DE10232101C1 - Ultrasound measuring method for flow velocity uses measured ultrasound pulse propagation times between 2 spaced ultrasound transducers - Google Patents
Ultrasound measuring method for flow velocity uses measured ultrasound pulse propagation times between 2 spaced ultrasound transducersInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Ultraschalldurchflußmeßverfahren zur Messung ei ner Strömungsgeschwindigkeit eines eine Meßleitung durchströmenden Me diums mittels zweier, in Strömungsrichtung des Mediums zueinander versetzt angeordneter Ultraschallwandler, wobei von beiden Ultraschallwandlern je weils einerseits Ultraschallimpulse ausgesandt und andererseits von dem je weilig anderen Ultraschallwandler ausgesandte Ultraschallimpulse empfangen werden, die Strömungsgeschwindigkeit auf der Grundlage der Laufzeiten der von dem einen bzw. dem anderen Ultraschallwandler empfangenen Ultra schallimpulse berechnet wird, auf der Grundlage der berechneten Schallaus breitung der von dem einen zum anderen Ultraschallwandler laufenden Ultra schallimpulse wenigstens ein Korrekturparameter ermittelt wird und die Strö mungsgeschwindigkeit unter Berücksichtigung des ermittelten Korrekturpa rameters berechnet wird. Ein solches Ultraschalldurchflußmeßverfahren ist z. B. aus dem Abstract zu JP 2000-337 938 A bekannt.The invention relates to an ultrasonic flow measuring method for measuring egg ner flow velocity of a flow through a measuring line diums offset by means of two, in the flow direction of the medium arranged ultrasound transducer, each of both ultrasound transducers because ultrasound pulses are emitted on the one hand and on the other hand depending on that because other ultrasound transducers receive transmitted ultrasound pulses be the flow rate based on the transit times of the Ultra received from one or the other ultrasonic transducer sound impulses is calculated based on the calculated sound Spreading the Ultra running from one ultrasonic transducer to another sound impulses at least one correction parameter is determined and the currents speed taking into account the determined correction pa rameters is calculated. Such an ultrasonic flow measuring method is z. B. from the abstract to JP 2000-337 938 A.
Zuvor heißt es, daß das Ultraschalldurchflußmeßverfahren zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit des durch die Meßleitung strömenden Mediums dient. Dazu ist folgendes anzumerken: Das die Meßleitung durchströmende Medium fließt typischerweise mit einem bestimmten Strömungsprofil, bei ei ner laminaren Strömung z. B. mit einem solchen Strömungsprofil, bei dem der radiale Gradient des Geschwindigkeitsverlaufs linear ist. Jedenfalls strömt das Medium an unterschiedlichen Punkten im Querschnitt der Meßleitung in der Regel mit voneinander verschiedenen Geschwindigkeiten, so daß es sich bei der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit immer nur um eine längs des Meßpfads, also der Verbindung der beiden Ultraschallwandler, gemittelte Strömungsgeschwindigkeit handelt.Previously, it is said that the ultrasonic flow measuring method for measuring a Flow velocity of the medium flowing through the measuring line serves. The following should be noted: The flow through the measuring line Medium typically flows with a certain flow profile, at egg ner laminar flow z. B. with such a flow profile in which the radial gradient of the speed curve is linear. In any case, it flows Medium at different points in the cross section of the measuring line in the Usually with different speeds, so that it is the measured flow velocity only by one along the Measurement path, i.e. the connection of the two ultrasonic transducers, averaged Flow velocity.
Diese gemittelte Strömungsgeschwindigkeit muß darüber hinaus nicht zwangsläufig die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des gesamten Mediums in der Meßleitung sein, sondern ist abhängig von dem Verlauf des Meßpfads durch das Medium hindurch. Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des ge samten durch die Meßleitung strömenden Mediums wird nur dann durch eine Messung mit zwei Ultraschallwandlern ermittelt, wenn es sich bei der Meß leitung um eine rotationssymmetrische Leitung handelt, das Strömungsprofil ebenfalls rotationssymmetrisch ist und die Verbindungslinie der beiden Ultra schallwandler die Längsachse der Meßleitung schneidet.In addition, this averaged flow velocity does not have to inevitably the average flow velocity of the entire medium be in the measuring line, but is dependent on the course of the measuring path through the medium. The mean flow rate of the ge entire medium flowing through the measuring line is then only by a Measurement with two ultrasonic transducers determined if it is in the measurement line is a rotationally symmetrical line, the flow profile is also rotationally symmetrical and the connecting line of the two Ultra sound transducer intersects the longitudinal axis of the measuring line.
