DE102015106695A1

DE102015106695A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchflussmessung

Info

Publication number: DE102015106695A1
Application number: DE102015106695.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Nivus De GmbH
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2016-11-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ultraschalldurchflussmessung, insbesondere zur Orts- und/oder Geschwindigkeitsauswertung von Reflektoren wie Schwebstoffe im Fluid oder Gasen, wobei ein Bereitstellen eines Gruppenstrahlers, der einzeln ansteuerbare Einzelstrahler aufweist, eine Abgabe von kohärenten Pulse mittels des Gruppenstrahlers, wobei die kohärenten Pulse Pulspausen aufweisen, ein Verknüpfen der kohärenten Pulse mit mindestens einer codierten Pulsform zur Sendesignalcodierung, ein Abstrahlen der verknüpften Pulse, ein Empfangen der reflektierten Signale bzw. Echos während der Pulspausen, und ein Auswerten der empfangenen Signale erfolgt, um über eine Zeitänderung der empfangenen Signale eine Geschwindigkeit der Reflektoren zu bestimmen, wobei eine Korrelation zwischen einer Sendesignalcodierung und dem empfangenen Signal durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchflussmessung.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Durchflussmessung von Gasen und Fluiden in offenen Gerinnen/Kanälen/Flüssen und teilgefüllten wie vollgefüllten Rohrleitungen bekannt. Dazu zählen beispielsweise mechanische Messsysteme.
Zur verlässlichen Durchflussmessung wurden neue Techniken entwickelt, die den klassischen Vorgehensweisen bezüglich ihrer Messunsicherheit und wirtschaftlichen Effizienz überlegen sind. Von besonderem Interesse sind Ultraschall-Systeme, die ohne mechanisch bewegliche Teile und berührungslos den Durchfluss ermitteln, und so keinen zusätzlichen Druckabfall erzeugen.
Prinzipiell untergliedern sich Ultraschall-Messsysteme in Transmissions- und Reflexionsverfahren. Beide nutzen zum Ausstrahlen und Empfangen von Ultraschallwellen Monostrahler, bevorzugt in den Frequenzen zwischen 0,2–4,0 MHz. Vorgegeben durch die Richtung des Monostrahlers messen beide Messverfahren den Durchfluss entlang eines Schalllaufpfades. Dieser Pfad ist beim Transmissionsverfahren durch eine getrennt voneinander montierte Sende- und Empfangseinheit definiert. Bei Reflexionsverfahren ist der Schalllaufpfad zwischen der gemeinsamen Sende- bzw. Empfangseinheit und dem schallreflektierenden Objekt gegeben.
Monostrahl-Durchflussmessgeräte dieser Art sind bereits im Stand der Technik beschrieben worden.
So ist in der DE 10 224 294 A1 ein Verfahren zur Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung eines strömenden Fluids beschrieben, bei dem die Laufzeit eines Ultraschall-Signals entgegen und mit der Strömung gemessen und daraus die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ermittelt wird. Dabei werden zusätzlich die Reflexionen des Ultraschall-Signals an Partikeln im Fluid erfasst, um daraus die Konzentration der Partikel zu ermitteln. Ebenso ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens gezeigt, die mit wenigstens zwei vom Sendezustand in einen Empfangszustand umschaltbaren Ultraschall-Wandlern ausgestattet ist.
In der DE 33 14 260 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen des pro Zeiteinheit durch einen offenen Kanal strömenden Flüssigkeitsvolumens gezeigt, die einen an einer Kanalwand mit einem Hebel schwenkbar gelagerten, auf dem Flüssigkeitsstrom aufschwimmenden Schwimmer und einer in diesen angeordneten Meßsonde zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes aufweist.
Die DE 32 23 393 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Durchlassmenge von Flüssigkeit in einem mit freiem Flüssigkeitsspiegel durch strömten Kanalbereich, bei dem durch miteinander rechnerisch verknüpfter Laufzeitund/oder Frequenzmessungen von einem Sender zum Teil in Strömungsrichtung abgestrahlter einem Empfänger reflektierter Strahlen Messwerte für den Flüssigkeitspegel und die Strömungsgeschwindigkeit erhalten, wobei der Sender und Empfänger in einem Gerätegehäuse angeordnet sind, das einen Richtstrahl-Sender und einen Empfänger für die Abstrahlung und den Empfang mehrerer in unterschiedliche zumindest eine Komponente in Strömungsrichtung aufweisende Richtungen nach unten abgestrahlter Strahlen aufweist.
Während beim Transmissionsverfahren die Fließgeschwindigkeit des Fluides durch den sog. "Mitführeffekt" der Schallwellen bestimmt wird, basiert die Messung beim Reflexionsverfahren auf der Stauchung oder Dehnung der ausgestrahlten Signale anhand von schallreflektierenden Schwebstoffen im Fluid. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, ist es zwingend notwendig die Anzahl an Messpfade und damit auch Messgeräte entlang des Kanalquerschnittes zu erhöhen.
Hierzu wird in DE 44 43 483 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strömungsmessung von Flüssigkeiten vorgestellt, bei welchem die Messpfade durch einen Schwimmkörper mit entweder einer Vielzahl an Monostrahlern oder mit einem drehbaren Monostrahler realisiert werden. Beide Lösungsansätze sind sehr kostenintensiv und führen zu einem hohen Installations- und Wartungsaufwand sowie einer Steigerung von Schaltungs- und Datenkomplexität bei der Zusammenführung von Messsignalen.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Lösungsmöglichkeiten zu oben genannter Problematik bekannt.
Um die Anzahl an Schalllaufpfade ohne mechanische Bewegung, verschleißfrei und in einem Messgerät steigern zu können, findet in der Durchflussmessung zunehmend die Ultraschall-Gruppenstrahler-Technologie ihre Anwendung.
Sowohl in der US 7,847,925 B2 als auch in der WO 2010/057480 A2 , der US 5,521,883 oder der DE 10 2007 001 057 A1 werden planare Gruppenstrahler beschrieben, bei welchem die Schallintensität und damit die Richtung des Schalllaufpfads durch phasenselektives Ansteuern der Einzelstrahler in jede beliebige Richtung gelenkt werden kann.
In der DE 40 16 529 A1 und DE 19 857 572 A1 werden automatisierte Vorrichtungen für eine positionsvariierende Monostrahlmessung erläutert. Diese ist aber aufwendig in der Installation, unterliegt starkem Verschleiß und ist ungeeignet für realitätsnahe Messungen.
Beim Transmissionsverfahren führt die Begrenzung des Sichtbereichs zu einer Einschränkung des Abstandes zwischen Sender und Empfänger. Denn mit abnehmendem Abstand sinkt die Länge des Schalllaufpfades und folglich die Ausprägung des "Mitführeffektes" von Schallwellen.
Die Positionierung und Montage von Mono- und Gruppenstrahlern bei Rohrströmungen ist bei Ultraschallmessgeräte nach wie vor schwierig. Aufsteckoder auch „Clamp-On“ genannte Sensoren lassen sich zwar von außen an das Rohr fixieren, jedoch müssen die Schallwellen zunächst durch die Rohr- oder Kanalwand hindurch bevor diese das Messmedium erreichen. Je nach Beschaffenheit und Material der Rohr-/Kanalwand variiert damit der Ein- zu Ausstrahlwinkel der Schallwellen, sodass Verzerrungen der Sende- und Empfangssignale eintreten und folglich Messfehler unausweichlich sind.
Diese Messfehler lassen sich dabei nur durch kostenaufwendige Installationen bzw. Montagen von zusätzlichen Ultraschallsensoren zur Wanddickenmessung nach DE 19 542 232 kompensieren.
