DE1958235A1 - Verfahren und Geraet zur Messung von Stroemungen in Leitungen - Google Patents

Description

PATH NTA WWAIiT

. ing. K.

89 AUGSBUBO

SEB-S

i nut

K. 305

Augsburg, den 13· November 1969

Panametrics, Inc., 221 Crescent Street, Waltham, Mass., Vereinigte Staaten von Amerika

Verfahren und Gerät zur Messung von Strömungen in Leitungen

Die Erfindung betrifft allgemein Strömungsmeßgeräte zum Messen der Strömung von Strömungsmedien in Leitungen und insbesondere mit Ultraschall-Übertragern ausgerüstete Meßinstrumente zum Messen solcher Strömungen derart, daß die Strömung'durch den Meßvorgang nicht gestört wird.

die Messung der Strömungsgeschwindigkeit von
Strömungsmedien in Rohren bzw. in anderen gebräuchlichen

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Leitungen gibt es bereits eine Vielzahl von Verfahren. Bei vielen bisherigen Verfahren ist die Anordnung eines mechanischen Teiles in der Strömung bzw. eine Änderung der Größe bzw. der Gestalt der Leitung an der Meßstelle erforderlich. In beiden fällen erfährt die Strömung durch die Meßeinrichtung eine Störung. Außerdem gibt es aber bereits eine Vielzahl von Meßinstrumenten, durch welche die Strömung während des Meßvorganges nicht gestört bzw* nicht unterbrochen wird. Zu derartigen Strömungsmeßgeräten zählen beispielsweise Magnet-, Wirbelstrom- und Ültraschall-Strömungsmeßgeräte.

Strömungsmeßgeräte, bei welchen beispielsweise die kernmagnetische Resonanz der Atome des Strömungsmediums ausgenutzt wird, sind auf die Anwendung bei Strömungsmedien beschränkt, deren Atome ein magnetisches Dipolmoment aufweisen und machen außerdem bei der Messung an Rohren großer lichter Weite sehr starke Magnete erforderlich.

Wirbelstrom-Strömungsmeßgeräte erfordern elektrisch leitende Strömungsmedien und sind außerdem gegenüber axialen Strömungsbewegungen wegen des Skineffektes durch eine ungleichmäßige Empfindlichkeit gekennzeichnet. Bei diesen Strömungsmeßgeräten tragen die äußeren Schichten eines Strömungsmediums in der Nähe der Leitungswandung stärker zum Meß-

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ergebnie bei als die inneren Schichten. Da das übliche Strömungsgeschwindigkeitsprofil sich dazu jedoch entgegengesetzt verhält, d.h. da die höchste Geschwindigkeit in der Nähe der Mitte und die niedrigste Geschwindigkeit in der Nähe der Wandung auftritt, wird durch diese Empfindlichkeit das Neßergebnis in erheblicher Weise entstellt.

Bei bisherigen Ultraschall-Strömungsmeßgeräten wird die übertragung von longitudinalen Ultraschallwellen durch das betreffende Strömungsmedium gemessen und daraus die mittlere ' Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Diese Ultraschall-Strömungsmeßgeräte mitteln im allgemeinen sämtliche Teile des Strömungsmediums mit im wesentlichen gleichen Bewertungsfaktoren. Ein derartiges Meßsystem ist beispielsweise in der US-amerikanischen Patentschrift, 3 18Ί 959 beschrieben. Darin ist dargelegt, wie jeweils durch Konstanten, welche ihrerseits jeweils davon abhängen, ob die betreffende Strömung laminar oder turbulent ist, die tatsächliche Strömung zu der durch das Ultraschall-Strömungsmeßgerät gemessenen mittleren Strömung | in Besiehung zu setzen ist. Diese Auswertungsart erfordert jedoch, daß die Ultraschallsonden, welche die Sender und Empfänger aufweisen, durch die Rohrwandung hindurch in die Strömung des Strömungsmediums hineinragen, wodurch wiederum die Strömung gestört wird.

-3 -

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In den US-amerikanischen Patentschriften 2 87*1 568 und 2 923 155 sind Ultraschall-Strömungssysteme beschrieben, bei welchen die Sonden nicht durch die Leitungswandung hindurchragen, sondern außen an der Wandung befestigt sind. Bei diesen Anordnungen ist der Brechungswinkel der Longitudinalwellen an der fläche zwischen der Leitung und dem Strömungsmedium verhältnismäßig klein, so daß die Ultraschallwellen nur eine sehr geringe Geschwindigkeitskomponente in Richtung parallel zur Achse der Strömung aufweisen. Bei derartigen Systemen ist deshalb die Empfindlichkeit, besonders bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten, ein erheblich begrenzender faktor.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, mittels Ultraschallmessung sämtliche Strömungsgeschwindigkeiten ▼on in Leitungen strömenden Medien genauer als bisher möglich messen zu können.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgäbe beinhaltet die Erfindung ein Gerät zum Messen der Strömung eines in einer Leitung strömenden Mediums, welches gemäß der Erfindung durch einen Ultraschair-Scherwellerigenerator zum Erzeugen roh Üitraschall-ScherweIlen, weiter durch Verbindungsteile, mittels weichen der Scherwellengenerator unter einem schrägen Winkel mit der

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Leitung verbunden ist, so daß die erzeugten Scherwellen derart unter einem Winkel auf die fläche zwischen dem Strömungsmittel und der Leitung auftreffen, daß durch Brechung gebildete Longitudinalwellen mit einer Geschwindigkeitshauptkomponente parallel zur Strömungsrichtung in das Strömungsmedium entsandt werden, gekennzeichnet ist, und welches gemäß der Erfindung endlich durch eine Meßeinrichtung zur Messung von Ausbreitungsänderungen dieser Longitudinalwellen innerhalb eines bestimmten örtlichen Strömungsbe- ä reiches und damit zur Bestimmung der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeit gekennzeichnet ist.

Die Scherwellen werden durch Brechung an der fläche zwischen der Leitung und dem Strömungsmedium in Longitudinalwellen umgewandelt, welche nun unter einem viel größeren Winkel weitergeleitet werden. Dieser Winkel ist typischerweise doppelt so groß wie der Winkel, den man durch direkt in das Medium einfallende Longitudinalwellen erreichen würde. Da die sich in dem Strömungsmedium fortpflanzenden Ultraschallwellen eine wesentliche Creschwindigkeitskomponente in Richtung parallel zur Strömungsachse aufweisen, erhält man gegenüber bisherigen Meßgeräten bzw. Meßverfahren eine stark erhöhte Meßempfindlichkeit.

Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit mittels des

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Meßgerätes bzw. mittels des Meßverfahrens nach der Erfindung kann auf zweierlei Art durchgeführt werden. In dem einen rail wird aus der Laufzeitdifferenz zwischen einer sich stromabwärts diagonal fortpflanzenden Longitudinalwelle und einer sich stromaufwärts diagonal fortpflanzenden Longitudinalwelle die mittlere Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Die Bestimmung der Laufzeit wird beispielsweise so durchgeführt, daß durch einen Uhrimpulsgenerator der Zeitunterschied zwischen zwei Videoimpulsen bestimmt wird oder aber, daß die Phasenverschiebung zwischen ausgesandten und empfangenen kontinuierlichen Wellen bzw. "Impulsen" kontinuierlicher Wellenenergie gemessen wird.