Bezüglich der Meßleitung sei im übrigen angemerkt, daß diese typischerweise tatsächlich rotationssymmetrisch ist, deren Querschnitt also kreisförmig ist. Grundsätzlich kann der Querschnitt der Meßleitung jedoch beliebig sein. Die Meßleitung kann ferner einerseits als rundum geschlossenes Rohr andererseits aber auch als offenes Gerinne ausgebildet sein kann.With regard to the measuring line, it should also be noted that this is typically is actually rotationally symmetrical, the cross section of which is therefore circular. In principle, however, the cross section of the measuring line can be arbitrary. The Measuring line can also be a tube that is completely closed on the one hand but can also be designed as an open channel.
Das grundlegende Meßprinzip des eingangs beschriebenen Ultraschalldurch
flußmeßverfahren beruht darauf, daß Ultraschallimpulse einerseits mit einer
Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit und
andererseits entgegengesetzt zur Strömungsgeschwindigkeit durch das strö
mende Medium laufen, so daß sich folgende Laufzeiten der Ultraschallimpul
se ergeben:
The basic measuring principle of the ultrasonic flow measuring method described at the outset is based on the fact that ultrasonic pulses run on the one hand with a speed component in the direction of the flow velocity and on the other hand opposite to the flow velocity through the flowing medium, so that the following transit times of the ultrasonic pulses result:
wobei Tab die Laufzeit eines Ultraschallimpulses mit einer Geschwindigkeits komponente in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit, Tba die Laufzeit ei nes Ultraschallimpulses mit einer Geschwindigkeitskomponente entgegenge setzt zur Strömungsgeschwindigkeit, L der Abstand der beiden Ultraschall wandler voneinander, c die Schallgeschwindigkeit in dem die Meßleitung durchströmenden Medium, νm die mittlere Geschwindigkeit des Mediums längs des Meßpfades, also der Verbindungslinie zwischen den Ultraschall wandlern, und θ der Winkel zwischen der Verbindungslinie der beiden Ultra schallwandler und der Strömungsrichtung ist.where T from the transit time of an ultrasound pulse with a speed component in the direction of the flow velocity, T ba the transit time of an ultrasound pulse with a velocity component opposes the flow velocity, L the distance between the two ultrasound transducers, c the speed of sound in the medium flowing through the measuring line, ν m is the average speed of the medium along the measuring path, i.e. the connecting line between the ultrasound transducers, and θ is the angle between the connecting line of the two ultrasound transducers and the direction of flow.
Mit den Gleichungen 1 und 2 läßt sich die mittlere Geschwindigkeit des Me
diums, wie folgt, berechnen:
Equations 1 and 2 can be used to calculate the medium velocity of the medium as follows:
Gleichung 3 zeigt, daß die Schallgeschwindigkeit im Medium nicht in die Be rechnung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums eingeht. Gemäß dieser Berechnung ist also die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums unabhängig von der Schallgeschwindigkeit im Medium.Equation 3 shows that the speed of sound in the medium is not included in the Be calculation of the flow velocity of the medium. According to this The calculation means that the flow velocity of the medium is independent on the speed of sound in the medium.
Eine Verbesserung der Meßgenauigkeit von Ultraschalldurchflußmeßverfah ren läßt sich grundsätzlich dadurch erzielen, daß zur Erzielung endgültiger Meßergebnisse eine Korrektur der primär erzielten Meßergebnisse erfolgt. Entsprechendes ist z. B. aus dem Abstract zu JP 2000-292 233 A bekannt, um die Meßgenauigkeit auch dann aufrechtzuerhalten, wenn sich die Art des Ga ses, das die Meßleitung durchströmt, ändert.An improvement in the measurement accuracy of ultrasonic flow measurement Ren can basically be achieved in that to achieve final Measurement results A correction of the primary measurement results is carried out. The corresponding is z. B. from the abstract to JP 2000-292 233 A known to maintain the measurement accuracy even if the type of Ga ses that flows through the measuring line changes.
In dem Abstract zu JP 63-5218 A ist ein Ultraschalldurchflußmeßverfahren mit Korrektur der Meßergebnisse beschrieben, um eine gute Meßgenauigkeit auch bei der Messung unterschiedlicher Medien mit voneinander verschiede nen Schallgeschwindigkeiten zu gewährleisten. Entsprechendes ist auch dem Abstract zu JP 56-27 612 A bekannt, wobei dort Änderungen im Brechungs index der Ultraschallwellen, die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultra schallwellen in Abhängigkeit von der Temperatur und Zusammensetzung des Mediums und die Reynolds-Zahl berücksichtigt werden.In the abstract to JP 63-5218 A there is an ultrasonic flow measuring method described with correction of the measurement results to ensure good measurement accuracy also when measuring different media with different ones to ensure speeds of sound. The same is true for that Abstract known to JP 56-27 612 A, where there are changes in refraction index of ultrasound waves, the speed of propagation of the ultra sound waves depending on the temperature and composition of the Medium and the Reynolds number are taken into account.
