DE1673453B1

DE1673453B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Stroemungsgeschwindigkeitsmessung in Fluessigkeiten

Info

Publication number: DE1673453B1
Application number: DE19671673453
Authority: DE
Inventors: Bruha Peter J
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1966-11-25
Filing date: 1967-11-24
Publication date: 1970-08-20
Also published as: CH531706A; SE342697B; BE706630A; GB1181907A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung in Flüssigkeiten, bei dem Schallsignale durch die Flüssigkeit zwei an verschiedenen Orten befindlichen Schallemplängern zugeleitet werden und die Differenz der Ankunftszeiten gleichphasiger Schallsignale an den beiden Empfängern gemessen und zur Gewinnung von Angaben über Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsmenge usw. ausgewertet wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Im allgemeinen befindet sich der Schallsender zwischen den beiden Empfängern, so daß das stromaufwärts laufende Schallsignal wegen der Strömungsgeschwindigkeit nacheilt und das stromabwärtslaufende Signal voreilt. Bedeuten T_v und T_D die Laufzeiten der Schallsignale stromaufwärts und stromabwärts, L_v und L_D die Abstände zwischen dem Schallsender und dem stromaufwärts gelegenen bzw. dem stromabwärts gelegenen Schallempfänger, C die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit und V die Komponente der Strömungsgeschwindigkeit in Richtung der Verbindungslinie von Schallsendern und Schallempfänger, so können die Laufzeiten wie folgt ausgedrückt werden:

c + v

Häufig verwendet man akustische Wandler, die sowohl als Schallgeber als auch als Schallempfänger dienen können, an Stelle der beiden Schallempfänger. In diesem Falle sind die Weglängen L_v und L₀ gleich, und die Laufzeitdifferenz der stromaufwärts und der stromabwärts laufenden Schallsignale ist:

T_D-T_V =

2-L-V C²-V²

Da C² weit größer als V² ist, gilt mit großer Annäherung:

AT=

2-L-V C²

Sind C und L bekannt, so ist die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit somit proportional zur Laufzeitdifferenz ΔΤ, die ihrerseits beispielsweise als Phasen- oder Frequenzdifferenz oder auf dem Digitalwege bestimmt werden kann.

In vielen Fällen soll nicht nur die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden, so daß die gemessenen Geschwindigkeitswerte in andere Größen wie volumetrische Strömung, Strömungsmenge, Durchsatz u. dgl. umgerechnet werden muß. Da nun die Schallsignale die Flüssigkeit zwischen zwei festen Punkten durchlaufen, werden nur diejenigen Komponenten der Strömungsgeschwindigkeit erfaßt, die in die Verbindungslinie der beiden Meßpunkte fallen. Ein Umrechnungsfaktor zur Ermittlung der Durchsatzrate wäre also nur gültig, wenn die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Flüssigkeitsgerinnes im ganzen Querschnitt des Gerinnes gleichförmig wäre. Sind die Strömungsgeschwindigkeiten in einem Querschnitt des Gerinnes ungleichmäßig verteilt, so ergibt sieh bei der Berechnung des Durchsatzes und anderer verwandter Werte mit großer Wahrscheinlichkeit ein mehr oder weniger großer Fehler.

Im einzelnen ist bekanntlich der volumetrische Durchsatz Q gleich dem Produkt A · V, wobei A der Gerinnequerschnitt und V die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Querschnitt ist. Für rechteckige Gerinne läßt sich aus einer Reihe von über die Höhe des Gerinnes verteilten Geschwindigkeitsmessungen durch Modifikation der einzelnen Meßwerte mit bekannten Elementarquerschnitten ein Durchsatzwert ableiten. Im Falle eines nichtrechteckigen Querschnitts ist aber kein Verfahren bekannt, das einen genauen, unmittelbar zum Volumen- oder Massen-

is durchsatz direkt proportionalen Meßwert liefert.

