DE10224294A1 - Verfahren zur Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung - Google Patents

Verfahren zur Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung Download PDF

Info

Publication number
DE10224294A1
DE10224294A1 DE10224294A DE10224294A DE10224294A1 DE 10224294 A1 DE10224294 A1 DE 10224294A1 DE 10224294 A DE10224294 A DE 10224294A DE 10224294 A DE10224294 A DE 10224294A DE 10224294 A1 DE10224294 A1 DE 10224294A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
ultrasound
ultrasonic
reflections
signal
transducers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10224294A
Other languages
English (en)
Inventor
Oliver Betz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SYSTEC CONTROLS MES und REGELT
systec Controls Meß- und Regeltechnik GmbH
Original Assignee
SYSTEC CONTROLS MES und REGELT
systec Controls Meß- und Regeltechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SYSTEC CONTROLS MES und REGELT, systec Controls Meß- und Regeltechnik GmbH filed Critical SYSTEC CONTROLS MES und REGELT
Priority to DE10224294A priority Critical patent/DE10224294A1/de
Priority to US10/516,030 priority patent/US7270001B2/en
Priority to EP03755916.8A priority patent/EP1554548B1/de
Priority to DE10393301T priority patent/DE10393301D2/de
Priority to AU2003250741A priority patent/AU2003250741A1/en
Priority to PCT/DE2003/001783 priority patent/WO2003102512A1/de
Publication of DE10224294A1 publication Critical patent/DE10224294A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/002—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow wherein the flow is in an open channel
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/74—Devices for measuring flow of a fluid or flow of a fluent solid material in suspension in another fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/024—Analysing fluids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/11—Analysing solids by measuring attenuation of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/222—Constructional or flow details for analysing fluids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/021—Gases
    • G01N2291/0215—Mixtures of three or more gases, e.g. air
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/021—Gases
    • G01N2291/0217—Smoke, combustion gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02809—Concentration of a compound, e.g. measured by a surface mass change
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02836—Flow rate, liquid level
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/044—Internal reflections (echoes), e.g. on walls or defects