Weiterhin ist aus der DE 33 31 519 C2 ein Verfahren zum Korrigieren der Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Medien mittels Ultraschall be kannt, wobei die Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums mit tels einer Formel korrigiert wird, die abhängig ist von der Länge der Ultra schall-Meßstrecke, dem Winkel zwischen der Ultraschall-Meßstrecke und der Strömungsrichtung, und der systembedingten, von der Strömungsgeschwin digkeit unabhängigen Totzeit.Furthermore, DE 33 31 519 C2 describes a method for correcting the Measurement of the flow rate of media using ultrasound knows, the measurement of the flow velocity of the medium with corrected using a formula that depends on the length of the Ultra sound measuring section, the angle between the ultrasonic measuring section and the Flow direction, and the system-related, of the flow rate independent dead time.
Der DE 34 38 976 C2 ist eine Korrektur eines Ultraschall-Durchflußmeßver fahrens entnehmbar, mit dem der Einfluß der Schallgeschwindigkeit auf den gemessenen Strömungsgeschwindigkeitswert eliminiert wird. Aus der US 4,109,523 ist ein Ultraschalldurchflußmeßverfahren bekannt, das mit mehre ren Ultraschallpfaden arbeitet, wobei ein numerisches Integrationsverfahren angewandt wird, um die Beziehung zwischen der jeweiligen Ultraschallpfade und einem Korrekturfaktor für zwei oder mehr Ultraschallpfade zu erzielen. Weiterhin ist aus der DE 198 13 975 C2 ein Verfahren zum Bestimmen einer rheologischen Kenngröße eines strömenden Mediums bekannt. Dabei werden von einem Ultraschallsender gesendete kontinuierliche Signale in einer vorge gebenen Schallfrequenz unter einem vorgegebenen Winkel zur Strömungs richtung des Mediums in das strömende Medium eingekoppelt und ein vom Medium reflektiertes Ultraschallsignal von einem Ultraschallempfänger emp fangen, wobei das Frequenzspektrum des empfangenen Ultraschallsignals zur Ermittlung der rheologischen Kenngröße herangezogen wird.DE 34 38 976 C2 is a correction of an ultrasonic flow meter removable with which the influence of the speed of sound on the measured flow velocity value is eliminated. From US 4,109,523 an ultrasonic flow measuring method is known which with several Ren ultrasound paths works using a numerical integration process is applied to the relationship between each ultrasound path and to achieve a correction factor for two or more ultrasound paths. Furthermore, DE 198 13 975 C2 describes a method for determining a rheological parameter of a flowing medium is known. In doing so continuous signals sent by an ultrasound transmitter in a pre given sound frequency at a given angle to the flow direction of the medium coupled into the flowing medium and one of the Medium reflected ultrasound signal from an ultrasound receiver emp catch, the frequency spectrum of the received ultrasound signal Determination of the rheological parameter is used.
Schließlich ist aus der EP 0 591 368 B1 ein Ultraschalldurchflußmeßverfahren bekannt, bei dem zur genauen Messung der Laufzeit mehrere aktustischer Wellenpakete ein Verfahren angewandt wird, bei dem bestimmte Moden der Wellenpakete unterdrückt werden.Finally, EP 0 591 368 B1 describes an ultrasonic flow measuring method is known, in which for the precise measurement of the runtime several acoustic Wave packets a method is used in which certain modes of the Wave packets are suppressed.
Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Ultraschalldurchflußmeßverfah ren ist es die Aufgabe der Erfindung, ein solches Ultraschalldurchflußmeßver fahren anzugeben, das eine weiter verbesserte Meßgenauigkeit aufweist.Starting from the ultrasonic flow measuring method described at the beginning ren it is the object of the invention, such an ultrasonic flow meter drive indicate that has a further improved measurement accuracy.
Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Berechnung der Schallausbreitung der von einem zum anderen Ultraschall wandler laufenden Ultraschallimpulse unter Berücksichtigung eines vorgege benen Frequenzspektrums der Schwingungen der Ultraschallwandler erfolgt.The previously derived and shown problem is solved in that the Calculation of the sound propagation from one ultrasound to another transducer current ultrasound pulses taking into account a pre frequency spectrum of the vibrations of the ultrasonic transducers.