Es ist ferner ein Geschwindigkeitsmeßverfahren bekannt, bei dem ein Oszillator mit veränderlicher Frequenz einen Zeitintervallzähler mit Impulsen beaufschlagt, die in Zeitintervallen gezählt werden, welche mit dem ersten stromabwärts empfangenen Schallsignal beginnen und mit dem zweiten stromaufwärts empfangenen Schallsignal enden; das Zählergebnis ist dann von AT abhängig und ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Da die Schallgeschwindigkeit C mit dem Mineralgehalt und der Temperatur der strömenden Flüssigkeit schwankt, sind im allgemeinen Mittel vorgesehen, um die Anordnung für schwankende Schallgeschwindigkeiten zu kompensieren. Dieses Verfahren ist aber ebenfalls nicht geeignet, den Durchsatz bzw. die Strömungsmenge, insbesondere bei unregelmäßigem Gerinnequerschnitt, mit größerer Genauigkeit zu bestimmen. Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, das geschilderte Meßverfahren so zu verbessern, daß auch bei unregelmäßigem Gerinnequerschnitt der Durchsatz der Flüssigkeit mit größerer Genauigkeit und mit geringerem Aufwand als bisher bestimmt werden kann.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die beiden Schallempfänger unter ständiger Messung der Laufzeitdifferenzen auf vorgeschriebenen Bahnen bis zu bestimmten Endlagen bewegt werden und daß die während der Bewegung fortlaufend gemessenen, zum Produkt der jeweiligen Entfernung zwischen Sender und Empfänger und der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Laufzeitdifferenzen der Schallsignale aufsummiert werden.

Es läßt sich zeigen, daß aus dem Summenwert, der bekannten Anzahl der während eines Durchlaufs gemachten Messungen und der bekannten, für den Durchlauf benötigten Zeit der volumetrische Durchsatz Q abgeleitet werden kann. Hieraus können dann weitere Strömungswerte bestimmt werden. Bei einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind die beiden Schallempfänger mit Antriebsvorrichtungen zur Verschiebung längs der vorgeschriebenen Bahnen verbunden, und an die Schallempfänger sind elektrische Schaltungsanordnungen zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz AT und ein Addierwerk zur Aufsummierung der gemessenen Laufzeitdifferenzen angeschlossen.

Weitere Ausbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin ist

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Flüssigkeitsgerinnes von nichtrechteckigem Querschnitt, F i g. 2 eine Draufsicht des Gerinnes der F i g. 1

mit den benutzten Bezeichnungen für Weglängen, Winkel und Richtungen,

Fig. 2A ein Querschnitt des Gerinnes in F i g. 1 mit ähnlichen Angaben,

F i g. 3 Ein Blockschaltbild der grundsätzlichen Schaltungsanordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 4 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung mit zusätzlichen Mitteln zur Kompensation schwankender Schallgeschwindigkeit,

Fig. 5 und 6 Darstellungen entsprechend Fig. 1 und 2 mit Angaben über die Wandleranordnung bei einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 7 ein Teilschaltbild der Anordnung nach Fig. 4,

Fig. 8 und 9 Darstellungen entsprechend Fig. 1 und 2 mit Angaben über die Wandleranordnung bei einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 10 eine Kompensationsschaltung für die Anordnung nach F i g. 8 und

Fig. 11 eine Schaltungsanordnung zur Ableitung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit.

F i g. 1 zeigt ein Flüssigkeitsgerinne 10 in Form eines offenen Kanals mit schrägen Seitenwänden 11 und 12, die mit dem Kanalboden einen trapezförmigen Querschnitt bilden. Schallwandler 13 und 14 sind in Strömungsrichtung stromaufwärts bzw. stromabwärts angeordnet und in Bahnen 15 und 16 bewegbar, die in den Wänden 11 und 12 ausgebildet sind. Um einen Anhaltspunkt für die Größenverhältnisse zu haben, sei beispielsweise angenommen, daß es sich um einen oberirdischen oder unterirdischen Wasserversorgungskanal für eine Gemeinde handelt, der eine Höhe der Größenordnung von 10 m hat, während der Abstand zwischen den Schallwandlern 13 und 14 in der Größenordnung von 100 m liegen mag.

