DE102012022376A1 - Method for determining pressure of fluid in container i.e. pipeline, of hydraulic system, involves determining flow velocity of fluid through container from measuring running time or measured Doppler shift of acoustic waves - Google Patents

Method for determining pressure of fluid in container i.e. pipeline, of hydraulic system, involves determining flow velocity of fluid through container from measuring running time or measured Doppler shift of acoustic waves Download PDF

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Uwe Wostradowski
Antoine Chabaud
Bojan Ferhadbegović
Fabian Henrici
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Abstract

The method involves determining characteristics of fluid or characteristics e.g. length (L) or thickness, of an elastic membrane in a container (130) by acoustic waves i.e. ultrasonic waves, in the fluid, where the membrane is loaded with pressure of the fluid. Pressure (p) of the fluid in the container is determined from the characteristics. Flow velocity (v) of the fluid through the container is determined from measured running time or measured Doppler shift of the waves. Temperature of the fluid in the container is determined, and foreign medium concentration in the fluid is determined. Independent claims are also included for the following: (1) a measuring device (2) a computer program with program code units for executing a method for determining pressure of fluid (3) a machine-readable storage medium with a computer program for executing a method for determining pressure of fluid.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Messeinrichtung zur Messung des Drucks und der Durchflussgeschwindigkeit eines Fluides in einem Behälter.The present invention relates to a method and a measuring device for measuring the pressure and the flow rate of a fluid in a container.

Stand der TechnikState of the art

Zur Druckmessung von Fluiden in Behältern, wie z. B. Rohrleitungen von Hydraulikanlagen, können kapazitive oder resistive Druckmesswandler eingesetzt werden. Zur resistiven Druckmessung können beispielsweise Membrane verwendet werden, die aus Silizium oder Stahl bestehen und auf denen elektrische Widerstandsmessbrücken aufgebracht sind. Der Druck verbiegt die Membran, so dass sich der Widerstand ändert und als Maß für den Druck ausgewertet werden kann. Diese Art der Druckmessung ist zwar sehr leicht umzusetzen, jedoch nur mit erheblichem Aufwand mit anderen Messungen, bspw. des bei Hydraulikanlagen häufig benötigten Volumenstroms bzw. der Durchflussgeschwindigkeit, kombinierbar.For pressure measurement of fluids in containers, such. As pipelines of hydraulic systems, capacitive or resistive pressure transducers can be used. For resistive pressure measurement, it is possible, for example, to use membranes which consist of silicon or steel and on which electrical resistance measuring bridges are applied. The pressure bends the membrane so that the resistance changes and can be evaluated as a measure of the pressure. Although this type of pressure measurement is very easy to implement, but only with considerable effort with other measurements, eg. Of the hydraulic system often required volume flow or the flow rate can be combined.

Es ist daher wünschenswert, eine Druckmessung in Fluiden zur Verfügung zu haben, die sich insbesondere auf einfache Weise mit einer Durchflussmessung kombinieren lässt.It is therefore desirable to have available a pressure measurement in fluids, which can be combined in particular in a simple manner with a flow measurement.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren sowie eine Messeinrichtung zur Messung des Drucks und der Durchflussgeschwindigkeit eines Fluides in einem Behälter mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method and a measuring device for measuring the pressure and the flow rate of a fluid in a container with the features of the independent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Es wird eine auf akustischen Wellen basierende Möglichkeit für eine Druckmessung in Fluiden vorgestellt, die sich insbesondere auf einfache Weise mit einer Durchflussmessung kombinieren lässt.It presents a possibility based on acoustic waves for a pressure measurement in fluids, which can be combined in a simple way with a flow measurement.

Die Erfindung schlägt vor, den Druck eines Fluids in einem Behälter unter Einsatz akustischer Wellen, insbesondere Ultraschallwellen, zu messen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Druck Eigenschaften des Fluids und/oder von Elementen, die mit dem Fluiddruck beaufschlagt sind, beeinflusst, die mittels akustischer Wellen ermittelt werden können. So kann durch entsprechende Auswertung der Messung der Druck des Fluids aus der ermittelten Eigenschaft bestimmt werden.The invention proposes to measure the pressure of a fluid in a container using acoustic waves, in particular ultrasonic waves. According to the invention, it has been recognized that the pressure influences the properties of the fluid and / or of elements which are exposed to the fluid pressure, which can be determined by means of acoustic waves. Thus, by appropriate evaluation of the measurement, the pressure of the fluid can be determined from the determined property.

Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft mit einer an sich bekannten Durchflussmessung mittels akustischer Wellen verknüpfen. Ein Ultraschall-Durchflussmesser ist beispielsweise aus der DE 10 2009 048 646 A1 bekannt, auf die hinsichtlich näherer Details verwiesen wird. Im Rahmen der Erfindung werden somit insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kombinierten Druck- und Durchflussmessung mittels akustischer Wellen, insbesondere Ultraschall, vorgestellt. Dies erlaubt, den Druck und den Volumenstrom mit dem gleichem Messprinzip und mit denselben Messelementen zu messen. Die Auswertung des Messsignals in Druck- und Durchflussinformation erfolgt mittels geeigneter Signalverarbeitung in Abhängigkeit von der gewählten Sensorausführung. Die Messung von Druck und Durchfluss erfolgt kostengünstig mit einer einzigen Messeinrichtung. Diese Messeinrichtung kann beispielsweise in Ventilen oder auch in einem dedizierten Gehäuse integriert sein. Dank der Messeinrichtung können alle für die Regelung hydraulischer Kreise erforderlichen Größen elektronisch erfasst werden, so dass die Applikation des Kreises auf einer Zielmaschine nur durch die Anpassung von Software-Parametern erfolgt. Es sind keine Änderungen an der Hardware notwendig.The invention can be combined particularly advantageously with a flow measurement known per se by means of acoustic waves. An ultrasonic flowmeter is for example from the DE 10 2009 048 646 A1 to which reference is directed for further details. In the context of the invention, in particular, a method and a device for combined pressure and flow measurement by means of acoustic waves, in particular ultrasound, are presented. This allows to measure the pressure and the volume flow with the same measuring principle and with the same measuring elements. The evaluation of the measurement signal in pressure and flow information takes place by means of suitable signal processing depending on the selected sensor design. The measurement of pressure and flow is cost-effective with a single measuring device. This measuring device can be integrated, for example, in valves or in a dedicated housing. Thanks to the measuring device, all variables required for the regulation of hydraulic circuits can be electronically recorded, so that the application of the circle on a target machine takes place only by adapting software parameters. There are no changes to the hardware necessary.

Vorzugsweise wird der Fluiddruck aus einer Laufzeitmessung bestimmt. Diese Messung kann besonders einfach auch zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit verwendet werden. Aus der Laufzeit einer Schallwelle in dem Fluid für eine vorbestimmte Strecke wird die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid bestimmt, woraus wiederum der Fluiddruck bestimmt wird. Ein Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und Druck kann beispielsweise empirisch bestimmt werden.Preferably, the fluid pressure is determined from a transit time measurement. This measurement can also be used very simply for measuring a flow rate. From the transit time of a sound wave in the fluid for a predetermined distance, the speed of sound in the fluid is determined, from which in turn the fluid pressure is determined. A relationship between sound velocity and pressure can be determined empirically, for example.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet eine Bestimmung von Fremdmedien in dem Fluid statt. Dies erlaubt, die Robustheit dieser Methode gegenüber einer Verschmutzung des Fluids, z. B. mit Metallpartikeln oder vor allem mit Luftblasen, z. B. aufgrund von Kavitation, zu erhöhen.According to a particularly preferred embodiment of the invention, a determination of foreign media takes place in the fluid. This allows the robustness of this method against contamination of the fluid, eg. B. with metal particles or especially with air bubbles, eg. Due to cavitation.

