DD291833A5 - Verfahren zur stroemungsprofilbestimmung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stroemungsprofilbestimmung, das bei der Untersuchung von Stroemungen und der Bestimmung von Stroemungsmittelwert und Durchflusz bspw. in technischen Rohrleitungen eingesetzt werden kann. Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines aufwandarmen Verfahrens, mit dem unbekannte Stroemungsprofile direkt bestimmt und daraus weitere Parameter zur Analyse eines Stroemungssystems ermittelt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaesz dadurch geloest, dasz von einem Schallwandler ein Schallimpuls definierter Dauer und Frequenz in das stroemende Medium gestrahlt wird und die rueckgestreuten dopplerfrequenzverschobenen Signale kontinuierlich empfangen und ausgewertet werden. Der Zeitverlauf der Dopplerfrequenzverschiebung ist proportional dem Geschwindigkeitsverlauf ueber den Meszpfad. Die Bestimmung des Durchmessers bei raeumlich begrenzten Gefaeszen erfolgt aus diesem Geschwindigkeitsverlauf und erlaubt die direkte Ermittlung des Durchflusses.{Stroemungen; Stroemungsprofil; Stroemungsmittelwert; Schallimpuls; Frequenz; Dopplerfrequenzverschiebung; Zeitverlauf; Durchmesser; Durchflusz}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strömungsprofilbestimmung, das bei der Untersuchung von Strömungen und der Bestimmung von Strömungsmittelwert und Durchfluß bspw. in technischen Rohrleitungen eingesetzt werden kann.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, daß bei CW-Dopplerverfahren die Lage des Meßvolumens durch die Schallfeldgeometrie eingestellt werden kann. Die Bestimmung einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit erfolgt damit, daß entweder der gesamte Strömungsquerschnitt erfaßt und das Spektrum gemittelt (z. B. in /1 /) oder quasipunktförmig an einem Ort gemessen wird, wo die Geschwindigkeit unabhängig vom ausgebildeten Geschwindigkeitsprofil ist 121. Ersteres verursacht relativ große Fehler aufgrund vieler nicht abschätzbarer Einflüsse auf das Spektrum und das zweite Verfahren funktioniert nur bei tatsächlich voll ausgeprägter laminarer oder turbulenter Strömung. Eine Kontrolle des Strömungszustandes ist damit kaum möglich. Es ist weiter bekannt, daß Impuls-Dopplerverfahren eingesetzt werden, um mit Hilfe eines gesendeten kurzen Impulses und durch Anwendung einer Zeitfensterung beim Empfang der Rückstreusignale Informationen über die Strömungsgeschwindigkeit in einem aufgrund der Schallaufzeit durch das Zeitfenster und durch die Schallstrahigeometrie festgelegten definierten Meßvolumen zu e halten. Auf diese Weise kann durch aufeinanderfolgende Messungen mit stets weiter verschobenem Meßvolumen eino Geschwindigkeitsverteilung über den gesamten Schallstrahl rekonstruiert werden, wenn die Ergebnisse der einzelnen Messungen entsprechend gespeichert werden (DD 133040). Nachteilig an dieser Methode ist, daß sich die Strömungsverhältnisse während der Gesamtheit der notwendigen Einzelmessungen nicht verändern dürfen. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von sogenannten Multi-Channel-Verfahren, bei denen ein Impuls gesendet und aufeinanderfolgend in sequentiell zugeschalteten, parallel handenen Empfangskanälen die Auswertung der Frequenzverschiebung und deren Speicherung über eiien Meßpfad erfolgt /3/. Wesentlicher Nachteil ist hier der erforderliche sehr hohe Aufwand durch den Parallelaufbau der Empfangskanäle und die Steuerung der Empfangsfenster. Ein anderes bekanntes Verfahren (US-PS 3554030) verwendet einen ausgesendeten Schallimpuls, um durch Auswertung der Echoamplituden die Gefäßgröße und durch Bestimmung der Mittenfrequenz des Dopplersignals die mittlere Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln. Die Messung der Gefäßgröße nach dem genannten Verfahren setzt voraus, daß hohe Echoamplituden nur von den Gefäßwänden herrühren und vernachlässigt das mögliche Auftreten starker Reflektoren im Fluid, was in technischen Strömungssystemen z. B. bei Gasblasendurchsatz nicht vertretbar ist. Ebenso sind die Verfahren zur Bestimmung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit ohne Berücksichtigung des Strömungsprofils zumeist mit hohen Fehlern belastet, was besonders beim Auftreten nicht voll ausgebildeter Profile von Bedeutung ist.

