DE19617961C2 - 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 method

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Strö­ mungsgeschwindigkeit von gasförmigen oder flüssigen Medien mittels Ultraschall, bei dem innerhalb einer oder mehrerer von dem Medium durchströmten Meßstrecken und in einer weiteren, mit dem Medium verbundenen Referenzstrecke, in der das Medium ruht und in der die gleichen charakteristischen physikalischen Randbedingungen herrschen, die Laufzeiten eines von einem Ultraschallgeber ausgesendeten Signals ermittelt und anschließend in einem Signalverarbeitungsgerät daraus die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in der jeweiligen Signalrichtung abgeleitet werden. Die Erfindung betrifft zudem 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 within one or more of the medium through which the measurement flows and in one another reference path connected to the medium, in which the medium rests and in the same characteristic physical constraints prevail, the terms a signal emitted by an ultrasound transmitter determined and then in a signal processing device from this the flow velocity of the medium in the respective signal direction can be derived. The invention also concerns one to carry out 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 spezifischen 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 specific  Speed of sound in this medium dependent. 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 Wellenpakete 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 envelopes of the wave packets  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.

Aus der DE-C 44 22 367 ist ein Durchflußmesser zur herkömm­ lichen Strömungsmessung in einem Strömungskanal in zwei Richtungen bekannt. Nachteilig ist, daß diese Vorrichtung aufgrund der Messungen in zwei Richtungen mit einem Null­ flußkorrekturfaktor arbeiten muß, da die Schallwandler, die gleichzeitig als Sender und Empfänger arbeiten, nicht in beiden Richtungen gleiche Eigenschaften aufweisen. Es ent­ steht ein Nullflußfehler, d. h. eine Abweichung der gemesse­ nen Werte, wenn die Strömung Null gemessen wird. Der Null­ flußkorrekturfaktor ergibt sich aus einer Messung in beiden Richtungen in einer Referenzstrecke.From DE-C 44 22 367 is a flow meter for conventional Lichen flow measurement in one flow channel in two Directions known. The disadvantage is that this device based on the measurements in two directions with a zero Flow correction factor must work, because the transducers work as sender and receiver at the same time, not in have the same properties in both directions. It ent there is a zero flow error, d. H. a deviation of the measured values when zero flow is measured. The zero flow correction factor results from a measurement in both Directions in a reference path.

Eine aus der WO 93/03334 bekannte Anordnung funktioniert analog zu der Anordnung aus der DE-C 44 22 367 mit dem Unterschied, daß die Referenzstrecke sich hier in Reihe zur Meßstrecke befindet und das Signal für die Referenzstrecke aus einem Echo von einer Umlenkstelle des Signals gewonnen wird. Gemessen wird letztlich wieder in beiden Richtungen.An arrangement known from WO 93/03334 works analogous to the arrangement from DE-C 44 22 367 with the Difference that the reference distance here in series to Measurement section is located and the signal for the reference section obtained from an echo from a deflection point of the signal becomes. Ultimately, measurements are again taken in both directions.

Auch die Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach der DE-A 44 30 230 erfolgt in zwei Richtungen, so daß auch bei dieser Vorrichtung Sender-/Empfängerbauelemente eingesetzt werden müssen. Eine Referenzstrecke und ein damit erfaßter Null­ flußkorrekturfaktor sind nicht vorgesehen.The measurement of the flow velocity according to DE-A 44 30 230 takes place in two directions, so that this too Device transmitter / receiver components are used have to. A reference distance and a zero recorded with it flow correction factor are not provided.

Aus der DE 44 30 223 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strömungsmessung mittels Ultraschall bekannt. Auch hier ist keine Referenzstrecke vorhanden. Die Messung erfolgt wiederum in entgegengesetzten Richtungen und ist somit mit bereits oben genannten Nachteilen versehen. DE 44 30 223 describes a method and a device known for flow measurement using ultrasound. Here too there is no reference path. The measurement is done again in opposite directions and is therefore with already mentioned disadvantages.  