Vorzugsweise wird ein Fremdmedienanteil in dem Fluid mittels einer Doppler-Ultraschallmessung bestimmt. Bei der Doppler-Ultraschallmessung wird die Frequenzverschiebung des ausgesendeten Signales aufgrund der Fließgeschwindigkeit von Reflexionspunkten (z. B. Verschmutzung, Luftbläschen) im Fluid erfasst. Es bietet sich an, den Amplitudengang der Übertragungsstrecke durch Frequenzvariation, beispielsweise durch eine FMCW-Modulation (englisch frequency-modulated continuous-wave) der Schallwelle zu bestimmen. Hieraus kann auf die Konzentration der Rückstreuelemente geschlossen werden, wenn die Art der Fremdmedien, die im Öl auftauchen können, bekannt sind. Dies kann z. B. erreicht werden, indem das Spektrum des Empfangssignals mit dem Spektrum des Eingangssignals verglichen wird. Bei einer Dopplerverschiebung aufgrund eines hohen Fremdmedienanteils ist die Dopplerfrequenz im Empfangssignal zu messen, was bei einem rein homogenen Medium nicht zu messen ist. Mit der Amplitude des dopplerverschobenen Frequenzpeaks bezogen auf die Amplitude des Sendepeaks kann auf einen Reflexionsfaktor der Strecke zurückgeschlossen werden, der als Indikator für den Fremdmedienanteil dient.Preferably, a foreign media content in the fluid is determined by a Doppler ultrasound measurement. In the Doppler ultrasonic measurement, the frequency shift of the emitted signal due to the flow rate of reflection points (eg, pollution, air bubbles) is detected in the fluid. It makes sense to determine the amplitude response of the transmission path by frequency variation, for example, by an FMCW modulation (English frequency-modulated continuous-wave) of the sound wave. From this it can be concluded that the concentration of the backscatter elements, if the nature of the foreign media that can appear in the oil, are known. This can be z. B. can be achieved by the spectrum of the received signal with the spectrum of the input signal is compared. In a Doppler shift due to a high proportion of foreign media, the Doppler frequency in the received signal to measure, which is not measured in a purely homogeneous medium. With the amplitude of the Doppler-shifted frequency peak based on the amplitude of the transmission peak can be deduced a reflection factor of the distance, which serves as an indicator of the foreign media content.

Ein Vergleich der Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit über eine Laufzeitmessung mit der Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit über eine Doppler-Verschiebung, insbesondere mit mehreren Schallquellen bzw. Schallempfängern, ermöglicht eine Plausibilisierung der gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten.A comparison of the determination of the flow rate over a transit time measurement with the determination of the flow rate via a Doppler shift, in particular with a plurality of sound sources or sound receivers, allows a plausibility of the measured flow velocities.

Ebenso vorteilhaft wird ein Fremdmedienanteil in dem Fluid mittels einer elektromagnetischen Welle bestimmt. Dabei wird eine elektromagnetische Welle geeigneter Frequenz in das Fluid eingestrahlt. Solche Sensoren sind dem bekannt und basieren auf der Messung der Permittivität des Mediums. Hinsichtlich näherer Details wird auf die US 6,014,029 verwiesen.Likewise advantageously, a foreign medium content in the fluid is determined by means of an electromagnetic wave. In this case, an electromagnetic wave of suitable frequency is radiated into the fluid. Such sensors are known and based on the measurement of the permittivity of the medium. For closer details will be on the US 6,014,029 directed.

Aus der Fremdmedienbestimmung kann entschieden werden, welcher Messwert (aus der Auswertung der Dopplerverschiebung oder aus der Laufzeitmessung) als plausibler einzuschätzen ist.From the foreign media determination it can be decided which measured value (from the evaluation of the Doppler shift or from the transit time measurement) is to be estimated as more plausible.

Vorzugsweise wird der Fluiddruck aus einer Längenmessung bestimmt, vorzugsweise zur Bestimmung einer vom Fluiddruck verursachten Auslenkung oder Verformung eines elastischen Elements. z. B. einer Membran. Ein Zusammenhang zwischen Auslenkung oder Verformung und Druck kann beispielsweise empirisch bestimmt werden oder aus dem Elastizitätsmodul abgeleitet werden. Auch die Längenmessung kann vorteilhaft mit einer Durchflussgeschwindigkeitsmessung, z. B. laufzeitbasiert oder dopplerbasiert, verknüpft werden.Preferably, the fluid pressure is determined from a length measurement, preferably for determining a deflection caused by the fluid pressure or deformation of an elastic element. z. B. a membrane. A relationship between deflection or deformation and pressure can for example be determined empirically or derived from the modulus of elasticity. The length measurement can be advantageous with a flow rate measurement, z. B. time-based or Doppler-based, are linked.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.An arithmetic unit according to the invention is, in particular programmatically, configured to perform a method according to the invention.

Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.Also, the implementation of the invention in the form of software is advantageous because this allows very low cost, especially if an executing processing unit is still used for other tasks and therefore already exists. Suitable data carriers for the provision of the computer program are in particular floppy disks, hard disks, flash memories, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs and the like. a. m. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically by means of exemplary embodiments in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.