In dem anderen Fall werden gemäß der Erfindung Ultraschallwellen in das Strömungsmedium entsandt, welche eine wesentliche Geschwindigkeitskomponente in Richtung parallel zur Strömungsrichtung aufweisen, und anschließend wird die frequenzänderung aufgrund des Doppler-Effektes bei der von Teilchen in dem Strömungsmedium zurückgeworfenen Welle gemessen. Diese Teilchen müssen sich nicht notwendigerweise in ihrer Zusammensetzung von dem Strömungsmedium unterscheiden, sondern können vielmehr von Wirbeln bzw. Turbulenzen gebildet werden. Das gleiche Verfahren wird auch zur Messung nicht- _t axialer Strömungen angewendet, beispielsweise zur Messung

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der Strömungegeschwindigkeit in Rührwerken, bei welchen das Strömungsmedium innerhalb eines zylindrischen Behälters im Umfangerichtung strömt.

Bei Speziellen Ausführungsarten, bei welchen eines der beiden angegebenen Verfahren angewendet wird, wird die Strömungsgeschwindigkeit an bestimmten radialen Stellen bestiemt und auf diese Weise ein radiales Strömungsgeschwindigkeit sprofil ausgemessen. Durch Aufsummieren der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten an diesen radialen Stellen unter g Berücksichtigung geeigneter Bewertungsfaktoren wird eine genaue Messung der üesamtströmung erzielt.

Im folgenden wird die Erfindung am Beispiel einiger bevorzugter Ausfuhrungsformen, welche in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Mg"* I eine Schnittansicht einer Aus-

führungsform eines Strömungsmeßgerätes nach der Erfindung,

. #ig* .2 ein Blockdiagramm eines Meß

systems, welches mit dem erfindungsgemäßen Strömungsmeßgerät versehen ist,

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Fig. 3 einen Querschnitt einer weiteren

Ausführungsform des Strömungsraeß-"gerätes nach der Erfindung,

rig. H in einem Schaubild die Änderung

der Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Materialien als Funktion der Temperatur,

Fig. 5 eine Ansicht eines Phasenverschie-

bungsdetektors, welcher in dem Strömungsmeßgerät nach der Erfindung verwendet wird,

Fig. 6 in einem Schaubild die Änderung

der Oberflächenwellengeschwindigkeit längs eines Materiales als Funktion des auf das Material ausgeübten Druckes,

Fig. 7 teilweise in räumlicher Darstellung

und teilweise in Form eines Schemas eine weitere Ausführungsform eines Phasenverschiebungsdetektors,

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welcher in dem Strömungsmeßgerät nach der Erfindung verwendet wird,

Fig. 8 in teilweise räumlicher Darstellung

und teilweise in tform eines Blockdiagrammes noch eine weitere Ausfuhrungsform des Strömungsmeßgerätes nach der Erfindung,

. 9 teilweise im Querschnitt und

teilweise schematischer Darstellung das Strömungsmeßgerät nach der Erfindung,

Mg. 10 teilweise in räumlicher Darstellung

und teilweise schematisch ein weiteres Strömungsmeßsystem nach j

der Erfindung, und

Jiig. 11 in einem Blockschaltbild ein

gesamtes Strömungs- und Temperaturmeß- bzw. Steuersystem nach der Erfindung.

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In £ig. 1 ist eine grundlegende Ausführungeform dee erfindungsgemäßen Strömungsmeßgerätes dargestellt· Ein von einem Rohr bzw· einer Leitung 11 umschlossenes Strömungsmedium 12 fließt in axialer Richtung durch das Rohr, was in durch einen Pfeil angedeutet ist. Ein Ultraschall-Übertrager 13» welcher aus einem scherwellenerzeugenden Kristall 16 und aus einem Koppelelement 17 besteht, ist an der Außenfläche des Rohres 11 angebracht. Der Übertragerkristall 16 ist typischerweise ein ϊ-Schnitt-Quarzkristall mit einem Durchmesser von 12,7 mm und einer Resonanzfrequenz zwischen 1 MHz und IO HHz oder aber ein X-Schnitt-Lithiumniobatkristall (Scherschwinger)· Diese Kristalle werden entweder mit impulsweiser oder mit kontinuierlicher Erregung betrieben. Das Koppelelement 17 besteht aus einem Material, in welchem eine Ultraschallscherwelle die gleiche Fortpflanzungsgeschwindigkeit wie in dem Material des Rohres 11 hat. Die von dem Kristall 16 erzeugte Ultraschallscherwelle wird in axialer Richtung durch das Koppelelement 17 und anschließend durch die Rohrwandung 11 bis zu der Grenzfläche zwischen dem Strömungsmedium 12 und dem Rohr 11 übertragen, an welcher sie durch Brechung ihre Wellencharakteristik ändert. Der Brechungswinkel fi der sich ergebenden Longitudinalwelle hängt von dem Einfallswinkel oc und von den Relativgeschwindigkeiten der Longitudinal- bzw. ' Scherwellen in dem Strömungsmedium bzw« in der Rohrwandung ab·

- ίο - ■ '■

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Die ie folgenden angegebene Tabelle I gibt die Brechungswinkel Yon Wasser für verschiedene Rohrmaterialien und für verschiedene Einfallswinkel an. Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, da* eine einfallende Scherwelle einen wesentlich größeren Brechungswinkel erzeugt als eine einfallende Longitudinalwelle. In dem Fall, in welchen das Strömungsmittel Wasser ist und ein Acryl-Kunststoff-Koppelelement mit der Rohrwandung einen Einfallswinkel von 30° bildet, ergibt sieh ein Brechungswinkel von etwa 44°« Dieser Winkel bewirkt, da* die sich in dem Strömungsmedium fortpflanzende Longitudinal- I welle eine sehr beträchtliche Geschwindigkeitskomponente in der axialen Strömungerichtung aufweist.

Ein weiterer übertrager 14 ist in gleicher Weise wie der Übertrager 13 aufgebaut und beide bilden zusammen gemäß der Darstellung in #ig· 2 eine gemeinsame Anordnung derart, daß leder der beiden Übertrager 13 und Ik jeweils als Sender und als Empfinger dient·

- 11 -

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Tabelle I

Brechungswinkel von Wasser In Winkelgraden als Funktion des Rohrmaterials für Einfallswinkel

von 30°, 45° und 60°.

Rohrkennzeichen

Einfallswinkel

Material

30'

60°

Long,- Scher- Long.- Scher- Long.- Scher-

Jenaer Glas 0,564 0,328 0,24

Rostfreier Stahl (547) 0,579 0,310 0,30 Acryl-Kunetatoff 0,262 0,107 0,40

13,9

16,5° 44,l^c

10,8⁽
10,5⁽
23, f

18	,7°	13	9°
19	,9°	12	,8°
80	,0°	27	,5°

22, a 24,6

- 12 - ΧΩ CJT OO ΙΌ

. Die Ankoppelung der akustischen Energie zwischen den Koppelelementen 17 und 20 und der Rohrwandung 11 wird durch eine entsprechende Verbindung zwischen Koppelelementen und Rohrwandung hergestellt, beispielsweise durch Adhäsion bzw. Löten bzw. Schweißen, durch optischen Kontakt, durch Druck bzw· durch Verwendung eines flüssigen bzw» elastischen Zwischenfilmes· Eine wirksame Ankoppelung durch flüssige bzw. elastische Zwischenfilme ist möglich, da die einfallenden Scherwellen bei vertikaler Polarisierung eine Vibrations- . λ

komponente senkrecht zu der Grenzfläche zwischen dem Koppelelement 17 und der Rohrwandung 11 aufweisen· Im ialle der Anwendung eines Druckes, eines ilüssigkeitsfilmes oder einer optischen Koppelung muß das Strömungsmeßgerät zur Erzielung eines geeigneten Meßergebnisses vorübergehend an dem Rohr festgeklemmt werden.