Zur Berechnung der Schallausbreitung der von einem zum anderen Ultra schallwandler laufenden Ultraschallimpulse werden also Systemparameter, wie die frequenzabhängige Dämpfung der Ultraschallimpulse im Medium oder/und die Schallgeschwindigkeit im Medium berücksichtigt, und zwar für ein vorgegebenes Frequenzspektrum. Das heißt, daß die Ermittlung des Kor rekturparameters unter Berücksichtigung wenigstens eines Systemparameters nicht nur für eine einzige Frequenz, sondern für eine Mehrzahl von Frequen zen erfolgt. Bei dem Frequenzspektrum kann es sich einerseits um ein konti nuierliches Frequenzspektrum handeln, bei dem die einzelnen Frequenzen kontinuierlich aufeinanderfolgen, es kann jedoch auch ein diskretes Frequenz spektrum vorgesehen sein, das diskrete, voneinander beabstandete Frequenzen aufweist.To calculate the sound propagation from one Ultra to another sound transducer-running ultrasound pulses thus become system parameters, like the frequency-dependent damping of the ultrasonic pulses in the medium or / and the speed of sound in the medium is taken into account for a given frequency spectrum. This means that the determination of Cor rectification parameters taking into account at least one system parameter not just for a single frequency, but for a plurality of frequencies zen is done. The frequency spectrum can on the one hand be a continuous act nuclear frequency spectrum in which the individual frequencies Follow each other continuously, but it can also be a discrete frequency be provided spectrum, the discrete, spaced frequencies having.
Alternativ oder zusätzlich zu den zuvor genannten Systemparametern, näm lich der frequenzabhängigen Dämpfung der Ultraschallimpulse im Medium und der Schallgeschwindigkeit im Medium, können weitere Systemparameter, wie der Durchmesser bzw. die Fläche des schwingungsaktiven Bereichs der Ultraschallwandler, die Dichte des Mediums, der Abstand der Ultraschall wandler voneinander und damit die Länge des Meßpfades usw., berücksichtigt werden. Dabei wird als der schwingungsaktive Bereich eines Ultraschall wandlers der Bereich des Ultraschallwandlers bezeichnet, der aufgrund seiner Schwingfähigkeit für die Aussendung bzw. den Empfang der Ultraschallim pulse verantwortlich ist. Die Größe und Form des schwingungsaktiven Be reichs des Ultraschallwandler ist unter anderem maßgeblich für die Charakte ristik der erzeugten Ultraschallimpulse.Alternatively or in addition to the system parameters mentioned above, näm Lich the frequency-dependent damping of the ultrasonic pulses in the medium and the speed of sound in the medium, other system parameters, like the diameter or the area of the vibration-active area of the Ultrasonic transducer, the density of the medium, the distance of the ultrasound transducers from each other and thus the length of the measurement path, etc., taken into account become. It is considered the vibration active area of an ultrasound transducer is the area of the ultrasonic transducer, which is due to its Vibration capability for the transmission or reception of the ultrasound pulse is responsible. The size and shape of the vibration active Be The realm of the ultrasonic transducer is, among other things, decisive for the characters Statistics of the generated ultrasound pulses.
Als Korrekturparameter kann z. B. die erwartete Laufzeit der vom einen zum anderen Ultraschallwandler laufenden Ultraschallimpulse oder eine Verzöge rung dieser Laufzeit vorgesehen sein. Vorzugsweise erfolgt dabei eine Ermitt lung des Korrekturparameters bei einer angenommenen Strömung von Null, so daß - im Falle der Laufzeit als Korrekturparameter - aufgrund der nach der Korrektur der gemessenen Laufzeit erhaltenen Laufzeit ein direkter Rück schluß auf die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums möglich ist. Es kön nen zusätzlich auch weitere Korrekturparameter vorgesehen werden.As a correction parameter, e.g. B. the expected duration of the one to other ultrasound transducer running ultrasound pulses or a delay tion of this term. An investigation is preferably carried out correction parameter with an assumed flow of zero, so that - in the case of the runtime as a correction parameter - due to the after Correction of the measured transit time received a direct return conclusion on the flow rate of the medium is possible. It can additional correction parameters can also be provided.