Aus der DE 31 46 477 ist eine Schaltungsanordnung zur Mes­ sung der Geschwindigkeit von strömenden Medien bekannt. Diese ist insbesondere in Bewetterungsanlagen einzusetzen. Hier wird ein Wert für die Strömungsgeschwindigkeit aus der Messung in nur einer Signalrichtung gebildet. Allerdings ist bei dieser Meßmethode der Einfluß der Temperatur zu berück­ sichtigen, da in die Messung die Schallgeschwindigkeit mit eingeht, welche in erheblichem Maße von der Temperatur abhängig ist. Ein hinreichend genauer Wert für die Strö­ mungsgeschwindigkeit ist mit dieser Methode deshalb nur dort erreichbar, wo annähernd konstante Temperaturverhältnisse, z. B. unter Tage, herrschen.DE 31 46 477 is a circuit arrangement for measuring solution of the speed of flowing media. This is particularly useful in ventilation systems. Here is a value for the flow velocity from the Measurement formed in only one signal direction. However With this measuring method the influence of the temperature has to be considered view, since in the measurement the speed of sound with which depends to a large extent on the temperature is dependent. A sufficiently precise value for the currents This means that the speed of flow is only there with this method attainable, where almost constant temperature conditions, e.g. B. underground.

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 die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums aus der Differenz der Reziprokwerte der nur in einer Signalrichtung gemessenen Laufzeiten der jeweiligen Meßstrecke und der Referenzstrecke abgeleitet wird.According to the invention, the object is achieved by a method at which the flow velocity of the medium from the Difference of the reciprocal values of only in one signal direction measured transit times of the respective measuring section and the Reference route is derived.

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 become.

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 außerdem 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 also according to the invention  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 umfaßt eine jeweils mit einem Empfänger ausgerüstete, von dem Medium durchströmte Meßstrecke und eine mit einem Empfänger ausgerüstete, mit dem Medium in Verbindung stehende, von diesem aber nicht durchströmte Referenzstrecke, wobei für alle Meßstrecken und für die Referenzstrecke ein einziger wirksamer Schallgeber vorgesehen ist.The measuring device for performing the method comprises a each equipped with a receiver, from the medium flowed through measuring section and one with a receiver equipped with the medium, from but this does not flow through the reference route, whereby for all measuring sections and one for the reference section effective sound generator is provided.

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.

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 Reflektionen 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 spieles näher erläutert werden.The invention is illustrated below with the aid of an embodiment game are 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 dar Ansteuer- und Auswerte­ elektronik des Meßgerätes bei Anwendung der verfahrensgemäßen Frequenzmessung. Fig. 3 is a block diagram showing 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 Emfpänger 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 aus
The running time TR in the reference path LR depends only on the speed of sound sv, which is the result

sv = LR/TR
sv = LR / TR

ergibt.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 Beziehung
The 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 zu
The wind speed v1 results from the combination of both equations

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 mit
According to a first method variant, TR should always have a fixed number n of periods Tg of generator frequency fg

Tg = 1/fg
Tg = 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 gilt
In the event of a temperature change, there is also a change in the transit time TR in the reference path LR, which can be characterized as a phase shift tR, so that applies

TR = n × Tg + tR
TR = n × Tg + tR

und entsprechend für die Meßstrecke L1
and accordingly for the measuring section L1

T1 = n × Tg + t1.
T1 = n × Tg + t1.

Mit
With

L = L1 = LR
L = L1 = LR

wird insgesamt
will 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 mit
By now changing the generator frequency fg and thus the number of periods Tg by feedback, the phase shift tR = zero can always be achieved, so that with

v1 = L/(n × Tg + t1) - L/n × Tg
v1 = 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 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, for a phase comparison method in the triggers 18-21, converted into rectangular pulses which serve as primary signals for the comparators 22-25. 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 transducers 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 controls 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 rather from a measurement of a variable frequency at which the phase shift occurs 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 mit
Then again refer to the measuring section L1 with

T1 = n × Tg1 (bei t1 = 0) = n/f1
T1 = n × Tg1 (at t1 = 0) = n / f1

v1 = L × f1/n - L × fR/n oder
v1 = L × f1 / n - L × fR / n or

v1 = L/n(f1 - fR).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 als
Since 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 Analog/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, then 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 is applied to the frequency generator 13 Voltage UR, U1, U2, U3 passes 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 set the sensitivity range, ie 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.