IM Arts, M.G. J.; Roevros, J.M.J.G.: On thi instantaneous measurement of bloodflow by ultrasonic means; in: Med.&Biol.Engn. 10(1971 S.23-34 /2/ Fiedler, 0.: Volumenströme und Strömungsgeschwindigkeit turbulenter Strömungen in Rohren verschiedener Rauhheit; wiss. Zeitschr. der WPU Rostock, 34 (1985) 3, S. 54-57

IZI Tortoll, P.; Manes, G.; Atzeni, C: Velocity profile reconstruction using ultrafast spectral analysis of Doppler ultrasound; IEEE Trans, on Sonics and Ultrasonics SU-30 (1983) 6

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines aufwandsarmen Verfahrens, mit dem unbekannte Strömungsprofile direkt bestimmt und daraus weitere Parameter zur Analyse eines Strömungssystems ermittelt werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die örtliche Verteilung von Strömungsgeschwindigkeiten entlang eines Meßpfades in einem durchströmten Gefäß in Echtzeit zu messen, parallel zum Meßvorgang darzustellen und daraus sowohl die Gefäßausdehnung als auch die mittlere Strömungsgeschwindigkeit zu bestimme.n.

üie Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zu Beginn des Meßvorganges ein Ultraschallimpuls bestimmter Dauer und bekannter Frequenz von einem Sondeschallwandler und über eine akustische Koppelstrecke in das strömende Medium eingestrahlt wird.

Dabei soll der Sende- wie auch der Empfangsschallw.indler eine Schallstrahlcharakteristik mit möglichst kleine'n Öffnungswinkel aufweisen, der sich auch durch die akustische Koppelstrecke nicht vergrößern soll. Ein solcher Schallstrahl beschallt nur einen begrenzten Bereich, durch dessen Zentrum eine gedachte Linie in der Strahlrichtung gelegt werden kann. Diese Linie ist der Meßpfad, und das zylinderartige Volumen um diesen Pfad wird als Meßvolumen bezeichnet. Die Lage des Meßpfades in dem durchströmten Gefäß ist beliebig, soweit er nicht senkrecht zur Strömungsrichtung verlauft und der Winkel zur Strömungsrichtung bekannt ist. Die empfangenen Streusignale sollen ausschließlich aus dem Meßvolumen stammen. Nach dem Aussenden des Impulses werden die Rückstreusignale aus dem strömenden Medium entweder vom gleichen oder von einem separaten Empfangswandler kontinuierlich empfangen und in elektrische Signale umgewandelt. Diese Empfangssignale beinhalten eine Frequenzverschiebung gegenüber der Sendefrequenz, die gemäß dem Dopplereffekt entsprechend der Geschwindigkeit der rückstreuenden Teilchen im Medium entsteht. Durch eine geeignete Auswerteschaltung wird diese Frequenzverschiebung direkt verarbeitet und in eine der Strömungsgeschwindigkeit proportionale Größe, bspw. eine Gleichspannung, konvertiert.

Während der Ultraschallimpuls den Gefäßquerschnitt entsprechend seinem Einstrahlwinke¹ zwischen Schallausbreitungsrichtung und Strömungsrichtung und mit seiner Ausbreitungsgeschwindigkeit im strömenden Medium durchläuft, gelangen an den Empfangswandler kontinuierlich nacheinander Rückstreusignale aus zunehmenden Tiefen des Meßquerschnitts,

Da die Auswertung alle gleichzeitig empfangenen Signale zu einer der mittleren Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Größe umwandelt, erhält man über die Laufzeit des Schallimpulses durch den Gefäßquerschnitt als Ausgangssignal der Auswerteschaltung bspw. einen Spannungsverlauf, der dem Profil der Strömungsgeschwindigkeiten über den Meßpfad proportional ist, und dessen Vorzeichen die Richtung der Strömung zur Wandleranordnung hin oder von ihr weg angibt. Dieser Spannungsverlauf kann parallel zur Auswertung der Rückstreusignale, also parallel zum Lauf des Schallimpulses auf dem Meßpfad in einer beliebigen Darstellungsform geschrieben werden, wodurch die Messung tatsächl'Ji dio Echtzeitbedingung erfüllt.

Der strömungsproportionale Verlauf der Ausgangsspannung der Auswerteschaltung beginnt an der vorderen Gefäßwand mit der Spannung Null und endet an der hinteren Gefäßwand mit Null. Der Empfang der Rückstreusignale und die Auswertung derselben kann entweder nach dem Erkennen des letzten Nullwertes der Strömung oder nach einer festgelegten Zeit beendet werden. Wertet man die Zeit zwischen dem ersten und dem letzten Nullwert der der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Spannung geeignet aus, so erhält man bei Kenntnis der Geometrie des Gefäßquerschnitts eine diesem Querschnitt proportionale Größe.

Durch zeitlichen Mittelwert der Spannung, die das Strömungsprofil beschreibt, kann die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im gesamten Meßpfad gewonnen werden, wenn der Umrechnungsfaktor gemäß der allgemein bekannten Dopplergleichung berücksichtigt und als Grenzen der Mittelwertbildung die Zeiten von erstem und letztem Nulldurchgang gesetzt werden. Wenn nach dem beschriebenen Verfahren Qie querschnittsproportionale Spannung und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden, ermöglicht die Anwendung der bekannten Beziehung für den Volumenfluß dessen Bestimmung aus dem Produkt der beiden genannten Größen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Beispiel näher erläutert werden, bei dem ein kreiszylindrisches Rohr von einem fluiden, Streupartikel enthaltendem Medium durchströmt wird.

Dazu zeigt Fig. 1 den Verlauf der strömungsproportionalen Ausgangsspannung.