Um einen schnellen Zugriff auf die Werte für den Korrekturparameter, vor zugsweise nämlich in Echtzeit, zu erhalten, kann vorgesehen sein, daß zur Ermittlung des Korrekturparameters die Systemparameter in einer Matrix ab gelegt werden. Dabei ist einer Kombination von zwei oder mehr Systempara metern genau ein Korrekturparameter zugeordnet. Da damit nur diskrete Sy stemparameter erfaßt werden, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, Zwischenwerte der Systemparameter über eine, vor zugsweise lineare, Interpolation zu berücksichtigen. Es kann jedoch auch vor gesehen sein, daß zur Ermittlung des Korrekturparameters eine Fit-Kurve als Funktion der Systemparameter verwendet wird, gegebenenfalls in Form einer exakten analytischen und/oder empirischen Formel. Damit steht ein kontinu ierliches System zur Ermittlung des Korrekturparameters zur Verfügung.To provide quick access to the values for the correction parameter preferably to receive in real time, it can be provided that for Determination of the correction parameter from the system parameters in a matrix be placed. There is a combination of two or more system parameters exactly one correction parameter is assigned to meters. Since this means only discrete sy According to a preferred development, stem parameters are recorded Invention provided intermediate values of the system parameters over a linear interpolation to be taken into account. However, it can also be done be seen that to determine the correction parameter a fit curve as Function of the system parameters is used, possibly in the form of a exact analytical and / or empirical formula. This is a continuation A system for determining the correction parameter is available.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsge mäße Ultraschalldurchflußmeßverfahren auszugestalten und weiterzubilden, wozu auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen wird. In der Zeichnung zeigt In detail, there are now a variety of options, the fiction to design and further develop ultrasonic flow measurement methods, why to the claims subordinate to claim 1 and to the following description of a preferred embodiment the invention with reference to the drawing. In the Drawing shows
Fig. 1 schematisch das verwendete Koordinatensystem zur Berechnung des Schalldruckfeldes eines Ultraschallimpulses, Fig. 1 schematically shows the coordinate system used for the calculation of the sound pressure field of an ultrasound pulse,
Fig. 2 die zeitliche Entwicklung eines von einem Ultraschallwandler in ein Medium ausgesandten Ultraschallimpulses, Fig. 2 shows the time evolution of a by an ultrasonic transducer in a medium the emitted ultrasound pulse,
Fig. 3 schematisch die Ermittlung des Korrekturparameters für die Schallausbreitung unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Frequenzspektrums der Schwingungen der Ultraschallwandler durch Fouriertransformation, Fig. 3 illustrates schematically the determination of the correction parameter for sound propagation in consideration of a predetermined frequency spectrum of the vibrations of the ultrasonic transducers by Fourier transformation,
Fig. 4 ermittelte Verzögerungszeiten in Abhängigkeit von der Schallge schwindigkeit im Medium einerseits und dem Abstand der Ultra schallwandler voneinander andererseits und Fig. 4 determined delay times depending on the Schallge speed in the medium on the one hand and the distance of the ultrasonic transducers on the other hand and
Fig. 5 schematisch den Ablauf eines Ultraschalldurchflußmeßverfah rens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin dung. Fig. 5 shows schematically the flow of an ultrasonic flow measuring procedure according to a preferred embodiment of the inven tion.
In Fig. 1 ist der schwingungsaktive Bereich eines Ultraschallwandlers, von
dem die Ultraschallimpulse ausgehen, schematisch als flache Scheibe darge
stellt. Der lokale Druck p des mit dem Ultraschallwandler im Medium er
zeugten Schalldruckfeldes kann in Abhängigkeit vom Abstand r vom Mittel
punkt der Scheibe und vom Winkel θ beschrieben werden, so daß für die zeit
liche Entwicklung des Schalldruckfeldes gilt (Kinsler, Frey, Coppens, San
ders, Fundamentals of Acoustics, Third Edition, Wiley, S. 176):
In Fig. 1, the vibration-active area of an ultrasonic transducer, from which the ultrasonic pulses emanate, represents schematically as a flat disk Darge. The local pressure p of the sound pressure field generated with the ultrasonic transducer in the medium can be described as a function of the distance r from the center of the disk and the angle θ, so that the temporal development of the sound pressure field applies (Kinsler, Frey, Coppens, San ders , Fundamentals of Acoustics, Third Edition, Wiley, p. 176):
wobei t die Zeit, ρ die Dichte des Mediums, U0 die Amplitude der Schwin gungen des schwingungsaktiven Bereichs des Ultraschallwandlers, k die Wellenzahl, ω die Kreisfrequenz der Schwingungen des Ultraschallwandlers und S die Fläche des schwingungsaktiven Bereichs des Ultraschallwandlers darstellt. where t is the time, ρ the density of the medium, U 0 the amplitude of the vibrations of the vibration-active area of the ultrasonic transducer, k the wave number, ω the angular frequency of the vibrations of the ultrasonic transducer and S the area of the vibration-active area of the ultrasonic transducer.