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung eines strömenden Fluids, bei dem die Laufzeit eines Ultraschall-Signals (70) entgegen und mit der Strömung (R) gemessen und daraus die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ermittelt wird. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden zusätzlich die Reflexionen des Ultraschall-Signals (70) an Partikeln im Fluid erfasst, um daraus die Konzentration der Partikel zu ermitteln. Es wird außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens vorgeschlagen, die ausgestattet ist mit wenigstens zwei Ultraschall-Wandlern (32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b), welche umschaltbar sind vom Sendezustand in einen Empfangszustand, wobei die Ultraschall-Wandler im Sendezustand Ultraschallsignale (70) aussenden können, die von Ultraschall-Wandlern im Empfangszustand empfangen werden können, nachdem sie den zu untersuchenden Fluidstrom (20) durchquert haben. Wenigstens einer der Ultraschall-Wandler (32a 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b) der Vorrichtung ist so schnell von Senden auf Empfang umschaltbar, so dass er die Reflexionen (E1, E2, E3) seines ausgesandten Signals (70) empfangen kann. Es können auch zusätzliche Ultraschall-Wandler (32c) vorgesehen sein, die so angeordnet sind, dass sie die Reflexionen (E1, E2, E3) des von den Ultraschall-Wandlern im Sendezustand ausgesandten Signals (70) empfangen können.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung eines strömenden Fluids, bei dem die Laufzeit eines Ultraschall-Signals entgegen und mit der Strömung gemessen und daraus die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ermittelt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
  • Das Ultraschall-Laufzeitverfahren ist eine bekannte und bewährte Methode zu Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden, also flüssigen oder gasförmigen Medien in Leitungen oder Kanälen. Bei einem Ultraschall-Laufzeitverfahren nach dem Stand der Technik (Fig. 1) werden in einem durchströmten Meßquerschnitt 10 mindestens zwei Ultraschall-Wandler 12a, 12b zur Strömungsrichtung R versetzt angeordnet. Der Abstand 1 zwischen den beiden Ultraschall-Wandlern 12a, 12b ist daher größer als die Weite b des durchströmten Meßquerschnitts. Die Ultraschall-Wandler 12a, 12b können hierbei sowohl mediumsbenetzt als auch von außen auf die Wand des Meßquerschnitts 10 aufgesetzt sein. Durch die Eigengeschwindigkeit des Mediums benötigen Ultraschallsignale, die mit der Strömung diagonal stromabwärts gesendet werden, einen geringere Laufzeit t1 als Ultraschallsignale die stromaufwärts gesendet werden (Laufzeit t2). Sind der Abstand zwischen den UltraschallWandlern sowie der Winkel θ zwischen Ultraschallpfad und Strömungsrichtung bekannt, so läßt sich die mittlere Strömungsgeschwindigkeit aus der Laufzeitdifferenz dt = t2 – t1 ermitteln:
    Figure 00010001
    Zur Ermittlung der Laufzeitdifferenz werden in modernen Messeinrichtungen die empfangenen Signale digitalisiert und dann mit einem Auswerterechner (Digital Signal Processor, DSP) ausgewertet. Zur Durchflussmessung in großen Querschnitten und zur Durchflussmessung bei Freispiegelquerschnitten werden wegen der komplexen Strömungsgegebenheiten Mehrpfad-Ultraschall-Durchflussmessung verwendet. Fig. 2 zeigt beispielhaft eine solche Durchflussmessung in einem Meßquerschnitt 10 in Form eines offenen Gerinnes, in dem ein Fluid 20 mit einem Pegelstand hp fließt. In diesem Beispiel sind zwischen paarweise angeordneten Ultraschall-Wandlern 12a, 12b, 14a, 14b, 16a, 16b, 18a, 18b horizontale Messpfade 1 bis n so übereinander angeordnet, dass die ungleiche Geschwindigkeitsverteilung v1 bis vn über der Pegelhöhe h1 bis hn (Fig. 3) ermittelt werden kann. Durch eine geeignete Integration lässt sich damit die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Querschnitt mit hoher Genauigkeit errechnen. Solche Messverfahren sind z.B. in der ISO/DIS 6416 beschreiben.
  • Bei einer Vielzahl von Applikationen bei denen Ultraschalldurchflussmesser zu Einsatz kommen, wäre neben der Durchflussmengenmessung auch die Messung der Partikeldichte oder Trübung von hohem Interesse. Als Beispiele seien hier die Messung von Rauch- und Abgasen, die Messung von Luftmengenströmen zur Verbrennungsregelung, die Messung hinter Filtern und die Messung von Zu- und Ablaufen in Klaranlagen genannt. In den genannten Beispielen ist die Partikelmessung teilweise vorgeschrieben um z.B. Umweltauflagen zu erfüllen und/oder sie ist ein wichtiger Parameter um die Prozesse optimal zu überwachen oder zu steuern.
  • Es sind Verfahren zur Messung der Partikelkonzentration nach optischen Prinzipien bekannt. Dabei wird die Schwächung eines Lichtstrahls durch Streuung und Absorption zur Berechnung der Partikelkonzentration im Fluid benutzt. Diese Verfahren überwachen jedoch ein sehr geringes Kontrollvolumen welches als repräsentativ für den gesamten Meßquerschnitt angenommen wird. Darüber hinaus liefern diese Verfahren keinen ortsaufgelösten Meßwert. Ein weiterer Nachteil ist, daß diese Verfahren verschmutzungsanfällig und dadurch wartungsintensiv sind, beispielsweise wegen Algenbildung oder Ablagerungen von Schwebstoffen an den Lichtquellen oder Sensoren.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Durchfluss-Mengenmessung mit Ultraschall zu schaffen, das eine kostengünstige und zuverlässige Möglichkeit zur Messung der Parikelkonzentration bietet.