In tfig. 2 ist in B-orm eines Blockdiagrammes eine erfindungsgemäße Meßanordnung dargestellt. Ein Impulsgenerator 26

liefert zeitlich genaue elektrische Erregerimpulse an einen ^

übertrager 27 und außerdem ein Zeitzählsignal an einen Zeitzählschaltkreis 28. Ein Zeitzählimpuls gibt dem Impulsgenerator 26 dann eine Anfangszeit vor, wenn der Haupterregerstoß an den beiden Kristallen 16 und 21 auftritt und bewirkt, daß diese Kristalle Ultraschallscherwellen aussenden. Nachdem diese Wellen ihre Charakteristik durch Brechung an der.Grenzfläche

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geändert haben, sich als Longithudinalwellen in de» Strömungsmedium fortgepflanzt haben, an der Grensflache jeweils wieder umgewandelt und zu dem jeweils gegenüberliegenden Kristall übertragen worden sind, treten zwei Impulse auf, welche jeweils den Empfang dieser beiden Wellen versinnbildlichen· Diese beiden Impulse treten zu unterschiedlichen Zeiten an den Kristallen auf und der Zeitunterschied ist der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums proportional· Der Zeit-

α zählschaltkreis 28 kann in verschiedener Weise ausgeführt

sein, typischerweise ist er jedoch als Uhrimpuls-Schaltkreis aufgebaut, welcher den Zeitunterschied zwischen den beiden empfangenen Impulsen digital mißt. Das Ausgangssignal dieses ZeitZählschaltkreises 28 erscheint an einer Ausgabeeinheit 29, welche beispielsweise ein digitales Auslesegerät, ein Oszilloskop oder dergl; sein kann. In *ig. 1 sind zwar die beiden übertrager auf entgegengesetzten Seiten des Rohres angeordnet, doch sei hier festgehalten, daß diese übertrager auch auf der gleichen Seite des Rohres angeordnet

^ sein können, wobei dann die an der gegenüberliegenden Rohrwandung reflektierten Longitudinalwellen durch den Empfänger-Übertrager aufgenommen werden, welcher sich auf der gleichen Seite wie der Sender-Übertrager befindet.

In Mg· 3 ist eine weitere Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsmeßgerätes dargestellt· Bei diesen

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StrOmungsmeßgerät werden anstelle von swei Übertragern gemäß der Darstellung in fig· 1 vier einseine übertrager 3O₉ 31» und 33 verwendet. Die beiden Übertrager 30 und 31 wirken jeweils nur als Sender-Übertrager, wobei der Übertrager 31 •ine Ultrasehallwelle diagonal stromabwärts und der übertrager 31 eine Ultraschallwelle diagonal stromaufwärts aussendet· Die beiden übertrager 32 und 33 wirken jeweils nur als fühler bsw· Empfänger, wobei der Übertrager 32 die von de« übertrager 31 aus diagonal stromaufwärts und der übertrager 33 die von dem übertrager 30 aus diagonal stromabwärts ™ Übertragenen Ultrasehallwellen empfängt· Diese übertrager bestehen jeweils aus einem Scherwellenkristall und aus einem Koppelelement· Wie bei der Ausführungsform gemäß der Darstellung in fig· 1 bestehen die Koppelelemente nach Möglichkeit jeweils aus dem gleichen Material wie die Rohrwandung 11 und der Winkel «fischen den Koppelelementen und der Rohrwandung 11 ist jeweils derart gewählt, daß sich in Verbindung mit den unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Materialien des Rohres und des Stromungsmediums an | der brennfläche «wischen der Rohrwandung 11 und dem Strömungsmedium 12 eine Brechung der beispielsweise in dem Kristall erseugten Scherwelle ergibt, so daß damit eine Logitudinalwelle erseugt wird, welche mit der Rohrwandung einen Winkel von etwa 4.5° bildet· Diese Longitudinalwelle wird an der gegenüberliegenden Grenzfläche wieder in eine Scherwelle umgewandelt, welche durch ein Koppelelement Hl weitergeleitet

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und von einem Kristall 40 aufgenommen wird. Die anderen beiden übertrager 31 und 32 werden in gleicher Weiee betrieben, lediglich mit dem Unterschied, daß die Ultraschallwelle stromaufwärts übertragen wird·

Bei beiden in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellten Ausführungsformen wird jeweils die Strömungsgeschwindigkeit zu dem Unterschied der Laufzeiten zwischen den stromaufwärts und stromabwärts übertragenen Ultraschallwellen in Beziehung gesetzt. Für die Messung dieses Laufzeitunterschiedes gibt es zahlreiche Meßverfahren, welche besonders von der erforderlichen zeitlichen Präzision abhängig sind. Diese Zeitpräzision ist wiederum von der Strömungsgeschwindigkeit und von den in der Meßanordnung vorkommenden Entfernungen abhängig.

In Mg. 4 sind die Scherwellengeschwindigkeiten als Funktion der Temperatur in rostfreiem Stahl 304 und 316 dargestellt, welche häufig als Rohrmaterial verwendet werden· Darüberhinaus ist die Longitudinalwellengeschwindigkeit in flüssigem Natrium als funktion der Temperatur dargestellt· Zur Bestimmung des zu erwartenden Laufzeitunterschiedes für den besonderen Fall eines Rohres aus rostfreien Stahl mit einer lichten Weite von 254 mm, welches als Strömungsmittel flüssiges Natrium bei einer Temperatur von etwa 538⁰C enthält, werden die Angaben in Fig. 4 verwendet. Bei dieser

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Temperatur beträgt die (Geschwindigkeit einer Longitudinalwelle in Natrium:

V_L = 2295 m/s = 2,3 mm.//Us

Bei einer sich unter *»5° diagonal in dem Rohr ausbreitenden Longitudinalwelle und unter der Bedingung, daß die Strömungsgeschwindigkeit gleich Null ist, beträgt die Laufzeit t = 156 Mikrosekunden. Bei gleicher Temperatur beträgt die Geschwindigkeit der Scherwelle in rostfreiem Stahl 304 V_s = 2,74 mm/UB, d.h. diese ist etwa 10 % größer als die Geschwindigkeit der Longitudinalwelle in Natrium bei gleicher Temperatur. Aus dem Snellius¹sehen Brechungsgesetz ergibt sich, daß eine unter einem Winkel von 53,5° einfallende Scherwelle eine sich unter einem Winkel von 45° fortpflanzende Longitudinalwelle zur iolge hat. Es sei hier ausdrücklich vermerkt, daß eine unter gleichen Bedingungen in dem Rohr aus rostfreiem Stahl erzeugte Longitudinalwelle nicht in der Lage ist, eine Longitudinalwelle unter einem Winkel von 45° in das'Strömungsmedium zu entsenden. Aus der Darstellung in iig. 4 ergibt sich weiter, daß die Scherwellengeschwindigkeit in rostfreiem Stahl 316 genau gleich der Longitudinalwellengeschwindigkeit in flüssigem Natrium bei einer Temperatur von angenähert 871⁰C ist. Daraus folgt,

