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Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten
und Gasen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, welches zur Messung der
Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen bestimmt ist und sich der Phasendifferenzmessung
mittels Schallwellen bedient.
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Die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und
Gasen und, damit verbunden, die Messung des Mengendurchsatzes aus Strömungsgeschwindigkeit
und Strömungsquerschnitt ist bisher nur ein unbefriedigend gelöstes Problem. Die
bisher üblichen Meßmethoden mittels Staulblenden, Staudüsen, Flügelradmessern usw.
greifen unmittelbar in den Strömungsvorgang ein, verengen den Strömungsquerschnitt
oder bedingen zeitraubende Ein- und Ausbauten, die z. B. bei Bestimmung von Turbinenwirkungsgraden
mit erheblichen Kosten verbunden sind.
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Diese Nachteile werden zwar weitgehend durch die - induktive Durchflußmessung
vermieden, jedoch versagt diese Messung bei nicht leitenden Flüssigkeiten oder bei
zu großen Rohrquerschnitten. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, die Messung
der Schallgeschwindigkeit zur Lösung des Problems heranzuziehen. Man geht dabei
von der Tatsache aus, daß eine in Richtung der Schallausbreitung auftretende Strömungsgeschwindigkeit
sich zur Schallgeschwindigkeit addiert und diese erhöht, und, umgekehrt, bei einer
Strömung gegen die Ausbreitung der Schallwelle die Geschwindigkeit der Schallwelle
entsprechend vermindert. Zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit bedient man
sich in diesem Falle vorzugsweise der Phasendifferenzmessung. Man strahlt hierbei
in die strömende Flüssigkeit beispielsweise eine Ultraschallwelle ab, und zwar einmal
in Richtung der Strömung und einmal gegen die Strömung. Zwei Empfänger, gleich weit
vom Sender entfernt, nehmen die ausgesandten Schallwellen auf. Durch einen Phasenvergleich
der von -den beiden Empfängern aufgenommenen Schwingungen erhält man ein unmittelbares
Maß für die Strömungsgeschwindigkeit.
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Dieses Verfahren gestattet an sich, auch kleine Strömungsgeschwindigkeiten
mit relativ hoher Genauigkeit zu ermitteln, sofern man entsprechend hohe Schallfrequenzen
verwendet, hat jedoch die Konstanz der Schallgeschwindigkeit als grundlegende Voraussetzung.
Die Schallgeschwindigkeit ist aber nun von Flüssigkeit zu Flüssigkeit und von Gas
zu Gas verschieden. Dazu kommt, daß sie eine mehr oder weniger große Abhängigkeit
von der Temperatur aufweist, die mehrere Meter pro Grad betragen kann. Diese Temperaturabhängigkeit
übersteigt unter Umständen bereits bei Temperaturänderungen von nur 10 C die zu
messende Strömungsgeschwindigkeit ganz erheblich.
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Auch die Messung der Strömungsgeschwindigkeit von
Flüssigkeitsgemischen
mit wechselnden Komponentenverhältnissen wird durch die bedingte Änderung der Schallgeschwindigkeit
sehr schwierig. Diese Tatsache schränkte die Benutzung des Phasendifferenzverfahrens
stark ein, insbesondere dann, wenn es sich darum handelt, die Strömungsgeschwindigkeit
laufend zu messen und damit den Mengendurchsatz laufend zu ermitteln.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung vermeidet bei der Phasendifferenzmethode
zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit den störenden Einfluß der Schallgeschwindigkeit.
Es ermöglicht, einen Strömungsgeschwindigkeitsmesser zu schaffen, der für Flüssigkeiten
unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit geeicht werden kann und der unabhängig ist
von der Temperatur des Meßobjektes.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Prinzipschema, Fig. 2 schematisch eine Anordnung
zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung in einem Ausführungsbeispiel.
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Als Grundlage der Erfindung dient folgende mathematische Uberlegung:
In Fig. 1 bedeutet S einen Schallsender, E1 und E2 je einen Empfänger. Jeder Empfänger
ist in der gleichen Entfernung a vom Sender angebracht, und zwar so, daß die Verbindungslinie
S-E1 und damit der auf dieser Strecke verlaufende Schallstrahl senkrecht zur Strömung
und der Schallstrahl S-E2 mit der Strömung verläuft. Die Phase der von den einzelnen
Empfängern
aufgenommenen Schwingungen ist dann zu einem bestimmten Zeitpunkt 2# 2# #1 = a .
#2 = a .
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#1 #2 Hierbei bedeutet a = Entfernung Sender -Empfänger A1 = c =
Schallgeschwindigkeit v v= Sendefrequenz c + v v = Strömungs-A2= = -Y- geschwindigkeit
# Vergleicht man jetzt die Phasen der Schwingungen an E2 und E1, so ergibt sich
die Phasendifferenz
Da im allgemeinen die Strömungsgeschwindigkeit sehr viel kleiner als die Schallgeschwindigkeit
ist, kann in der Formel c v vernachlässigt werden. Man erhält jetzt a-2z-v-v ##.c²
## = und damit v = c² a.2.v Man erkennt also, daß die Schallgeschwindigkeit mit
dem Quadrat in die Formel eingeht und jede Veränderung der Schallgeschwindigkeit
den Wert für die Strömungsgeschwindigkeit ändert.