Wie der Grundriß der Fig. 2 zeigt, werden die Verhältnisse am übersichtlichsten, wenn die Verschiebungsbahnen 15 und 16 für die Schallwandler so orientiert sind, daß der gestrichelt eingezeichnete Schallweg P, d. h. die kürzeste Verbindung zwischen den jeweiligen Stellungen der Schallwandler 13 und 14, bei einem Durchgang der Schallwandler von ihren unteren zu ihren oberen Endlagen einen konstanten Winkel Θ hinsichtlich der Strömungsrichtung beibehält.

Fig. 2 dient auch zur Definition verschiedener nachfolgend gebrauchter Rechnungsgrößen. Der Abstand der Wandler 13 und 14 in der unteren Endlage ist mit L_B und in der oberen Endlage mit L₇ bezeichnet. Dann ist die Komponente ihres Abstands senkrecht zur Strömungsrichtung in der unteren Endlage L_B sin Θ und in der oberen Endlage L_T sin Θ. Die Strömungsgeschwindigkeit wird durch den Vektor V_F ausgedrückt; die gemessene Komponente der Strömungsgeschwindigkeit V_P ist dann gleich V_F cos Θ. Der volumetrische Durchsatz Q ergibt sich, wie oben angegeben, aus der Querschnittsfläche A und der Strömungsgeschwindigkeit V der die Fläche A durchsetzenden Flüssigkeit wie folgt:

Q = AV.

Eine infinitesinale Durchsatzmenge kann wie folgt ausgedrückt werden:

dß = άΑ ■ V_F,

wobei dA ein infinitesimaler Querschnitt und V_F die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in dA ist.

In dem Kanalquerschnitt der Fig. 2A sind weitere Ausdrücke definiert. Wie vorausgesetzt, finden während einer Verschiebung der Wandler 13 und 14 längs der Bahnen 15 und 16 (in Fi g. 2A nicht bezeichnet) periodische Schallimpulse statt, um zu LV proportionale Werte zu gewinnen. Die Lage der Wandler 13 und 14 in Fig. 2A in einer

ίο Höhe h„ oberhalb einer Bezugsebene entspricht einer Stelle der Bahn, an welcher eine Schallaussendung stattfindet Der zugeordnete Abstand zwischen den Wandlern ist L_n. Der schraffierte Elementarquerschnitt άΑ ist in guter Näherung gleich einem Rechteck, also

dA = L_n · sin θ · dfe;

der Höhenzuwachs dft ist gleich dem vertikalen Abstand zweier aufeinanderfolgender Wandlerstellungen, in welchen eine Schallaussendung stattfindet Findet also eine Schallsendung in den Höhen h_n und Zz_n+1 statt, so gilt

dft = (K₊I)-QU-

Sind die Bahngeschwindigkeit der Wandler und die Pulsfrequenz der Schallsendungen bekannt, so ergibt sich hieraus die Höhe dft, beispielsweise 3 mm. Der infinitesimale Durchsatz dß durch die infinitesimale Fläche dA ist demnach gleich:

dß = d^-l
Aus Fig.2 folgt:

somit:

das heißt:

* cos© '
dß = L₁₁ -sin© -dft-

V_P

cos© '

Jeder Sendeimpuls ergibt somit einen Wert für L_nVp. Da der Winkel θ bekannt ist und dfe ebenfalls bekannt ist, ist der Klammerausdruck in Gleichung (1) eine bekannte Konstante.
Durchlaufen die Wandler 13 und 14 ihre Bahnen unter fortlaufender Abgabe von Schallimpulsen und werden daraus jeweils die Werte LV abgeleitet, so ergibt sich das Integral der Gleichung (1), d. h.

ß=/dß

unmittelbar durch Aufsummieren aller abgeleiteten Werte und Multiplikation des Ergebnisses mit der erwähnten Konstante (oder Multiplikation der einzelnen Werte und anschließendes Aufsummieren). Verlaufen die Bahnen der Wandler 13 und 14 nicht in der in Fig. 2 gezeigten Richtung, so kann sich der Winkel θ während der Verschiebung der Wandler ständig ändern. In diesem Falle muß der Tangenswert in Gleichung (1) jeweils entsprechend berücksichtigt werden.