Der schwingungsaktive Bereich des Ultraschallwandlers bewegt sich mit einer
bestimmten Geschwindigkeitsfunktion u(t) in Abstrahlrichtung der Ultra
schallimpulse hin und her. Diese Geschwindigkeitsfunktion ist charakteri
stisch für einen jeden Ultraschallwandlertyp. Mit der Erkenntnis, daß es sich
bei der Bewegung des schwingungsaktiven Bereichs der verwendeten Ultra
schallwandler nicht um eine harmonische Schwingung handelt, sondern um
eine Schwingung mit einem breiten Frequenzspektrum, kann für die Ge
schwindigkeitsfunktion geschrieben werden
The vibration-active area of the ultrasonic transducer moves back and forth with a certain speed function u (t) in the radiation direction of the ultrasonic pulses. This speed function is characteristic of each type of ultrasonic transducer. With the knowledge that it is in the movement of the vibration-active area of the ultrasonic transducer used is not a harmonic vibration, but an oscillation with a wide frequency spectrum, can be written for the Ge speed function
wobei die Fn die Amplituden bei der jeweiligen Frequenz darstellen.where the F n represent the amplitudes at the respective frequency.
Die Geschwindigkeitsfunktion u(t) kann nun einer Fouriertransformation un
terzogen werden, so daß die Komponenten Pn(r, θ, fn) des Schalldruckfeldes
im Frequenzbereich für jeden Fourierkoeffizienten n erhalten werden. Für die
se Komponenten können dann die Systemparameter zur Berechnung des
Schalldruckfeldes in für sich grundsätzlich bekannter Weise berücksichtigt
werden. Dies ist im folgenden für den Dämpfungskoeffizienten α exempla
risch ausgeführt:
Für den Dämpfungskoeffizienten gilt (Kinsler, Frey, Coppens, Sanders, Fun
damentals of Acoustics, Third Edition, Wiley, S. 148):
The velocity function u (t) can now be subjected to a Fourier transformation, so that the components P n (r, θ, f n ) of the sound pressure field in the frequency domain are obtained for each Fourier coefficient n. For these components, the system parameters for calculating the sound pressure field can then be taken into account in a manner known per se. This is exemplified below for the damping coefficient α:
The following applies to the damping coefficient (Kinsler, Frey, Coppens, Sanders, Fun damentals of Acoustics, Third Edition, Wiley, p. 148):
wobei η die dynamische Viskosität des Mediums darstellt.where η represents the dynamic viscosity of the medium.
Damit ergibt sich für die Komponenten Pn This results in the components P n
Nachdem entsprechendes für alle zu berücksichtigenden Systemparameter durchgeführt worden ist, wird durch inverse Fouriertransformation zurück in den Zeitbereich transformiert, so daß die zeitliche Entwicklung des Schall druckfeldes p(r, θ, t, α) erhalten wird. Eine Darstellung des Schalldruckfeldes bei vier voneinander verschiedenen Zeiten, also die zeitliche Entwicklung ei nes von einem Ultraschallwandler in das Medium ausgesandten Ultraschall impulses, ist in Fig. 2 gezeigt.After the corresponding has been carried out for all system parameters to be taken into account, it is transformed back into the time domain by inverse Fourier transformation, so that the temporal development of the sound pressure field p (r, θ, t, α) is obtained. A representation of the sound pressure field at four different times, that is, the temporal development of an ultrasound pulse emitted by an ultrasound transducer into the medium, is shown in FIG. 2.
Die Ermittlung des Korrekturparameters für die Schallausbreitung unter Be rücksichtigung eines vorgegebenen Frequenzspektrums der Schwingungen der Ultraschallwandler durch Fouriertransformation, wie zuvor beschrieben, ist schematisch aus Fig. 3 ersichtlich. Dort ist dargestellt, daß neben der Berück sichtigung der Viskosität über den Dämpfungskoeffizienten α weitere Sy stemparameter, wie der Durchmesser a des schwingungsaktiven Bereichs der Ultraschallwandler, die Schallgeschwindigkeit c im Medium, die Dichte ρ des Mediums und die Länge L des Meßpfads, entsprechend dem Abstand der bei den Ultraschallwandler voneinander, berücksichtigt werden können. Die ent sprechenden Abhängigkeiten des Korrekturparameters von den Systempara metern bzw. die Abhängigkeiten der Systemparameter untereinander sind dem Fachmann gut bekannt bzw. können von diesem in der Fachliteratur, wie dem schon genannten Lehrbuch "Kinsler, Frey, Coppens, Sanders, Fundamentals of Acoustics, Third Edition, Wiley" nachgeschlagen werden. Im Ergebnis las sen sich damit das resultierendes Schalldruckfeld pres sowie schließlich die Laufzeit T der Ultraschallimpulse von einem zum anderen Ultraschallwandler ermitteln.The determination of the correction parameter for the sound propagation, taking into account a predetermined frequency spectrum of the vibrations of the ultrasound transducers by means of Fourier transformation, as described above, is shown schematically in FIG. 3. There it is shown that in addition to taking into account the viscosity via the damping coefficient α, further system parameters, such as the diameter a of the vibration-active region of the ultrasonic transducer, the speed of sound c in the medium, the density ρ of the medium and the length L of the measuring path, corresponding to the distance which can be taken into account in the ultrasonic transducers. The corresponding dependencies of the correction parameter on the system parameters or the dependencies of the system parameters among one another are well known to the person skilled in the art or can be found in the specialist literature, such as the already mentioned textbook "Kinsler, Frey, Coppens, Sanders, Fundamentals of Acoustics, Third Edition, Wiley "can be looked up. As a result, the resulting sound pressure field p res and finally the transit time T of the ultrasonic pulses from one to the other ultrasonic transducer can be determined.