Ein weiterer Nachteil der bisherigen Clamp-On Montage betrifft die durch die Rohrwand hervorgerufene Schallabsorption. Um eine ausreichend hohe Schalintensität durch die Rohrwand hindurch in das Medium einbringen zu können, muss die Apertur des Ultraschallstrahlers möglichst groß sein. Nimmt die Strahler-Apertur im Verhältnis zur Rohrbeugung zu, treten zunehmend Streuungen der Schallintensität und damit eine Auffächerung der Hauptkeule mit Verstärkung der Nebenkeulen auf. Verschärft wird dieser Effekt noch zusätzlich durch die Kopplungsschicht, da die Schallwellen an den Außenseiten des Strahlers noch zusätzlich eine dickere Kopplungsschicht durchdringen müssen.
Eine zweite Montagemöglichkeit besteht in einer invasiven Installation der Sensoren. Hier werden die Sensoren in der Rohrwand versenkt, sodass der Strahler direkten Kontakt zum Messmedium aufweist. Nachteil dieser Montageart ist der ins Medium hineinragende Sensorkopf, welcher zu einem Druckabfall mit Kavitation und Turbulenzen in der Strömung führt. Zusätzlich beeinflussen Verunreinigungen den Sensorkopf, sodass oft Messausfälle auftreten.
Ein korrelatives Auswerteverfahren besteht in der Kreuzkorrelation der beiden Empfangssignale, um die Laufzeitdifferenz zu messen. Ein derartiges Auswerteverfahren ist in der DE 19 740 549 A1 dargestellt. Wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens liegt in der hohen Ortsauflösung und vergleichsweise hohen Eindringtiefe von ungefähr fünf Metern. Nachteil hingegen ist, dass die Messungen lediglich Momentaufnahmen der Reflektorgeschwindigkeiten darstellen. Um eine aussagekräftige Geschwindigkeit zu erhalten, müssen eine Vielzahl an Messintervallen mit anschließender statistischer Auswertung durchgeführt werden. Damit weisen die korrelativen Verfahren bei dynamischen Messprozessen in der Regel eine geringere Geschwindigkeitsgenauigkeit auf.
Das in der US 5,521,883 beschriebene Verfahren mit einem Senden unterschiedlicher Frequenzsignale mit einem Gruppenstrahler löst zwar das örtliche und zeitliche Mehrdeutigkeitsproblem, bedingt durch die unterschiedlichen Frequenzsignale ist jedoch eine richtungsabhängige Strahlerfokussierung weiterhin nur mit definierten Einzelstrahlerabständen möglich. Folglich erhöht sich die Anzahl der Einzelstrahler mit jeder Sendefrequenz um ein Vielfaches und führt zu einem erheblichen Schaltungsaufwand mit hohen Fertigungskosten. In der US 5,521,883 wird ein Beispiel mit drei Sendefrequenzen genannt, diese wiederum benötigen 52 Einzelstrahler, welche wiederum in 16 Signalpfade zusammengefasst werden müssen.
Ultraschalldurchflussmessungen werden beispielsweise zur Bestimmungen eingeleiteten Abwassers eingesetzt und fungieren daher als Grundlage für die Abrechnung bei Entsorgungsbetrieben.
Es besteht daher in der Technik Bedarf, Ultraschalldurchflussmessungen weiter zu verbessern, um mit geringem Aufwand Messergebnisse mit höherer Genauigkeit zu liefern.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine verbesserte Abstrahlcharakteristik aufweist bzw. ein Verfahren anzugeben, das auf einfache Weise Orts- und Geschwindigkeitswerte bereitstellt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren für eine Ultraschalldurchflussmessung, insbesondere zur Orts- und/oder Geschwindigkeitsauswertung von Reflektoren wie Schwebstoffe im Fluid oder Gasen, angegeben. Es erfolgt ein Bereitstellen eines Gruppenstrahlers, der einzeln ansteuerbare Einzelstrahler aufweist. Kohärente Pulse mit Pulspausen werden mittels des Gruppenstrahlers abgegeben, die mit mindestens einer codierten Pulsform zur Sendesignalcodierung verknüpft sind. Es erfolgt ein Abstrahlen der verknüpften Pulse und ein Empfangen der reflektierten Signale bzw. Echos während der Pulspausen. Abschließend erfolgt ein Auswerten der empfangenen Signale, um über eine Zeitänderung der empfangenen Signale eine Geschwindigkeit der Reflektoren zu bestimmen, wobei eine Korrelation zwischen einer Sendesignalcodierung und dem empfangenen Signal durchgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für schmalbandige Strahlertypen konzipiert und für einen Gruppenstrahlern geeignet, der Einzelstrahler aufweist, die mit einem festen Abstand ausgebildet sind. Dabei wird erreicht, die Schallintensitäten der Einzelstrahler durch gezieltes Ansteuern bei der Signalabgabe zu richten. Das empfangene Echosignal wird ebenfalls mittels der Einzelstrahler detektiert. Durch die Signalcodierung werden Echo-Mehrdeutigkeiten vermieden. Des Weiteren wird der Informationsgehalt durch höherfrequentes Abstrahlen der Sendepulse gesteigert und die Eindringtiefe durch Steigerung des Signal-zu-Rauschverhältnis erhöht. Durch Abstrahlen von verknüpften Pulsformen bestehend aus kohärenten und codierten Signalen ist sowohl eine Extraktion der Geschwindigkeits- als auch Ortsinformation aus den Echos möglich. Durch das Empfangen der Signale während den Pulspausen ist das intermittierende Senden und Empfangen mit einem einzelnen Strahler möglich. Auf diese Weise erfolgt eine präzise Ultraschalldurchflussmessung zur Orts- und/oder Geschwindigkeitsauswertung von Reflektoren wie Schwebstoffe im Fluid oder Gasen, bei der auf kostengünstige Einzelstrahler zurückgegriffen werden kann, die zu einem Gruppenstrahler zusammengesetzt sind.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden zur Identifikation der Zeitänderung Matched-Filterbänke mit Hüllkurvendetektoren verwendet und deren Amplituden- und Zeitinformationen in Form von Dirac-Impulsen entnommen.
Eine derartige Vorgehensweise ermöglicht eine Echtzeit-Auswertung der empfangenen Signale. Dabei erfolgt eine Unterdrückung von Rauschanteilen durch das Matched-Filter, der ein Optimalfilter darstellen kann. Dabei ist es insbesondere möglich, eine Parallelauswertung von mehreren Sendesignalen über die Filterbank durchzuführen. Durch die Verwendung von Dirac-Impulsen kann eine Datenkompression der Signalinformation erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird zusätzlich eine Ortsbestimmung der Reflektoren durchgeführt, wobei auf Basis der Dirac-Impulse eine Laufzeit zwischen Sendesignal und Echo bestimmt wird.
Durch die selektive Empfangssignalauswertung der Matched-Filterbänke mit anschließendem Hüllkurvendetektor und der komprimierten Signalinformation in Form von Dirac-Impulsen, sind eine rechenarme Laufzeitauswertung und damit die Positionsbestimmung möglich. Die Ortsbestimmung ist durch eine rechenarme und konstante Faktorisierung mit der Laufzeitinformation realisierbar. Der Multiplikationsfaktor zur Faktorisierung ergibt sich aus den Einfallswinkeln und der Schallgeschwindigkeit. Dies ermöglicht eine hochgenaue Ortsbestimmung der Reflektoren. Eine derartige Laufzeitauswertung kann ohne große Anforderungen an Speicherkapazität und Rechenleistung beispielsweise auf einem Mikrocomputer durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Dirac-Position im Empfangssignal aufgegriffen und zum Abtasten der kohärenten Signalanteile genutzt, wobei eine Vielzahl an Abtastwerten bestimmt werden, um zusätzlich eine Dopplerfrequenz aus den Echos zu extrahieren.