F i g. 3 zeigt die Grundschaltung einer erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsmeßanordnung. Ein Impulsgeber 20 liefert periodische elektrische Impulse, die über Schalter 23 und 24 auf die strom-

aufwärts und die stromabwärts angeordneten Wandler 13 und 14 gegeben werden. Beim Empfang der jeweils durch die Flüssigkeit weitergeleiteten Schallsignale erzeugen die Wandler 13 und 14 entsprechende elektrische Signale, die über die Schalter 23 und 24 den Empfängern 26 und 27 zugeleitet werden. Die zeitliche Differenz der von den Empfängern 26 und 27 gelieferten Signale wird im Vergleicher 30 bestimmt.

Ein Addierwerk (Akkumulator) 31 summiert die während der periodischen Schallsendungen gewonnenen Werte und gibt die Additionsergebnisse auf eine Auswertschaltung 33, in welcher die Ergebnisse z. B. sichtbar gemacht oder aufgezeichnet werden, zur Regelung oder zur Berechnung weiterer Größen dienen.

Antriebsvorrichtungen 34 und 35 dienen zur Verschiebung der Wandler 13 und 14 längs ihrer Bahnen. Wie erwähnt, werden die Wandler vorzugsweise mit vorgeschriebener konstanter Geschwindigkeit verschoben. . Ist die Verschiebungsgeschwindigkeit ungleichmäßig, so muß dies bei der Durchsatzberechnung berücksichtigt werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Oszillator veränderlicher Frequenz verwendet, dessen Frequenz periodisch von einem akustischen Hilfskreis nachgestellt wird und der dem Meßkreis und dem Hilfskreis gemeinsam ist. Diese Anordnung ist in F i g. 4 schematisch dargestellt.

Die Schaltung der verschiebbaren Wandler entspricht weitgehend derjenigen nach Fig. 3; gleiche Baugruppen sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Schaltungsanordnung arbeitet digital, weswegen Amplitudenbegrenzer 38 und 39 vorgesehen sind, um scharf definierte Empfangsimpulse von den Empfängern 26 und 27 zu erhalten. Der Hilfskreis enthält feststehende Wandler 13' und 14', ist jedoch im übrigen weitgehend identisch mit dem Hauptkreis; übereinstimmende Baugruppen tragen die entsprechenden gestrichenen Bezugsziffern. Die von den Amplitudenbegrenzern 38' und 39' des Hilfskreises gelieferten Impulse werden einem Frequenzregler 41 zugeführt, der die Frequenz des Oszillators 42 entsprechend der jeweiligen Schallgeschwindigkeit in der zu messenden Flüssigkeit regelt. Der Oszillator 42 wird nicht nur im Hilfskreis verwendet, sondern speist auch ein Rechenwerk 45, das im Verein mit den von den Amplitudenbegrenzern 38 und 39 empfangenen Impulsen einen der Größe LV entsprechenden Wert für jede Schallsendung ableitet, die bei einem Durchlauf der Wandler abgeleiteten Werte aufsummiert und die gewonnene Summe so umrechnet, daß sich der gewünschte Endwert ergibt.

Eine mögliche Anordnung der Hilfswandler 13' und 14' ist in Fig. 5 und 6 dargestellt. Um kornplizierte Impulsunterdrückungsschaltungen und zeitliche Ineinanderschachtelungen zu vermeiden, verläuft die Schallfortpflanzungsbahn P' zwischen den festen Wandlern 13' und 14' rechtwinklig zu der Schallfortpflanzungsbahn P der bewegten Wandler. Infolgedessen kann keine Interferenz der Schallbahnen stattfinden.

Die Frequenzregelschaltung 41 und das Rechenwerk 45 sind mehr ins einzelne gehend in F i g. 7 dargestellt.