Figurenbeschreibungfigure description

1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schalldruckmesseinrichtung. 1 shows a first preferred embodiment of a sound pressure measuring device according to the invention.

2 zeigt eine zweite und dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schalldruckmesseinrichtung. 2 shows a second and third preferred embodiment of a sound pressure measuring device according to the invention.

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung 100 dargestellt. Die Messeinrichtung 100 ist hier zur Erzeugung und Detektion von Ultraschallwellen ausgebildet und weist dazu zwei kombinierte Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten 110, 120 sowie eine Recheneinheit 140, die programmtechnisch zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, auf. Die zwei Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten 110, 120 sind an einem Rohr 130 als Behälter für das Fluid angeordnet, um den Druck p des Fluids in dem Rohr 130 zu messen, und sind jeweils dafür eingerichtet, eine akustische Welle in dem Fluid zu erzeugen und auch zu empfangen. Die Auswertung des Messsignals erfolgt vorzugsweise durch die Recheneinheit 140 Das Fluid in dem Rohr 130 strömt mit einer Durchflussgeschwindigkeit v in der Figur von links nach rechts und steht unter dem Druck p. Eine Verbindungsstrecke L zwischen den Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten 110, 120 schließt mit der Durchflussgeschwindigkeit v einen Winkel φ ein. Der grundsätzliche Messaufbau entspricht demjenigen aus Ultraschall-Durchflussmessungen, die dem zuständigen Fachmann bekannt sind und auf die hinsichtlich näherer Details verwiesen wird.In 1 is a preferred embodiment of a measuring device according to the invention 100 shown. The measuring device 100 is designed here for the generation and detection of ultrasonic waves and has for this purpose two combined ultrasonic transmitting / receiving units 110 . 120 as well as a computing unit 140 , which is set up by the program for carrying out a method according to the invention. The two ultrasonic transceiver units 110 . 120 are on a pipe 130 arranged as a container for the fluid to the pressure p of the fluid in the tube 130 are each adapted to generate and receive an acoustic wave in the fluid. The evaluation of the measurement signal is preferably carried out by the arithmetic unit 140 The fluid in the pipe 130 flows from left to right at a flow rate v in the figure and is under pressure p. A link L between the ultrasonic transmitting / receiving units 110 . 120 closes with the flow rate v an angle φ. The basic measurement structure corresponds to that from ultrasonic flow measurements, which are known to the person skilled in the art and to which reference is made for further details.

Die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit 110 sendet eine Ultraschallwelle in Richtung der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit 120 aus, die von dieser empfangen wird. Ebenso sendet die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit 120 eine Ultraschallwelle in Richtung der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit 110 aus, die von dieser empfangen wird. Die Laufzeiten t1 (von 110 nach 120) und t2 (von 120 nach 110) der beiden Wellen werden gemessen und zur Auswertung verwendet. Dazu sind die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten 110, 120 mit der Recheneinheit 140 verbunden.The ultrasound transceiver 110 sends an ultrasonic wave in the direction of the ultrasonic transmitting / receiving unit 120 which is received by this. Likewise, the ultrasonic transmitting / receiving unit transmits 120 an ultrasonic wave in the direction of the ultrasonic transmitting / receiving unit 110 which is received by this. The maturities t 1 (from 110 to 120 ) and t 2 (from 120 to 110 ) of the two waves are measured and used for evaluation. These are the ultrasonic transceiver units 110 . 120 with the arithmetic unit 140 connected.

Dieses Messverfahren kann besonders voreilhaft mit einer Durchflussmessung kombiniert werden, so dass eine kombinierte Druck- und Durchflussmessung mit nur einer Messeinrichtung möglich ist, die somit eine Ultraschall-Druck- und Durchfluss-Messeinrichtung ist. Für einen Messaufbau gemäß 1 ergeben sich folgende Zusammenhänge:

Figure DE102012022376A1_0002
This measurement method can be combined in a particularly advantageous manner with a flow measurement, so that a combined pressure and flow measurement is possible with only one measuring device, which is thus an ultrasonic pressure and flow measuring device. For a test setup according to 1 the following relationships arise:
Figure DE102012022376A1_0002

Somit können aus der Laufzeitmessung sowohl die Durchflussgeschwindigkeit v als auch die Schallgeschwindigkeit c bestimmt werden. Ist eine gleichzeitige Messung der Durchflussgeschwindigkeit nicht erwünscht, wird beim Messaufbau φ = 90° gewählt.Thus, both the flow rate v and the speed of sound c can be determined from the transit time measurement. If a simultaneous measurement of the flow rate is not desired, φ = 90 ° is selected for the test setup.