  • Zu diesem Zweck wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zusätzlich die Reflexion des Ultraschall-Signals an Partikeln im Fluid erfasst um daraus die Konzentration der Partikel zu ermitteln. Zur Erfassung der Reflexionen sind im Hinblick auf ein Verfahren zur DurchflussMengenmessung keine zusätzlichen Ultraschall-Wandler notwendig. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich daher kostengünstig mit einer bereits vorhandenen Meßanordnung zur Durchfluss-Mengenmessung durchführen. Gegenüber bekannten Verfahren zur Messung der Partikelkonzentration ist das erfindungsgemäße Verfahren zuverlässiger, da die Ultraschall-Wandler weniger anfällig gegen Verschmutzung sind als optische Sensoren.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe der Erfindung auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens, mit wenigstens zwei Ultraschall- Wandlern, welche umschaltbar sind vom Sendezustand in einen Empfangszustand, wobei die Ultraschall-Wandler im Sendezustand Ultraschallsignale aussenden können, die von Ultraschall-Wandlern im Empfangszustand empfangen werden können, nachdem sie den zu untersuchenden Fluidstrom durchquert haben, und wobei wenigstens einer der Ultraschall-Wandler so schnell von Senden auf Empfang umschaltbar ist, daß er die Reflexionen seines ausgesandten Signales empfangen kann. Für den Empfang der Reflexionen ist daher kein separater Sensor erforderlich, so daß die Vorrichtung kostengünstig hergestellt werden kann, bzw. eine bereits vorhandene Meßanordnung zur Durchfluss-Mengenmessung ohne Installationsaufwand verwendbar oder umrüstbar ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens, mit wenigstens zwei Ultraschall-Wandlern, welche umschaltbar sind vom Sendezustand in einen Empfangszustand, wobei die Ultraschall-Wandler im Sendezustand Ultraschallsignale aussenden können, die von Ultraschall-Wandlern im Empfangszustand empfangen werden können, nachdem sie den zu untersuchenden Fluidstrom durchquert haben, und wobei zusätzliche Ultraschall-Wandler vorgesehen sind, die so angeordnet sind, daß sie die Reflexionen des von den Ultraschall-Wandlern im Sendezustand ausgesandten Signales empfangen können. Dadurch können für den Empfang der Reflexionen speziell angepaßte Ultraschall-Wandler vorgesehen sein.
  • Weitere Ausgestalltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen ausführlich beschrieben. Dazu wird Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen zeigt:
  • Figur 1 eine schematische Ansicht einer Anordnung zur Durchführung eines Laufzeitverfahrens nach dem Stand der Technik;
  • Figur 2 einen Querschnitt durch die Anordnung aus Fig. 1 entlang der Linie II-II in Fig. 1;
  • Figur 3 eine schematische Darstellung eines Strömungsgeschwindigkeitsprofils, wie es mit einer Anordnung nach den Figuren 1 und 2 ermittelt werden kann;
  • Figur 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • Figur 5 eine schematische Darstellung der Funktionsweise der Vorrichtung aus Fig. 4;
  • Figur 6 eine schematische Darstellung der örtlichen Verteilung der Partikelkonzentration, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt werden kann;
  • Figur 7 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs eines ersten Anregungssignals für einen Ultraschall-Wandler und der Schwingungsantwort des Wandlers auf dieses Signal;
  • Figur 8 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs eines zweiten Anregungssignals für einen Ultraschall-Wandler und der Schwingungsantwort des Wandlers auf dieses Signal;
  • Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 28 ist in Figur 4 dargestellt. Mehrere Ultraschall-Wandler 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b sind in dem zu messenden Querschnitt eines offenen Gerinnes 30 paarweise installiert, so daß sich jeweils zwischen den Mitgliedern eines Paares 32a und 32b, 34a und 34b, 36a und 36b, 38a und 38b Pfade a, b, c, d erstrecken, die den Querschnitt des Gerinnes 30 in verschiedenen Tiefen von einer Seitenwand zur anderen durchqueren. Dabei schließen die Pfade a, b, c, d mit der Strömungsrichtung R des Fluids 20 einen Winkel θ ein (siehe auch Figur 5) wodurch die Pfade in einer Richtung mit der Strömung und in entgegengesetzter Richtung gegen die Strömung des Fluids 20 durchlaufen werden können. Die Ultraschall-Wandler 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b sind über einen Sendemultiplexer 40 mit einem Signalgenerator 42 mit Verstärker 44 und über einen Empfangsmultiplexer 46 mit einer Signalverarbeitungseinheit 48 verbunden, sodass jeder der Ultraschall-Wandler 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b wahlweise als Sender oder Empfänger geschaltet werden kann. Die Signalverarbeitungseinheit 48 besteht aus einem Filter 50 einem Versrärker 52 einem Analog/Digitalwandler 54, in dem die gefilterten und verstärkten Signale von den Ultraschall-Wandlern digitalisiert werden, und einem Speicher 56, in dem die digitalisierten Signale schließlich für die weitere Analyse gespeichert werden.
  • Eine Steuer- und Auswerteeinheit 60 enthält eine schnelle Ablaufsteuerung 62, welche den Signalgenerator 42, den Sendemultiplexer 40 und den Empfangsmultiplexer 46 steuert, eine Recheneinheit mit Prozessor 64, zur Analyse der im Speicher 56 abgelegten Signale, und eine Bedien- und Beobachtungseinheit 66 zur Bedienung der Messvorrichtung 28 und zur Datenausgabe.
  • Für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids 20, z.B. zur Bestimmung der Durchflussmenge, wird in bekannter Weise jeweils ein Ultraschall-Wandler der 32a und 32b, 34a und 34b, 36a und 36b, 38a und 38b als Sender geschaltet, der jeweils andere als Empfänger. Um ein Übersprechen zwischen den verschiedenen Pfaden a bis d zu vermeiden wird vorzugsweise nur jeweils einer der Ultraschall-Wandler gleichzeitig als Sender geschaltet. Ist beispielsweise der Ultraschall-Wandler 32a als Sender geschaltet, wird er durch ein kurzes elektrisches Signal, wie es beispielhaft in Fig. 6 dargestellt ist, vom Signalgenerator 42 angeregt und sendet ein Ultraschallsignal 70 aus, welches sich entlang des Pfades a zum Empfänger 32b ausbreitet und dort registriert wird, sodass die Laufzeit t1 des Signals ermittelt werden kann. Anschließend wird der Ultraschall-Wandler 32b als Sender geschaltet, und ein Ultraschallsignal 70 in entgegengesetzter Richtung über den Pfad a gesendet, welches eine Laufzeit t2 benötigt. Aus der Differenz der Laufzeiten t1 und t2 läßt sich in bekannter Weise die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids berechnen.