Die Torschaltung 50 verbindet den Ausgang des Oszillators 42 mit dem Zähler 52 für die Zeitdifferenzen AT während einer Zeitdauer, die mit dem ersten empfangenen Impuls beginnt und mit dem zweiten empfangenen Impuls endet, wobei diese Impulse auf den Eingängen 38M und 39'4 von den Amplitudenbegrenzern 38' und 39' ankommen. Das Zählergebnis wird auf den Frequenzregler 54 gegeben, der dann die Ausgangsfrequenz des Oszillators 42 entsprechend den Änderungen der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit nachstellt. Solche Nachstellvorrichtungen sind bekannt. Ohne den Frequenzregler 54 wäre das Zählergebnis mit einem Fehler behaftet, der eine Funktion von C² ist. Durch die Nachstellvorrichtung wird der Fehler so verringert, daß er nur noch eine Funktion von C ist. Um diesen Restfehler zu beseitigen, können weitere Kompensationsvorrichtungen vorgesehen sein. Die dargestellte Kompensationsvorrichtung 56, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, enthält einen Zähler 57 für die korrigierten Zeitintervalle AT, einen Zeitgeber 58, der ein vom Zählergebnis des Zählers 52 abhängiges Zeitintervall t erzeugt, und eine Torschaltung 60, welche während des Zeitintervalls f den Ausgang des Oszillators 42 auf den Zähler 57 schaltet. Es kann gezeigt werden, daß das Zählergebnis des Zählers 57 vollständig unabhängig von der Schallgeschwindigkeit C und allein proportional zu LV ist.

Da L bekannt und gleich dem festen Abstand zwischen den festen Wandlern ist, ergibt das im Zähler 57 stehende Ergebnis ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit in derjenigen Höhe in dem Flüssigkeitsgerinne, in welcher die festen Wandler angeordnet sind. Ist eine Anzeige dieser Geschwindigkeit erwünscht, so kann eine Anzeigevorrichtung 62 angeschlossen werden.

Auch das Rechenwerk 45 enthält eine elektronische Torschaltung 64, die den Ausgang des Oszillators 42 während eines Zeitintervalls AT auf den Zähler 65 gibt, das der Zeit zwischen dem ersten und dem zweiten empfangenen Impuls an den Eingängen 384 und 394 von den Amplitudenbegrenzern 38 und 39 (F i g. 4) entspricht. Für jedes Sendeintervall, in welchem der Ausgang des Oszillators 42 mit dem Zähler 65 verbunden ist, liefert dieser ein Zählergebnis, das von ΔΤ abhängig ist und einen Meßwert für LV darstellt. Im Falle der bewegten Wandler ist der Istwert L für jeden Sendevorgang verschieden; für die Lösung der Gleichung (1) ist es aber nur erforderlich, das Produkt von L und V za kennen. Da der Oszillator 42 durch den Regelkreis 41 geregelt wird, kann das Zählergebnis 65 noch einen Fehler enthalten, der proportional zu C ist. Um diesen Restfehler zu eliminieren, ist eine Korrekturschaltung 67 vorgesehen, die in gleicher Weise wie die Korrekturschaltung 56 aufgebaut ist. Das Ausgangssignal dieser Korrekturschaltung hängt allein von AT ab und ist vollständig unabhängig von der Schallgeschwindigkeit, so daß dieser Ausgangswert ein Maß für das Produkt LV darstellt.

An die Korrekturschaltung 67 sind Multiplikationsund Additionsschaltungen 68 angeschlossen, die eine Multiplikation der erhaltenen Werte mit bestimmten Faktoren und deren Integration, d. h. Aufsummierung durchführen.

Die Korrekturschaltung läßt vorzugsweise den Ausgang des Oszillators 42 während eines künstlich erzeugten Zeitintervalls zu dem Rechenwerk 68 durch, wobei dieses Zeitintervall t nicht unbedingt gleich dem Zeitintervall t des Zeitgebers 58 ist. Durch

entsprechende Beeinflussung des Zeitgebers für die Erzeugung des Intervalls ί kann das Zählergebnis am Ausgang der Korrekturschaltung 67 bereits einen Multiplikations- oder Maßstabsfaktor enthalten. Beispielsweise kann so der Klammerausdruck in Gleichung (1) bereits berücksichtigt werden, so daß das Zählergebnis gleich dem Wert dß ist. Man braucht dann nur die einzelnen Zählergebnisse aufzusummieren, um den Gesamtdurchsatz Q zu erhalten.