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Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, die zur Messung benutzte
Sende-Schallfrequenz bei einer Schallgeschwindigkeitsänderung selbsttätig oder von
Hand so zu ändern, daß die Schwingungsphase in einem in einer bestimmten Entfernung
senkrecht zur Strömung angeordneten Empfänger konstant bleibt.
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Es ergibt sich dann Ll<p.c2 = c2 a? (c + Ac)2 a 2.v0 a-2s V1 Die
Zunahme von c um dc wird durch eine Anderung der Frequenz von yo in vl ausgeglichen.
Die Bedingung dafür lautet
Wenn also die Frequenz während der Messung in quadratischer Abhängigkeit im Verhältnis
c + Au nach gesteuert wird, ist die Messung unabhängig von der jeweils herrschenden
Schallgeschwindigkeit und damit auch unabhängig von der Temperatur. Ein darauf aufgebautes
Meßgerät kann in festen Werten der Strömungsgeschwindigkeit geeicht werden.
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Den Aufbau eines derartigen Strömungsmessers zur Durchführung des
Verfahrens nach der Erfindung zeigt das Blockschema der Fig. 2.
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Hierbei bedeutet 1 einen Hochfrequenzsender, 2 den dazugehörigen
Schallgeber, der seine Schallenergie senkrecht zur Strömungsrichtung auf den Empfänger
3 abstrahlt. Die von dem Empfänger 3 gelieferte Hochfrequenzspannung wird im Phasenvergleichsglied
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mit der vom Sender 1 gelieferten Hochfrequenzspannung verglichen. Die im Phasenvergleichsglied
4 bei Phasenabweichung auftretende Gleichspannung wird dem Umwandlungsglied 5 zugeführt,
an dessen Ausgang eine von der Eingangsspannung quadratisch abhängende Spannung
auftritt. Diese Spannung dient zur Frequenzbeeinfiussung des Senders 6. Der dazugehörige
Schallgeber 7 ist so gerichtet, daß seine Schallstrahlung beispielsweise unter 450
zur Strömungsrichtung den Empfänger 8 erreicht.
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Zur eigentlichen Strömungsgeschwindigkeitsmessung wird nun die Wechselspannung
des Empfängers 8 mit der Wechselspannung des Senders 6 im Phasenvergleichsglied
9 verglichen und die Phasendifferenz im Instrument 10 zur Anzeige gebracht.
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Im allgemeinen wird man den Sender 7 und den Empfänger 8 so anordnen,
daß der Schallstrahl zwischen beiden den gesamten Flüssigkeitsstrom durchsetzt und
damit integrierend die Strömungsgeschwindigkeit über den gesamten Querschnitt erfaßt.
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Dies ist von besonderer Bedeutung, da der Integralwert für die genaue
Durchflußmengenbestimmung von ausschlaggebender Bedeutung ist. Denn normalerweise
ist die Strömungsgeschwindigkeit infolge von Wandreibung usw. nicht über den gesamten
Querschnitt konstant.
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Bei der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
wird daher der Schallstrahl nicht genau mit der Strömung verlaufen, sondern in einem
gewissen Winkel zur Strömung diese durchsetzen. Die Formel für v ist daher noch
mit dem Kosinus des Winkels zwischen Strömung und Schallstrahl zu multiplizieren.
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Bei der schrägen Durchstrahlung der Strömung wird es zwischen Sender
7 und Empfänger 8 nicht zur Bildung stehender Wellen kommen können. Dagegen können
sich bei Sender 2 und Empfänger 3, die sich gegenüberstehen, stehende Wellen ausbilden,
die eine unerwünschte Rückwirkung und unkontrollierbare Frequenzverwerfung zur Folge
haben können.
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Erfindungsgemäß wird daher weiter vorgeschlagen, zwischen Sender
1 und dem Schallgeber 2 ein Modulationsglied zwischenzuschalten, das den Schallsender
2 nur intermittierend mit kurzen Impulsen senden läßt.
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Die von dem Sender ausgehenden Schallwellenzüge sollen hierbei kleiner
als die doppelte Länge der Verbindungsstrecke 2-3 sein. Eine Bildung stehender Wellen
zwischen Sender 2 und Empfänger 3 wird dadurch vermieden.
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PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit
von Flüssigkeiten und Gasen auf Basis der Phasendifferenzmessung mittels Schallwellen,
dadurch gekennzeichnet, daß die zur Messung benutzte Schallfrequenz bei einer Schallgeschwindigkeitsänderung
selbsttätig oder von Hand so geändert wird, daß die Schwingungsphase an einem in
einer bestimmten Entfernung senkrecht zur Strömung angeordneten Empfänger konstant
bleibt.