  • Das Ultraschallsignal 70 wird jedoch auch an den im Fluid 20 enthaltenen Partikeln 73, 74, 75 reflektiert. Die reflektierten Ultraschallsignale E1, E2, E3 sind durch die Eigenbewegung der Partikel 73, 74, 75 in Ihrer Frequenz verschoben (Doppler-Effekt). Um die Reflexionen E1, E2, E3 des Ultraschallsignals 70 auswerten zu können um damit die Konzentration der Partikel 73, 74, 75 im Meßquerschnitt zu berechnen, wird der als Sender geschaltete Ultraschall-Wandler 32a bzw. 32b unmittelbar nach dem Senden der Ultraschallsignale 70 als Empfänger geschaltet. Damit kann er die Reflexionen E1, E2, E3 empfangen und zur Auswertung über den Empfangsmultiplexer 46 an die Signalverarbeitungseinheit 48 weiterleiten.
  • Soll derselbe Ultraschall-Wandler kurz nach dem Senden wieder als Empfänger arbeiten, muß die Eigenschwingung des Ultraschall-Wandlers schnell gedämpft werden. Es ist bekannt, daß Ultraschall-Wandler eine Nachschwingzeit tN besitzen. Damit schnell wieder empfangen werden kann, ist eine kurze Nachschwingungszeit tN' wünschenswert. Wird, wie in Fig. 7 dargestellt, der Ultraschall-Wandler durch ein einfaches Pulssignal 80 der Länge tc angeregt, so verhält sich die Eigenschwingung des Ultraschall-Wandlers ähnlich der dargestellten Kurve 82. Auf eine Einschwingphase 84 folgt eine Nachschwingphase 86 mit einer langen Nachschwingzeit tN.
  • Eine lange Nachschwingzeit tN kann zum einen durch eine konstruktiven Gestaltung des Ultraschall-Wandlers vermieden werden. Die Nachschwingzeit tN lässt sich aber auch durch eine sinnvolle Gestaltung des Sendesignals vom Signalgenerator 42 deutlich verkürzen. In Fig. 8 ist ein Sendesignal 90 dargestellt, bei dem nach einem Anregungsteil 92 der Länge tc eine Phasenverschiebung φ eingefügt wird, nach der ein Dämpfungsteil 94 der Länge td folgt. Wird die Phasenverschiebung φ so gewählt, dass der Dämpfungsteil 94 den Schwingungen 96 des Ultraschall-Wandlers entgegenwirkt, so läßt sich eine deutlich verkürzte Nachschwingzeit tN' erreichen. Der Ultraschall-Wandler kann somit wesentlich schneller als Empfänger verwendet werden.
  • Nach der Digitalisierung der reflektierten Signale im A/D-Wandler 54, kann durch eine Amplitudenanalyse die Partikelkonzentration ermittelt werden. Durch eine zeitliche Diskretisierung der reflektierten Signale E1, E2, E3 läßt sich die Entfernung der Reflexionsquellen 73, 74, 75, vom Empfänger, in Fig. 5 Ultraschall-Wandler 32a, bestimmen. Hierzu muss zuerst die Schallgeschwindigkeit v, des Mediums ermittelt werden. Diese ergibt sich nach 1 aus der Pfadlänge 1 dividiert durch die mittlere Laufzeit 0,5 (t1 + t2). Die Entfernung I(t) der Partikel, an denen die Reflexion E(t) entstand, ergibt sich dann aus
    Figure 00060001
    Durch Erfassung der Reflexionen E1, E2, E3 auf mehreren Pfaden a bis d, lassen sich sowohl örtlich aufgelöste Partikeldichten darstellen (Fig. 6) als auch durch geeignete Algorithmen genaue Mittelwerte aus dem gesamten Meßquerschnitt ermitteln.
  • Der Anwender hat durch das beschriebene Verfahren eine wesentlich höhere Auflösung seines Meßquerschnittes und damit eine höhere Genauigkeit der Messergebnisse als bei der punktuellen Messung der Partikeldichte nach dem Stand der Technik.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Erfassung der Reflexionen zu Messung der Partikelkonzentration mit den vorhandenen Ultraschall-Wandlern durchgeführt wird. Dann ist weder zusätzlicher Einbauaufwand notwendig, noch fallen weitere Gerätekosten an.
  • Vor der Digitalisierung im A/D-Wandler 54 werden die erfaßten Reflexionen in einem Filter 50 gefiltert. Der Filter 50 ist so ausgelegt, das nur die dopplerverschobenen Reflexionen ungedämpft bleiben. Die Filterparameter sind vorzugsweise von der Ablaufsteuerung 62 veränderbar. Dadurch kann der Durchlassbereich des Filters 50 in Abhängigkeit von der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit des Fluids 20 an die zu erwartende Dopplerverschiebung der Reflexionen angepasst werden.
  • Vorteilhafterweise können nicht nur die Reflxionen auf dem Pfad, auf dem gesendet wurde, erfasst werden. Es können auch Reflexionen und insbesondere Streusignale mittels der auf den anderen Pfaden angeordneten Empfänger erfaßt und zur Auswertung herangezogen werden. Auf diese Weise können die Quellen der Reflexionen und Streusignale örtlich detaillierter aufgelöst und damit die Konzentrationsverteilung der Partikel genauer ermittelt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können zusätzlich zu den für die Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung vorgesehenen Ultraschall-Wandlern 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b weitere, separate Ultraschall-Wandler 32c (Fig. 5) zur Erfassung der Reflexionen E1, E2, E3. vorgesehen sein. Die Reflexionen E1, E2, E3 können dann entweder zusätzlich mit diesen separaten Ultraschall-Wandler 32c erfasst werden, so daß eine höhere Ortsauflösung der Partikelkonzentration möglich ist. Bei geeigneter Anordnung der Empfänger ist auch eine räumliche Auflösung der Partikelkonzentration möglich.
  • Oder es werden anstelle der Wandler 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b nur die separaten Ultraschall-Wandler zur Erfassung der Reflexionen verwendet. Dies bietet die Möglichkeit speziell ausgebildete Wandler einzusetzen, die besonders an ihre Aufgabe, das Empfangen, angepasst sind. Die Ultraschall-Wandler 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b für die LaufzeitMengenmessung, die als Sender arbeiten sollen, besitzen nämlich in der Regel einen geringen Abstrahlwinkel, damit das Signal gerichtet abgegeben wird, und damit auch meist einen kleinen Empfangswinkel. Dagegen ist es für die Erfassung der gesteuerten Signale vorteilhaft, wenn die Empfänger einen großen Empfangswinkel aufweisen.