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daß bei dieser Temperatur, welche als Betriebstemperatur des als Kühlmittel verwendeten Natrium« bei bestimmten Kernreaktoren denkbar iat, an der Grenzfläche zwischen dem Rohr und dem flüssigen Natrium keine Richtungsänderung des einfallenden Strahles auftritt, obgleich die Scherwellen in Longitudinalwellen umgewandelt werden·

In dem vorher beschriebenen besonderen rail, bei welchem flüssiges Natrium durch ein Rohr aus rostfreiem Stahl 304 strömt, bewirkt eine Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von 0,76 m/s und 2,54 m/s, daß der Schallstrahl um 0,76 mm bis 7,6 mm von demjenigen Weg abweicht, welcher sich bei einer Strömungsgeschwindigkeit gleich Null ergeben würde, und daß sich damit ein Laufzeitunterschied zwischen 0,7 Mikrosekunden und 2 Mikrosekunden ergibt. Wenn der die Scherwelle erzeugende Erregerimpuls ein Video-Impuls mit einer Impulsbreite von 0,3 Mikrosekunden ist, so werden 100 Mikrosekunden nach der Aussendung des Hauptimpulsbandes zwei Impulse empfangen, welche gegeneinander einen Laufzeitunterschied zwischen 0,7 Mikrosekunden und 2 Mikrosekunden aufweisen; der genaue Wert des LaufzeitUnterschiedes ist vom genauen Wert der Strömungsgeschwindigkeit abhängig. Dieses LaufzeitIntervall wird beispielsweise von einem Zähler gemessen. Eine Zeitauflösung des Zählers von 0,1 Mikrosekunden entspricht einer Strömungs-

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geBChwindigkeitsmeßeapfindlichkeit von etwa IO67 mm/s, welche wiederuM einer lOjiigen Genauigkeit bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 9,1¹I m/s bzw. einer 3Xigen Genauigkeit bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 30,5 m/s entspricht.

Bei eines anderen Verfahren zur Messung des LaufZeitunterschiedes wird eine kontinuierliche Wellenerregung verwendet und die Phasenverschiebung gesessen. Bei einer Erregerfrequenz von 3 NHe und einer Strömungsgeschwindigkeit von % angenähert 4572 ms/s erzielt nan eine Phasenverschiebung von 25° pro 305 aa/s. Wenn diese Phasenverschiebung mit einer Genauigkeit von 1° gesessen wird, so entspricht dies einer Ströaungsgeschwindigkeitsmeßempfindlichkeit von 12,7 mm/s. Diese Genauigkeit ist bei Strömungsgeschwindigkeiten bis etwa I572 wem/β «war ausgezeichnet, jedoch wird das Meßergebnis bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten doppeldeutig, weil Phasenverschiebungen auftreten können, welche größer sind als 360°.

In tig.'5 ist ein Gerät zur genauen Messung der Phasenverschiebung dargestellt. Das Meßverfahren dieses Gerätes bzw, dieses Phasenschiebers beruht auf dem Prinzip, daß die Schallgeschwindigkeit in einem Material bis zu einem gewissen Grad von in diesem Material herrschenden Spannungen abhängig ist. Dieser Phasenschieber entspricht

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do

im wesentlichen einem bereits bekannten Gerät. Bei dem in Fig.5 dargestellten Gerät wird die durch Materialspannungen hervorgerufene Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Rayleigh-Wellen für die Messung ausgenutzt. Ein fester Körper 43» welcher aus jedem beliebigen festen Material bestehen kann, ist zwischen zwei, einen Belastungsrahmen bildenden Biegeteilen und 45 angeordnet. Durch Aufbringen einer Belastung bei 48 wird der Probekörper 43 gebogen, wodurch sich infolge der zwischen weit auseinanderliegenden Auflagerstellen 44 und 44* auf die obere Fläche einwirkenden Belastung an der oberen Fläche des Probekörpers Zugspannungen ausbilden. Die untere fläche des Probekörpers wird über enger zusammenliegende Auflagerstellen 46 und 46* belastet. Der Betrag der Verbiegung des festen Körpers 43 wird durch ein Meßgerät 47 gemessen, welches die Translationsbewegung eines Endteiles des Körpers 43 mit Bezug auf das feststehende Biegeteil 45 anzeigt. Wenn nun ein Signal zu einem Sender-Übertrager 49 geleitet wird, welcher eine Rayleigh- bzw. Oberflächenwelle längs der oberen Fläche des festen Körpers 43 erzeugt, die

von einem Empfänger-Übertrager 49 empfangen und wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, so ist die Verzögerung zwischen dem auf den Sender-Übertrager 49* gegebenen elektrischen Signal und dem durch den Empfänger-Übertrager

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erzeugten elektrischen Signal eine funktion der Größe des auf den festen Körper 43 ausgeübten Biegemomentes.

In #ig. 6 ist in einem Diagramm die relative Geschwindigkeit einer Oberflächenwelle als Funktion der Zug- bzw. Druckspannung dargestellt; die Maßeinheit für die Relativgeschwindigkeit ist dabei willkürlich gewählt und. die dargestellte !funktion ist in bezug auf die Belastung nicht korrigiert.

Wenn die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Gerät gemäß den Darstellungen in irig. 1 bzw. Mg. 3 bekannt ist, so kann das Ausgangssignal des Übertragers, welcher das stromabwärts übertragene Signal empfängt, zur Erregung des Sender-Übertragers 49 verwendet werden. Außerdem kann das Ausgangssignal des Empfänger-Übertragers 49* beispielsweise auf einem Oszillographenschirm mit der von dem stromaufwärts gelegenen übertrager empfangenen Ultraschallwelle verglichen I werden. Durch eine Veränderung der bei 48 einwirkenden Belastung können diese beiden Wellen auf dem Oszillographenschirra zur Übereinstimmung gebracht werden. Der Betrag der Belastung, welcher zur Erzeugung der Übereinstimmung zwischen den beiden Wellen erforderlich ist, steht damit in direkter

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Beziehung zu der durch die Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufenen Phasenverschiebung.

