DE19740549C2

DE19740549C2 - Verfahren zur Messung der Strömungscharakteristik und anderer Prozeßparameter

Info

Publication number: DE19740549C2
Application number: DE19740549A
Authority: DE
Inventors: Frank Obergrieser; Margit Barth; Juergen Steck; Frank Schmidt; Joerg Rupp
Original assignee: Frank Obergrieser; Margit Barth; Juergen Steck; Frank Schmidt; Joerg Rupp
Current assignee: OBERGRIESSER, FRANK, DIPL.-ING., 66123 SAARBRUECKE
Priority date: 1997-09-15
Filing date: 1997-09-15
Publication date: 2002-09-26
Anticipated expiration: 2017-09-16
Also published as: DE19740549A1; WO1999014561A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Strömungscharakteristik eines Mediums und anderer Prozeßparameter.

Ein erster Anwendungsfall liegt auf dem Gebiet der Flußmeßtechnik. Die Durchflußmessung von Gasen und Flüssigkeiten bildet in zahlreichen industriellen Anwendungsbereichen die maßgebliche Grundlage für die Prozeßführung sowie für die Quantisierung und Verrechnung von Mengen. Messungen an Mehrphasenströmungen und/oder unter unbekannten Strömungsbedingungen erweisen sich hierbei als besonders problematisch. Einige der Prozeßparameter können mit den üblichen Durchflußmeßgeräten nicht oder nur ungenau bestimmt werden.

So liefern einige bekannte Durchflußmeßgeräte beim Einsatz an Mehrphasenströmungen nur den gesamten Massen- bzw. Volumenstrom, andere nur den Durchsatz einer der Phasen. Wieder andere liefern Meßergebnisse, die in unzureichend bekannter Weise vom Durchfluß der verschiedenen Phasen abhängen, so daß als Folge davon Meßfehler auftreten können.

Bei zahlreichen Anwendungen ist die gleichzeitige Erfassung der Massen- bzw. Volumenströme aller Phasen notwendig. Zudem sind Prozeßparameter wie der Füllstand teilgefüllter Rohre und offener Gerinne oder die Konzentration und die räumliche Verteilung der verschiedenen Phasen in einem Medium von Interesse. Mit den bestehenden Systemen sind diese Parameter nur schlecht, ungenau oder überhaupt nicht erfaßbar.

Die Genauigkeit der Durchflußmessung hängt bei vielen Verfahren stark vom momentanen Strömungsprofil ab. Bei den meisten Anwendungsfällen ist dieses Strömungsprofil jedoch unbekannt. Der Einsatzbereich vieler bekannter Durchflußmeßgeräte ist daher auf ungestörte axialsymmetrische Rohrströmungen beschränkt. Entsprechende Systeme versagen bei teilgefüllten Rohren, offenen Gerinnen und Behältern, die sich durch eine freie Flüssigkeitsoberfläche und einen veränderlichen Füllstand auszeichnen. Bei vollständig gefüllten Rohren setzen sie ausreichend lange und geradlinige Ein- und Auslaufstrecken zur Ausbildung ungestörter Strömungsprofile voraus. Sie können daher nur an ganz bestimmten, definierten Stellen entlang der Strömung eingesetzt werden. Die falsche Wahl der Meßstelle oder die Nichteinhaltung entsprechender Einbauvorschriften des Gerätes können daher zu großen Meßfehlern führen. Zur Erreichung einer höheren Meßgenauigkeit bzw. um vom Strömungsprofil unabhängige Messungen zu erzielen, muß die Strömungscharakteristik selbst erfaßt werden.

Im Stand der Technik sind hierbei für den genannten Anwendungsfall Laser-Doppler-Anemometer, Hitzdrahtanemometer oder Staudrucksonden bekannt. Diese gestatten zwar eine Strömungsprofilmessung, erfordern jedoch eine sehr lange Meßzeit, da für jeden einzelnen Meßpunkt eine erneute Positionierung des Sensors erforderlich ist. Sie sind daher zur Überwachung dynamischer, nicht periodischer Prozesse ungeeignet. Der Einsatz von Laser-Doppler-Anemometern setzt außerdem optische Transparenz der Medien und der Wandung des Fließsystems voraus. Hitzdrahtanemometer und Staudrucksonden sind nicht rückwirkungsfrei. Sie ragen in die Strömung und beeinflussen damit die Meßgröße.

Weiterhin sind auf Ultraschall basierende Multi- Gate-Doppler-Systeme bekannt. Diese gehören zu den sogenannten Puls-Echo-Systemen, die eine direkte räumliche Zuordnung empfangener Signale anhand der jeweiligen Signallaufzeit ermöglichen. Hierbei sendet beispielsweise ein Ultraschallsensor in kontinuierlichen Abständen T kurze Ultraschallsignale aus und wird nach einer bestimmten Zeit als Empfänger betrieben. Die Echos der, in unterschiedlichen Tiefen im Medium mitgeführten Streuer (Inhomogenitäten) treffen zu unterschiedlichen Zeiten auf den Sensor. Mit Hilfe einer Zeitfensterung können zu verschiedenen Tiefen gehörende Signalabschnitte getrennt aufgezeichnet und bezüglich ihrer Geschwindigkeitsinformation ausgewertet werden. Die räumliche Zuordnung ist eindeutig, wenn die Signallaufzeit zwischen Wandler und der maximal betrachteten Tiefe gemäß nachfolgender Gleichung kleiner als die Periodendauer T ist. Dabei bezeichnet c die Schallgeschwindigkeit des Mediums.

T < t_max = 2.s_max/c (1)

Damit kann die Geschwindigkeitsverteilung entlang der Schallstrahlachse detektiert werden. Entsprechende Verfahren setzen eine Mehrphasenströmung voraus, wie sie gerade in der Prozeßtechnik beispielsweise bei verschmutzten Medien vorliegt.

Beim Puls-Doppler-Verfahren werden die gesuchten Geschwindigkeitsinformationen aus der durch die Streuung an den bewegten Inhomogenitäten hervorgerufenen Frequenzverschiebungen ermittelt.

Auf dem Puls-Doppler-Verfahren beruhende Multi-Gate- Doppler-Systeme gestatten zwar ortsaufgelöste Geschwindigkeitsmessungen zur Bestimmung des Strömungsprofils, sind jedoch hinsichtlich der maximal detektierbaren Geschwindigkeit und auch hinsichtlich ihrer maximalen Meßrate beschränkt. Zudem stellen Orts- und Frequenzauflösung konträre Anforderungen an die Bandbreite von Puls-Doppler-Systemen.

Ein weiteres Meßverfahren und eine Vorrichtung zur Durchflußmessung an offenen Abwassergerinnen sind in der US-A-5311781 beschrieben. Bei diesem Puls-Echo-System emittiert ein Ultraschallwandler in kurzen Zeitabständen Ultraschallimpulse schräg zur Strömungsrichtung und detektiert das durch Streuung an Inhomogenitäten in der Strömung resultierende Echo. Eine Auswerteeinheit identifiziert bestimmte Inhomogenitäten innerhalb des jeweiligen Zeitfensters anhand ihres charakteristischen Echosignals. In den nachfolgenden Puls-Echo-Zyklen wird dann im Zeitfenster jeweils nach diesem charakteristischen Echosignal gesucht und aus dessen Verschiebung die Flußgeschwindigkeit ermittelt.

Ein zweiter Anwendungsfall betrifft die Messung der Strömungscharakteristik in offenen Gewässern, beispielsweise im Offshorebereich oder im Bereich der Meeresbiologie.

Ein dritter Anwendungsfall betrifft wiederum den Bereich der industriellen Prozeßtechnik, allerdings in einem vollständig anderen Problemfeld.

In der Prozeßtechnik müssen bei Misch-, Trenn-, Reaktions- und Absetzprozessen, die sich in offenen und geschlossenen Tanks abspielen können, häufig lange Prozeßzeiten in Kauf genommen werden, da eine Echtzeit- Überwachung entscheidender Parameter nicht oder nur bedingt möglich ist.