Die Schallgeschwindigkeit c besitzt eine Abhängigkeit vom Fluid selbst sowie von Druck p und Temperatur T des Fluids. Dies ist aus der Literatur (z. B. über Hydroakustik) bekannt. Im Allgemeinen kann man diese Abhängigkeit mathematisch formulieren gemäß: c = f(p, T). Bei Bekanntheit des Fluids und Messung der Temperatur T kann somit der Fluiddruck p aus der (insbesondere auf die oben beschriebene Weise bestimmten) Schallgeschwindigkeit c bestimmt werden. Die bekannte (z. B. aus Materialtabellen) oder zuvor gemessene Abhängigkeit c = f(T, p) kann für das vorhandene Fluid beispielsweise invertiert in einem Kennfeld in der Recheneinheit 140 gespeichert werden.The speed of sound c has a dependence on the fluid itself as well as pressure p and temperature T of the fluid. This is known from the literature (eg about hydroacoustics). In general, one can mathematically formulate this dependence according to: c = f (p, T). With knownness of the fluid and measurement of the temperature T, the fluid pressure p can thus be determined from the (in particular as described above) sound velocity c. The known (eg from material tables) or previously measured dependence c = f (T, p) can, for example, be inverted for the existing fluid in a characteristic field in the arithmetic unit 140 get saved.

Bei einem Fluidwechsel kann eine Kalibrierung der Schalldruckmesseinrichtung 100 durchgeführt werden, wobei z. B. eine Messung bei Stillstand des Fluides erfolgt. Dies kann in einem Hydraulikkreis umgesetzt werden, wenn z. B. bekannt ist, dass die Pumpe still steht bzw. dass alle Ventile geschlossen sind. Dieser Ruhestand kann von der Pumpen-/Ventilansteuerung z. B. über CAN-BUS an die Sensorelektronik gemeldet werden.In a fluid change, a calibration of the sound pressure measuring device 100 be carried out, wherein z. B. takes a measurement at standstill of the fluid. This can be implemented in a hydraulic circuit when z. B. is known that the pump is stationary or that all valves are closed. This retirement can be done by the pump / valve control z. B. be reported via CAN-BUS to the sensor electronics.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform, die sich insbesondere für unbekannte Fluide und/oder unbekannte Temperaturen eignet, kann zusätzlich eine Referenzstrecke L0 in einem Behälter mit demselben Fluid mit derselben Temperatur, jedoch bei einem Referenzdruck (z. B. bei Nenndruck) vermessen werden. Aus einem Vergleich der Schallgeschwindigkeit bei Referenzdruck und der gemessenen Schallgeschwindigkeit kann der Fluiddruck bestimmt werden. Ein Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und Druck kann ebenfalls empirisch bestimmt und in der Recheneinheit 140 gespeichert werden.According to an alternative embodiment, which is particularly suitable for unknown fluids and / or unknown temperatures, a reference distance L 0 can additionally be measured in a container with the same fluid at the same temperature but at a reference pressure (eg at nominal pressure). From a comparison of the speed of sound at reference pressure and the measured speed of sound, the fluid pressure can be determined. A relationship between sound velocity and pressure can also be determined empirically and in the arithmetic unit 140 get saved.

In 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schalldruckmesseinrichtung 200 dargestellt. Die Schalldruckmesseinrichtung 200 ist hier zur Erzeugung und Detektion von Ultraschallwellen ausgebildet und weist dazu wiederum zwei kombinierte Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten 210, 220 sowie die Recheneinheit 140 auf. Die zwei Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten 210, 220 sind wieder an dem Rohr 130 als Behälter für das Fluid angeordnet, um den Druck p des Fluids in dem Rohr 130 zu messen. Auch hierbei kann wiederum parallel eine Durchflussmessung stattfinden.In 2 is a further preferred embodiment of a sound pressure measuring device according to the invention 200 shown. The sound pressure measuring device 200 is here designed for the generation and detection of ultrasonic waves and, in turn, has two combined ultrasonic transmitting / receiving units 210 . 220 as well as the arithmetic unit 140 on. The two ultrasonic transceiver units 210 . 220 are back to the pipe 130 arranged as a container for the fluid to the pressure p of the fluid in the tube 130 to eat. Again, in turn, a flow measurement can take place in parallel.