Die gezielte Abtastung der Echos erhält die Positionsinformation der Dirac-Impulse, so dass ein pulsförmiges Senden bei gleichzeitigem Empfang während der Pulspausen möglich ist. Demnach lässt sich die Dauer des kohärenten Signalanteils im Sendesignal gering halten und es ist eine Validierung der Dirac-Impulse möglich. Dabei ist zu beachten, dass bei inkohärenten und mit starkem Rauschen versetzten Abtastwerten, die Frequenzauswertung verrauscht ist, woraus geschlossen wird, dass die Dirac-Impuls-Position fehlerhaft ist. Zusätzlich zur Ortsinformation sind die Entnahme der Dopplerfrequenz und damit die Reflektorgeschwindigkeit aus dem Empfangssignal möglich. Ebenso ist eine Geschwindigkeitsinformation für jeden Dirac-Impuls extrahierbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Berechnen der Dopplerfrequenz aus den Abtastwerten durch Fouriertransformation, eigenwertbasierter oder parametrischer Spektralschätzung.
Eine derartige Vorgehensweise ermöglicht eine stabile und rechenzeitarme Auswertemethode zur Bestimmung der Dopplerfrequenz. Die Auswertemethode wird in Form eines Algorithmus auf einem Mikroprozessor implementiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird aus der Dopplerfrequenz für jeden Dirac-Impuls die Geschwindigkeit des Reflektors oder eine Ortsinformation über das schallreflektierende Objekt berechnet.
Dies ermöglicht die Vervielfachung des Informationsgehaltes auch bei hohen Eindringtiefen der Ultraschallwellen. Dabei erfolgt eine Aufhebung von Mehrdeutigkeiten durch Orts- und Geschwindigkeitsinformationen, so dass sich eine Stabilisierung der Messgenauigkeiten durch Informationssteigerung ergibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die kohärenten Pulse als eine durchgehende, zusammenhängende und harmonische Signalform vorzugsweise bei derselben Frequenz, insbesondere als Sinussignal bei 1 MHz bereitgestellt.
Diese Vorgehensweise ermöglicht eine Dopplerauswertung bei gepulsten Sendesignalen. Demnach ist eine einfache Dopplerauswertung bei einer einheitlichen Frequenz möglich und es treten keine Phasenverschiebungen bzw. Phasensprünge auf, welche die Dopplerfrequenz verzerren könnten. Durch die harmonische Sendesignalform bei der gleichen Frequenz ist ein kostengünstiger schmalbandiger Strahler verwendbar.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Ultraschalldurchflussmessung von Schwebstoffen in Fluiden oder Gasen bei Rohrleitungen, künstlichen Wasserläufen oder offenen Gerinnen, insbesondere mittels eines oben beschriebenen Verfahrens, umfassend einen Gruppenstrahler mit mehreren nicht planar angeordneten Einzelstrahlern, deren Ausrichtung so gewählt ist, dass deren Mittelachsen einen Winkel zur Hauptstrahlrichtung aufweisen.
Im Stand der Technik sind die Einzelstrahler des Gruppenstrahlers auf einer ebenen Fläche verteilt. Das Problem bei preiswerten und oft monolithischen Gruppenstrahlern ist der Richtwinkel bzw. die Hauptkeulenauslenkung, welche durch Kopplungseffekte zwischen den Einzelstrahlern eingeschränkt wird. Zudem weisen die Einzelstrahler oftmals eine anisotrope Schallausbreitung auf. Beide Effekte nehmen mit zunehmender Miniaturisierung zu und begrenzen die Hauptkeulenauslenkung markant, sodass der Sichtbereich des Sensors oft auf eine Winkelauslenkung von ±30° eingeschränkt bleiben würde. Dies würde beim Reflexionsverfahren zu einer Limitierung der Messpfadausrichtung führen und damit zu einer Hemmung der angestrebten Verbesserung der Messgenauigkeit, da nur geringe Teile des Kanalquerschnittes ausgeleuchtet werden können und ein Großteil unsichtbar für die Sensorik bleibt. Asymmetrische Strömungsprofiele, Turbulenzen oder Störeffekte wie Sedimentationen lassen sich somit durch die bisher bekannten Bauformen von Gruppenstrahlern nicht hinreichend genau erfassen.
Im Gegensatz dazu wird nach der Erfindung eine Bauform vorgeschlagen, bei der die planar verteilten Einzelstrahler in mindestens zwei Teil-Gruppenstrahler aufgeteilt sind, die nicht planar angeordnet sind. Bei entsprechender Ausrichtung dieser Teil-Gruppenstrahler zu einer Hauptstrahlrichtung wird mit jedem weiteren Teil-Gruppenstrahler der Sichtbereich des gesamten Gruppenstrahlers erweitert. Demnach sind eine Überlagerung der Schallintensitäten und damit eine Intensitätsverdoppelung in einem Schnittbereich oder mindestens in Hauptstrahlrichtung möglich. Erfindungsgemäß wird eine Sichtbereichserweiterung der Gruppenstrahler-Messgeräte und somit eine Steigerung der Messgenauigkeit erreicht. Die verbesserte Messgerätebauform basiert auf einer entsprechenden Ausrichtung separierter Gruppenstrahler und ist zur Durchflussmessung von offenen Kanalströmungen oder voll-/teilgefüllten Rohrströmungen geeignet.
Zusammenfassend wird eine Steigerung des Sichtbereiches durch kostengünstig herstellbare Gruppenstrahler erzielt. Dabei werden Synergieeffekte bei der Ansteuereinheit genutzt, so dass eine Ersparnis von elektronischen Bauelementen im Schnittbereich der Sichtbereiche erreicht wird. Die skalierbare Sichtbereichs- und Leistungssteigerungen durch Ausrichtung oder Erweiterung der Teil-Gruppenstrahler sind ebenfalls vorteilhaft.
Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung gibt der Gruppenstrahler Schallwellen in Form eines modulierten Sendesignals ab.
Überlagerte Signalformen ermöglichen eine hohe Detektionsrate bei Reflektoren mit geringer Größe bei gleichzeitig optimaler Richtwirkung der Gruppenstrahler-Technologie. Dabei wird das Trägersignal hochfrequent abgestrahlt, so dass Reflektoren mit geringer Größe erfasst werden können. Das modulierte Signal bestimmt den Einzelstrahlerabstand und folglich die Richtwirkung der Schallintensitäten. Bei niederfrequenter Signalmodulation, lässt sich der Einzelstrahlerabstand erhöhen, die Miniaturisierung reduzieren und folglich die Produktionskosten verringern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weisen die abgegebenen Schallwellen einen räumlichen Phasenversatz zwischen jedem Einzelstrahler auf und die Sendesignale eines jeden Einzelstrahlers sind zeitversetzt moduliert.
Durch den räumlichen Phasenversatz der Modulation wird die richtungsselektive Schallausstrahlung beim Gruppenstrahler gewährleistet. Für eine optimale Schallrichtung gibt nicht wie im Stand der Technik das Trägersignal den Abstand zwischen den Einzelelementen vor sondern das modulierte Signal. Da das modulierte Signal niederfrequenter als das Trägersignal ist, lässt sich der Abstand der Einzelstrahler zueinander maßgeblich erhöhen und somit mehr Schallleistung aufgrund größerer Einzelstrahler in gerichteter Form in das Medium abstrahlen
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung erfolgt zur richtungsabhängigen Abstrahlung der Schallwellen eine Amplitudenmodulation, eine Frequenzmodulation, eine Pulsmodulation oder einen Phasenmodulation der Sendesignale erfolgt.