Der volumetrische Durchsatz Q kann, gegebenenfalls nach entsprechender Maßstabveränderung im. Anzeigegerät 69, in den gewünschten Einheiten, beispielsweise Liter pro Minute oder Kubikmeter pro> Stunde, abgelesen werden.

Durch erneutes Aufsummieren der gemessenen und errechneten Durchsatzwerte kann das in einerbestimmten Zeit durch das Gerinne geflossene: Gesamtvolumen T in einem weiteren Anzeigegerät 70 unmittelbar in den gewünschten Maßeinheiten,, beispielsweise in Kubikmeter, zur Anzeige gebracht werden. Ein weiteres Anzeigegerät 71 soll die Möglichkeit andeuten, weitere Meßwerte aus dem Produkt LV abzuleiten.

Im wesentlichen wird in dem Rechenwerk 45 ein Meßwert erhalten, der von ΔΤ abhängt und proportional zu LV ist. Wie diese Meßwerte weiterverarbeitet werden können, um die verschiedenen gewünschten Angaben zu erhalten, ist allgemein bekannt.

Eine andere Ausbildung der Anordnung mit den Hilfswandlern 13' und 14' ist in F i g. 8 und 9 dargestellt. Hier verläuft die Fortpflanzungsrichtung des Schalls zwischen den beiden Hilfswandlarn rechtwinklig zur Flüssigkeitsströmung. Dadurch können verschiedene Bauelemente der Auswertschaltung eingespart werden, weil bekannt ist, daß die Komponente der Strömungsgeschwindigkeit in Ausbreitungsrichtung des Schalles gleich Null ist. Diese vereinfachte Schaltung ist in Fig. 10 dargestellt. Der Frequenzregler 41' enthält einen Markierungsimpulsgeber 73, der nach einer bestimmten Anzahl von Impulsen vom Oszillator 42 einen Markierungsimpuls abgibt. Es wird ein bestimmter Mittelwert der Schallgeschwindigkeit angenommen, und der Markierungsimpuls tritt dann auf, wenn unter Berücksichtigung der bekannten Frequenz des Oszillators 42 ein Zählergebnis erreicht ist, das der Laufzeit eines Schaltimpulses vom festen Schallsender 13' zum festen Schallsender 14' entspricht. Ist die angenommene Schallgeschwindigkeit gleich der tatsächlichen Schallgeschwindigkeit, so kommen der Markierungsimpuls und der Impuls vom Amplitudenbegrenzer 39' gleichzeitig in einer Koinzidenzschaltung 74 an, die infolgedessen kein Korrektursignal auf den Oszillator 42 zu geben braucht. Ist dagegen die angenommene Schallgeschwindigkeit nicht gleich der tatsächlichen Schallgeschwindigkeit, so sind der Empfangsimpuls und der Markierungsimpuls gegeneinander verschoben, woraufhin die Koinzidenzschaltung 74 ein Korrektursignal abgibt, das die Frequenz des Oszillators 42 entsprechend nachstellt.

Für Anwendungen, in denen eine zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit in dem Gerinne proportionale Anzeige gewünscht wird, kann die Schaltungsanordnung nach Fig. 11 verwendet werden. Hier werden zwei Oszillatoren 42 und 75 veränderbarer Frequenz verwendet. Der Oszillator 42 liefert ein Ausgangssignal, dessen Frequenz proportional zur Schallgeschwindigkeit in der untersuchten Flüssigkeit ist, und wird von einem Frequenzregler 41' gesteuert, der entsprechend Fig. 10 aufgebaut sein kann. Der zweite Oszillator 75 speist einen Zähler 77 über den logischen Schalter 79 jeweils während eines Zeitintervalls AT, das durch den Empfang von Signalen über die Eingänge 82 und 83, welche mit den stromaufwärts und stromabwärts empfangenen Impulsen verknüpft sind, bestimmt wird.