Claims (18)

1. Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von gasförmigen oder flüssigen Medien mittels Ultraschall, bei dem innerhalb einer oder mehrerer von dem Medium durchströmten Meßstrecken und in einer weiteren, mit dem Medium verbundenen Referenz­ strecke, in der das Medium ruht und in der die gleichen charakteristischen physikalischen Randbedingungen herrschen, die Laufzeiten eines von einem Ultraschallgeber ausgesendeten Signals ermittelt und anschließend in einem Signalverarbeitungsgerät daraus die Strömungs­ geschwindigkeit des Mediums in der jeweiligen Signalrichtung abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums aus der Differenz der Reziprokwerte der nur in einer Signalrichtung gemessenen Laufzeiten der jeweiligen Meßstrecke und der Referenz­ strecke abgeleitet wird.1. A method for measuring the flow rate of gaseous or liquid media by means of ultrasound, in which within one or more measuring paths through which the medium flows and in a further reference connected to the medium, in which the medium rests and in which the same characteristic physical Boundary conditions prevail, the transit times of a signal emitted by an ultrasound transmitter are determined and the flow velocity of the medium in the respective signal direction is then derived in a signal processing device, characterized in that the flow velocity of the medium is derived from the difference between the reciprocal values of the transit times measured in only one signal direction the respective measuring section and the reference section is derived. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messungen in der Referenzstrecke und in der bzw. den Meßstrecken ein phasengleiches Signal verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that for the measurements an in-phase signal is used in the reference section and in the measuring section or sections becomes. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzei­ ten am Ende der Referenzstrecke und der Meßstrecke(n) durch Messung der Phasenverschie­ bungen des bzw. der empfangenen Signale gegenüber dem Ausgangssignal ermittelt werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the running time at the end of the reference section and the measuring section (s) by measuring the phase shift exercises of the received signal or signals can be determined with respect to the output signal. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Frequenz des ausgesandten Ultraschallsignals durch das Signalverarbeitungsgerät so geregelt wird, daß in der Referenzstrecke keine Phasenverschiebung zwischen dem ausge­ sandten und dem empfangenen Ultraschallsignal besteht. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized net that the frequency of the ultrasound signal emitted by the signal processing device is regulated so that there is no phase shift between the reference path sent and the received ultrasound signal.   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellsignal der Regelstrecke des Signalverarbeitungsgerätes gleichzeitig als Maß für die Temperatur des Me­ diums verarbeitet wird.5. The method according to claim 4, characterized in that the control signal of the Control path of the signal processing device simultaneously as a measure of the temperature of the Me diums is processed. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schallgeber in seinem Resonanzbereich betrieben wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in net that the sound generator is operated in its resonance range. 7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzei­ ten 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 Ausgangssignal und dem jeweils empfangenen Signal zu Null wird.7. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the running time at the end of the reference section and the measuring section (s) by measuring the frequency of the received signal are determined, in which the phase shift between the The frequency of the output signal, which can be varied within limits, and the received signal Signal becomes zero. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß mit einem kontinuierlichen Ultraschallsignal gemessen wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized net that is measured with a continuous ultrasonic signal. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, 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.