Diese Modulationsformen ermöglichen auf vielfältige Weise die Realisierung der Ultraschalldurchflussmessung. Diese Modulationsformen lassen sich einfach umsetzen und führen zu einer Zusammenführung von Träger- und Modulationssignal.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist der Gruppenstrahler in mindestens zwei wenigstens eindimensionale Teil-Gruppenstrahler aufgeteilt, wobei die Ausrichtung eindimensionaler Teil-Gruppenstrahler so gewählt, dass deren Mittelachsen einen Winkel zur Hauptstrahlrichtung aufweisen.
Demnach wird der Sichtbereich des gesamten Gruppenstrahlers durch Ausrichtung und Anzahl der Teil-Gruppenstrahler skalierbar, so dass kostengünstig produzierbare Gruppenstrahler möglich sind. Dabei wird eine maximale Ausleuchtung des Kanalquerschnittes bei der Durchflussmessung erzielt. Dies erlaubt eine Vermessung der Gerinne- bzw. Kanalform auch bei Störeffekten wie Sedimentation sowie die Bestimmung eines Großteils des Geschwindigkeitsprofils. Dabei wird eine strömungsoptimierte Geräteform zur Minimierung von Ablagerungen vor der Strahlerapertur geschaffen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weist der Gruppenstrahler zwei oder mehr zweidimensionale Teil-Gruppenstrahler auf, deren Mittelachsen zueinander in einem Winkel zur Hauptstrahlrichtung ausgerichtet sind.
Diese Bauform ermöglicht eine Detektion von Reflektoren im dreidimensionalen Raum. Dabei wird eine höhere Genauigkeit beim Messen des Durchflusses durch mehr Rauminformationen erreicht. Dazu kann eine Bestimmung des Turbulenzgrades und der Sekundärgeschwindigkeiten im Fluid vorgenommen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weist der Gruppenstrahler eine zweidimensionale Mehrfachanordnung von Einzelstrahlern auf, die auf einem flexiblen ein Messmedium wenigstens teilweise umschließenden Träger angeordnet ist.
Diese Vorgehensweise ermöglicht eine vereinfachte und flexible Installation der Sensorik durch Clamp-on Montage. Dabei wird eine Vermeidung von Auffächerung der Schallwellen durch Kopplungsschichten bei geringen Rohrdurchmessern erreicht. Dies führt zu einer Steigerung der Leistungsdichte unabhängig von der Rohrkrümmung und der Rohrbeschaffenheit. Eine Richtung und Formung der Schallintensitäten erfolgt im Messmedium des Rohrs, das als Träger fungiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein schallrichtendes Kopplungselement zwischen einem Messmedium und dem Gruppenstrahler oder dem Einzelstrahler.
Aufgrund dieser Vorgehensweise kommen die Strahler nicht mit dem Messmedium in Berührung, so dass beispielsweise Beständigkeit gegen Chemikalien vorliegt. Die elektrische Ansteuerung erfolgt außerhalb des Trägers, so dass beispielsweise durch Stromfluss keine Explosionsgefahr bei Vermessung entsprechender Substanzen besteht. Durch das schallrichtende Kopplungselement ergibt sich auch eine Steigerung des Sichtbereichs bei Gruppenstrahlern. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung sind mehrere zueinander geneigte Kopplungselemente vorgesehen, die jeweils mit einem Einzelstrahler oder Gruppenstrahler verbunden sind, wobei die Abstrahlfläche der Kopplungselemente bündig zu einer Wand des Messmediums angeordnet ist.
Um den Druckabfall oder Kavitationen oder Turbulenzen in der Strömung oder Verschmutzung des Sensorkopfes bei invasiven Durchflusssensoren zu vermeiden, wird gemäß dieser Ausführungsform eine weitere Messgerätebauform vorgeschlagen. Dieser Bauform ist gemein, dass die schallabstrahlende Fläche bündig mit der Innenwand des Rohrs abschließt und dennoch eine richtungselektive Ausstrahlung der Schallwellen ermöglicht. Dabei erfolgt eine Bündelung der Schallwellen in einer einzigen Abstrahlfläche, sodass ein minimaler invasiver Eingriff in die Wand des Rohrs gegeben ist. Dies ermöglicht eine kostengünstige Schallrichtung durch Form der Kopplungselemente. Die Schallrichtung erfolgt über unterschiedlich angeordnete und konzipierte Kopplungselemente außerhalb des Messmediums, sodass die Richtung des Schalls außerhalb des Messmediums stattfinden kann. Durch die Bündigkeit der Abstrahlfläche der Kopplungselemente zur Innenwand werden Turbulenzen, Kavitationen oder Druckverlust im Messmedium durch den Sensor vermieden.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch eine Vorrichtung zur reflektiven Ultraschallmessung gemäß der Erfindung,
2 schematisch ein Diagramm einer Abstrahlcharakteristik der Vorrichtung nach 1,
3 schematisch eine weitere Vorrichtung zur reflektiven Ultraschallmessung gemäß der Erfindung,
4 schematisch eine Vorrichtung zur invasiven Ultraschallmessung gemäß der Erfindung,
5 schematisch eine Seitenansicht der Vorrichtung zur invasiven Ultraschallmessung gemäß der Erfindung,
6 schematisch eine Vorderansicht der Vorrichtung zur invasiven Ultraschallmessung gemäß der Erfindung,
7 schematisch eine Vorrichtung zur clamp-on Ultraschallmessung gemäß der Erfindung,
8 schematisch die Abstrahlung von Ultraschall zur Verdeutlichung der Erfindung,
9 schematisch in einem Diagramm Elemente und Signalformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
10 schematisch in einem Diagramm weitere Signalformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In den Figuren sind gleiche oder funktional gleichwirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Bevor die Erfindung in ihren einzelnen Aspekten erläutert wird, soll nachfolgend eine kurze Zusammenfasssung der wesentlichen Vorgehensweisen bei der Messung mit Gruppenstrahlern erfolgen.
Bei einem Gruppenstrahler wird das Richten der Schallintensitäten mit einem bestimmten Richtwinkel möglich, wenn die Einzelstrahler mit einer bestimmten Phasen- bzw. Zeitdifferenz zueinander angesteuert werden. Dabei muss auch der Abstand zwischen den Einzelstrahlern berücksichtigt werden. Bei einem bestimmten Abstand überlagern sich die Schallwellen der Einzelstrahler destruktiv und konstruktiv in einer schallfokussierenden Weise, sodass die schallintensiven Bereiche in Form einer Hauptkeule auftreten. Demnach ergibt sich ein Zusammenhang zwischen Richtwinkel, der Sendefrequenz und der notwendigen Zeitdifferenz ∆t_n zur optimalen Ansteuerung der Einzelstrahler. Dies bedeutet aber auch, dass für eine optimale Schallausstrahlung der Abstand zwischen den Einzelstrahlern vorgegeben ist, so dass Sendefrequenz und Abstand der Einzelstrahler direkt voneinander abhängen. Vervielfacht man dennoch den Strahlerabstand im Verhältnis zur Sendefrequenz oder umgekehrt, so führt dies stets zu einer Verschlechterung der Schallrichtung von Intensitäten. Bei einer Sendefrequenz von 1 MHz muss für das Messmedium Wasser folglich der Abstand zwischen den Einzelstrahlern etwa 0,75 mm betragen. Eine Reduzierung der Sendefrequenz würde zwar den Abstand erhöhen, jedoch aber die Detektionsfähigkeit von Reflektoren im Messmedium erheblich verringern. Eine Schallreflektion ist nur dann möglich, wenn das reflektierende Objekt wie beispielsweise Schwebstoffe im Messmedium größer als die halbe Wellenlänge ist.