Bei jeder Schallsendung nimmt der Abstand L_n zwischen den bewegten Wandlern 13 und 14 zu, jedoch ist diese Zunahme zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sendungen infinitesimal gering. Auf Grund dieser Tatsache ist ein Frequenzregler 85 für den zweiten Oszillator 75 vorgesehen, der in gleicher Weise wie der Frequenzregler 54 in F i g. 7 aufgebaut sein kann. An den Zähler 77 ist ferner wieder eine Korrekturschaltung 87 angeschlossen, die vorzugsweise einen zweiten Zähler bzw. Zwischenspeicher 89, einen Zeitgeber 91 zur Erzeugung eines Öffnungsintervalls t in Abhängigkeit vom Zählungsergebnis des Zählers 77 und eine Torschaltung 93 enthält, die den Ausgang des Oszillators 42 während des Intervalls t mit dem Zähler 89 verbindet. Der Mittelwert der Ergebnisse des Zählers 89 kann mittels des Rechenwerks 95 gebildet werden, der den Durchschnittswert aller in demjenigen Zeitintervall erhaltenen Ergebnisse, in welchem die Ergebnisse gewonnen wurden, bildet. Grundsätzlich arbeitet der Zähler 89 als Zwischenspeicher, dessen Zählergebnisse jeweils dem Rechenwerk 95 zugeführt werden, wo eine Addition und eine Division ausgeführt werden, um den Mittelwert zu erhalten. Offenbar können andere Speichervorrichtungen zur Durchführung dieser Aufgabe verwendet werden, so daß der Zähler 89 gegebenenfalls weggelassen und das Ausgangssignal des Oszillators 42 unmittelbar einem Addier- und Dividierwerk zugeführt werden kann.

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 11 kann am besten mathematisch beschrieben werden. Die Frequenz des Oszillators 42 ist proportional zur Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit, d. h.

= K₁- C.

Die Laufzeit T_F eines Schallsignals zwischen den festen Wandlern ist abhängig von ihrem Abstand L_F) d.h.

Da der Markierungsimpulsgenerator 73 jeweils nach der Zeit T_F einen Markierungsimpuls abgeben soll, zählt er eine Anzahl JV₁ von Ausgangsimpulsen des ersten Oszillators 42 ab, die gegeben ist durch

JV₁ =
Hieraus ergibt sich

N₁

Ebenso ist

= K-) C

(7) 009 534/136

für den zweiten Oszillator 75, und es läßt sich zeigen, daß

K, =

(8)

wobei N₂ das Zählergebnis des Markierungsimpulsgenerators in dem Frequenzregler 85 und L_n der jeweilige Augenblicksabstand zwischen den bewegten Wandlern ist. Der Zeitgeber 91 enthält einen Kristalloszillator mit einer voreingestellten festen Frequenz F und wird vom Zählergebnis β aus dem zl T-Zähler 77 derart beeinflußt, daß er während eines Zeitintervalls t Impulse abgibt, das wie folgt gegeben ist:

15

F '

(9)

Das Zählergebnis	β ist	gegeben	Foz,	durch:
ß	= (ΛΤ)-	V
ß	2
ß		-L_n-	K₂C,
2-	V
-L-
C²
K₂

20

(10)
Das Zählergebnis ß' im zweiten Zähler 89 ist:

30

35

ß'■ =

F₀₁ -(2 -K₂L_n -V) F-C

(H)

Setzt man die Werte aus den Gleichungen (3), (6) und (8) ein, so ergibt sich

40

(12)

45

Somit ist gezeigt, daß das Zählergebnis im zweiten Zähler 89 mit der Strömungsgeschwindigkeit V über einen Proportionalitätsfaktor zusammenhängt, der ausschließlich bekannte Größen enthält.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung in Flüssigkeiten, bei dem Schallsignale durch die Flüssigkeit zwei an verschiedenen Orten befindlichen Schallempfängern zugeleitet werden und die Differenz der Ankunftszeiten gleichphasiger Schallsignale an den beiden Empfängern gemessen und zur Gewinnung von Angaben über Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsmenge usw. ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schallempfänger unter ständiger Messung der Laufzeitdifferenzen auf vorgeschriebenen Bahnen bis zu bestimmten Endlagen bewegt werden und daß die während der Bewegung fortlaufend gemessenen, zum Pro-