Claims (9)

  1. Verfahren zu Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung eines strömenden Fluids, bei dem die Laufzeit eines Ultraschall-Signals (70) entgegen und mit der Strömung (R) gemessen und daraus die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Reflexionen des Ultraschall-Signals (70) an Partikeln im Fluid erfasst werden, um daraus die Konzentration der Partikel zu ermitteln.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Konzentration der Partikel durch Amplitudenanalyse der Reflexionen des Ultraschall-Signals (70) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die örtliche Konzentrationsverteilung (73, 74, 75) der Partikel mittels Analyse der Laufzeit der Reflexionen (E1, E2, E3) des Ultraschall-Signals (70) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mittels Analyse der Laufzeit von mehreren Ultraschall-Signalen entlang mehrerer Pfade ein Strömungsgeschwindigkeitsprofil ermittelt wird und die örtliche Konzentrationsverteilung der Partikel durch Auswertung der Reflexionen der mehreren Ultraschall-Signale ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Erzeugung des Ultraschall-Signals (70) in einem Ultraschall-Wandler (32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b) ein elektrisches Sendesignal (90) verwendet wird, welches aus einem Anregungsteil (92) und einem Dämpfungsteil (94) besteht.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Dämpfungsteil (94) gegenüber dem Anregungsteil (92) eine Phasenverschiebung (φ) aufweist, sodass er dem Nachschwingen des Ultraschall-Wandlers entgegenwirkt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erfassten Reflexionen (E1, E2, E3) von der Auswertung schmalbandig gefiltert werden.
  8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorgrnnanten Ansprüche, mit wenigstens zwei Ultraschall-Wandlern (32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b), welche umschaltbar sind vom Sendezustand in einen Empfangszustand, wobei die Ultraschall-Wandler im Sendezustand Ultraschallsignale (70) aussenden können, die von UltraschallWandlern im Empfangszustand empfangen werden können, nachdem sie den zu untersuchenden Fluidstrom (20) durchquert haben, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Ultraschall-Wandler (32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b) so schnell von Senden auf Empfang umschaltbar ist, daß er die Reflexionen (E1, E2, E3) seines ausgesandten Signals (70) empfangen kann.
  9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche, mit wenigstens zwei Ultraschall-Wandlern (32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b), welche umschaltbar sind vom Sendezustand in einen Empfangszustand, wobei die UltraschallWandler im Sendezustand Ultraschallsignale (70) aussenden können, die von UltraschallWandlern im Empfangszustand empfangen werden können, nachdem sie den zu untersuchenden Fluidstrom (20) durchquert haben, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Ultraschall-Wandler (32c) vorgesehen sind, die so angeordnet sind, dass sie die Reflexionen (E1, E2, E3) des von den Ultraschall-Wandlern im Sendezustand ausgesandten Signales (70) empfangen können.
DE10224294A 2002-05-31 2002-05-31 Verfahren zur Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung Withdrawn DE10224294A1 (de)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10224294A DE10224294A1 (de) 2002-05-31 2002-05-31 Verfahren zur Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung
US10/516,030 US7270001B2 (en) 2002-05-31 2003-05-31 Ultrasonic measurement of the running time and quantity for detecting the concentration of particles in a flowing fluid
EP03755916.8A EP1554548B1 (de) 2002-05-31 2003-05-31 Ultraschall-laufzeit-mengenmessung zum ermitteln der konzentration von partikeln in einem strömenden fluid
DE10393301T DE10393301D2 (de) 2002-05-31 2003-05-31 Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung zum Ermitteln der Konzentration von Partikeln in einem strömenden Fluid
AU2003250741A AU2003250741A1 (en) 2002-05-31 2003-05-31 Ultrasonic measurement of the running time and quantity for detecting the concentration of particles in a flowing fluid
PCT/DE2003/001783 WO2003102512A1 (de) 2002-05-31 2003-05-31 Ultraschall-laufzeit-mengenmessung zum ermitteln der konzentration von partikeln in einem strömenden fluid