Möchte man die Geschwindigkeit von Schwebstoffen und damit den Durchfluss durch das Reflexionsverfahren bestimmen, ist eine korrelative oder dopplerbasierte Auswertung des Empfangssignals notwendig. Bei der Korrelation wird meist ein kurzes Sendesignal ausgestrahlt und mit dem Empfangssignal korreliert, um die Laufzeit und somit die Reflektorentfernung bestimmen zu können.
Erfolgt diese Auswertung nach einer kurzen Pulspause ein zweites Mal, lässt sich unter Kenntnis des Einstrahlwinkels, der Schallgeschwindigkeit des Mediums, der zweiten Laufzeit und der bekannten Pulswiederholrate die Reflektorgeschwindigkeit bestimmen.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Reflektorgeschwindigkeiten besteht in der Auswertung der Dopplerfrequenz im Empfangssignal. Bewegt sich ein Reflektor in oder entgegen der Richtung des Ultraschallsensors, erfährt das gesendete Signal eine zeitliche Stauchung bzw. Streckung. Diese Änderung der Sendefrequenz verhält sich proportional zur Reflektorgeschwindigkeit. Sind Sender und Empfänger getrennt voneinander angeordnet ist ein kontinuierliches Ausstrahlen des Sendesignals möglich, sodass hier oft von „continious wave“ oder (cw)-Messgeräten gesprochen wird. Die Dopplerfrequenzen lassen sich beispielsweise durch Abmischen des Empfangssignals mit der Sendefrequenz ins Basisband ermitteln. Ist die Dopplerfrequenz bekannt, errechnet sich die Reflektorgeschwindigkeit in Fließrichtung auf bekannte Weise.
Nachteil dieser Methode ist, dass die gemessene Geschwindigkeit keinem Ort zugewiesen werden kann. Besserung verschafft hier das Puls-Doppler-Verfahren. Hierbei findet das Senden und Empfangen intermittierend mit demselben Strahler und gepulsten Sendesignalen statt. So lässt sich beispielsweise die Dopplerfrequenz durch zonenweises Unterabtasten des Empfangssignals extrahieren.
In diesem Fall ist eine ortszuweisende Geschwindigkeitsmessung nur innerhalb der Empfangsdauer möglich. Möchte man die Empfangsdauer bzw. die Pulswiederholrate vergrößern, reduziert sich nach dem Nyquist-Kriterium die maximal zu messende Dopplerfrequenz und folglich auch die Reflektorgeschwindigkeit. Damit wird deutlich, dass der Messkorridor eine stetige Abwägung zwischen der maximal möglichen Messentfernung mit eindeutiger Ortszuweisung und der maximal zu messenden Reflektorgeschwindigkeit gegeben ist.
Wird dieser Korridor verlassen, treten Mehrdeutigkeiten in der Messung auf. Bei niederfrequenten Messgeräten im kHz Bereich beträgt die maximale Messentfernung mit eindeutiger Ortszuweisung ungefähr 2 m und die maximal zu messende Geschwindigkeit ungefähr 5 m/s. Nachteil dieser Messgeräte mit niedrigen Sendefrequenzen ist, dass Reflektoren bzw. Schwebstoffe mit geringem Durchmesser unsichtbar sind. Bei einer Frequenz von 100 kHz lassen sich lediglich Reflektoren über einen Durchmesser von 7,5 mm detektieren.
Damit ist das Puls-Doppler-Verfahren für die Messung von Durchflüssen in offenen Kanälen oder vollgefüllten Rohren ungeeignet, da dort Füllstände von bis zu 5 m und Reflektordurchmesser unter 1 mm vorherrschen. Weitere Auswerteverfahren wie beispielsweise die Kovarianzmethode bzw. Puls-Paar-Methode oder Schmalband ADCP-Messgeräte lassen sich direkt oder indirekt auf die oben genannten Messnachteile zurückführen. Einzig das Breitband ADCP bietet eine adäquate Lösung für diese Messaufgabe an, jedoch bedarf dieses Auswerteverfahren breitbandiger Ultraschallstrahler, welche aufwendig und teuer in der Herstellung sind. Zudem lässt sich diese Auswertung nicht auf die Gruppenstrahler-Technologie anwenden, da dort der Einzelstrahlerabstand meist fest vorgegeben ist und dadurch nur schmalbandiges Senden eine gerichtete Strahlerfokussierung ermöglicht.
Unter Bezugnahme auf 1 wird eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gruppenstrahlers 3 dargestellt. Der Gruppenstrahler 3 ist aus zwei Teil-Gruppenstrahlern 2a, 2b aufgebaut, die jeweils eine Vielzahl von planaren und eindimensionalen Einzelstrahler 1 aufweisen. Zur Steigerung des Sichtbereiches des Gruppenstrahlers 3 wird demnach eine Bauform vorgeschlagen, bei der die planar verteilten Einzelstrahler 1 in mindestens zwei eindimensionale Teil-Gruppenstrahler 2a, 2b aufgeteilt sind. Wie in 1 verdeutlicht, ist die Ausrichtung der eindimensionalen Teil-Gruppenstrahler 2a, 2b so gewählt, dass deren Mittelachse 4a, 4b einen Winkel γ zur Hauptstrahlrichtung 5 aufweisen. Als Mittelachse 4a, 4b ist dabei die Flächennormale der Teil-Gruppenstrahlern 2a, 2b anzusehen. Die Hauptstrahlrichtung 5 ist die des Gruppenstrahles 3, d.h. der von den Teil-Gruppenstrahlern 2a, 2b zusammengesetzte Sichtbereich. Ein Ziel der Erfindung ist, bei optimaler Winkelausrichtung der Teil-Gruppenstrahler 2a, 2b den Sichtbereich des gesamten Gruppenstrahlers 3 entsprechend zu erweitern.
Des Weiteren lässt sich die gezeigte Ausführungsform in ein Gehäuse 9 integrieren, welches eine strömungsoptimierte Form aufweist und mit einem Drucksensor oder Monostrahler 10 zur Füllstandsmessung ausgestattet werden kann. Eine Zuleitung für diesen Aufbau des Gruppenstrahlers 3 ist in 1 mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnet.
Im Richtdiagramm von 2 werden Vorteile dieser Vorgehensweise nochmals verdeutlicht. Wie bereits erwähnt, sind aufgrund der Herstellungsprozesse Gruppenstrahler, die lediglich mit Einzelstrahlern 1 in Form eines Teil-Gruppenstrahlers ausgebildet sind, in ihren Sichtbereichen stark eingeschränkt, d.h. die Schallintesität und damit die Hauptkeule 11a, 11b der planaren Gruppenstrahler 2a, 2b lässt sich nur in einem bestimmten Bereich richten. Außerhalb dieses Sichtbereiches 6a, 6b ist eine Richtung der Hauptkeule nicht gegeben. Die Lösung besteht daher in einer Aufteilung des gesamten Gruppenstrahlers in gerichtete Teil-Gruppenstrahler 2a, 2b.
Bei entsprechender Ausrichtung dieser Teil-Gruppenstrahler 2a, 2b von Mittelachsen 4a, 4b zur Hauptstrahlrichtung 5 durch die Winkel γ_a und γ_b wird mit jedem weiteren Teil-Gruppenstrahler der Sichtbereich des gesamte Gruppenstrahler erweitert. Bilden die Sichtbereiche 6a, 6b eine Schnittfläche bzw. einen Schnittbereich 7, ist eine Überlagerung der Schallintensitäten und damit eine Intensitätsverdoppelung in diesem Bereich oder mindestens in Hauptstrahlrichtung 5 möglich.
