung strömender Flüssigkeiten durch Ultraschall.
Zweck und Aufgabe der Erfindung ist es, ohne Anderung der jeweiligen Strömungszustände eine Nullpunkt-Kontrolle (Eichung) vorzunehmen, wodurch es erst möglich ist, das bekannte Ultraschallprinzip auf Messungen an Maschinen und in der Hydrologie anzuwenden.
Das erfindungsgemässe Verfahren dient im wesentlichen zum Messen der mittleren Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten in begrenzten Querschnitten oder zur Flüssigkeitsmengenmessung unter Verwendung von wenigstens einem Paar von Ultraschallmess- strecken, die je einen Ultraschall-Sender-und-Empfänger aufweisen und in gleichen Winkeln zur Strö- mungsrichtung der Flüssigkeit durch dieselbe verlaufen, und zwar parallel zueinander oder einander kreuzend.
Das Neue des Verfahrens besteht darin, dass man über jede der Messstrecken eine Folge von Ultraschallimpulsen vom Sender zum Empfänger sendet, die im Empfänger ankommenden Schallimpulse in elektrische Impulse umwandelt und mit denselben die Schallimpulse des Senders synchronisiert, wobei sich eine der Laufzeit der Schallimpulse in der Flüssigkeit umgekehrt proportionale Impulsfolgefrequenz einstellt, und dass man die Differenz der Impulsfolgefrequenzen in den beiden Messstrecken ermittelt, welche Differenz proportional ist der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit.
Die erfindungsgemässe Messanordnung zum Durchführen dieses Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens bei einer Messstrecke des Messstreckenpaares die Funktionen des Ultraschall-Senders-und -Empfängers zwecks Nullpunkteinstellung (Eichung) gegeneinander vertauschbar sind.
Die Messanordnung nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in welcher rein beispielsweise und schematisch eine bisher bekannte und eine neue Messanordnung veranschaulicht sind, erläutert.
Fig. 1 zeigt die bisher gebräuchliche Messanordnung im horizontalen Schnitt.
Fig. 2 stellt die neue Messanordnung zum Durch führen 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 Schallwelle übertragen, vektoriell, das heisst in Richtung und Grösse zu der momentanen Schallgeschwindigkeit.
Soll nun in einem Querschnitt mit einer unbekannten Strömungsverteilung die durchfliessende Flüssigkeits- menge bestimmt werden, dann wird zweckmässig die Messebene unter einem konstanten Winkel S zur Strömungsrichtung gewählt (Fig. 1). Die Laufzeit ti bzw. t2 ist in 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 jg schräg gegen die Strömung durch einen Kanal F von einem Sender A zu einem Empfänger B und gleich zeitig oder abwechselnd ein gleiches Signal schräg mit der Strömung von B nach A, wobei die Funktion der Sender und Empfänger vertauscht werden kann, über eine bestimmte Messstrecke gesendet, so werden die Laufzeiten t1 und t2 des Ultraschallsignals bei sich bewegender Flüssigkeit verschieden sein.
Bei gleicher Länge d der Messstrecke ist die zeitliche Differenz von t1 und t2 ein Mass für die mittlere Geschwindigkeit im Messquerschnitt. Unter der Voraussetzung, dass die Geschwindigkeit v der Flüssigkeit klein in bezug auf die Schallgeschwindig- keit a bleibt, können folgende Gleichungen aufgestellt werden für Sendung von A nach B (1) a-v. cos = d t1 und von B nach A (2) a + v COS ¯ = d t2 Durch Subtraktion wird folgende Formel erhalten : (3) v = d.(1 - 1) 2. cos ¯ t2 t1
Die beiden Laufzeiten t, und t2 müssen nun so gemessen werden, dass die Differenz noch genau genug ermittelt werden kann, eineForderung, derenErfüllung unter Berücksichtigung der sehr kleinen Laufzeiten auf erhebliche Schwierigkeiten stösst.
Mittels einer Phasendifferenzmessung kann diese Schwierigkeit 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 bestimmt werden kann.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird ein anderer Weg gewählt, um diese Schwierigkeit bei den kleinen Zeiten zu umgehen. In Fig. 2 ist das Prinzipschema der Messanordnung dargestellt. Es werden zwei unabhängige aber nebeneinander angeordnete Messstrecken M1 und M2 verwendet, die je an einen elektrischen Messkreis K3 bzw. K2 angeschlossen sind.