Wenigstens eine der zwei Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten 210, 220 ist mit einer elastischen Membran 211, 221 ausgebildet, die ein Lumen 212, 222 gegenüber dem Fluid abgrenzt. Angrenzend an das Lumen 212, 222 ist der eigentliche Ultraschall-Sender/Empfänger 213, 223 angeordnet. Das Senden und Empfangen einer Ultraschallwelle erfolgt somit durch das jeweilige Lumen und die Membran. Die Elastizität der Membran ist bekannt, so dass aus einer Messung der Auslenkung der auf die Membran wirkende Differenzdruck zwischen Rohr 130 und Lumen bestimmt werden kann. Bei bekanntem Druck im Lumen (z. B. Atmosphärendruck) kann somit der Fluiddruck p bestimmt werden, wenn die Auslenkung der Membran bekannt ist. Diese kann auf nachfolgend beschriebene Weise leicht bestimmt werden:
Es ist bekannt, dass akustische Wellen an der Grenzfläche zwischen zwei Medien zum Teil reflektiert, zum Teil transmittiert und zum Teil absorbiert werden. Durch Reflexion treten in dem Rohr 130 zwischen den Membranen 211 und 221 Interferenzen zwischen der emittierten und der reflektierten Welle auf. Je nach Phasenlage zwischen diesen Wellen können die Interferenzen konstruktiv oder destruktiv sein. Die relative Phasenlage hängt von der Länge der Übertragungsstrecke zwischen den Membranen 211 und 221 ab. Dies entspricht dem bekannten Aufbau eines ”Fabry-Perot” Resonators. Der Fluiddruck führt zu einer Verformung der wenigstens einen elastischen Membran 211, 221, so dass die Länge dieser Strecke selbst vom Fluiddruck abhängt. Durch Aufnahme eines Frequenzspektrums (d. h. Variieren der Frequenz der erzeugten Schallwelle, insbesondere durch die oben bereits angesprochene FMCW-Modulation, und Messen der empfangenen Intensität) kann eine Resonanzfrequenz bestimmt werden, bei der die maximale Schallintensität am Ort des Empfängers ankommt. Die Resonanzfrequenz ist ein Maß für die Länge der Strecke und somit für den Druck, wobei die Länge der Übertragungsstrecke zwischen den zwei Membranen ein ganzzähliges Vielfaches der zur Resonanzfrequenz gehörenden Schallwellenlänge ist. Dieses Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft mit der oben erläuterten Doppler-Fremdmedienbestimmung verknüpfen. Bei diesem Verfahren kann auch aus der Schallgeschwindigkeit der Welle und aus der Druckmessung die Temperatur des Fluids bestimmt werden.At least one of the two ultrasonic transceiver units 210 . 220 is with an elastic membrane 211 . 221 formed a lumen 212 . 222 separated from the fluid. Adjacent to the lumen 212 . 222 is the actual ultrasonic transmitter / receiver 213 . 223 arranged. The transmission and reception of an ultrasonic wave thus takes place through the respective lumen and the membrane. The elasticity of the membrane is known, so that from a measurement of the deflection of the membrane acting on the differential pressure between the pipe 130 and lumens can be determined. If the pressure in the lumen is known (eg atmospheric pressure), the fluid pressure p can thus be determined if the deflection of the membrane is known. This can be easily determined in the following way:
It is known that acoustic waves are partly reflected, partly transmitted and partly absorbed at the interface between two media. By reflection occur in the tube 130 between the membranes 211 and 221 Interference between the emitted and the reflected wave. Depending on the phase relationship between these waves, the interferences can be constructive or destructive. The relative phase depends on the length of the transmission path between the membranes 211 and 221 from. This corresponds to the known structure of a "Fabry-Perot" resonator. The fluid pressure leads to a deformation of the at least one elastic membrane 211 . 221 , so that the length of this route itself depends on the fluid pressure. By recording a frequency spectrum (ie varying the Frequency of the generated sound wave, in particular by the already mentioned above FMCW modulation, and measuring the received intensity), a resonant frequency can be determined at which the maximum sound intensity arrives at the location of the receiver. The resonant frequency is a measure of the length of the path and thus of the pressure, wherein the length of the transmission path between the two membranes is a ganzzähligem multiple of the resonant frequency associated sound wavelength. This method can be combined particularly advantageously with the above-explained Doppler foreign media determination. In this method, the temperature of the fluid can also be determined from the speed of sound of the shaft and from the pressure measurement.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann wenigstens eine der Membranen ähnlich einem BAW-Filter (engl. bulk acoustic wave) aufgebaut sein, wie in 2 für das Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit 320 illustriert. Solche Filter sind aus der Kommunikationstechnik bekannt und dienen der hochselektiven Filterung von elektrischen Signalen als Bandpass. In einer einfachen Ausführungsform besteht ein solcher Filter aus einer piezoelektrischen Membran 321, die oben und unten mit je einer Elektrode kontaktiert ist. Vorzugsweise wird das übliche Filterprinzip eines angelegten elektrischen Signals im Rahmen der vorliegenden Erfindung umgekehrt. Die piezoelektrische Membran 321 wird von der von der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit 210 ausgesandten Ultraschallwelle angeregt. Durch Messung der an der Membran 231 abfallenden Spannung kann wiederum eine Resonanzfrequenz f0 bestimmt werden, die von der Dicke d der Membran und der Schallgeschwindigkeit c innerhalb der Membran abhängt, gemäß f0 = c/2d.According to another preferred embodiment, at least one of the membranes may be constructed similar to a bulk acoustic wave (BAW) filter, as in FIG 2 for the ultrasonic transmitting / receiving unit 320 illustrated. Such filters are known from communications technology and serve the highly selective filtering of electrical signals as a bandpass. In a simple embodiment, such a filter consists of a piezoelectric membrane 321 , which is contacted at the top and bottom with one electrode. Preferably, the usual filter principle of an applied electrical signal in the present invention is reversed. The piezoelectric membrane 321 is from that of the ultrasonic transmitting / receiving unit 210 emitted ultrasonic wave excited. By measuring the on the membrane 231 decreasing voltage can again be determined a resonance frequency f 0 , which depends on the thickness d of the membrane and the speed of sound c within the membrane, according to f 0 = c / 2d.