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10224294A DE10224294A1 (de) 2002-05-31 2002-05-31 Verfahren zur Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE10224294A1 true DE10224294A1 (de) 2004-01-15

Family

ID=29594208

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10224294A Withdrawn DE10224294A1 (de) 2002-05-31 2002-05-31 Verfahren zur Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung
DE10393301T Withdrawn - After Issue DE10393301D2 (de) 2002-05-31 2003-05-31 Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung zum Ermitteln der Konzentration von Partikeln in einem strömenden Fluid

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10393301T Withdrawn - After Issue DE10393301D2 (de) 2002-05-31 2003-05-31 Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung zum Ermitteln der Konzentration von Partikeln in einem strömenden Fluid

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7270001B2 (de)
EP (1) EP1554548B1 (de)
AU (1) AU2003250741A1 (de)
DE (2) DE10224294A1 (de)
WO (1) WO2003102512A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006033611A1 (de) * 2006-07-18 2008-01-31 Hydrometer Gmbh Gasphasenkorrektur für Ultraschalldurchflussmesser
DE102009019497A1 (de) * 2009-05-04 2010-11-11 Wittenstein Ag Verfahren zur Untersuchung eines Mediums
DE102015106695A1 (de) 2015-04-29 2016-11-03 Manuel Haide Verfahren und Vorrichtung zur Durchflussmessung