Die Arbeitsweise ist z. B. folgende :
Der Oszillator eines Impulssenders 11 im Messkreis Ki wird zu einer kurzen gedämpften Schwingung gebracht, so dass ein Impuls ausgelöst wird, der zum Sender S, gelant. Die mit der Geschwindigkeit v str¯mend Flüssigkeit wird vom Ultraschallimpuls in der Zeit t, schräg gegen die Strömungsrichtung durcheilt, und im Empfänger E1 wird die elastische Störung wieder in einen elektrischen Impuls zurückverwandelt.
Dieses Signal wird in einem Verstärker G1 verstärkt und mittels eines Apparates H1 in ein immer gleichbleibendes Startsignal für den Schwingkreis des Impuls-Oszillators I1 umgewandelt. Erreicht dieses Signal den Oszillator, so wird ein zweiter Impuls ausgelöst, der nach der gleichen Zeit ti 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 Sender erzeugten Impulse durch die im Empfänger ankommenden Im- pulse synchronisiert werden.
Nun entspricht die gesamte Umlaufzeit praktisch der Signallaufzeit t1 = d aw - ?a in der Flüssigkeit, da ja im elektrischen Teil des Weges das Signal sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 30000 km/s, gegen 1500 m/s z. B. im Wasser, fortbewegt.
Es stellt sich also eine gewisse Impulsfolgefrequenz f1 = 1 t tl ein, die von der Linge d der Messstrecke, von der Schallgeschwindigkeit und von der Bewegung der Flüssigkeit abhängig ist.
Wird über die Messstrecke M, in der anderen Richtung, also schräg mit der Strömung gemessen, dann stellt sich analog eine Impulsfolgefrequenz f- @2 ein. Wird nun die Differenz fD dieser beiden Impulsfolgefrequenzen f1 und f2 mit Hilfe eines Frequenz differenz-Messgerätes D gemessen, so gilt, in Formel (3) eingesetzt, wenn die Länge beider Messstrecken M1 und M2 absolut gleich ist: ? = d (1 - 1) = d (f2 - f1)
2 . cos ¯ t2 t1 2.cos ¯ = D FD
2 . cos ¯ (4) ? = @ fD fa (4) ? @ fD 2 . cos ¯
Die mittlere Str¯mungsgeschwindigkeit ? ist also der Differenz f, der Impulsfolgefrequenzen f, und f2 direkt proportional und kann an einem GerÏt R abgelesen und gewünschtenfalis auch laufend registriert werden. Bisher wurde nur das ebene Problem betrachtet.
Die zu messende Flüssigkeit befindet sich z. B. in Kanälen, Rohrleitungen, Fl ssen usw., also in räumlichen Querschnitten. Es genügt meistens nicht, in einer bestimmten horizontalen Ebene die Geschwin digkeitsverteilung zu messen, da diese in anderen Punkten des Messquerschnittes sehr verschieden sein kann. Eine der neuen Ideen dieser Erfindung ist es, diese oben beschriebene ebene Messmethode in genü gender Anzahl auf verschiedenen Höhen durchzuführen, um dann durch z. B. eine graphische Integration die mittlere Geschwindigkeitsverteilung im gesamten Messquerschnitt zu ermitteln. Diese kann bei einfacher seitlicher Begrenzung durch Verschiebung der Sender und Empfänger, auch Geber genannt, auf die gewünschte Höhe erfolgen. Es können auch meh rere Geberpaare auf verschiedenen Messhöhen angeordnet werden.
Es ist unvermeidlich, dass z. B. beim Verschieben der Ultraschall-Sender und-Empfänger kleine Län- genunterschiede zwischen den beiden Messstrecken Mi und M2 auftreten. Ausserdem können auch elektronisch bedingte Änderungen der Impulsfolgefre- quenzen bei längeren Messungen sich störend bemerkbar machen. In den wenigsten Fällen ist es möglich, bei ruhender Flüssigkeit eine Nullpunkteinstellung g bzw. Kontrolle vorzunehmen. Um eine solche Nullpunkteinstellung aber auch bei strömender Flüssigkeit während der Messung jederzeit durchführen zu kön- nen, wird die in Fig. 2 schematisch dargestellte Anordnung vorgeschlagen.