Um das Sichtfeld mit diesem Konzept weiter zu erhöhen ist beispielhaft in 3 eine weitere Ausführungsform gezeigt. Hier ist ein Aufbau mit mehreren zweidimensionalen Teil-Gruppenstrahlern 12a bis 12f dargestellt. Der gesamte Gruppenstrahler kann mindestens in zwei aber auch in mehrere zweidimensionale Teil-Gruppenstrahler 12a bis 12f unterteilt werden, deren Mittelachsen 4a bis 4f zueinander in den Winkeln γ_a bis γ_f zur Hauptstrahlrichtung 5 ausgerichtet sind. Die Mittelachsen 4a bis 4f sind zudem in den Winkeln ε_a bis ε_f zu den Teil-Hauptstrahlrichtungen 5ab, 5bc, 5cd, 5de, 5ef und 5af ausgerichtet. Bei überschneiden der jeweiligen Sichtbereiche ist somit eine akustische Ausleuchtung in alle drei Raumrichtungen möglich.
Folglich lassen sich die Schallintensitäten richtungsselektiv durch Variieren der Teil-Gruppenstrahler und deren Mittelachsenausrichtung auf jede Anwendung der Durchflussmessung skalieren. Ein Vorteil dieser Ausrichtung der Teil-Gruppenstrahler besteht im Auftreten von Synergieeffekten bei einer Ansteuereinheit. In Hauptstrahlrichtung 5 und mindestens im Schnittbereichen von Teil-Gruppenstrahler lassen sich die Teil-Gruppenstrahler durch dieselbe Ansteuerungseinheit betreiben, da die richtungsselektiven Signale überwiegend identisch sind.
Auf diese Weise ist eine Schallintensivierung in den Schnittbereichen ohne zusätzliche, elektrische und schaltungstechnische Bauelemente möglich. Im Gegensatz zu den aufwendigen Fertigungstechnologien bei planaren Gruppenstrahlern, welche mit dem Ziel einer mechanischen und elektrischen Entkopplung zwischen den Einzelstrahlern sowie einer isotropen Schallausstrahlung der Einzelstrahler verfolgt werden müssen, lassen sich zur Realisierung dieser Bauform der Gruppenstrahler auf kostengünstige Teil-Gruppenstrahler beispielsweise aus monolithischer Fertigung zurückgreifen. Damit bleiben sämtliche Vorteile der planaren Gruppenstrahler erhalten bei gleichzeitiger Reduktion der Fertigungskosten der gesamten Gruppenstrahlereinheit.
Für die invasive Ultraschalldurchflussmessung von Flüssigkeiten und Gasen wird ein schallrichtendes Kopplungselement 23a, 23b, 23c nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 bis 6 beschrieben. Das in den 4 bis 6 skizzierte Ausführungsbeispiel zeigt einen Aufbau mit drei zwei-dimensionalen Teil-Gruppenstrahlern 20a, 20b, 20c, die jeweils mit einem Kopplungselement 23a, 23b, 23c versehen sind, das zwischen dem jeweiligen Teil-Gruppenstrahler 20a, 20b, 20c und einer Rohr- bzw. Kanalinnenwand angeordnet ist. Das Kopplungselement 23a, 23b, 23c besteht aus mindestens einem schallleitenden Material und zeichnet sich durch seine schallrichtende Bauform aus. Die Abstrahlfläche 28 des Kopplungselementes 23a, 23b, 23c ist bündig zur Rohrbzw. Kanalinnenwand 15, so dass weder Reibungs- und Verschleißeffekte am Sensorkopf noch Druckabfälle mit Kavitation durch den Sensorkopf sowie Turbulenzen im Messmedium verursacht werden.
In 4 ist beispielhaft eine solche Bauform bestehend aus drei Kopplungselementen in einer perspektivischen Seitenansicht dargestellt. Um eine schallrichtende Wirkung durch das Kopplungselement 23a, 23b, 23c zu erzeugen, ist die Montagefläche 21a, 21b, 21c für den Monostrahler oder ein- oder zweidimensionalen Gruppenstrahler 20a, 20b, 20c entsprechend der Abstrahlcharakteristika in das Messmedium zu formen.
In 5 ist eine Seitenansicht des Aufbaus gemäß 4 quer zur Strömungsrichtung gezeigt. 6 folgt einer Darstellung des Aufbaus gemäß 4 in Strömungsrichtung.
Weist wie in 5 beispielsweise die Montagefläche 20a des Kopplungselementes 23a eine Keilförmigkeit mit einem Winkel β₁ auf, so führt dies zu einer definierten Abstrahlcharakteristik der Schallwellen bzw. der Hauptkeule 11a unter dem Winkel β₂ auf der Abstrahlfläche 28 des Kopplungselementes 23a.
Zur Veranschaulichung sind in 6 drei schräg zueinander gelagerte Kopplungselemente 23a, 23b, 23c dargestellt um festzuhalten, dass die Abstrahlrichtung der Schallintensitäten bzw. Hauptkeulen 11a, 11b, 11c nicht nur unter dem Winkel β₂ sondern auch unter dem Winkel α₁ oder α₂ möglich ist. Durch sukzessives Senden und Empfangen der jeweiligen Strahler 20a, 20b, 20c lässt sich dieselbe Abstrahlfläche nutzen.
Bei zusätzlicher Verwendung von ein- oder zweidimensionalen Gruppenstrahlern ist eine zusätzliche Schwenkung der Abstrahlcharakteristika durch phasenselektives Ansteuern möglich. Werden Monostrahler oder Gruppenstrahler auch mit eingeschränkten Sichtbereichen verwendet, ist die Anzahl der Kopplungselemente zur Steigerung der Messpfade oder des Sichtbereiches beliebig und kostengünstig erweiterbar. Nahezu alle Kopplungselemente weisen meist unterschiedliche Montageflächen der Strahler 21a, 21b, 21c auf, nutzen jedoch stets dieselbe Abstrahlfläche 28 in das Messmedium.
Mit den Kopplungselementen ist ein Großteil des Volumina im Rohr oder Kanal und damit Messgrößen wie beispielsweise Schalllaufzeiten, Reflektorgeschwindigkeiten, Reflektordichte bzw. -konzentration, Füllstände oder Schalldifferenzmessungen von Flüssigkeiten oder Gasen durch entsprechende Auswertemethoden messbar. Neben den Vorteilen, welche sich durch den bündigen Einbau der Abstrahlfläche ergeben, ist aufgrund der gemeinschaftlichen Abstrahlfläche lediglich ein minimaler Eingriff in die Rohr- bzw. Kanalwand nötig bei gesteigerter Ausleuchtung der Querschnittsfläche durch zusätzliche Messpfade im Rohr bzw. Kanal. Wie zu Beginn erwähnt, führt eine Steigerung der Messpfade – quer über die Durchflussfläche verteilt – zu einer Steigerung der Messgenauigkeit.
Um bei clamp-on Sensoren das Auffächern von gerichteten Schallwellen durch gekrümmte und unförmige Rohr- oder Kanalwände zu vermeiden, die in das Messmedium eingebrachten Schallintensitäten flexibel zu skalieren, die Schallintensität durch die Rohr- oder Kanalwände hindurch zu richten und zu fokussieren, mit hohen Sendefrequenzen eine Schallrichtung zu erhalten, unterschiedliche Kopplungsschichtdicken bei Rohrkrümmungen zu meiden, den Keil zur Schallrichtung zu eliminieren, den Sensorkopf zu minimieren, die Messgenauigkeit zu erhöhen und den Montageaufwand weiter zu reduzieren, wird nachfolgend in 7 eine Bauform und in 8 sowie 9 ein Verfahren zur Ansteuerung beschrieben.
Das Sensorkonzept sieht vor, Einzelstrahler bzw. Monostrahler 1 mit einem gleichbleibenden Abstand zueinander auf einer flexiblen und biegbaren Materialschicht 30 wie beispielsweise einer Folie zu montieren. Die Materialschicht kann auf der Montagefläche der Strahler eine elektrisch leitende Oberfläche aufweisen, welche beispielsweise als Massepotential der Einzelstrahler verwendet werden kann. Die biegbare Materialschicht mit dem separierten Einzelstrahler lässt sich zusammen mit einer Koppelschicht vollständig oder teilweise um die Rohr- oder Kanalwand 15 befestigen. Denkbare Befestigungsmethoden können beispielsweise kleben, verschrauben oder fesseln sein.
Desweiteren wird eine Signalform vorgeschlagen, bei welcher mit gleichbleibenden Schallcharakteristiken der Abstand zwischen den Einzelstrahlern unabhängig von der Sendefrequenz variiert werden kann. Dabei fungiert das tatsächliche Sendesignal mit der hohen Frequenz (1 MHz ± 500 kHz) als Trägersignal, dessen Amplitude, Phase oder Frequenz zusätzlich über ein weiteres Signal moduliert wird. Das zur Modulation genutzte Signal definiert nun den Abstand zwischen den Einzelstrahlern und die Richtungsselektivität. Das Trägersignal ist folglich nicht mehr direkt mit der Gruppenstrahlerbauform und der Richtwirkung der Schallintensität verkoppelt. Hinsichtlich der Bauform unterliegt das gesendete Trägersignal keinem weiteren Zwang durch Form oder Frequenz oder Puls oder Phase oder Amplitude. Das Sende- oder Empfangskonzept ist auf alle akustischen Gruppenstrahler übertragbar.
Damit die Wellenfront 13 bzw. die Schallintensität 11 – wie in 8 – unter dem Winkel ϑ abgestrahlt werden können, müssen die Schallwellen einen räumlichen Phasenversatz zwischen jedem Einzelstrahler n von Δr_n aufweisen. Die Sendesignale eines jeden Einzelstrahlers 1 müssen mit einer zeitversetzten Modulation von Δt_n erfolgen.
In 9 ist beispielhaft ein solche Signalform dargestellt. Hier wird das sinusförmige Trägersignal 34 amplitudenmoduliert, wobei andere Modulationsverfahren, wie z.B. Frequenz-, Phasen- oder Pulsmodulation, nicht ausgenommen sind. Die Einhüllende 35 des Trägersignals 34 veranschaulicht die Modulation. Das Ausstrahlen der Schallwellen durch die Einzelstrahler 1 erfolgt nach wie vor durch das modulierte Trägersignal 34. Um eine Richtungsabhängige Abstrahlung der Schallwellen zu erzielen, muss nun diese Amplitudenmodulation entsprechend um den n-ten Einzelstrahler mit Δt_n zeitversetzt werden.
In 9 ist dieser Zeitversatz in der Modulation im Sendesignale über vier Diagramme abgebildet. Zur Erzeugung einer solchen Signalform, kann die Amplitudenmodulation durch eine Pulsbreitenmodulation oder Pulsweitenmodulation oder Pulsdauermodulation oder Pulslängenmodulation oder auch Unterschwingungsverfahren realisiert werden. Dabei werden dem Trägersignal durch eine höherfrequente Pulsmodulation Signalanteile entnommen, bzw. kurzzeitig zu Null (auf Masse) gesetzt. Die Pulsmodulation ist dabei proportional zur Amplitudenmodulation; d.h. bei maximaler Modulationsamplitude werden dem Trägersignal kaum oder keine Signalanteile entnommen, während dem Trägersignal bei einer Modulationsamplitude nahe Null maximale Signalanteile entnommen werden.
Wird nun ein Einzelstrahler mit diesem "zerhackte" Trägersignal angesteuert, resultiert aufgrund der Tiefpasswirkung des Strahlers ein akustisches Sendesignal gemäß 9. Zum Erreichen dieser Richtungsselektiven Ausstrahlung der Schallwellen bzw. Schallintensitäten, sind ähnliche oder selbige Signalmodulationen ob über die Frequenz oder Phase oder Pulse oder Amplituden ebenso möglich, wie deren Signalformvariation oder diverse Trägersignalarten oder Trägersignalformen. Zu erwähnen ist, dass dieses Signalkonzept nicht nur Sendeseitig sondern auch Empfangsseitig ihre Anwendung finden kann. Das Umschalten erfolgt durch die Sende-Empfangsweichen 33, welche zwischen jedem Einzelstrahler und den Signalverstärkern 32a, 32b zwischengelagert ist.
In 10 ist ein Lösungsansatz für eine Auswertung dargestellt. Das Verfahren zur Geschwindigkeitsauswertung von Reflektoren wie Schwebstoffe im Fluid oder Gasen beruht auf einer Zusammenführung von dopplerbasierten und korrelativen Auswerteverfahren. Damit werden die Nachteile der Dopplerauswertung, wie geringe Raumauflösung, Mehrdeutigkeiten im Raum oder der Geschwindigkeit, durch die Korrelationsauswertung kompensiert. Um dieses Auswertekonzept umsetzen zu können, müssen kohärente Pulse 36 mit mindestens einem oder mehreren codierten Pulsen 37 kombiniert werden.
Die kohärenten Pulse 36 bestehen aus einer durchgehend, zusammenhängenden, harmonischen Signalform 42 bei vorzugsweise derselben Frequenz. Oft wird hierzu ein Sinussignal bei 1 MHz verwendet, kann aber auch – je nach Strahler – darüber oder darunter liegen. Diese mit einem Pulswiederholintervall t_PRI ausgesendeten kohärenten Pulse werden nun mit mindestens einer codierten Pulsform verknüpft. Die codierte Pulsformen weißen in der Regel eine hohe Autokorrelationseigenschaft mit sich selbst auf und sind mit jedem anderen codierten Puls nahezu orthogonal. Bezogen auf die in 10 codierten Pulsformen SC1 bis SC5 bedeutet dies, dass die Pulsformen SC1 bis SC5 zueinander eine Kreuzkorrelationen aufweisen, welche dem von weißem Rauschen gleicht.
Mögliche Codierverfahren für Ultraschall-Strahler sind dem Fachmann bekannt. Zu beachten ist, dass bei Anwendungen auf die Gruppenstrahler-Technologie mit festen Strahlerabständen ein schmalbandiges Codierverfahren erforderlich ist.
Nach Empfang der reflektierten Signale bzw. Echos 38a bis 38d während den Pulspausen, gilt es diese auszuwerten. In 10 wird deutlich, dass die Echos aufgrund der Bewegungsgeschwindigkeit der Reflektoren zum Sensor mit jeder Pulswiederholung um dt zusammenrücken. Würde man diese Zeitänderung zwischen den Pulsen – ähnlich zur Korrelations- oder Pulspaarmethode – statistisch auswerten, ließe sich hieraus die Reflektorgeschwindigkeit aus den Laufzeitdifferenzen bestimmen.