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in net that the length of the reference section and the measuring sections before the start of a measurement in a dormant medium by comparing the transit times or the phase shifts the signals received at the end of the reference path and the measuring paths are calibrated. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Amplituden der am Ende der Referenzstrecke und der Meßstrecken empfangenen Signale miteinander verglichen werden und bei Abweichen der Amplitude eines Signals ge­ genüber einem Mittelwert der empfangenen Signale oder einem vorgegebenen Wert ein Feh­ lersignal ausgelöst wird.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in net that the amplitudes of those received at the end of the reference path and the measuring paths Signals are compared with each other and if the amplitude of a signal deviates compared to an average value of the received signals or a predetermined value signal is triggered. 11. Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer jeweils mit einem Empfänger ausgerüsteten, von dem Medium durchströmten Meßstrecke und einer mit einem Empfänger ausgerüsteten, mit dem Medium in Verbindung stehenden, von diesem aber nicht durchströmten Referenzstrecke, dadurch gekennzeichnet, dass für alle Meßstrecken (L1, L2, L3) und für die Referenzstrecke (LR) ein einziger wirksa­ mer Schallgeber (4) vorgesehen ist.11. Measuring device for carrying out the method according to claim 1, each with a receiver equipped, flowed through by the medium and a measurement section equipped with a receiver, connected to the medium, but not flowed through by this reference path, characterized in that for all measuring sections (L1, L2, L3) and for the reference section (LR) a single effective sound generator ( 4 ) is provided. 12. Meßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecken (L1, L2, L3) und die Referenzstrecke (LR) die gleiche Länge aufweisen.12. Measuring device according to claim 11, characterized in that the measuring sections (L1, L2, L3) and the reference path (LR) have the same length. 13. Meßgerät nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schall­ geber (4) in den Richtungen der Meßstrecken (L1, L2, L3) und der Referenzstrecke (LR) eine phasengleiche Abstrahlcharakteristik aufweist.13. Measuring device according to claim 11 or 12, characterized in that the sound transmitter ( 4 ) in the directions of the measuring sections (L1, L2, L3) and the reference section (LR) has an in-phase radiation characteristic. 14. Meßgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger (1, 2, 3) Meßstrecken (L1, L2, L3) und der Schallgeber (4) an den Eckpunkten eines gedachten Tetraeders angeordnet sind.14. Measuring device according to one of claims 11 to 13, characterized in that the receivers ( 1 , 2 , 3 ) measuring sections (L1, L2, L3) and the sound generator ( 4 ) are arranged at the corner points of an imaginary tetrahedron. 15. Meßgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstrecke (LR) als monomodaler akustischer Leiter ausgebildet ist.15. Measuring device according to one of claims 11 to 14, characterized in that the reference path (LR) is designed as a monomodal acoustic conductor. 16. Meßgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstrecke (LR) als Hohlzylinder (7) ausgebildet ist.16. Measuring device according to one of claims 11 to 15, characterized in that the reference path (LR) is designed as a hollow cylinder ( 7 ). 17. Meßgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (7) mit Öffnungen (11) versehen ist.17. Measuring device according to claim 16, characterized in that the hollow cylinder ( 7 ) is provided with openings ( 11 ). 18. Meßgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallgeber (4) durch eine ultraschalldurchlässige Membran (12) abgedeckt ist.18. Measuring device according to one of claims 11 to 17, characterized in that the sound generator ( 4 ) is covered by an ultrasound-permeable membrane ( 12 ).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008020765A1 (en) * 2008-04-21 2009-10-29 Helmholtz Zentrum München Deutsches Forschungszentrum Für Gesundheit Und Umwelt (Gmbh) Measuring arrangement for contactless determination of location-related physical characteristics within flow volume of e.g. air in medical field, has measuring devices measuring differently oriented measuring section within flow volume