Vor der eigentlichen Messung werden mittels eines Umschalters U Empfänger El und Sender SI bei der einen Messstrecke Mi vertauscht, d. h. dass die Signale in beiden Messstrecken in gleicher Richtung gesendet werden. Besteht nun ein kleiner Längenunterschied derMessstrecken,dann wird sich unabhängig von der Strömungsgeschwindig- keit eine Differenzfrequenz fX oder Schwebungsfrequenz einstellen. Diese Anordnung hat den grossen Vorteil, dass dadurch eine Möglichkeit gegeben ist, diese Nullpunkteinstellungen jederzeit unabhängig von störenden Fremdeinflüssen, z.
B. vor und nach jeder Messung, zu kontrollieren, wobei eventuelle Anderun- gen der Strömungsgeschwindigkeiten sich nicht stö- rend bemerkbar machen können. Sind die Me¯strecken nahe beieinander angeordnet, so ist es notwendig, scharf bimdelnde Ultraschallsender zu verwenden, was durch den Durchmesser der Sender und eine geeignete Wahl der Ultraschall-Trägerfrequenz erreicht werden kann. Die mittlere Geschwindigkeit errechnet sich nach der leicht abzuleitenden Formel d 1 1 (5) ? = @ (@ - @)
2 . cos ¯ fD FE
Die zu messenden Differenzfrequenzen sind, z. B. für Strömungsmessungen in Wasser, sehr klein, je grösser der Abstand, desto geringer wird die Differenz, wobei Grössenordnungen von 0 bis 1 Hz auftreten können.
Um diese kleinen Werte zu messen, wurde ein Koinzidenzverfahren entwickelt. Das Prinzip dieses Verfahrens ist folgendes :
Werden die beiden Impulsfolgefrequenzen fi 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 fl, bzw. flS-Mittels dieses Verfahrens können handels- übliche Messgeräte z. B. graphische Schreiber mit Zeitmarke oder elektronische Kurzzeitmesser zur genauen Frequenzdifferenzbestimmung verwendet werden.
Sollen nicht sehr regelmässig fliessende Strö- mungen gemessen werden, so kann über einen länge- ren Zeitabschnitt gemessen werden, 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. Um eindeutige Messverhältnisse zu schaffen, wurde folgende Anordnung entwickelt : Die Ultraschall-Sender und-Empfänger werden ausserhalb des Messquerschnittes hinter einer flüssigkeitsundurch- lässigen aber schalldurchlässigen Wand so angebracht, dass von der Flüssigkeitsseite her kein Unterbruch von der seitlichen Begrenzung zu erkennen ist. Die Umrechnungsformel wird dann folgende : (6) ? = d2 tg ¯(fD - fE)
2b Hierhin bedeutet b die Breite des Fl ssigkeitskanals.
Durch die aufgezählten Massnahmen ist es mit der beschriebenen Messanordnung möglich, mittlere Strö- mungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten in begrenzten Querschnitten ohne Zuhilfenahme von empirischen Korrekturfaktoren zu bestimmen. Die Umrechnungsformel der gemessenen Grössen, um von den gemessenen Grössen auf die mittlere Geschwin digkeit zu gelangen, ist nur von den geometrischen Abmessungen de, r Begrenzungen abhängig.
Method and arrangement for measuring the speed and volume of flowing
Liquids using ultrasound
The invention relates to a method and an arrangement for measuring the speed and quantity of flowing liquids by ultrasound.
The purpose and object of the invention is to carry out a zero point control (calibration) without changing the respective flow conditions, which makes it possible to apply the known ultrasonic principle to measurements on machines and in hydrology.
The method according to the invention essentially serves to measure the mean flow velocity of liquids in limited cross-sections or to measure the amount of liquid using at least one pair of ultrasonic measuring sections, each having an ultrasonic transmitter and receiver and at the same angles to the flow direction Liquid pass through it, parallel to one another or crossing one another.