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2003902318A0 (en) * 2003-05-14 2003-05-29 Vision Fire And Security Pty Ltd Improved Sensing Apparatus And Method
US7458260B2 (en) * 2005-11-07 2008-12-02 Claridy Solutions, Inc. Fluid level detection using RF
US7484414B2 (en) * 2005-11-30 2009-02-03 Nanoalert Ltd. Method and apparatus for determination of the concentration of particles in multi-component fluid systems
DE102007008505A1 (de) * 2007-02-21 2008-08-28 Siemens Ag Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Wandlers und Wandlervorrichtung
DE102009046159A1 (de) 2009-10-29 2011-05-05 Endress + Hauser Flowtec Ag Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem
DE102010031128A1 (de) 2010-07-08 2012-01-12 Endress + Hauser Flowtec Ag Ultraschall-Partikelmesssystem
DE102010031129A1 (de) 2010-07-08 2012-01-12 Endress + Hauser Flowtec Ag Ultraschall-Partikelmesssystem
BR112013004990A2 (pt) * 2010-09-03 2016-05-31 Los Alamos Nat Security Llc aparelho e método para detectar não invasivamente pelo menos uma partícula em um fluido
DE102011012992A1 (de) * 2011-03-03 2012-09-06 Continental Automotive Gmbh Anordnung und Verfahren zur Ermittlung einer Konzentration eines Bestandteils eines Fluidgemisches
JP5867708B2 (ja) * 2012-01-10 2016-02-24 横河電機株式会社 超音波流量計
DE102013102810A1 (de) 2012-04-12 2013-10-17 Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik mbH + Co. KG Verfahren zur Erfassung und/oder Überwachung des Feststoffgehalts bei der Rohwasserförderung aus Brunnen
US9759591B2 (en) * 2012-10-11 2017-09-12 Rubicon Research Pty Ltd Undershot gate flow control system with flow diverter
US9316525B2 (en) * 2013-05-15 2016-04-19 Air Products And Chemicals, Inc. Ultrasonic liquid level sensing systems
JP6468790B2 (ja) * 2014-10-21 2019-02-13 日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社 超音波式漏洩検知装置及びそれを用いた漏洩検知方法
GB201713895D0 (en) * 2017-08-30 2017-10-11 Sentec Ltd Transducer drive and damping technique

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS54125061A (en) * 1978-03-23 1979-09-28 Toshiba Corp Ultrasonic type instrument
DE3409595A1 (de) * 1984-03-15 1985-09-19 Micro Pure Systems, Inc., Smithfield, R.I. Verfahren und einrichtung zum identifizieren von diskontinuitaeten in einer stroemung
DE4027030A1 (de) * 1990-08-27 1992-03-05 Honeywell Regelsysteme Gmbh Verfahren und vorrichtung zur messung der stroemungsgeschwindigkeit
DE4232526C2 (de) * 1992-09-29 1996-06-20 Georg F Wagner Vorrichtung zur Messung kleiner Flüssigkeitsströme mit Hochfrequenz-Ultraschall und deren Verwendung
DE19653001A1 (de) * 1996-12-19 1998-06-25 Wagner & Schaerfl Mess Und Dat Vorrichtung zur Strömungsmessung und Konzentrationsbestimmung von abrasiven Feststoffen in Flüssigkeiten
DE19740549A1 (de) * 1997-09-15 1999-03-25 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Strömungscharakteristik und anderer Prozeßparameter
DE19808701A1 (de) * 1998-03-02 1999-09-16 Georg F Wagner Durchflussmessvorrichtung
EP1186868A2 (de) * 2000-09-11 2002-03-13 Daniel Industries, Inc., Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung von Gasen und Flüssigkeiten sowie des Flüssigkeitsstandes in einem Rohr mit geschichteter Strömung

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3575050A (en) * 1968-12-04 1971-04-13 Panametrics Fluid flowmeter
US3779070A (en) * 1971-11-23 1973-12-18 Autometrics Co Particle size and percent solids monitor
US3731532A (en) * 1972-01-14 1973-05-08 Thomson Csf Ultrasonic flowmeter and method of metering
GB2156075B (en) 1984-03-15 1987-12-02 Micro Pure Systems Inc Ultrasonic flow discontinuity identification
DE3580670D1 (de) * 1985-04-17 1991-01-03 Stichting Waterbouwkundig Lab System zum messen von partikeltransport in fluessigkeit.
JPS61288185A (ja) 1985-06-14 1986-12-18 Omron Tateisi Electronics Co 超音波センサ
EP0364786B1 (de) * 1988-10-11 1994-03-16 Maschinenfabrik Rieter Ag Erkennung von Fremdgut in Textilfasern
ES2143038T3 (es) * 1993-12-23 2000-05-01 Flowtec Ag Aparato de medida de caudal volumetrico por ultrasonidos del tipo de pinza.
JP4366753B2 (ja) 1999-05-11 2009-11-18 パナソニック株式会社 超音波流量計
US6481268B1 (en) * 1999-10-12 2002-11-19 Baker Hughes, Inc. Particle measurement by acoustic speckle