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6571643B1 (en) * 1998-08-13 2003-06-03 Electronics For Imaging, Inc. Ultrasound speed measurement of temperature and pressure effects
DE10311878A1 (en) * 2003-03-17 2004-09-30 Endress + Hauser Flowtec Ag, Reinach Device for determining and / or monitoring the volume and / or mass flow of a medium
DE102014216157A1 (en) * 2014-08-14 2016-02-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Anemometer and method for determining a flow velocity
CN109425752A (en) * 2017-08-23 2019-03-05 高雄应用科技大学 Ultrasonic wind speed measuring device
WO2021142419A1 (en) * 2020-01-11 2021-07-15 Anemoment Llc Wind sensor devices, systems, and methods

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2429822B2 (en) * 1973-06-23 1976-07-15 KX. Tokyo Keiki, Tokio ULTRASONIC FLOW METER
DE2651142C2 (en) * 1976-11-09 1982-04-29 Panametrics Inc., Waltham, Mass. Acoustic flow velocity meter
DE3146477C2 (en) * 1981-11-24 1983-12-08 Gründer & Hötten GmbH, 4300 Essen Circuit arrangement for measuring the speed of flowing media
DE3843678A1 (en) * 1988-12-23 1990-06-28 Flowtec Ag Process and arrangement for flow metering by means of ultrasonic waves
WO1993003334A1 (en) * 1991-08-01 1993-02-18 Xecutek Corporation Ultrasonic gas flow measurement method and apparatus
US5343744A (en) * 1992-03-06 1994-09-06 Tsi Incorporated Ultrasonic anemometer
DE4430223A1 (en) * 1993-08-25 1995-03-02 Changmin Technology Co Ltd Ultrasonic flow measuring method and device for carrying out the method
DE4430230A1 (en) * 1993-08-25 1995-03-02 Changmin Technology Co Ltd Method and device for measuring the local rate of flow (flow velocity) of a river
DE4422367C1 (en) * 1994-06-27 1996-02-01 Siemens Ag Ultrasonic flow meter with continuous zero flow calibration

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1072519A (en) * 1964-11-24 1967-06-21 Decca Ltd Improvements in or relating to speed measuring devices
JPS58184513A (en) * 1982-04-23 1983-10-28 Honda Motor Co Ltd Ultrasonic wave flowmeter
GB2148359B (en) * 1983-10-14 1987-06-10 Glasdon Ltd Base for road cone or post
FR2628216B1 (en) * 1988-03-03 1990-08-17 Simecsol ULTRASONIC ANEMOMETER
ATE105080T1 (en) * 1989-07-14 1994-05-15 Haiges Elektronik Gmbh METHOD OF MEASUREMENT OF A TIME DELAY OF ASSOCIATED ULTRASONIC SIGNALS AND RELATED MEASUREMENT ARRANGEMENTS.
GB9119742D0 (en) * 1991-09-16 1991-10-30 British Gas Plc Measurement system
DE4241226A1 (en) * 1992-12-08 1994-06-09 Abb Patent Gmbh Flow measuring device
US5392645A (en) * 1993-11-15 1995-02-28 Scientific Engineering Instruments, Inc. Method and apparatus for flow rate measurement

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2429822B2 (en) * 1973-06-23 1976-07-15 KX. Tokyo Keiki, Tokio ULTRASONIC FLOW METER
DE2651142C2 (en) * 1976-11-09 1982-04-29 Panametrics Inc., Waltham, Mass. Acoustic flow velocity meter
DE3146477C2 (en) * 1981-11-24 1983-12-08 Gründer & Hötten GmbH, 4300 Essen Circuit arrangement for measuring the speed of flowing media
DE3843678A1 (en) * 1988-12-23 1990-06-28 Flowtec Ag Process and arrangement for flow metering by means of ultrasonic waves
WO1993003334A1 (en) * 1991-08-01 1993-02-18 Xecutek Corporation Ultrasonic gas flow measurement method and apparatus
US5343744A (en) * 1992-03-06 1994-09-06 Tsi Incorporated Ultrasonic anemometer
DE4430223A1 (en) * 1993-08-25 1995-03-02 Changmin Technology Co Ltd Ultrasonic flow measuring method and device for carrying out the method
DE4430230A1 (en) * 1993-08-25 1995-03-02 Changmin Technology Co Ltd Method and device for measuring the local rate of flow (flow velocity) of a river
DE4422367C1 (en) * 1994-06-27 1996-02-01 Siemens Ag Ultrasonic flow meter with continuous zero flow calibration

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008020765A1 (en) * 2008-04-21 2009-10-29 Helmholtz Zentrum München Deutsches Forschungszentrum Für Gesundheit Und Umwelt (Gmbh) Measuring arrangement for contactless determination of location-related physical characteristics within flow volume of e.g. air in medical field, has measuring devices measuring differently oriented measuring section within flow volume
DE102008020765B4 (en) * 2008-04-21 2012-08-02 Helmholtz Zentrum München Deutsches Forschungszentrum Für Gesundheit Und Umwelt (Gmbh) Apparatus and method for non-contact determination of physical properties

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DE19617961A1 (en) 1997-11-13
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