Ein ähnlicher Phasenverschiebungsdetektor ist in Fig. dargestellt. Bei dem Gerät nach Mg. 7 braucht jedoch die Strömungsrichtung des Mediums nicht bekannt zu sein. Ein Streifenelement 57 liegt jeweils an seinen Enden derart auf, daß eine Verbiegung des Streifenelementes jeweils in einer vertikalen Richtung möglich ist. Auf dem einen Ende der oberen Fläche des Streifenelementes ist ein Sender-Übertrager und auf dem entgegengesetzten Ende der gleichen Fläche ist ein Empfänger-Übertrager 5^ angeordnet. In gleicher Weise ist an dem einen Ende der unteren Fläche ein weiterer Senderübertrager 53 und an dem entgegengesetzten Ende der gleichen Fläche ein Empfänger-Übertrager 55 angeordnet. Der obere übertrager 52 ist elektrisch mit einem Empfänger-Übertrager eines Gerätes gemäß der Darstellung in Fig. 3 verbunden, während der untere übertrager 53 elektrisch mit einem Empfänger-Übertrager 33 des gleichen Gerätes verbunden ist. Durch eine Spindel 50 eines Mikrometers 50* wird eine Kraft auf die Mitte des Streifenelementes 57 ausgeübt. Die jeweilige Einstellung des Mikrometers 50* wird dabei an einer Meßskala 51 abgelesen. Der obere Empfänger-Übertrager 5k

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und der untere Empfänger-Übertrager 55 sind jeweils mit einem Eingang eines Oszilloskopes elektrisch verbunden.

Während des Betriebes wird die Einstellung des Mikrometers 50* und damit die Kraft auf die Mitte des Streifenelementes 57 so lange verändert, bis die sich aus den von dem oberen übertrager 54 und dem von dem unteren übertrager empfangenen Signalen jeweils ergebenden Wellen zeitlich übereinstimmen. Da eine Veränderung der durch die Spindel auf das Streifenelement ausgeübten Belastung die eine Fläche des Streifenelementes 57 zusammenpreßt und die andere Fläche des Streifenelementes gleichzeitig dehnt, zeigt die an der Meßskala 51 abgelesene Einstellung des Mikrometers 50* direkt die Phasendifferenz zwischen den von den Kristallen 32 und empfangenen Signalen an. Eine sehr genaue Steuerung dieses Ultraschall-Phasenschiebers ist möglich, da die Geschwindigkeitsänderung der Oberflächenwelle selbst bei sehr großen" Spannungen klein ist. Wenn die an dem Streifenelement hervorgerufenen Verzögerungswerte mit Bezug auf die Frequenz streuen, werden Impulse mit einer Impulsdauer von etwa 10 Hz verwendet und damit eine Doppeldeutigkeit der Messung vermieden, da die überlagerung nur bei einem einzigen Wert der Phasenverechiebungskompensation auftritt. Bei dem beschriebenen Phasenschieber werden zwar Rayleigh-Wellen verwendet, der gleiche Effekt wird jedoch auch bei Verwendung von Scher- bzw. Longitudinalwellen an einem unter Spannung stehenden

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1§S§23

Material erzielt.

Wie vorher bereits beschrieben, beruht ein weiteres allgemeines Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit mit Hilfe von longitudinalen Ultraschallwellen auf dem Doppler-Effekt. Ultraschallenergie, welche von stillstehenden Teilchen in einem Strömungsmedium zurückgeworfen wird, wird mit der gleichen Frequenz wie die gesendete Welle zurückübertragen· Wenn sich jedoch diese Teilchen des Strömungsmediums, in Bewegung befinden, so erfahren die an ihnen zurückgeworfenen Wellen eine Phasenverschiebung um einen Betrag, welcher von der mittleren Teilchengeschwindigkeit in der Mitte des die Welle zurückwerfenden Bereiches abhängt.

Bei dem in rig. 8 dargestellten Strömungsmeßgerät erzeugt ein Signalgenerator 58 kontinuierliche Wellen erregende Impulssignale mit bekannter Frequenz, beispielsweise mit 5 MHz. Diese Signale werden zur Erregung eines Scherwellenkristalles 60 verwendet, welcher eine Scherwelle in ein Rohr 68 entsendet. Diese Scherwelle wird an der Grenzfläche zwischen der Rohrwandung 68 und einem Strömungsmedium 61 in eine diagonal in das Strömungsmedium hineingehende Longitudinalwelle umgewandelt. Diese Longitudinalwelle 67 wird an einer Stelle 64 von einem Teilchen zurückgeworfen, welches entweder ein von dem Strömungsmittel mitgeführtes

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Teilchen oder aber einen Wirbel oder eine Blase in dem Strömungsmedium darstellt. Ein Teil der von dem Teilchen zurückgeworfenen Ultraschallenergie wird von einem Empfänger-Überträger 60' empfangen. Der Empfänger-Übertrager 60» weist eine Empfindlichkeit für Scherwellen auf, welch letztere durch die an der Wand 68 einfallenden Longitudinalwellen erzeugt werden. Die frequenz dieser empfangenen Wellen wird in einem herkömmlichen Brequenzdetektor 59 mit der frequenz der von dem übertrager erzeugten Signale verglichen. Der frequenzunterschied steht damit in direkter Beziehung zur Bewegung des Teilchens 64 und damit zur Strömungsgeschwindigkeit des Mediums. Als Empfänger-Übertrager wird zwar ein gesonderter Kristall 60· verwendet, doch es ist selbstverständlich,daß der gleiche Kristall 60 auch beide funktionen, d.h. Senden und Empfangen, ausüben kann.

Wenn der jj-requenzdetektor 59 nach dem Prinzip der

Zeitbereichssteuerschaltung arbeitet, so kann die festge- %

stellte erequenzverSchiebung auf die radiale Entfernung "a^w bezogen werden, in welcher sich der die Wellen zurückwerfende Bereich mit Bezug auf die Rohrachse befindet. Durch eine irolge von Messungen, bei welcher der gesteuerte Zeitbereich schrittweise weitergeschaltet wird, mißt man die

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2fr

Strömungsgeschwindigkeit u als Funktion des Radius r von r = 0 bis r = R, wobei R der Radius des Rohres ist. Bei einem kreiszylindrischen Rohr wird die Menge des darin in axialer Richtung transportierten Strömungsmediums als eine Vielzahl konzentrischer, zylindrischer Schalen der Dicke Ar aufgefaßt. Die Zylinderschalen weisen zwar alle die gleiche Dicke Ar auf, jedoch gilt für ihre Querschnittsfläche 27Τ·γ·Δγ , d.h. diese wächst proportional mit dem Radius r. Demgemäß transportieren die äußeren Zylinderschalen eine größere Menge an Strömungsmedium als die inneren und zwar auch dann, wenn die Strömungsgeschwindigkeit über die gesamte Querschnittsfläche hinweg gleichförmig ist. Bei nichtgleichförmiger Strömungsgeschwindigkeit gibt somit die Summe des von jeder Zylinderschale gelieferten Beitrages, multipliziert jeweils mit einem der Fläche dieser Schale entsprechenden Bewertungsfaktor, das genaueste Meßergebnis mit Bezug auf die Gesamtströmung an. Bei unendlich dünnen Zylinderschalen ergibt sich somit die Strömungsgeschwindigkeit aus der Gleichung

7?

u = 2^· / u(r)dr r =o

wobei u(r) die sich aus einer Ultraschallmessung

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an einer Stelle nit dem Radius r ergebende Strömungsgeschwindigkeit darstellt. Durch das Ausnutzen des getarnten Bereiches derart, daß der Schnittpunkt des einfallenden Strahles 67 mit dem zurückgeworfenen Strahl 67* sieh Ton r « O bis r = R ändert, wird eine exakte Messung der Gesamtströmung erzielt. Ein ähnliches Meßverfahren wird angewendet, wenn ein Oteschwindigkeitsprofil längs der z-Achse des Rohres zu bestimmen ist.