Die Messung wird durchgeführt, indem über eine akustische Kopplung ein Schallimpuls von definierter Dauer und bekannter Frequenz f₀ eingestrahlt wird. Der Weg dieses Impulses, als Meßpfad bezeichnet, wird so gewählt, daß er im Winkel β zur Rohrachse und direkt durch diese Achse verläuft. Nach dem Aussenden des Impulses empfängt der Sendeschallwandler oder ein spezieller Empfangswandler, dessen Richtcharakteristik die des Sendeschallwandlers im gesamten Rohrbereich wenigstens teilweise durchdringt, kontinuierlich die von Partikeln im Fluid stammenden Rückstreusignale zunächst aus dem Bereich der Rohrwand und mit zunehmender Laufzeit des Impulses aus weiter entfernten Tiefenbereichen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impulses wird durch die Schallgeschwindigkeit c im fluiden Medium bestimmt.

Infolge des Dopplereffektes ist die Frequonzverschiebung f_d des Signals proportional der Geschwindigkeit ν der jeweils streuenden Partikel: »

, 2f„cosß ...

f_d = — —-v = k,-v . (1)

Der empfangende Wandler setzt die eintreffende Schalleistung in ein elektrisches Signal um, dessen mittlere Frequenzvorschiebung in eine frequenzproportionale Spannung u_d (t) umgesetzt wird.

u_d (t) = k₂ · U (t) (2)

Diese Spannung weist den Wert Null auf, wenn die Signale von der ruhenden Rohrwand oder von Steupartikeln unmittelbar an der Rohrwand stammen (zu den Zeitpunkten to und ti), da dort den Gesetzen der Strömungsmechanik zufolge die Geschwindigkeit Null ist. Positive Spannungen zeigen einen Vorwärtsfluß und negative zeigen Strömungskomponenten in Rückwärtsrichtung an.

Durch zeitliche Mittelung des Spannungsverlaufes u_d (t) (Fig. 1) im Zeitbereich von t₀ bis t,, der den Strömungen entlang des Meßpfades innerhalb des Rohrquerschnitts proportional ist, erhält man unter Verwendung der Faktoren k, und k₂ [Gleichungen (1) und (2)] die mittlere Strömungsgeschwindigkeit über den Meßpfad v_mp:

. . j (O dt (3)

t| — to

to

Die Rohrquerschnittsfläche A wird aus der Zeitdifferenz ti - to, die mit der Meßpfadlänge üoer die Schallgeschwindigkeit c gekoppelt ist, und der Neigung des Meßpfades β zur Rohrachse bestimmt:

A = -— D² mit D = c sin β (t, - t_o)/2 (4)

Damit kann eine Bestimmung des Volumenflusses Q durch das Rohr problemlos nach der bekannten Beziehung

Q = Va · A (5)

erfolgen, da die mittlere Strömungsgeschwindigkeit V_n,_p über dem Meßpfad zur Bestimmung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit ν α über der Querschnittsfläche A herangezogen werden kann.

va = k₃ · v_mp ² (6)

Dabei enthält dor Faktor k₃ die geometrischen Konstante η des Rohres (Querschnittsfläche A, Radius D/2) und eine Korrektur der Fläche infolge der Neigung β des Meßpfades gegenübdr der Rohrachse, also bereits bekannte oder gemessene Größen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Strömungsprofilbestimmung nach einem Dopplervei fahren, bei dem von einem Schallwandler direkt oder über eine akustische Koppelstrecke ein Schallimpuls definierter Dauer und Frequenz unter einem bekannten Winkel ungleich 90° zur Strömungsnchtung in ein Streupartikel enthaltendes strömendes Medium eingestrahlt wird, gekennzeichnet dadurch, daß der Schallwandler einen begrenzten Bereich des strömenden Mediums bestrahlt und dadurch einen Meßpfad bildet, dessen Lage im Strömungsbereich beliebig ist, daß die reflektierten bzw. rückgestreuten frequenzverschobenen Dopplersignale, die vollständig und ausschließlich aus dem Volumen des Meßpfades stammen, von demselben oder einem weiteren Schallwandler kontinuierlich empfangen werden, und daß die Dopplerfrequenzverschiebung des Empfangssignals kontinuierlich ausgewertet und in eine frequenzproportionale Größe abgebildet wird, deren zeitlicher Verlauf das Strömungsprofil über den Meßpfad darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die kontinuierliche Auswertung der Empfangssignale unmittelbar nach dem Aussenden des Schallimpulses beginnt und bis zum Erreichen einer Abbruchbedingung durchgeführt wird, und zeitparallc! zur Auswertung die dem Strömungsprofil proportionale Größe geschrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine dem Gefäßdurchmesser proportionale Größe von räumlich begrenzten Gefäßen ermittelt wird, indem die Zeitdifferenz zwischen erstem und letztem Nullwert der der Dopplerfrequenz proportionalen Größe bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Bestimmung einer der mittleren Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Größe in räumlich begrenzten Gefäßen erfolgt, indem die der Dopplerfrequenz proportionale Größe zwischen ihrem ersten und letzten Nullwert zeitlich gemittelt wird.