dukt der jeweiligen Entfernung zwischen Sender und Empfänger und der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Laufzeitdifferenzen der Schallsignale aufsummiert werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schallempfänger (13, 14) mit Antriebsvorrichtungen (34, 35) zur Verschiebung längs der vorgeschriebenen Bahnen (15, 16) verbunden sind und daß an die Schallempfänger elektrische Schaltungsanordnungen (30) zur Bestimmung der Laufzeitdifferenzen ΔΤ und ein Addierwerk (31) zur Aufsummierung der gemessenen Laufzeitdifferenzen angeschlossen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallempfänger (13, 14) als elektroakustische Wandler ausgebildet sind, die abwechselnd ein Schallsignal aussenden und das vom gegenüberliegenden Wandler ausgesandte Schallsignal auffangen können, sowie daß der Schallweg (P) zwischen den beiden Wandlern (13, 14) während der Verschiebung der Wandler einen konstanten Winkel (Θ) mit der Strömungsrichtung bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung in einem Gerinne (10) stattfindet, in dessen Wänden (11, 12) die Bahnen (15, 16) zur Verschiebung der Wandler derart ausgebildet sind, daß der Schallstrahl zwischen ihnen einen Strömungsquerschnitt kreuzt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtungen (34, 35) die Wandler mit konstanten Geschwindigkeiten längs ihrer Bahnen verschieben.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Sender (20) zum periodischen Aussenden der Schallsignale und durch eine Schaltungsanordnung (45), welche die ermittelte Summe mit einem Faktor multipliziert, der von der Verschiebungsgeschwindigkeit der Wandler und der Wiederholungsfrequenz der Schallsignale abhängt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (45) so ausgebildet ist, daß im Endergebnis ein Faktor berücksichtigt wird, der von der gesamten Verschiebungsdauer (T₅) der Wandler abhängt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung digital ausgebildet ist und einen Oszillator (42) veränderbarer Frequenz sowie einen Zähler (65) enthält, der das Oszillatorsignal während eines Zeitintervalls [AT) auszählt, das vom Empfang der Schallenergie am stromabwärts gelegenen Wandler bis zum Empfang der Schallenergie am stromaufwärts gelegenen Wandler reicht, und daß Schaltmittel (41) vorgesehen sind, um die Frequenz des Oszillators (42) derart nachzustellen, daß Schwankungen der Schallgeschwindigkeit in der überwachten Flüssigkeit ausgeregelt werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Frequenznachstellung des Oszillators (42) eine Hilfsanordnung mit zwei feststehenden elektroakustischen Wandlern (13', 14') dient, welche einen Schallstrahl durch die überwachte Flüssigkeit senden können, und daß

die gemessene Laufzeit dieses Schallstrahls von
einem Frequenzregler (41) zur Nachstellung des
Oszillators (42) ausgewertet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schallstrahl (P') zwischen
den feststehenden Wandlern rechtwinklig zum
Schallstrahl (P) zwischen den verschiebbaren
Wandlern verläuft.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallstrahl (P') zwischen
den feststehenden Wandlern rechtwinklig zur
Strömungsrichtung der Flüssigkeit verläuft.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Messung
der mittleren Strömungsgeschwindigkeit in einem
Gerinne mit nichtrechteckigem Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (77) für die

Laufzeitdifferenzen der bewegten Wandler von einem zweiten Oszillator (75) veränderbarer Frequenz beaufschlagt wird und seinerseits über einen Frequenzregler (85) die Frequenz dieses Oszillators (75) ständig nachstellt sowie einen Zeitgeber (91) während eines Zeitintervalls (f) aktiviert, das von dem Zählergebnis im Verlauf einer Sendeperiode abhängig ist, daß eine Torschaltung (93^ durch den Zeitgeber (91) während des Zeitintervalls (i) geöffnet wird und das Ausgangssignal des ersten Oszillators (42), dessen Frequenz von der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit abhängig ist, zu einem Zwischenspeicher (89) durchläßt und daß ein Rechenwerk (95) den Mittelwert des Speicherinhalts in einem bestimmten Zeitintervall ermittelt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen