DE19617961A1 - Method for measuring the flow rate of gaseous or liquid media by means of ultrasound and a measuring device suitable for carrying out the method - Google Patents
Method for measuring the flow rate of gaseous or liquid media by means of ultrasound and a measuring device suitable for carrying out the methodInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Strö mungsgeschwindigkeit von gasförmigen oder flüssigen Medien mittels Ultraschall, bei dem die Laufzeit eines von einem Ultraschallgeber ausgesandten Signals innerhalb einer oder mehrerer von dem Medium durchströmten Meßstrecken ermittelt und in einem Signalverarbeitungsgerät daraus die Strömungs geschwindigkeit des Mediums in der jeweiligen Signalrichtung abgeleitet wird und ein zur Durchführung dieses Verfahrens geeignetes Meßgerät.The invention relates to a method for measuring the current flow rate of gaseous or liquid media by means of ultrasound, in which the running time of one Ultrasound transmitter emitted signal within one or of several measuring sections through which the medium flows and the flow in a signal processing device speed of the medium in the respective signal direction is derived and one to perform this procedure suitable measuring device.
Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Medien werden Geräte eingesetzt, die nach mechanischen, elektrothermi schen, laseroptischen oder Ultraschallverfahren arbeiten. Bis auf die nach den elektrothermischen Verfahren arbeiten den Geräte benötigen die nicht mechanischen Geräte eine teure Elektronik, ein aufwendiges Gehäuse und aufwendige Auswerteprogramme zur Berechnung der Zielgrößen, was ein Grund für die relativ geringe Verbreitung derartiger Geräte ist.To measure the flow rate of media Devices used according to mechanical, electrothermal work, laser-optical or ultrasound processes. Except for working according to the electrothermal process the devices, the non-mechanical devices need one expensive electronics, an elaborate housing and elaborate Evaluation programs to calculate the target values, what a Reason for the relatively low spread of such devices is.
Ultraschallmeßgeräte werden dennoch für anspruchsvollere Meßaufgaben gern eingesetzt, da sie die gleichzeitige Ermittlung von Richtung und Geschwindigkeit eines Mediums erlauben, was sie insbesondere für den Einsatz in der Meteo rologie geeignet macht. So erlauben sie auch die Messung von Turbulenzen.Ultrasonic measuring devices are still for more demanding Measuring tasks gladly used because they are the simultaneous Determining the direction and speed of a medium allow what they are especially for use in the Meteo rology suitable. They also allow the measurement of Turbulence.
Ultraschallmeßgeräte zur Messung einer Strömungsgeschwindig keit sind so aufgebaut, daß ein oder mehrere Meßstrecken vorhanden sind, in denen die Laufzeit des Signals eines Ultraschallgebers zwischen einem Sender und einem Empfänger bzw. die Phasenverschiebung zwischen ausgesandtem und empfangenen Signal gemessen wird. Die Laufzeit eines akusti schen Signals in einem Medium ist von der Bewegungsgeschwin digkeit des Mediums in Signalrichtung und von der spezifi schen Schallgeschwindigkeit in diesem Medium abhängig. Die Schallgeschwindigkeit wiederum unterliegt dem Einfluß der Temperatur und eventuell geringfügig dem Einfluß weiterer Eigenschaften des Mediums.Ultrasonic measuring devices for measuring a flow rate speed are constructed so that one or more measuring sections are present in which the duration of the signal of a Ultrasound transmitter between a transmitter and a receiver or the phase shift between emitted and received signal is measured. The duration of an acousti signal in a medium is from the speed of movement of the medium in the signal direction and on the speci speed of sound in this medium. The The speed of sound in turn is subject to the influence of Temperature and possibly the influence of others Properties of the medium.
Um den Einfluß der Temperatur zu kompensieren, arbeiten bisher bekannte Geräten nach folgendem Verfahren: An eine Messung wird grundsätzlich eine Messung in der Gegenrichtung angeschlossen und beide Laufzeiten bzw. Phasenverschiebungen werden subtrahiert, so daß die rein windge schwindigkeitsbedingte Komponente übrigbleibt. Zu diesem Zweck ist eine Doppelverwendung von Sender und Empfänger je nach Signalrichtung nötig. Verwendet werden deshalb hochwer tige Piezoelemente, die hohe Kosten verursachen.Work to compensate for the influence of temperature Previously known devices according to the following procedure: To one Measurement basically becomes a measurement in the opposite direction connected and both terms or phase shifts are subtracted so that the purely windge component due to speed remains. To this Purpose is a double use of sender and receiver each necessary according to signal direction. High quality is therefore used Piezo elements that cause high costs.
Aus der US-PS 5 343 744 ist z. B. eine Anordnung mit drei um 120° versetzten Transducern bekannt, von denen jeweils einer als Schallgeber und die übrigen beiden als Empfänger arbei ten. Durch ringförmiges Weiterschalten nach einer bestimmten Meßzeit wird die Signallaufzeit in den drei Meßstrecken jeweils in beiden Richtungen gemessen und dann rechentech nisch verarbeitet.From US-PS 5 343 744 z. B. an arrangement with three 120 ° offset transducers known, one of which as sound generator and the other two as receivers By ring-shaped switching after a certain Measurement time becomes the signal runtime in the three measurement sections measured in both directions and then arithmetic nically processed.
Aus der DE-PS 26 51 142 ist ein Strömungsgeschwindigkeits messer für ein nur in einer Richtung strömendes Medium mit einer einzigen Meßstrecke bekannt, in der ebenfalls in der bereits erläuterten Weise in alternierender Richtung gemes sen wird.From DE-PS 26 51 142 is a flow rate knife for a medium flowing in one direction only known a single test section, in which also in the already explained in the alternating direction will.
Ähnliche Geräte bzw. Verfahren sind Gegenstand der DE-OS 38 43 678 und DE-AS 24 29 822.Similar devices and methods are the subject of DE-OS 38 43 678 and DE-AS 24 29 822.
Wegen der erforderlichen Umschaltungen und der Anschwing eigenschaften der bereits erwähnten Piezoelemente werden hochwertige Auswertegeräte benötigt. Die Anschwingzeiten der Piezoelemente bewegen sich in ms-Bereich, während eine Auflösung des Signales im ns-Bereich benötigt wird, so daß die Laufzeitdifferenzen aus den Einhüllenden der Wellenpa kete des Signals analysiert werden müssen, was eine kompli zierte Ansteuerelektronik erfordert. Schließlich sind der Genauigkeit einer solchen Messung enge Grenzen gesetzt, so daß für verschiedene Meßbereiche spezielle Geräte benutzt werden müssen.Because of the required switching and the start-up properties of the piezo elements already mentioned high-quality evaluation devices required. The response times of the Piezo elements move in ms range while a Resolution of the signal in the ns range is required so that the transit time differences from the envelope of the wave pair kete of the signal must be analyzed, which is a compli adorned control electronics required. After all, that is Accuracy of such a measurement places narrow limits, so that special devices are used for different measuring ranges Need to become.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein nach dem Verfahren arbeitendes Meßgerät der eingangs genannten Art anzugeben, das die vollständige Erfassung von Richtung und Strömungsgeschwindigkeit mit hoher Auflösung erlaubt, das aber den Aufbau des Meßgerätes mit preiswerten Bauelementen gestattet und keine komplizierte Steuerelek tronik erfordert.The invention has for its object a method and a measuring device working according to the method at the beginning Specify the type mentioned that the complete recording of Direction and flow velocity with high resolution allowed, but the construction of the measuring device with inexpensive Components allowed and no complicated control electronics tronics requires.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem neben der Laufzeitmessung in mindestens einer Meßstrecke außerdem die Laufzeit eines Signals innerhalb einer mit dem Medium verbundenen Referenzstrecke ermittelt wird, in der keine Strömung, ansonsten aber die gleichen Bedingungen wie in dem Medium herrschen und die Strömungs geschwindigkeit des Mediums in der jeweiligen Signalrichtung aus der Differenz der Reziprokwerte der Laufzeiten der jeweiligen Meßstrecke und der Referenzstrecke abgeleitet wird.According to the invention, the object is achieved by a method where in addition to the runtime measurement in at least one Measurement section also the runtime of a signal within a reference path connected to the medium is determined in which there is no current, but otherwise the same Conditions prevail in the medium and the flow speed of the medium in the respective signal direction from the difference between the reciprocal values of the terms of the the respective measuring section and the reference section becomes.
In erfindungsgemäß bevorzugter Weise kann vorgesehen sein, daß für die Messungen in der Referenzstrecke und in der bzw. den Meßstrecken ein phasengleiches Signal verwendet wird.In a preferred manner according to the invention, that for the measurements in the reference path and in the or an in-phase signal is used for the measuring sections.
Außerdem kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Lauf zeiten am Ende der Referenzstrecke und der Meßstrecke(n) durch Messung der Phasenverschiebungen des bzw. der empfan genen Signale gegenüber dem Ausgangssignal ermittelt werden.It can also be provided according to the invention that the barrel times at the end of the reference section and the measuring section (s) by measuring the phase shifts of the received be compared to the output signal.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung entfällt die bisher übliche sequentielle Doppelverwendung der Schallgeber/Empfänger, da die Einflüsse der Temperatur und weiterer Größen auf die Schallgeschwindigkeit durch Vergleich der Laufzeiten in den offenen Meßstrecken mit der Laufzeit in einer im wesentli chen geschlossenen Referenzstrecke bei ansonsten gleichen Bedingungen eliminiert werden.The solution according to the invention eliminates the previously customary one sequential double use of the sounder / receiver, because the influences of temperature and other variables on the Speed of sound by comparing the transit times in the open measuring sections with the running time in an essentially Chen closed reference path with otherwise the same Conditions are eliminated.
Die Erfindung erlaubt damit den Einsatz von preiswerten akustischen Mikrofonen als Empfänger und führt hierdurch bereits zu einer drastischen Senkung der Herstellungskosten eines entsprechenden Meßgerätes. Außerdem führt die Vermei dung der Doppelverwendung der elektroakustischen Bauteile durch die damit verbundene Vermeidung einer komplexen Steue rungselektronik zu einer weiteren Senkung der Herstellungs kosten, ebenso wie die relativ geradlinige Signalverarbei tung. Für die Gewinnung einer dreidimensionalen Information sind nicht mehr drei Sender/Empfängerpaare notwendig, son dern lediglich ein einfacher Schallgeber und vier handelsüb liche Mikrofone.The invention thus allows the use of inexpensive acoustic microphones as receivers and thereby leads already at a drastic reduction in manufacturing costs a corresponding measuring device. The Vermei also leads double use of the electroacoustic components by avoiding complex taxation electronics to further reduce manufacturing cost, as well as the relatively straightforward signal processing tung. For obtaining three-dimensional information three transmitter / receiver pairs are no longer necessary, son only a simple sounder and four standard microphones.
Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, mit einem ununter brochenen, kontinuierlichen Signal in jeweils nur einer Meßrichtung zwischen Schallgeber und Empfänger zu arbeiten, was hinsichtlich der Signalverarbeitung unverkennbare Vorteile erbringt.The invention opens up the possibility of using a sub broken, continuous signal in only one at a time To work the measuring direction between the sounder and the receiver, what unmistakable in terms of signal processing Brings advantages.
Bevorzugt kann zusätzlich vorgesehen sein, daß die Frequenz des ausgesandten Ultraschallsignals durch das Signalverar beitungsgerät so geregelt wird, daß in der Referenzstrecke keine Phasenverschiebung zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen Ultraschallsignal besteht. Vorteilhaft kann so die Empfindlichkeit stets im optimalen Bereich gehalten werden, da die Signale immer in ihrem ansteigenden Bereich ausgewertet werden können. Außerdem wird so der maximal erreichbare Meßbereich aufrechterhalten, der durch über schreiten der Phasenverschiebung von einer Periode des Ausgangssignals begrenzt wird.It can preferably also be provided that the frequency of the emitted ultrasound signal by the signal processing processing device is controlled so that in the reference path no phase shift between the emitted and the received ultrasound signal. So can be advantageous the sensitivity is always kept in the optimal range because the signals are always in their increasing range can be evaluated. It also becomes the maximum achievable measuring range maintained by over step the phase shift from a period of Output signal is limited.
Das am Ausgang der Referenzstrecke gemessene Signal wird zu diesem Zweck an einen Regler geführt, der die von einem Frequenzgenerator erzeugte Frequenz, mit der der Schallgeber beaufschlagt wird, entsprechend nachführt. Das Stellsignal des Reglers ist gleichzeitig dann ein Maß für die Temperatur des Mediums, da die Laufzeitänderung in der Referenzstrecke im wesentlichen nur von der Temperatur abhängig ist.The signal measured at the output of the reference path becomes For this purpose led to a controller that is controlled by a Frequency generator generated frequency with which the sounder is acted on accordingly. The control signal of the controller is also a measure of the temperature of the medium because the runtime change in the reference route essentially depends only on the temperature.
Das Stellsignal kann deshalb nach einer entsprechenden Signalverarbeitung direkt zur Temperaturanzeige verwendet werden.The control signal can therefore according to a corresponding Signal processing used directly for temperature display will.
In bevorzugter Weise wird der Schallgeber in seinem Reso nanzbereich betrieben.In a preferred manner, the sounder is in its reso operating range.
Von der vorbeschriebenen Signalverarbeitung abweichend kann diese in erfindungsgemäßer Weise auch so erfolgen, daß die Laufzeiten am Ende der Referenzstrecke und der Meßstrecke(n) durch Messung der Frequenz des jeweils empfangenen Signals ermittelt werden, bei der die Phasenverschiebung zwischen dem in seiner Frequenz in Grenzen veränderbaren Ausgangssi gnal und dem jeweils empfangenen Signal zu Null wird.Deviating from the signal processing described above this also take place in such a way that the Runtimes at the end of the reference route and the measurement route (s) by measuring the frequency of the signal received can be determined in which the phase shift between the frequency of the output Si, which can be changed within limits signal and the signal received in each case becomes zero.
Die Messung erfolgt ebenfalls mit einem kontinuierlichen Ausgangssignal, das bevorzugt in seiner Frequenz fortlaufend zwischen zwei Grenzfrequenzen kontinuierlich geändert wird.The measurement is also carried out with a continuous Output signal, which is preferably continuous in frequency is continuously changed between two cutoff frequencies.
Erfindungsgemäß kann für den Verfahrensablauf vorgesehen sein, daß die Länge der Referenzstrecke und der Meßstrecken vor Beginn einer Messung in einem ruhenden Medium mittels Vergleich der Laufzeiten bzw. der Phasenverschiebungen der am Ende der Referenzstrecke und der Meßstrecken empfangenen Signale kalibriert wird.According to the invention, the process sequence can be provided be that the length of the reference section and the measuring sections before starting a measurement in a still medium Comparison of the transit times or the phase shifts of the received at the end of the reference path and the measuring paths Signals is calibrated.
Soll eine fortlaufende Messung über einen längeren Zeitraum erfolgen, so kann alternativ dazu auch eine ständige Kali brierung mittels laseroptischen Verfahren oder mittels Mikrowellenmessung vorgenommen werden.Should be a continuous measurement over a longer period of time Alternatively, a permanent potash can also be used bration by means of laser-optical processes or Microwave measurement can be made.
Um einen möglichen Fehler an der Referenzstrecke oder den Meßstrecken aufdecken zu können, kann erfindungsgemäß außer dem vorgesehen sein, daß die Amplituden der am Ende der Referenzstrecke und der Meßstrecken empfangenen Signale miteinander verglichen werden und bei Abweichen der Ampli tude eines Signals gegenüber einem Mittelwert der empfange nen Signale oder einem vorgegebenen Wert ein Fehlersignal ausgelöst wird.To detect a possible error on the reference route or the To be able to uncover measuring sections can, according to the invention, except be provided that the amplitudes at the end of the Reference path and the measuring paths received signals are compared with each other and if the ampli tude of a signal versus an average of the received an error signal is triggered.
Das Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens weist erfin dungsgemäß mindestens einen Schallgeber, mindestens eine mit einem Empfänger ausgerüstete, von dem Medium durchströmte Meßstrecke und eine mit einem Empfänger ausgerüstete, mit dem Medium in Verbindung stehende, aber von diesem nicht durchströmte Referenzstrecke auf.The measuring device for performing the method has inventions According to the invention at least one sound generator, at least one with equipped with a receiver, through which the medium flowed Measuring section and one equipped with a receiver, with related to the medium, but not from it flowed through reference route.
In erfindungsgemäß bevorzugter Weise können die Meßstrecken und die Referenzstrecke die gleiche Länge aufweisen.In a preferred manner according to the invention, the measuring sections and the reference path has the same length.
In ebenso erfindungsgemäß bevorzugter Weise kann ein einzi ger, für alle Meßstrecken und die Referenzstrecke wirksamer Schallgeber verwendet werden.In a preferred manner according to the invention, a single one ger, more effective for all measuring sections and the reference section Sounders are used.
Bevorzugt kann der Schallgeber in den Richtungen der Meßstrecken und der Referenzstrecke eine phasengleiche Abstrahlcharakteristik aufweisen. Als solches eignet sich ein zylindrisches Piezoelement, an das i. ü. nur mäßige Qua litätsanforderungen gestellt werden müssen.Preferably, the sound generator in the directions of the Measuring sections and the reference section are in phase Have radiation characteristics. As such is suitable a cylindrical piezo element to which i. ü. only moderate qua requirements must be made.
Für eine dreidimensionale Messung des Strömungsvektors kann das Meßgerät erfindungsgemäß so aufgebaut sein, daß die Empfänger der Meßstrecken und der Schallgeber an den Eck punkten eines gedachten Tetraeders angeordnet sind.For a three-dimensional measurement of the flow vector the measuring device according to the invention be constructed so that the Receiver of the measuring sections and the sound generator to the corner points of an imaginary tetrahedron are arranged.
Um Reflexionen des Signals und somit eine Rückkopplung auf den Schallgeber zu vermeiden, kann erfindungsgemäß die Refe renzstrecke als monomodaler akustischer, d. h. reflexions freier Leiter ausgebildet sein (single-mode). To reflect the signal and thus feedback To avoid the sound generator, the ref border line as a monomodal acoustic, d. H. reflections be a freelance leader (single mode).
Praktisch könnte der Aufbau z. B. so gestaltet sein, daß ein dünner Aluminiumzylinder zusammen mit dem Schallgeber und einem Empfänger in einem Überwurfrohr angeordnet wird.In practice, the structure could e.g. B. be designed so that a thin aluminum cylinder together with the sounder and a receiver is placed in a cap.
Ist das Meßgerät z. B. für die Messung von Windgeschwindig keiten vorgesehen, kann das Überwurfrohr zusätzlich durch eine ultraschalldurchlässige Membran verschlossen sein, so daß der Schallgeber gegen Umwelteinflüsse geschützt ist. Zum Ausgleich der Meßbedingungen können in dem Hohlzylinder Öff nungen vorgesehen sein, so daß eine Verbindung zur Umge bungsluft entsteht.Is the meter z. B. for the measurement of wind speed provided, the union tube can also by be sealed by an ultrasound-permeable membrane, so that the sounder is protected against environmental influences. To the Compensation of the measurement conditions can in the hollow cylinder Publ tions are provided so that a connection to the vice exercise air is created.
Für eine Ausführung als Handgerät empfiehlt sich die Anbrin gung eines zusätzlichen Handgriffs am Überwurfrohr.Anbrin is recommended for a handheld version additional handle on the union tube.
Bevorzugt wird der Schallgeber in resonanten Bereichen betrieben, wenn verfahrensgemäß eine Phasendifferenzmessung erfolgt. Hier kommt der Vorteil hinzu, daß gerade einfache Piezoelemente ein breites Resonanzspektrum aufweisen, so saß ein Messen in einem großen Meßbereich ermöglicht wird, indem beispielsweise Oberfrequenzen einer resonanten Grundfrequenz zur Meßbereichsvervielfachung ausgenutzt werden können.The sounder is preferred in resonant areas operated if a phase difference measurement is carried out in accordance with the method he follows. Here there is the additional advantage that straightforward Piezo elements have a wide resonance spectrum, so sat a measurement in a large measuring range is made possible by for example, upper frequencies of a resonant fundamental frequency can be used to multiply the measuring range.
Durch die Möglichkeit, die Phasenlage am Empfänger der Refe renzstrecke bis auf Null zu verschieben, befindet sich der Phasenwinkel in den übrigen Meßstrecken auch stets im Bereich des Signal-Nulldurchgangs, in dem mit der höchsten Meßgenauigkeit gemessen werden kann.Due to the possibility of the phase position at the receiver of the Refe to move the reference distance to zero, the Phase angle in the other measuring sections also always in Range of signal zero crossing, in the one with the highest Measurement accuracy can be measured.
Der Meßbereich kann gegenüber herkömmlichen Geräten um ein Vielfaches erweitert werden.The measuring range can be compared to conventional devices Be expanded many times over.
Durch die Vorteile des erfindungsgemäßen Meßgerätes eröffnet sich ein breites Verwendungsfeld. Mit der hohen Meßpräzision ist das Meßgerät für meteorologische und luftfahrttechnische Verwendungen sowie für umwelttechnische Aufgaben geeignet. Opened by the advantages of the measuring device according to the invention a wide range of uses. With the high measuring precision is the measuring device for meteorological and aeronautical Uses and suitable for environmental tasks.
Für die Bauindustrie kommt die Windmessung auf Kranen in Betracht.For the construction industry, wind measurement on cranes comes into play Consideration.
In luftfahrttechnischen Anlagen kann das Meßgerät auch zur Ermittlung der Flugdaten, z. B. Fluggeschwindigkeit, Schiebe- und Anstellwinkel von Flugzeugen, verwendet werden, wobei dann die Strömungsgeschwindigkeit in einem quasi ruhenden Medium und einem bewegten Bezugssystem bestimmt wird.In aeronautical systems, the measuring device can also be used Determination of flight data, e.g. B. airspeed, Aircraft sliding and pitch angles are used then the flow velocity in a quasi stationary medium and a moving frame of reference becomes.
Insbesondere die Preisvorteile lassen darüberhinaus auch einen Einsatz des Meßgerätes im nicht professionellen Bereich möglich werden, so z. B. als Handgerät für Surfer, Drachenflieger u. ä. Sportler.In particular, the price advantages also leave use of the measuring device in a non-professional Area become possible, such. B. as a handheld device for surfers, Hang glider and athletes.
Neben der Verwendung für Luft und Gase ist auch die Strö mungsmessung in Fluiden niedriger Viskosität möglich.In addition to the use for air and gases, the flow Measurement in low viscosity fluids possible.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei spiel es näher erläutert werden.The invention is illustrated below with the aid of an embodiment game it will be explained in more detail.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigenShow in the accompanying drawings
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Meßgerätes zur Windmessung in perspektivischer Ansicht, Fig. 1 shows the basic structure of a measuring device according to the invention to wind measurement in a perspective view;
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Ansteuer- und Auswerte elektronik des Meßgerätes bei Anwendung der verfahrensgemäßen Phasendifferenzmessung und Fig. 2 is a block diagram of the control and evaluation electronics of the measuring device when using the phase difference measurement according to the method and
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Ansteuer- und Auswerte elektronik des Meßgerätes bei Anwendung der verfahrensgemäßen Frequenzmessung. Fig. 3 is a block diagram of the control and evaluation electronics of the measuring device when using the frequency measurement method.
Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Windmeßgerät, wobei der Windvektor nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hinsichtlich der Windgeschwindigkeiten in drei räumlichen Richtungen vollständig erfaßt wird.The exemplary embodiments relate to a wind measuring device, the wind vector according to the inventive method in terms of wind speeds in three spatial Directions is fully captured.
Das Meßgerät enthält drei Empfänger 1, 2, 3 und einen Schallgeber 4. Die Empfänger 1, 2, 3 befinden sich alle äquidistant zum Schallgeber 4 und spannen zusammen ein Achsenkreuz auf, das im vorliegenden Fall als orthogonal zu verstehen ist. Die drei Empfänger 1, 2, 3 und der Schallge ber 4 sitzen an den Eckpunkten eines gedachten Tetraeders. Die so festgelegten gleichlangen Meßstrecken L1, L2, L3 sind dabei durch gestrichelte Linien angedeutet.The measuring device contains three receivers 1 , 2 , 3 and a sound generator 4 . The receivers 1 , 2 , 3 are all equidistant from the sound generator 4 and together span an axis cross, which in the present case is to be understood as orthogonal. The three receivers 1 , 2 , 3 and the Schallge 4 sit at the corner points of an imaginary tetrahedron. The equally long measuring sections L1, L2, L3 are indicated by dashed lines.
Die Struktur wird durch einen Ring 5 gebildet, an dessen Unterseite die Empfänger 1, 2, 3 im Abstand von 120° ange bracht sind, sowie durch eine Stütze 6, die den Ring 5 festhält.The structure is formed by a ring 5 , on the underside of which the receivers 1 , 2 , 3 are placed at a distance of 120 °, and by a support 6 which holds the ring 5 in place .
Eine Referenzstrecke LR ist aus einem als monomodaler akustischer Leiter ausgeführten Rohr 7 gebildet, in dem am unteren Ende, ebenfalls im gleichen Abstand zum Schallgeber 4 wie die Empfänger 1, 2, 3, der Empfänger 8 der Referenz strecke LR untergebracht ist. Die Referenzstrecke LR befin det sich thermisch und mechanisch geschützt innerhalb eines zylindrischen Überwurfrohres 9, in dem auch Teile der Elek tronik untergebracht sein können. Über die Öffnung 10 im Überwurfrohr 9 sowie über die Öffnungen 11 im Rohr 7 ist die Referenzstrecke LR mit der umgebenden Atmosphäre verbunden.A reference path LR is formed from a tube 7 designed as a monomodal acoustic conductor, in which at the lower end, likewise at the same distance from the sound generator 4 as the receivers 1 , 2 , 3 , the receiver 8 of the reference path LR is accommodated. The reference path LR is thermally and mechanically protected within a cylindrical union tube 9 , in which parts of the electronics can be accommodated. The reference path LR is connected to the surrounding atmosphere via the opening 10 in the union tube 9 and via the openings 11 in the tube 7 .
Der Schallgeber 4 ist mit einem ultraschalldurchlässigen Fenster in Form einer Folie 12 abgedeckt, die den Schall geber 4 gegen Umwelteinflüsse schützt und die Referenz strecke LR abschließt.The sound generator 4 is covered with an ultrasound-permeable window in the form of a film 12 , which protects the sound generator 4 against environmental influences and completes the reference route LR.
Der verfahrensmäßige Ablauf der Signalverarbeitung bei einer Messung läßt sich folgendermaßen darstellen:The procedural sequence of signal processing at a Measurement can be represented as follows:
Für die Referenzstrecke und jede Meßstrecke L (LR, L1, L2, L3) wird die Laufzeit T (TR, T1, T2, T3) ermittelt. Die folgende Berechnung beruht auf der Betrachtung der Meßstrecke L1.For the reference section and each measuring section L (LR, L1, L2, L3) the transit time T (TR, T1, T2, T3) is determined. The the following calculation is based on the consideration of the Measuring section L1.
Die Laufzeit TR in der Referenzstrecke LR hängt dabei ledig lich von der Schallgeschwindigkeit sv ab, die sich ausThe running time TR in the reference path LR depends on this Lich from the speed of sound sv, which results from
sv = LR/TR ergibt.sv = LR / TR results.
Die Laufzeit T1 der durch den Empfänger 1 repräsentierten Meßstrecke L1 hängt dagegen auch von der Luftgeschwindigkeit v1 in Richtung dieser Meßstrecke ab nach der BeziehungThe transit time T1 of the measuring section L1 represented by the receiver 1 also depends on the air speed v1 in the direction of this measuring section according to the relationship
L1/T1 = sv + v1.L1 / T1 = sv + v1.
Aus der Verbindung beider Gleichungen ergibt sich die Wind geschwindigkeit v1 zuThe wind results from the combination of both equations speed V1 to
v1 = L1/T1 - LR/TR.v1 = L1 / T1 - LR / TR.
Nach einer ersten Verfahrensvariante soll TR dabei stets aus einer festen Anzahl n an Perioden Tg der Generatorfrequenz fg mitAccording to a first process variant, TR should always be off a fixed number n of periods Tg of the generator frequency fg with
Tg = 1/fgTg = 1 / fg
bestehen.consist.
Bei einer Temperaturänderung ergibt sich auch eine Verände rung der Laufzeit TR in der Referenzstrecke LR, die als Phasenverschiebung tR gekennzeichnet werden kann, so daß giltA change in temperature also results in a change tion of the transit time TR in the reference path LR, which as Phase shift tR can be characterized so that applies
TR = n × Tg + tRTR = n × Tg + tR
und entsprechend für die Meßstrecke L1and accordingly for the measuring section L1
T1 = n × Tg + t1.T1 = n × Tg + t1.
Mit L = L1 = LRWith L = L1 = LR
wird insgesamtwill total
v1 = L/(n × Tg + t1) - L/(n × Tg + tR).v1 = L / (n × Tg + t1) - L / (n × Tg + tR).
Allein durch Messung der Phasenverschiebungen t1 und tR läßt sich daher die Windgeschwindigkeit v1 in Richtung der ersten Meßstrecke L1 bestimmen.Simply by measuring the phase shifts t1 and tR therefore the wind speed v1 towards the first Determine measuring section L1.
Indem nun durch Rückkopplung die Generatorfrequenz fg und damit die Periodenzahl Tg verändert wird, kann stets die Phasenverschiebung tR = Null erreicht werden, so daß mitBy now the generator frequency fg and so that the number of periods Tg is changed, the Phase shift tR = zero can be achieved so that with
v1 = L/(n × Tg + t1) - L/n × Tgv1 = L / (n × Tg + t1) - L / n × Tg
sich die Windgeschwindigkeit v1 allein aus der Messung der Phasenverschiebung t1 ermitteln läßt, was eine komfortable Signalverarbeitung und das Arbeiten in einem großen Meßbe reich erlaubt, da stets nur kleine Phasenverschiebungen zu messen sind, bei denen nicht die Gefahr besteht, daß sie die Länge einer Periode Tg überschreiten. Letzteres ist bedeut sam für das Phasenvergleichsverfahren, da die Anzahl n der Perioden unverändert beizubehalten ist.the wind speed v1 is derived solely from the measurement of the Phase shift t1 can determine what a comfortable Signal processing and working in a large measuring area richly allowed, since only small phase shifts are measured, where there is no risk that they will Exceed length of a period Tg. The latter is significant sam for the phase comparison method, since the number n of Periods remain unchanged.
Analog sind die Windgeschwindigkeiten v2, v3 in den übrigen Richtungen zu ermitteln.The wind speeds v2, v3 are analogous in the others To determine directions.
Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild einer solchen Signalverar beitung. Der Schallgeber 4 ist an einen Frequenzgenerator 13 angeschlossen und wird zu kontinuierlicher Abstrahlung ange regt. Als Schallgeber 4 wird in dieser Ausführungsform z. B. ein zylindrisches Piezoelement verwendet, dessen Emmis sionscharakteristik zu einer phasengleichen Abstrahlung sowohl in Richtung auf den Empfänger 8 der Referenzstrecke LR als auch in Richtung der Empfänger 1, 2, 3 der Meß strecken L1, L2, L3 führt. Die Empfängersignale werden in den Verstärkern 14-17 verstärkt und für ein Phasenver gleichsverfahren in den Triggern 18-21 in Rechteckimpulse umgewandelt, die als Primärsignale für die Komparatoren 22- 25 dienen. In den Komparatoren 22, 23 und 24 wird das Signal aus der Referenzstrecke LR mit dem jeweiligen Signal der entsprechenden Meßstrecke L1, L2, L3 verglichen und das Dif ferenzsignal zur weiteren Signalverarbeitung an die Wider standsübertrager 26 bis 28 übergeben. Deren Ausgangssignale sind proportional zu den Beträgen der Komponenten X, Y und Z des Windvektors, bezogen auf das durch den Schallgeber 4 und die Empfänger 1, 2, 3 aufgespannte Achsenkreuz. Gegebenen falls kann eine Umrechnung der Komponenten X, Y, Z in ein räumlich gedrehtes Achsenkreuz nach geographischen Gesichts punkten oder ein nicht rechtwinklig aufeinander stehendes Achsenkreuz erfolgen, wofür die bekannten geometrischen Beziehungen zur Umrechnung heranzuziehen sind. Fig. 2 shows the block diagram of such signal processing. The sound generator 4 is connected to a frequency generator 13 and is excited to continuously emit radiation. As sound generator 4 in this embodiment, for. B. uses a cylindrical piezo element, the Emmis sionscharakteristik to an in-phase radiation both in the direction of the receiver 8 of the reference path LR and in the direction of the receiver 1 , 2 , 3 of the measuring distances L1, L2, L3 leads. The receiver signals are amplified in the amplifiers 14-17 and a Phasenver same procedure in the triggers 18-21 into rectangular pulses converted, which serve as primary signals for the comparators 22- 25th In the comparators 22 , 23 and 24 , the signal from the reference path LR is compared with the respective signal of the corresponding measuring path L1, L2, L3 and the dif ferential signal for further signal processing is passed to the resistance transmitters 26 to 28 . Their output signals are proportional to the amounts of the components X, Y and Z of the wind vector, based on the axis cross spanned by the sound generator 4 and the receivers 1 , 2 , 3 . If necessary, the components X, Y, Z can be converted into a spatially rotated axis cross according to geographical points of view or a axis cross that is not at right angles to one another, for which the known geometric relationships are to be used for the conversion.
Das Ausgangssignal des Komparators 25 dient außerdem zur Rückkopplung der Phasenlage des Signals des Empfängers 8 der Referenzstrecke LR an den Frequenzgenerator 13. Das Signal ist zu diesem Zweck einem Regler 29 aufgeschaltet, dessen Stellgröße den Frequenzgenerator 13 in der Weise regelt, daß zwischen dem Signal des Schallgebers 4 und dem Signal des Empfängers 8 und somit am Ausgang des Komparators 25 eine Phasenverschiebung = Null aufrechterhalten wird. Damit wird eine optimale Empfindlichkeit, unabhängig von der Änderung der Temperatur, erreicht.The output signal of the comparator 25 also serves to feed back the phase position of the signal of the receiver 8 of the reference link LR to the frequency generator 13 . For this purpose, the signal is applied to a controller 29 , the manipulated variable of which regulates the frequency generator 13 in such a way that a phase shift = zero is maintained between the signal from the sounder 4 and the signal from the receiver 8 and thus at the output of the comparator 25 . This ensures optimal sensitivity regardless of the change in temperature.
Das Stellsignal am Ausgang des Reglers 29 dient dann gleich zeitig als ein Maß für die Temperatur der Atmosphäre, das am Widerstandsübertrager 30 abgenommen werden kann.The control signal at the output of the controller 29 then serves simultaneously as a measure of the temperature of the atmosphere, which can be taken from the resistance transformer 30 .
Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung der Signallaufzeiten wird nachfolgend anhand der Fig. 3 beschrieben.Another possibility for determining the signal transit times is described below with reference to FIG. 3.
Die Laufzeiten T (T1, T2, T3, TR) für die Meßstrecken und die Referenzstrecke (L1, L2, L3, LR) werden nicht aus Messungen der Höhe der Phasenverschiebungen, sondern einer Messung einer veränderlichen Frequenz ermittelt, bei der die Phasenverschiebung am jeweiligen Empfänger 1, 2, 3, 8 gerade zu Null wird. Aus der gemessenen Frequenz kann die Strö mungsgeschwindigkeit dann auf folgende Weise bestimmt werden:The transit times T (T1, T2, T3, TR) for the measuring sections and the reference section (L1, L2, L3, LR) are not determined from measurements of the amount of the phase shifts, but from a measurement of a variable frequency, at which the phase shift at the respective Receiver 1 , 2 , 3 , 8 just becomes zero. The flow rate can then be determined from the measured frequency in the following way:
Die Frequenz fg des Frequenzgenerators 13 wird proportional zur Spannung U eines Sägezahngenerators 31 in Grenzen geän dert und auf den Schallgeber 4 gegeben. Gemessen wird dann jeweils die Frequenz fR, f1, f2, f3, bei der die Phasenver schiebung tR, t1, t2, t3 am jeweiligen Empfänger 8, 1, 2, 3 zu Null wird.The frequency fg of the frequency generator 13 is proportional to the voltage U of a sawtooth generator 31 changed within limits and given to the sound generator 4 . The frequency fR, f1, f2, f3 at which the phase shift tR, t1, t2, t3 on the respective receiver 8 , 1 , 2 , 3 becomes zero is then measured in each case.
Wiederum auf die Meßstrecke L1 bezogen wird dann mitThen again refer to the measuring section L1 with
T1 = n × Tg2 (bei t1 = 0)
= n/f1
v1 = L × f1/n - L × fR/n oder
v1 = L/n (f1-fR).T1 = n × Tg2 (at t1 = 0)
= n / f1
v1 = L × f1 / n - L × fR / n or
v1 = L / n (f1-fR).
Da die zu messende Frequenz als zur Spannung U (UR, U1, U2, U3) am Sägezahngenerator 31 proportionales Signal vorliegt, kann die Gleichung auch geschrieben werden alsSince the frequency to be measured is available as a signal proportional to the voltage U (UR, U1, U2, U3) on the sawtooth generator 31 , the equation can also be written as
v1 = cL/n (U1-UR),v1 = cL / n (U1-UR),
wobei c eine Gerätekonstante ist, die u. a. das Resonanzver halten des Piezokristalls repräsentiert.where c is a device constant that u. a. the resonance ver holding the piezo crystal.
Die Signalauswertung ist in Fig. 3 wiederum als Blockschalt bild gezeigt. Das von den Empfängern 1, 2, 3, 8 aufgenommene Signal wird Komparatoren 32-35 mit dem vom Frequenzgenerator 13 ausgegebenen Signal verglichen. Erreicht die Phasenver schiebung tR, t1, t2, t3 den Wert null, so wird der jewei lige Zeitpunkt von einer Logikschaltung 36 an den Ana log/Digital-Wandler 37 weitergegeben, der die in diesem Augenblick von dem Sägezahngenerator 31 vorgegebene und am Frequenzgenerator 13 anliegende Spannung UR, U1, U2, U3 einem Prozessor zur Weiterverarbeitung übergibt. Somit kann die Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums in drei Richtun gen temperaturunabhängig ermittelt werden.The signal evaluation is shown in Fig. 3 again as a block diagram. The signal picked up by the receivers 1 , 2 , 3 , 8 is compared by comparators 32-35 with the signal output by the frequency generator 13 . Reaches the phase shift tR, t1, t2, t3 the value zero, the respective time is passed on by a logic circuit 36 to the analog / digital converter 37 , which at this moment is predetermined by the sawtooth generator 31 and on the frequency generator 13 applied voltage UR, U1, U2, U3 passes to a processor for further processing. The flow velocity of a medium can thus be determined in three directions regardless of temperature.
Zur Einstellung des Empfindlichkeitsbereiches, d. h. der Mit telwertslage der Spannung U des Sägezahngenerators 31, wird die Temperatur entweder in der Referenzstrecke LR vor Beginn des Meßvorganges festgestellt und dann die Mittelwertslage der Spannung U über Rückkopplung auf ein Stellglied 38 gere gelt oder ein separater, auf das Stellglied 38 einwirkender Temperaturfühler benutzt.To adjust the sensitivity range, that is, the mean value of the voltage U of the sawtooth generator 31 , the temperature is either determined in the reference path LR before the start of the measuring process and then the mean value of the voltage U is regulated via feedback to an actuator 38 or a separate one on which Actuator 38 acting temperature sensor used.
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