Unter bestimmten Umständen tritt keine axiale Strömung, sondern eine Strömung in Umfangerichtung auf. In rig. 9 ist «in Rührwerk für ein in einem #aß 69 befindliches Strömungsmedium schematisch dargestellt. Bei dieser Anordnung ist eine Reihe von Übertragern 70, 71 und 72, welche Scherwellen aussenden, an der Wandung des Passes angebracht. Durch Brechung jeweils an den Grenzflächen längs Sehnen des kreis· förmigen iafiquerschnittes werden die Scherwellen in Longitudinalwellen umgewandelt· Jeder der übertrager 70, 71 und 72 wirkt gleichzeitig als Sender und als Empfänger. Impulse von Ultraschallwellen, welche an den Stellen 74, 74' und 7Ί" zurückgeworfen werden, sind aufgrund des Dopplereffektes jeweils entsprechend der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit im radialen Abstand r^, r₂ und r, vom Mittelpunkt des ?afiquersehnittes gegeneinander phasenverschoben. Die durch eine einfallende Scherwelle hervorgerufene Brechung ist

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halb so groß wie diejenige, welche durch eine einfallende Longitudinalwelle erzeugt worden wäre, wodurch eine Aufrechterhaltung der gegenseitigen Parallelität der von den Übertragern ausgehenden Strahlen erleichtert wird. Der Strömungegradient zwischen der an einem Radius T^ und einem Radius r₂ gemessenen Strömungsgeschwindigkeit liefert ein Maß für die Viskosität 17 des Strömungsmediums·

Ein Strömungsgeschwindigkeitsprofil einer Axialströmung in einem Rohr kann mit einem Gerät gemäß der Darstellung in rig. 10 gemessen werden. Dabei sind drei übertrager 81, 82 und 83 an einer Rohrwandung 88 angeordnet· Durch Brechung an der Grenzfläche zwischen der Rohrwandung und dem Strömungsmedium erzeugte Longitudinalwellen 84, 85 und werden unter einem bestimmten Winkel längs Zylindersehnen in das Strömungsmedium entsandt. Der Winkel zwischen den Koppelelementen und der Rohrwandung ist dabei derart gewählt, daß sich die Strahlen in den Ebenen 84a, 85a und 86a fortpflanzen, welche in rig. 10 als Parallelebenen zur YZ-Ebene dargestellt sind. Diese Koppelelemente sind außerdem derart in der Z-Richtung ausgerichtet, daß sich im allgemeinen mit Bezug auf die Strömungsrichtung ein diagonaler Weg der Longitudinalwellen ergibt und daß damit eine beträchtliche Komponente ihrer Geschwindigkeiten parallel zur Strömungsachee des Mediums liegt.

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In Big, 11 ist eine Anordnung zur gleichzeitigen Regelung der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur eines Strömungsmediums in einem Rohr dargestellt. Die Messung der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit, welche die Basis für diese Regelung darstellen, geschieht mittels des Ultraschall-Strömungsmeßgerätes nach der Erfindung. Das Strömungsmedium fließt durch ein Rohr 100, an welchem Sender-Scherwellenübertrager 101 und 102 sowie Empfänger-Scherwellenübertrager 103 und 104 befestigt sind. Diese · % übertrager sind mit dem Rohr 100 gemäß der Darstellung in tfig. 3 gekoppelt und bilden somit die grundlegende Strömungsmeßanordnung gemäß jj-ig. 3. Zwei Treiber stuf en 107 und 109 koppeln jeweils einen elektronischen Triggerschaltkreis mit den Sender-Übertragern 102 und 101, welche damit im Impulsbetrieb arbeiten.

Die Ausgangssignale der Empfänger-Übertrager 103 und werden auf einen Summierer 111 gegeben, welcher an seinem g

Ausgang die Summe der Laufzeiten der jeweiligen Ultraschallwellen abgibt. Das Ausgangssignal des Summierers wird auf einen "Division durch 2"-Schaltkreis 113 gegeben und dessen Ausgangssignal wird über einen Linearisierer 115 zu einem Temperatur-Ausleseschaltkreis 117 weitergeleitet. Die Temperatur des Strömungsmediums ist der Laufzeit einer über eine bestimmte Strecke in dem Strömungsmedium übertragenen

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Ultraschallwelle direkt proportional. Durch ein Addieren der diagonal stromaufwärts und der diagonal stromabwärts benötigten Laufzeiten und durch eine Division durch 2 werden die Strömungseffekte 1. Ordnung der STrömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums ausgeschaltet und das von dem Temperatur-Ausleseschaltkreis 117 empfangene Signal gibt damit direkt die Temperatur an. Der Summierer 111 und der Divisionschaltkreis 113 sind herkömmliche elektrische Schaltungen· Der Linearisierer 115 ist ein elektronischer Bewertungsechaltkreis, welcher die besondere Strömungskurve dem Ausleseschaltkreis anpaßt. Der Ausleseschaltkreis 117 arbeitet entweder analog oder digital.

Sie Temperaturregelung wird dadurch erreicht, daß ein Steuersignal auf ein das Rohr 100 umgebendes Heizelement gegeben wird. Dieses Temperatureteuersignal wird von einem Vergleicherschaltkreis 119 geliefert, auf welchen das Ausgangssignal des Temperatur-Ausleseschaltkreises 117 sowie ein Signal aus einer Temperaturprogrammschaltung 121 gegeben wird. Die Temperaturprogrammschaltung 121 liefert dem Vergleicher 119 ein Eingangssignal, welches die geeignete Temperatur versinnbildlicht, und dieser Vergleicher liefert dann ein Signal, welches den Unterschied zwischen dem Signal des Temperatur-Ausleseschaltkreises 117 und dem Signal aus der Temperaturprogrammschaltung 121 versinnbildlicht. Die

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Arbeitsweise des Vergleichere hängt selbstverständlich davon ab, ob der Vergleich digital oder analog vorgenommen wird. In jedes falle gibt es eine Vielzahl herkömmlicher Schaltkreise, welche diese Funktion erfüllen. Das Ausgangssignal des Vergleichers 119 wird zu einer Temperatursteuerschaltung geleitet, welch letztere wiederum das Heizelement 125 steuert. Die Arbeitsweise der Temperatursteuerschaltung 123 beruht entweder darauf, daß durch die Größe des von dem Vergleicher erzeugten Differenzsignales der zu dem konventionellen Heiz- g element 125 fließende Strom erhöht wird, oder aber, daß eine Zeitbasisschaltung,die Einschaltung des Heizelementes 125 jeweils gemäß der Länge derjenigen Zeitspanne steuert, während welcher das Teoperatursteuersignal aus dem Schaltkreis 123 vorhanden ist.

Die Regelung der Strömungsgeschwindigkeit wird dadurch erzielt, daß die Ausgangssignale der beiden Empfänger 103 und 104 auf einen Differenzschaltkreis gegeben werden. Das Ausgangssignal des Differenzschaltkreises wird wiederum über * einen Linearisierer auf einen Strömungsgeschwindigkeits-Ausleseschaltkreis 116 gegeben* Der Linearisierer 114 erfüllt die gleiche Funktion wie der Linearisierer 115, d.h. er stellt die Größe des Signales je nach verwendetem Strömungsmedium ein und ermöglicht dadurch eine richtige Betriebsweise des Strömungsgeschwindigkeits-Ausleseschaltkreisee 116. Da

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der Unterschied in den Laufzeiten der Ultraschallimpulse, welche stromaufwärts und'stromabwärts übertragen wurden, in direkter Beziehung zur Strömungsgeschwindigkeit steht, ist das Ausgangssignal des Strömungsgeschwindigkeits-Ausleseschaltkreises 116 ein direktes Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in dem Rohr.

Zur Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit dient eine Strömungspumpe 124, welche die Strömung des Strömungsmediüms in dem Rohr 100 beschleunigt oder verzögert. Diese Strömungspumpe wird von einem Signal aus einer Strömungssteuerschaltung 122 gesteuert. Ein Vergleicher 118, welcher an seinem einen Eingang das Ausgangssignal des Strömungsgeschwindigkeits-Ausleseschaltkreises 116 und an seinem anderen Eingang ein Signal aus einer Strömungsgeschwindigkeitsprogrammschaltung empfängt, erzeugt das iehlersignal für die Strömungsgeschwindigkeitssteuerschaltung 122. Die genaue Arbeitsweise der Ströraungsgeschwindigkeitssteuerschaltung hängt von der besonderen Art der verwendeten Strömungspumpe ab. Im iralle der Temperatursteuerung kann diese Steuerschaltung 122 entweder eine Zeitbasisschaltung sein oder aber eine Schaltung, welche den Betrag der an die Pumpe gelieferten elektrischen Energie verändert und damit die Pumpmenge erhöht oder vermindert. Die Schaltung des Vergleichers 118 ist wiederum davon abhängig, ob die erzeugten

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Signale in analoger oder digitaler iorm vorliegen.

Auf dieser Beschreibung der Erfindung aufbauend ergeben sich für den Fachmann mannigfaltige Abwandlungs- und Verbes serungsmöglichkeiten.

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Patentansprüche

l.J Gerät zum Messen der Strömung eines in einer Leitung strömenden Mediums, gekennzeichnet durch einen Ultraschall-Scherwellengenerator (16, 17, 20, 21) zum Erzeugen von Ultraschall-Scherwellen, weiter durch Verbindungsteile (17, 20), mittels welcher der Scherwellengenerator unter einem schrägen Winkel mit der Leitung (11) verbunden ist, so daß die erzeugten Scherwellen derart unter einem Winkel auf die Fläche zwischen dem Strömungsmittel (12) und der Leitung (11) auftreffen, daß durch Brechung gebildete Longitudinalwellen mit einer Geschwindigkeitshauptkomponente parallel zur Strömungsrichtung in das Strömungsmedium entsandt werden, und endlich durch eine Meßeinrichtung (26, 27, 28, 29) zur Messung von Ausbreitungsänderungen dieser Longitudinalwellen innerhalb eines bestimmten örtlichen Strömungsbereiches und damit zur Bestimmung der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeit .

2. Gerät nach Anspruch 1 zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Scherwellengenerator die von ihm erzeugten Ultraschall-Scherwellen derart unter einem mit Bezug auf die Grenz-

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Claims (1)

1. fläche zwischen der betreffenden Leitung (11) und dem betreffenden Strömungsmedium schrägen Einfallswinkel in das Strömungsmedium (12) entsendet, daß sich durch Brechung Longitudinalwellen bilden, deren Geschwindigkeitshauptkomponente parallel zur Strömungsrichtung des Strömungsmediums gerichtet ist, wobei sich ein Teil dieser Longitudinalwellen mit einer Komponente entgegen der Strömungsrichtung und ein anderer Teil dieser Longitudinalwellen mit einer Komponente in Strömungsrichtung ausbreitet, und daß weiter eine in Strömungsrichtung von.dem Scherwellengenerator entfernt an der Leitung (11) angeordnete Meßeinrichtung (26, 27, 28, 29) vorgesehen ist, welche aus den übertragenen Longitudinalwellen in der Leitung durch Brechung erzeugte Scherwellen feststellt und ein den Unterschied in der Laufzeit der beiden sich mit Ultraschallgeschwindigkeit in und entgegen der Strömungsrichtung fortpflanzenden Longitudinalwellenteile versinnbildlichendes Ausgangssignal erzeugt.

   3. Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Scherwellengenerator zwei Scherwellenkristalle (16, 21) und zwei Koppelelemente (17, 20)aufweist, wobei eines (17) der beiden Koppelelemente zwischen dem einen Scherwellenkristall und der betreffenden Leitung (11) angeordnet ist und wobei das ar^sre, zwischen dem anderen Scherwellenkristall und der Leitung angeordnete Koppelelement (20) in Ströraungs-

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   richtung in einiger Entfernung von dem erstgenannten Scherwellenkristall an der Leitung angebracht ist, und weiter dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kristalle gleichzeitig erregt werden und Longitudinalwellen erzeugen, welche Komponenten in Richtung und entgegen der Richtung der Strömung des Mediums erzeugen und daß die beiden Kristalle außerdem als jrühler für die Meßeinrichtung dienen.

   ¹I. Meßgerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß beide Scherwellenkristalle (16, 21) jeweils an der gleichen Seite der Leitung (11) angebracht sind.

   5. Meßgerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Scherwellenkristalle 16, 21) jeweils an diagonal gegenüberliegenden Seiten der Leitung (11) angebracht sind.

   6. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Scherwellengenerator (16, 17, 20, 21) und die Meßeinrichtung (26, 27, 28, 29) nur vorübergehend mit der Leitung (11) verbunden sind.

   7. Meßgerät nach Anspruch 2, 3, 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitung der Longitudinal-

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   wellen jeweils diagonal stromaufwärts und stromabwärts in dem Strömungsmedium erfolgt und daß mittels-der Meßeinrichtung (26, 27, 28, 29) der Zeitunterschied zwischen den jeweils von der Meßeinrichtung empfangenen Impulsen gemessen wird," welcher davon herrührt, daß einerseits diagonal stromabwärts und andererseits diagonal stromaufwärts übertragene Ultraschallwellen empfangen werden.

   8. Meßgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Scherwellenkristalle (16, 21) ™ mit mehreren Perioden kontinuierlicher Wellenenergie gleichzeitig erregt werden und daß die Meßeinrichtung (26,

   27, 28, 29) ein Phasenmeter (29) aufweist, welches den Phasenunterschied zwischen den von der Meßeinrichtung empfangenen diagonal stromaufwärts und diagonal stromabwärts übertragenen Impulsen anzeigt.

   9. Meßgerät nach Anspruch 7 oder Anspruch 7 und 8,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (26, 27, ^

   28, 29) einen Phasenschieber (42, 43, 44., 44«, 45, 46, 46», 47, 48, 49, 49') aufweist, welcher jeweils die Phase eines entsprechend einem der beiden diagonalen Stromauf- . wärts- bzw. Stromabwärts-übertragungsbereiche empfangenen Signales gegenüber einem entsprechend dem anderen diagonalen

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   Übertragungsbereich empfangenen Signales verschiebt, und daß dieser Phasenschieber derart gesteuert wird, daß jeweils das Maß der zur Erzielung einer Phasenübereinstimmung zwischen den beiden Signalen benötigten Änderung in dem Phasenschieber ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums (12) darstellt.