The novelty of the method is that a sequence of ultrasonic pulses is sent from the transmitter to the receiver via each of the measuring sections, the sound pulses arriving in the receiver are converted into electrical pulses and the sound pulses of the transmitter are synchronized with them, whereby one of the transit times of the sound pulses is The pulse repetition frequency is inversely proportional to the liquid, and the difference in the pulse repetition frequencies in the two measuring sections is determined, which difference is proportional to the mean flow velocity of the liquid.
The measuring arrangement according to the invention for performing this method is characterized in that the functions of the ultrasonic transmitter and receiver can be interchanged for the purpose of zero point adjustment (calibration) at least in one measuring section of the measuring section pair.
The measuring arrangement according to the invention is explained with reference to the drawing, in which, purely by way of example and schematically, a previously known and a new measuring arrangement are illustrated.
Fig. 1 shows the measurement arrangement used up to now in a horizontal section.
Fig. 2 shows the new measuring arrangement for performing the method according to the invention, also in a horizontal section.
If an ultrasonic signal is sent through a medium, it takes a certain amount of time to cross a certain distance. If this medium moves, the velocities of the individual particles that transmit the sound wave add up vectorially, i.e. in terms of direction and size, to the current speed of sound.
If the amount of liquid flowing through is now to be determined in a cross section with an unknown flow distribution, then the measuring plane is expediently selected at a constant angle S to the direction of flow (FIG. 1). The transit time ti or t2 in this case depends on the physical properties of the liquid, the temperature, the distance between the transmitter and the receiver and the speed of the liquid to be measured.
Let us first consider the same problem:
If an ultrasonic signal is inclined at an angle jg against the flow through a channel F from a transmitter A to a receiver B and at the same time or alternately an identical signal is inclined with the flow from B to A, whereby the function of the transmitter and receiver can be interchanged , sent over a certain measuring section, the transit times t1 and t2 of the ultrasonic signal will be different for a moving liquid.
With the same length d of the measuring section, the time difference between t1 and t2 is a measure of the average speed in the measuring cross section. Assuming that the velocity v of the liquid remains small in relation to the speed of sound a, the following equations can be set up for transmission from A to B (1) a-v. cos = d t1 and from B to A (2) a + v COS ¯ = d t2 The following formula is obtained by subtracting: (3) v = d. (1 - 1) 2. cos ¯ t2 t1
The two transit times t 1 and t2 must now be measured in such a way that the difference can still be determined with sufficient accuracy, a requirement which, taking into account the very short transit times, meets with considerable difficulties.
This difficulty can be avoided by measuring the phase difference, but the speed of sound appears in the conversion formula derived from (3).
For precise measurements, the formula should be independent of the speed of sound, as this is e.g. B. varies greatly with temperature and therefore cannot always be precisely determined.
In the method according to the invention, another way is chosen in order to avoid this difficulty with the short times. The principle diagram of the measuring arrangement is shown in FIG. 2. Two independent but adjacent measuring sections M1 and M2 are used, which are each connected to an electrical measuring circuit K3 or K2.
The working method is z. B. the following:
The oscillator of a pulse transmitter 11 in the measuring circuit Ki is caused to oscillate briefly attenuated, so that a pulse is triggered that is sent to the transmitter S. The liquid flowing with the velocity v is swept through by the ultrasonic pulse in time t, diagonally against the direction of flow, and in the receiver E1 the elastic disturbance is converted back into an electrical pulse.
This signal is amplified in an amplifier G1 and converted into an always constant start signal for the oscillating circuit of the pulse oscillator I1 by means of an apparatus H1. If this signal reaches the oscillator, a second pulse is triggered, which arrives again at the receiver after the same time ti, as long as the flow velocity and the speed of sound remain unchanged. This results in a periodic sequence of sound pulses over the measuring section, the pulses generated in the transmitter being synchronized with the pulses arriving in the receiver.
Now the total cycle time corresponds practically to the signal propagation time t1 = d aw -? A in the liquid, since in the electrical part of the path the signal moves at a speed of about 30,000 km / s, against 1500 m / s z. B. in the water, moved.
A certain pulse repetition frequency f1 = 1 t tl is established, which is dependent on the length d of the measuring section, the speed of sound and the movement of the liquid.