Bei elastischer Verformung der Membran 321 aufgrund des Fluiddrucks von außen ändert sich die Schichtdicke d und damit die Resonanzfrequenz. Dies ist aus der Literatur bekannt. Diese Verschiebung der Resonanzfrequenz dient als Maß für den Druck. Dazu ist es vorteilhaft, auch die Temperatur der Membran 321 zu messen, da die Schallgeschwindigkeit in der Membran 321 auch von der Temperatur abhängt. Auch die Kombination dieses Verfahrens mit einer ultraschallbasierten Volumenstrommessung ist besonders vorteilhaft, da dann Ultraschallquelle sowie Auswerteelektronik für beide Methoden verwendet werden können.With elastic deformation of the membrane 321 due to the fluid pressure from the outside, the layer thickness d and thus the resonance frequency changes. This is known from the literature. This shift of the resonance frequency serves as a measure of the pressure. For this it is advantageous, also the temperature of the membrane 321 to measure, since the speed of sound in the membrane 321 also depends on the temperature. The combination of this method with an ultrasound-based volumetric flow measurement is also particularly advantageous, since ultrasound source and evaluation electronics can then be used for both methods.

Bei allen Ausführungsformen kann die Anzahl der Schallsender und Schallempfängervariiert werden. Dies erweist sich als günstig, insbesondere zur genauen Ermittlung des Strömungsprofils.In all embodiments, the number of sound transmitters and sound receivers may be varied. This proves to be favorable, in particular for accurate determination of the flow profile.

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Claims (17)