   10. Meßgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (42, 43, 44, 44», 45, 46, 46', 47, 48, 49, 49') mit einem festen Körper (43) versehen ist, auf welchem Sende- bzw. Empfangseinrichtungen (49^f bzw. 49) zur übertragung einer Ultraschallwelle längs des festen Körpers bzw. zum Empfang dieser übertragenen Ultraschallwelle befestigt sind, und daß der Phasenschieber weiterhin eine Spannvorrichtung (42, 44, 44', 48) zur gesteuerten Verspannung des festen Körpers und damit zur Veränderung der Laufzeit der übertragenen Ultraschallwellen aufweist.

   11. Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zwei weitere Scherwellenkristalle (40) aufweist, deren ersterer mit der Leitung (11) an einer dem erstgenannten Scherwellenkristall (16 bzw. 34) diagonal gegenüberliegenden Stelle verbunden ist, und deren letzterer mit der Leitung an einer dem zweitgenannten Scherwellenkristall (21 bzw. 36) diagonal gegenüberliegenden Stelle verbunden ist, und

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   daß diese beiden Scherwellenkristalle jeweils in Abhängigkeit von den an benachbarten Bereichen der Leitung einfallenden Longitudinalwellen elektrische Ausgangssignale erzeugen.

   12. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Signaleinrichtung (58) zum Erregen des Scherwellengenerators (60), derart, daß dieser Scherwellen aussendet, deren Energiespektrum hauptsächlich eine bestimmte frequenz aufweist, ferner durch eine kühleinrichtung (60¹) zum Empfang der von dem Medium zurückgeworfenen Longitudinalwellen und schließlich durch einen rrequenzdetektor (59) zur Messung des Unterschiedes zwischen der frequenz der ausgesandten (67) und der zurückgeworfenen Welle (67'), wobei diese rrequenzdifferenz eine Anzeige der Geschwindigkeit des Strömungsmediuras liefert.

   13* Meßgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Scherwellengenerator von dem erstgenannten Scherwellenkristall (60) gebildet wird, welcher über ein Koppelelement mit der Leitung (68) verbunden ist, und daß weiter die kühleinrichtung von dem zweitgenannten Scherwellenkristall (60·) gebildet wird, welcher von dem erstgenannten Scherwellenkristall derart entfernt angeordnet ist, daß der rühlbereich der kühleinrichtung die sich

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   diagonal durch das Strömungsmedium (61) fortpflanzende Longitudinalwelle (67) an'einer bestimmten radialen Stelle (64) schneidet.

   14. Meßgerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (68) ein Rohr ist, durch welches hindurch die erzeugte Longitudinalwelle (67) diagonal übertragen wird, daß weiter eine Zeitbereichsschaltung bewirkt, daß die kühleinrichtung nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne jeweils nach Erregung des Scherwellengenerators betätigt wird, wobei die aufeinanderfolgenden Zeitspannen jeweils Wellenreflexionspunkten (64) in dem Strömungsmedium entsprechen, welch letztere an verschiedenen Stellen in

   dem strömenden Medium auftreten können.

   15. Meßgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß es eine der Viskosität des Strömungsmediums entsprechende Ausgangsanzeige des Geschwindigkeitsgradienten zwischen besonderen radialen Punkten in dem Strömungsmedium liefert.

   16. Meßgerät nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Summiereinrichtung (111) zum Aufsummieren sämtlicher Werte der Strömungsgeschwindigkeit, welche sich für radiale Stellen (64) über das Strömungsmedium (61) hinweg ergeben,

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   und zur Lieferung eines geeigneten Bewertungsfaktors für jede dieser radialen Stellen, wobei die Bewertungsfaktoren der relativen Gesamtfläche des strömenden Mediums an diesen radialen Stellen entsprechen, so daß sich ein wahres Strömungsgeschwindigkeitsgesamtprofil ergibt.

   17. Ultraschall-Phasenschieber für Meßgeräte nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch ein Streifenelement (57) mit zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen und weiter durch eine übertragungseinrichtung (52, 54) zur übertragung einer Oberflächenwelle zwischen zwei bestimmten Punkten auf der einen Oberfläche und durch eine weitere übertragungseinrichtung (53, 55) zur übertragung einer Oberflächenwelle zwischen zwei bestimmten Punkten auf der anderen Oberfläche sowie mit einer Spannvorrichtung (50, 50') zur gesteuerten Veränderung der auf dieses Streifenelement jeweils längs der beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen ausgeübten Spannung, derart, daß die Oberflächenwellengeschwindigkeit auf der einen Oberfläche erhöht und gleichzeitig die Oberflächengeschwindigkeit auf der entgegengesetzten Oberfläche vermindert wird und der Betrag dieser Spannungen zur¹ Steuerung der Phasenverschiebung zwischen ' den von Wühlern (54, 55) erzeugten Signalen dient, welche die entsprechenden Oberflächenwellen empfangen, sowie mit einer Meßeinrichtung (56) zur Bestimmung des Betrages der

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   Spannungen, durch welche eine Übereinstimmung zwischen den durch das Abtasten der Oberflächenwellen auf der einen Oberfläche und den durch das Abtasten der Oberflächenwellen auf der gegenüberliegenden Oberfläche erzeugten Signale erzielt werden soll, wobei die Meßeinrichtung außerdem jeweils den Betrag der Spannungen und damit den Betrag der jeweils eingestellten Phasenverschiebung anzeigt.

   ^ 18. Verfahren zur Messung der Strömung eines Strömungsmediums in einer Leitung, welches durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist,

   a) Erzeugen von Ultraschall-Scherwellen und Weiterleiten dieser Ultraschall-Scherwellen unter einem in Bezug auf die Fläche zwischen dem Strömungsmedium und der Leitung schrägen Einfallswinkel an zwei verschiedenen Punkten, welche voneinander entfernt in Richtung parallel zur Strömungsrichtung des Mediums liegen, ™ wobei der Einfallswinkel derart gewählt ist, daß

   die Longitudinalwellen durch Umwandlung der Wellencharakteristik an der Zwischenfläche gebildet werden und sich in das Strömungsmedium hinein mit einer Geschwindigkeitshauptkomponente in Richtung parallel / zur Strömungsrichtung des Strömungsmediums fortpflanzen,

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   und wobei die von dem einen Einfallspunkt an der Zwischenfläche ausgehenden Longitudinalwellen eine Geschwindigkeitskomponente parallel zur Stromabwärt erichtung des Strömungsmediums aufweisen, und die von dem anderen Einfallspunkt an der Zwischenfläche ausgehenden Longitudinalwellen eine Geschwindigkeitskomponente parallel zur Stromaufwärtsrichtung des Strömungsmediums aufweisen,

   b) Messung des Laufzeitunterschiedes jeweils zwischen den Longitudinalwellen, welche sich in Stromaufwärts- bzw. Stromabwärtsrichtung jeweils über die gleiche Entfernung ausgebreitet haben, und

   c) Anzeigen des Laufzeitunterschiedes, welcher ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums darstellt.

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