Eine Änderung des resultierenden Schalldruckfeldes pres entspricht einer Än
derung der Laufzeit T der Ultraschallimpulse längs des Meßpfades. Bei einer
theoretisch angenommenen Durchflußgeschwindigkeit des Mediums durch die
Meßleitung von Null läßt sich unter Einführung einer Verzögerungszeit Td für
die Laufzeit schreiben
A change in the resulting sound pressure field p res corresponds to a change in the transit time T of the ultrasonic pulses along the measurement path. Given a theoretically assumed flow rate of the medium through the measuring line of zero, a delay time T d for the transit time can be written
Die damit eingeführte Verzögerungszeit Td setzt sich aus zwei Zeiten zusam
men:
The delay time T d thus introduced is composed of two times:
Td = Tconst + ΔT, (9)
T d = T const + ΔT, (9)
wobei die Zeit Tconst einen konstanten Zeitbeitrag zu der Verzögerungszeit dar
stellt und im wesentlichen aufgrund von Verzögerungen in der Elektronik des
verwendeten Ultraschalldurchflußmeßgeräts und aufgrund von Verzögerun
gen in den Ultraschallwandlern herrührt. Die Zeit ΔT ist ein variabler Beitrag
zu der Verzögerungszeit und wird im wesentlichen durch das Schalldruckfeld
bestimmt. Wie oben dargestellt, ist die Verzögerungszeit nämlich nicht kon
stant, sondern eine Funktion der Schallgeschwindigkeit c, der Länge L des
Meßpfads, des Dämpfungskoeffizienten α, dem Radius a des schwingungsak
tiven Bereich des Ultraschallwandlers usw., so daß für die Verzögerungszeit
gilt
wherein the time T const represents a constant time contribution to the delay time and is essentially due to delays in the electronics of the ultrasonic flow meter used and due to delays in the ultrasonic transducers. The time ΔT is a variable contribution to the delay time and is essentially determined by the sound pressure field. As shown above, the delay time is namely not constant, but a function of the speed of sound c, the length L of the measurement path, the damping coefficient α, the radius a of the oscillation-active area of the ultrasonic transducer, etc., so that the delay time applies
Td = Td(c, L, α, a, . . .) (10)T d = T d (c, L, α, a,...) (10)
Für einen gegebenen Ultraschallwandlertyp ist der Durchmesser a bekannt. Wird der Einfluß der Dämpfung und weiterer Systemparameter außer der Schallgeschwindigkeit c und der Länge L des Meßpfads vernachlässigt, so kann die Verzögerungszeit Td in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit c und der Länge L berechnet werden. Die somit ermittelten Verzögerungszei ten sind im in Fig. 4 gezeigten Graphen dargestellt.The diameter a is known for a given type of ultrasound transducer. If the influence of the damping and other system parameters apart from the speed of sound c and the length L of the measuring path is neglected, the delay time T d can be calculated as a function of the speed of sound c and the length L. The delay times thus determined are shown in the graph shown in FIG. 4.
Mit dem Wissen um die konkreten Werte für die Verzögerungszeit Td in Ab
hängigkeit von der Schallgeschwindigkeit c und der Länge L für einen be
stimmten Ultraschallwandlertyp läßt sich nun folgendes, schematisch in Fig. 5
dargestelltes Korrekturverfahren durchführen:
Das tatsächlich vorhandene Schalldruckfeld führt zu einer bestimmten Lauf
zeit T der Ultraschallimpulse von einem zum anderen Ultraschallwandler.