Zur besseren Identifikation der Zeitänderung dt können hierzu Matched-Filterbänke mit Hüllkurvendetektoren verwendet werden. Diese in der Radartechnik weit verbreiteten Auswerteverfahren führen im Wesentlichen bei jedem Matched-Filter eine Korrelation zwischen einer Sendesignalcodierung (z.B. SC1) und dem kompletten Empfangssignal durch. Stimmt das Echo im Empfangssignal 38a mit der gesuchten Sendesignalcodierung SC1 überein, entsteht ein Signalpeak während alle nicht übereinstimmenden Echos 38b bis 38d im Rauschen untergehen. Die Signalpeaks werden anschließend durch die Hüllkurvendetektion in Form von Dirac-Impulsen entnommen und mit weiteren Korrelationsergebnissen anderer Matched-Filterketten zusammengeführt. Das Ergebnis der vollständigen Auswertemethodik ist exemplarisch im dritten Diagramm durch die Dirac-Impulse 39a bis 39d dargestellt.
Zusätzlich zur Geschwindigkeitsverteilung lässt sich auf Basis der Dirac-Impulse die Laufzeit τ zwischen Sendesignal und Echo bestimmen. Beim ersten Echo resultiert beispielsweise die Laufzeit aus
welche sich mit Kenntnis der Schalllaufzeit c_w und der Gleichung
in die Ortsinformation, der Reflektorentfernung r₁, umrechnen lässt.
Zur Verbesserung der Auswertung und Steigerung des Informationsgehalts, wird die Dirac-Position im Empfangssignal aufgegriffen und zum Abtasten der kohärenten Signalanteile genutzt. Denn auf Grundlage dieser Signalanteile ist die zusätzliche Extraktion der Dopplerfrequenz aus den Echos möglich.
Die Funktionsweise dieser Auswertung wird im untersten Diagramm von 10 ersichtlich. Betragen die codierten Pulsanteile SC1–SC6 dieselbe Länge t_PWC, so sind die Dirac-Impulse – wie z.B. Impulse 39a – aufgrund der korrelativen Auswertung fortwährend zentrisch zu deren codiertem Echo Pendant – wie z.B. Pendant 38a. Mit dieser gleichbleibenden Positionsinformation der Echos und der Kenntnis des Pulswiederholintervalls t_PRI, ist eine Kammartige Abtastung 41 der Kohärenten Signalanteile durchführbar. Folglich lassen sich zu jedem Dirac-Impuls, in Abhängigkeit der Sendepulsanzahl, eine Vielzahl an Abtastwerten bestimmen, welche wiederum zur Dopplerfrequenzberechnung verwendet werden können. Möglichkeiten aus den Abtastwerten die Dopplerfrequenz zu berechnen sind z.B. Methoden wie die Fouriertransformation, eigenwertbasierte oder parametrische Spektralschätzung.
Ist die Dopplerfrequenz f_D nun für jeden Dirac-Impuls bekannt, lässt sich diese Information in eine Reflektorgeschwindigkeit umrechnen. Damit ist für jeden Dirac-Impuls nicht nur eine Ortsinformation über das schallreflektierende Objekt gegeben, sondern auch eine Geschwindigkeitsinformation.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10224294 A1 [0006]
DE 3314260 A1 [0007]
DE 3223393 A1 [0008]
DE 4443483 A1 [0010]
US 7847925 B2 [0013]
WO 2010/057480 A2 [0013]
US 5521883 [0013, 0021, 0021]
DE 102007001057 A1 [0013]
DE 4016529 A1 [0014]
DE 19857572 A1 [0014]
DE 19542232 [0017]
DE 19740549 A1 [0020]

Claims

Verfahren zur Ultraschalldurchflussmessung, insbesondere zur Ortsund/oder Geschwindigkeitsauswertung von Reflektoren wie Schwebstoffe im Fluid oder Gasen, umfassend: – Bereitstellen eines Gruppenstrahlers, der einzeln ansteuerbare Einzelstrahler aufweist, – Abgabe von kohärenten Pulse (36) mittels des Gruppenstrahlers (2a, 2b; 12a–f), wobei die kohärenten Pulse (36) Pulspausen aufweisen, – Verknüpfen der kohärenten Pulse (36) mit mindestens einer codierten Pulsform (37) zur Sendesignalcodierung, – Abstrahlen der verknüpften Pulse, – Empfangen der reflektierten Signale bzw. Echos (38a–d) während der Pulspausen, – Auswerten der empfangenen Signale, um über eine Zeitänderung der empfangenen Signale eine Geschwindigkeit der Reflektoren zu bestimmen, wobei eine Korrelation zwischen einer Sendesignalcodierung und dem empfangenen Signal durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Identifikation der Zeitänderung Matched-Filterbänke mit Hüllkurvendetektoren verwendet werden und deren Amplituden- und Zeitinformationen in Form von Dirac-Impulsen entnommen und mit weiteren Korrelationsergebnissen zusammengeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zusätzlich eine Ortsbestimmung der Reflektoren durchgeführt wird, wobei auf Basis der Dirac-Impulse eine Laufzeit zwischen Sendesignal und Echo bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Dirac-Position im Empfangssignal aufgegriffen und zum Abtasten der kohärenten Signalanteile genutzt wird, wobei eine Vielzahl an Abtastwerten bestimmt werden, um zusätzlich eine Dopplerfrequenz aus den Echos zu extrahieren.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Berechnen der Dopplerfrequenz aus den Abtastwerten durch Fouriertransformation, eigenwertbasierte oder parametrische Spektralschätzung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, bei dem aus der Dopplerfrequenz für jeden Dirac-Impuls die Geschwindigkeit des Reflektors oder eine Ortsinformation über das schallreflektierende Objekt berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die kohärenten Pulse (36) als eine durchgehende, zusammenhängende und harmonische Signalform (42) vorzugsweise bei derselben Frequenz, insbesondere als Sinussignal bei 1 MHz bereitgestellt werden.
Vorrichtung zur Ultraschalldurchflussmessung von Schwebstoffen in Fluiden oder Gasen bei Rohrleitungen, künstliche Wasserläufe oder offenen Gerinnen, insbesondere mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend einen Gruppenstrahler mit mehreren nicht planar angeordneten Einzelstrahlern, deren Ausrichtung so gewählt ist, dass deren Mittelachsen einen Winkel zur Hauptstrahlrichtung aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Gruppenstrahler Schallwellen in Form eines modulierten Sendesignals abgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die abgegebenen Schallwellen einen räumlichen Phasenversatz zwischen jedem Einzelstrahler aufweisen und die Sendesignale eines jeden Einzelstrahlers zeitversetzt moduliert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der zur richtungsabhängigen Abstrahlung der Schallwellen eine Amplitudenmodulation, eine Frequenzmodulation, eine Pulsmodulation oder einen Phasenmodulation der Sendesignale erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der der Gruppenstrahler in mindestens zwei wenigstens eindimensionale Teil-Gruppenstrahler aufgeteilt ist, wobei die Ausrichtung eindimensionaler Teil-Gruppenstrahler so gewählt, dass deren Mittelachsen (4a, b) einen Winkel zur Hauptstrahlrichtung (5) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der der Gruppenstrahler zwei oder mehr zweidimensionale Teil-Gruppenstrahler (12a–f) aufweist, deren Mittelachsen (4a–f) zueinander in einem Winkel zur Hauptstrahlrichtung (5a) ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der der Gruppenstrahler eine zweidimensionale Mehrfachanordnung von Einzelstrahlern aufweist, die auf einem flexiblen ein Messmedium wenigstens teilweise umschließenden Träger (30) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, die ein schallrichtendes Kopplungselement zwischen einem Messmedium und dem Gruppenstrahler oder dem Einzelstrahler umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der mehrere zueinander geneigte Kopplungselemente vorgesehen sind, die jeweils mit einem Einzelstrahler oder Gruppenstrahler verbunden sind, wobei die Abstrahlfläche der Kopplungselemente bündig zu einer Wand des Messmediums angeordnet ist.