Verfahren zur Bestimmung des Drucks (p) eines Fluids in einem Behälter (130), wobei mittels einer akustischen Welle in dem Fluid eine von dem Druck (p) des Fluids beeinflusste Eigenschaft des Fluids oder eines mit dem Druck (p) des Fluid beaufschlagten Elements (121, 221, 321) in dem Behälter (130) ermittelt wird und wobei aus der ermittelten Eigenschaft der Druck (p) bestimmt wird, wobei mittels der akustischen Welle in dem Fluid zusätzlich eine Durchflussgeschwindigkeit (v) des Fluides durch den Behälter (130) bestimmt wird.Method for determining the pressure (p) of a fluid in a container ( 130 ), wherein by means of an acoustic wave in the fluid one of the pressure (p) of the fluid influenced property of the fluid or of the pressure (p) of the fluid acted element ( 121 . 221 . 321 ) in the container ( 130 ) and wherein from the determined property of the pressure (p) is determined, wherein by means of the acoustic wave in the fluid additionally a flow rate (v) of the fluid through the container ( 130 ) is determined. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Durchflussgeschwindigkeit (v) des Fluids aus einer gemessenen Laufzeit oder aus einer gemessenen Doppler-Verschiebung der akustischen Welle bestimmt wird.The method of claim 1, wherein the flow rate (v) of the fluid is determined from a measured transit time or from a measured Doppler shift of the acoustic wave. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die akustische Welle eine Ultraschallwelle ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the acoustic wave is an ultrasonic wave. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Eigenschaft eine oder mehrere Laufzeiten der akustischen Welle für eine Messstrecke (L) ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the property is one or more durations of the acoustic wave for a measuring distance (L). Verfahren nach Anspruch 4, wobei aus der einen oder den mehreren Laufzeiten eine Schallgeschwindigkeit in dem Fluid bestimmt wird.The method of claim 4, wherein a speed of sound in the fluid is determined from the one or more run times. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Eigenschaft eine Länge (L) einer Messstrecke ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the property is a length (L) of a measuring section. Verfahren nach Anspruch 6, wobei aus der bestimmten Länge der Messstrecke (L) eine Auslenkung des mit dem Druck (p) des Fluid beaufschlagten Elements (121, 221, 321) bestimmt wird.A method according to claim 6, wherein from the determined length of the measuring section (L) a deflection of the pressure (p) of the fluid acted element ( 121 . 221 . 321 ) is determined. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Eigenschaft eine Dicke einer piezoelektrischen Membran (321) einer BAW-Filterstruktur ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the property is a thickness of a piezoelectric membrane ( 321 ) is a BAW filter structure. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die Eigenschaft aus einer Resonanzfrequenz der akustischen Welle bestimmt wird.The method of claim 6, 7 or 8, wherein the characteristic is determined from a resonant frequency of the acoustic wave. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das mit dem Druck (p) des Fluid beaufschlagte Element (121, 221, 321) eine elastische Membran ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the element acted upon by the pressure (p) of the fluid ( 121 . 221 . 321 ) is an elastic membrane. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zusätzlich eine Temperatur des Fluids in dem Behälter (130) gemessen oder bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein additionally a temperature of the fluid in the container ( 130 ) is measured or determined. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zusätzlich eine Fremdmedienkonzentration in dem Fluid bestimmt wird.A method according to any one of the preceding claims, wherein additionally an external media concentration in the fluid is determined. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Fremdmedienkonzentration aus einer Messung einer Dopplerverschiebung der akustischen Welle und/oder aus einer Messung einer Reflexionsintensität einer elektromagnetischen Welle an Fremdmedien bestimmt wird.The method of claim 12, wherein the foreign media concentration is determined from a measurement of a Doppler shift of the acoustic wave and / or from a measurement of a reflection intensity of an electromagnetic wave to other media. Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.Arithmetic unit which is adapted to carry out a method according to one of the preceding claims. Messeinrichtung (100) zur Messung des Drucks und der Durchflussgeschwindigkeit eines Fluides in einem Behälter (130), mit wenigstens einer akustischen Sendeeinheit (110, 120), die dafür eingerichtet ist, eine akustische Welle in dem Fluid zu erzeugen, wenigstens einer akustischen Empfangseinheit (110, 120), die dafür eingerichtet ist, die akustische Welle in dem Fluid zu empfangen, und einer Recheneinheit nach Anspruch 14.Measuring device ( 100 ) for measuring the pressure and the flow rate of a fluid in a container ( 130 ), with at least one acoustic transmitting unit ( 110 . 120 ) adapted to generate an acoustic wave in the fluid, at least one acoustic receiving unit ( 110 . 120 ) configured to receive the acoustic wave in the fluid, and a computing unit according to claim 14. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die eine Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen, wenn sie auf der Recheneinheit, insbesondere nach Anspruch 14, ausgeführt werden.Computer program with program code means which cause a computer unit to carry out a method according to one of claims 1 to 13 when executed on the computer, in particular according to claim 14. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 16.A machine-readable storage medium having a computer program stored thereon according to claim 16.
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