Diese Laufzeiten Tab und Tba in Strömungsrichtung bzw. entgegengesetzt dazu
werden in Schritt I gemessen. Auf der Grundlage der gemessenen Laufzeiten
Tab und Tba wird dann in Schritt II die Schallgeschwindigkeit c z. B. unter
Verwendung der Gleichungen 1 und 3 berechnet. Diese Berechnung erfolgt
während des eigentlichen Ultraschalldurchflußmeßverfahrens in Echtzeit. Es
ergibt sich
With the knowledge of the specific values for the delay time T d as a function of the speed of sound c and the length L for a certain type of ultrasound transducer, the following correction method, shown schematically in FIG. 5, can now be carried out:
The actually existing sound pressure field leads to a certain running time T of the ultrasonic pulses from one to the other ultrasonic transducer. These transit times T ab and T ba in the flow direction or opposite thereto are measured in step I. On the basis of the measured transit times T ab and T ba , the speed of sound c z is then determined in step II. B. calculated using equations 1 and 3. This calculation is done in real time during the actual ultrasonic flow measurement process. It follows
Mit der bekannten Länge L des verwendeten Ultraschalldurchflußmeßgeräts
kann dann in Schritt III die eigentliche Korrektur durchgeführt werden. Dazu
ist gemäß dem vorliegend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in dem zur Durchführung des Ultraschalldurchflußmeßverfah
rens verwendeten Ultraschalldurchflußmeßgerät eine Matrix für die Verzöge
rungszeit Td in Abhängigkeit der Länge L und der Schallgeschwindigkeit c ab
gelegt. Jeweils einem Paar konkreter Werte für L bzw. c ist also genau ein
Wert Td zugeordnet. Zwischenwert von L bzw. c werden mittels linearer Inter
polation zwischen entsprechenden Werten für Td berücksichtigt. Mit der be
kannten Länge L und der ermittelten Schallgeschwindigkeit c kann dann in
Schritt III ein Beitrag der Verzögerungszeit aufgrund einer von der in einem
Kalibriervorgang typischerweise im Werk ermittelten Kalibrierungslänge Lcal
abweichenden Länge L des Meßpfades ermittelt werden:
With the known length L of the ultrasonic flow meter used, the actual correction can then be carried out in step III. For this purpose, according to the preferred exemplary embodiment of the invention described here, a matrix for the delay time T d as a function of the length L and the speed of sound c is deposited in the ultrasonic flow meter used for carrying out the ultrasonic flow measuring method. Exactly one value T d is assigned to a pair of concrete values for L and c, respectively. Intermediate values of L and c are taken into account by means of linear interpolation between corresponding values for T d . With the known length L and the determined sound velocity c, a contribution of the delay time can then be determined in step III on the basis of a length L of the measuring path that deviates from the calibration length L cal typically determined in the calibration process in the factory:
ΔTL = Td(Lcal, ccal) - Td(L, ccal) (12)ΔT L = T d (L cal , c cal ) - T d (L, c cal ) (12)
Aufgrund der in Echtzeit bestimmten Schallgeschwindigkeit kann entspre
chendes auch für eine von der Schallgeschwindigkeit des für die Kalibrierung
verwendeten Mediums abweichende Schallgeschwindigkeit erfolgen:
Due to the speed of sound determined in real time, the same can also be done for a speed of sound that deviates from the speed of sound of the medium used for the calibration:
ΔTc = Td(L, ccal) - Td(L, c) (13)ΔT c = T d (L, c cal ) - T d (L, c) (13)
Als korrigierte Verzögerungszeit Td,corr ergibt sich dann
The corrected delay time T d, corr then results
Td,corr = Td - ΔTL - ΔTc (14)T d, corr = T d - ΔT L - ΔT c (14)
Unter Berücksichtigung der korrigierten Verzögerungszeit Td,corr kann dann in Schritt IV die längs des Meßpfades gemittelte Strömungsgeschwindigkeit νm berechnet werden.Taking into account the corrected delay time T d, corr , the flow velocity ν m averaged along the measurement path can then be calculated in step IV.
Im vorliegend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zur Korrektur nur die Verzögerungszeit Td herangezogen worden. Dieser Vorgehensweise äquivalent ist die Berücksichtigung der gesamten Laufzeit T, die die Verzögerungszeit Td mit einschließt. Darüber hinaus kann natürlich ei ne Korrektur nicht nur über die Laufzeit, sondern auch über andere Parameter erfolgen.In the preferred exemplary embodiment of the invention described here, only the delay time T d has been used for the correction. This procedure is equivalent to taking into account the total transit time T, which includes the delay time T d . In addition, a correction can of course not only take place via the runtime, but also via other parameters.
Claims (8)
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|---|---|---|---|
| DE10232101A DE10232101C1 (en) | 2002-06-13 | 2002-07-15 | Ultrasound measuring method for flow velocity uses measured ultrasound pulse propagation times between 2 spaced ultrasound transducers |
| EP03005243A EP1376069A1 (en) | 2002-06-13 | 2003-03-10 | Ultrasonic flow measuring method |
| NO20031969A NO332347B1 (en) | 2002-06-13 | 2003-04-30 | Procedure for painting flow through ultrasound |
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