If measurements are taken over the measuring section M in the other direction, i.e. at an angle with the flow, then an analog pulse repetition frequency f- @ 2 is established. If the difference fD of these two pulse repetition frequencies f1 and f2 is measured with the aid of a frequency difference measuring device D, the following applies if the length of the two measuring sections M1 and M2 is absolutely the same:? = d (1 - 1) = d (f2 - f1)
2. cos ¯ t2 t1 2.cos ¯ = D FD
2. cos ¯ (4)? = @ fD fa (4)? @ fD 2. cos ¯
The mean flow velocity? is therefore directly proportional to the difference f, the pulse repetition frequencies f, and f2 and can be read on a device R and, if desired, also continuously recorded. So far only the problem at hand has been considered.
The liquid to be measured is z. B. in channels, pipelines, rivers, etc., so in spatial cross-sections. It is usually not sufficient to measure the speed distribution in a certain horizontal plane, as this can be very different in other points of the measurement cross-section. One of the new ideas of this invention is to carry out this flat measuring method described above in sufficient numbers at different heights to then be carried out by z. B. a graphic integration to determine the average speed distribution in the entire measurement cross-section. This can be done with simple lateral delimitation by moving the transmitter and receiver, also called transmitter, to the desired height. Several pairs of transducers can also be arranged at different measuring heights.
It is inevitable that e.g. When moving the ultrasonic transmitter and receiver, for example, small differences in length occur between the two measuring sections Mi and M2. In addition, electronically induced changes in the pulse repetition frequencies can also have a disturbing effect during longer measurements. In very few cases it is possible to carry out a zero point adjustment g or a check when the liquid is at rest. In order to be able to carry out such a zero point adjustment at any time during the measurement even with flowing liquid, the arrangement shown schematically in FIG. 2 is proposed.
Before the actual measurement, the receiver El and the transmitter SI are interchanged in the one measuring section Mi by means of a switch U, ie. H. that the signals are sent in the same direction in both measuring sections. If there is now a small difference in length between the measuring sections, a difference frequency fX or beat frequency will be established independently of the flow velocity. This arrangement has the great advantage that it is possible to adjust these zero point settings at any time regardless of disturbing external influences, e.g.
This should be checked, for example, before and after each measurement, whereby any changes in the flow velocities cannot have a disruptive effect. If the meter sections are arranged close to each other, it is necessary to use sharply beading ultrasonic transmitters, which can be achieved by the diameter of the transmitter and a suitable choice of the ultrasonic carrier frequency. The mean speed is calculated using the formula d 1 1 (5)? = @ (@ - @)
2. cos ¯ fD FE
The difference frequencies to be measured are e.g. B. for flow measurements in water, very small, the greater the distance, the smaller the difference, and orders of magnitude from 0 to 1 Hz can occur.
In order to measure these small values, a coincidence method was developed. The principle of this procedure is as follows:
If the two pulse repetition frequencies fi and f2 are compared with one another, there will be a moment in which the pulses of both measuring circuits appear simultaneously. At this moment a signal is triggered electronically. This game repeats itself when both impulses coincide anew. The time interval between these two signals is the reciprocal value of the difference frequency fl, or flS. By means of this method, commercially available measuring devices can be used, e.g. B. graphic recorder with time stamp or electronic short-time meter can be used for precise frequency difference determination.
If currents that do not flow very regularly are to be measured, measurements can be made over a longer period of time, in which case the quotient of the number of coincidences divided by the total time directly gives the integrated mean difference frequency.
The influence of the arrangement of the ultrasonic transducers must be taken into account, especially with smaller measuring cross-sections. In order to create unambiguous measurement conditions, the following arrangement was developed: The ultrasonic transmitters and receivers are attached outside the measurement cross-section behind a liquid-impermeable but sound-permeable wall in such a way that no interruption from the lateral boundary can be seen from the liquid side. The conversion formula is then as follows: (6)? = d2 tg ¯ (fD - fE)
2b Here, b means the width of the liquid channel.
Due to the measures listed, it is possible with the described measuring arrangement to determine average flow velocities of liquids in limited cross-sections without the aid of empirical correction factors. The formula for converting the measured quantities to get from the measured quantities to the mean speed depends only on the geometric dimensions of the limits.