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS54125061A (en) * 1978-03-23 1979-09-28 Toshiba Corp Ultrasonic type instrument
DE3409595A1 (de) * 1984-03-15 1985-09-19 Micro Pure Systems, Inc., Smithfield, R.I. Verfahren und einrichtung zum identifizieren von diskontinuitaeten in einer stroemung
DE4027030A1 (de) * 1990-08-27 1992-03-05 Honeywell Regelsysteme Gmbh Verfahren und vorrichtung zur messung der stroemungsgeschwindigkeit
DE4232526C2 (de) * 1992-09-29 1996-06-20 Georg F Wagner Vorrichtung zur Messung kleiner Flüssigkeitsströme mit Hochfrequenz-Ultraschall und deren Verwendung
DE19653001A1 (de) * 1996-12-19 1998-06-25 Wagner & Schaerfl Mess Und Dat Vorrichtung zur Strömungsmessung und Konzentrationsbestimmung von abrasiven Feststoffen in Flüssigkeiten
DE19740549A1 (de) * 1997-09-15 1999-03-25 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Strömungscharakteristik und anderer Prozeßparameter
DE19808701A1 (de) * 1998-03-02 1999-09-16 Georg F Wagner Durchflussmessvorrichtung
EP1186868A2 (de) * 2000-09-11 2002-03-13 Daniel Industries, Inc., Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung von Gasen und Flüssigkeiten sowie des Flüssigkeitsstandes in einem Rohr mit geschichteter Strömung

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006033611A1 (de) * 2006-07-18 2008-01-31 Hydrometer Gmbh Gasphasenkorrektur für Ultraschalldurchflussmesser
DE102006033611B4 (de) * 2006-07-18 2010-04-08 Hydrometer Gmbh Gasphasenkorrektur für Ultraschalldurchflussmesser
DE102009019497A1 (de) * 2009-05-04 2010-11-11 Wittenstein Ag Verfahren zur Untersuchung eines Mediums
US8272269B2 (en) 2009-05-04 2012-09-25 Wittenstein Ag Method for examining a medium
DE102009019497B4 (de) * 2009-05-04 2014-07-17 Wittenstein Ag Verfahren zur Untersuchung eines Mediums
DE102015106695A1 (de) 2015-04-29 2016-11-03 Manuel Haide Verfahren und Vorrichtung zur Durchflussmessung

Also Published As

Publication number Publication date
EP1554548A1 (de) 2005-07-20
AU2003250741A1 (en) 2003-12-19
DE10393301D2 (de) 2005-05-25
US20060005611A1 (en) 2006-01-12
EP1554548B1 (de) 2019-05-22
US7270001B2 (en) 2007-09-18
WO2003102512A1 (de) 2003-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10224294A1 (de) Verfahren zur Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung
EP0985134B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur messung von dichte und massenstrom
DE69819073T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer strömenden Flüssigkeit
EP1032804B1 (de) Einrichtung zur fehlererfassung und/oder wanddickenmessung bei durchlaufenden bändern oder rohren aus kunststoff mit ultraschallsignalen
EP3404372B1 (de) Ultraschalldurchflussmessgerät
DE102015105685B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen des Vorhandenseins von Flüssigkeit in einem Gasstrom
EP2440888B1 (de) Verfahren zum messen einer messgrösse
DE102014115203B3 (de) Verfahren und Anordnung zur Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessung und Schaltungsanordnung zur Steuerung einer Ultraschall-Clamp-on-Durchflussmessung
EP1039289A2 (de) Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Grösse von Partikeln
EP3343185B1 (de) Ultraschalldurchflussmessgerät und verfahren zur messung des durchflusses
DE102018006084B3 (de) Messverfahren und Messanordnung zur Messung der Partikelgrößenverteilung und Partikelkonzentration in einer liquiddurchflossenen Leitung
DE102017110736A1 (de) Messeinrichtung
DE19535848C1 (de) Vorrichtung zur Messung der akustischen Impedanz von flüssigen Medien
DE4027030C2 (de)
DE19733091A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Emboliedetektion
DE102009035983A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Durchflussmenge eines Fluids
EP3301410B1 (de) Lokalisieren eines ereignisses in einem sensorsignal
DE10318756B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke von Blattgut
DE102006019146B3 (de) Vorrichtung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides oder Gases in einem Rohr
DE102016116070A1 (de) Verfahren zur Erkennung von Fremdkörpern bei einem Vortex-Durchflussmessgerät, ein Vortex-Durchflussmessgerät, eine Anordnung mit einem Vortex-Durchflussmessgerät und eine Abfüllanlage mit einer Anordnung
EP3857185A1 (de) Verfahren zur erzeugung eines erregersignals sowie zur akustischen messung in technischen hohlräumen
WO1996000375A1 (de) Ultraschall-durchflussmesser mit kontinuierlicher nullfluss-kalibrierung
DE3732834C2 (de)
DE19935680A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Schlammkonzentration in einer Flüssigkeit
DE19535846C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Massenflusses von strömenden flüssigen Medien

Legal Events

Date Code Title Description
OM8 Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law
8139 Disposal/non-payment of the annual fee