Zur Verbesserung der Prozeßführung ist ein System erforderlich, das die Konzentration der Inhomogenitäten (z. B. die unterschiedlichen Phasen bei einem Mischprozeß), die räumliche Verteilung bzw. Schichtung der Inhomogenitäten und den Grad der Homogenisierung in Echtzeit erfaßt. Daneben ist eine Erfassung der Strömungscharakteristik wünschenswert, um den Prozeß selbst, und bei Echtzeit-Messungen die Prozeßführung zu optimieren.

Die Messung des Strömungsprofils wird bislang nach Kenntnis der Anmelderin nicht zur Überwachung und Führung der entsprechenden Prozesse eingesetzt.

Wie bereits oben ausgeführt gestatten zwar Laser- Doppler-Anemometer, Hitzdrahtanemometer oder Staudrucksonden prinzipiell die Messung von Strömungsverteilungen, sie erfordern jedoch eine sehr lange Meßzeit und sind damit zur Überwachung dynamischer Prozesse nur bedingt geeignet. Der Einsatz von Laser- Doppler-Anemometern setzt optisch transparente Medien und Wandungen voraus.

Multi-Gate-Doppler-Systeme gestatten zwar ortsaufgelöste Geschwindigkeitsmessungen, sie weisen jedoch die oben angegebenen Nachteile hinsichtlich der maximal detektierbaren Geschwindigkeit und auch hinsichtlich ihrer maximalen Meßrate auf. Wesentliche Prozeßparameter wie Füllstand, Konzentration und Verteilung von Inhomogenitäten und der Grad der Homogenisierung werden mit solchen Systemen nicht erfaßt.

Ein vierter Anwendungsfall betrifft die Entwicklung und Konstruktion von umströmten Körpern.

Zur Konstruktion umströmter Körper, wie beispielsweise Schiffsrümpfen, Schiffsschrauben, Bohrplattformen oder Bojen, sind Strömungsmessungen unerläßlich. Beim Umströmen des Körpers kommt es zu einem Gaseintrag ins Medium. Außerdem entstehen Kavitationsblasen. Da diese Gasblasen zur Korrosion beitragen und den Wirkungsgrad vermindern, sind Kenntnisse über deren Verteilung, Konzentration und Geschwindigkeit von großem Interesse.

Zur Strömungsmessung werden auf diesem Anwendungsgebiet bislang nur Laser-Doppler-Anemometer eingesetzt. Die langen Meßzeiten bei Laser-Doppler- Anemometern sind jedoch zur Überwachung der hier auftretenden dynamischen Prozesse nachteilig. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß gerade bei Messungen in Flüssigkeiten die Optik bzw. die vorgeschaltete Glaswand relativ schnell verschmutzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die genaue und zuverlässige Messung des Strömungsprofils eines Mediums in offenen Gerinnen, teilgefüllten Rohren und Druckleitungen ermöglicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die genaue und zuverlässige Messung des Strömungsprofils eines Mediums in offenen Gewässern ermöglicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die dritte Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die genaue und zuverlässige Messung des Strömungsprofils eines Mediums bei Misch-, Trenn-, Reaktions- und Absetzprozessen in offenen und geschlossenen Behältnissen ermöglicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die vierte Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die genaue und zuverlässige Messung des Strömungsprofils eines Mediums an umströmten Körpern ermöglicht.

Die Aufgabe wird mit den Verfahren gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäß für die obigen Anwendungen eingesetzte Ultraschallsystem nutzt Inhomogenitäten in Fluiden aus. Es gestattet eingriffsfreie, ortsaufgelöste Geschwindigkeitsmessungen sowie Strömungsprofilmessungen (bzw. Strömungsprofilrekonstruktionen) in inhomogenen Fluiden in Echtzeit.

Die ortsaufgelöste Geschwindigkeitsmessung beruht auf dem Tracking-Verfahren. In aufeinanderfolgenden Puls- Echo-Zyklen aufgezeichnete Signale werden bezüglich ihrer Ähnlichkeit untersucht. Ein spezieller Korrelations- Algorithmus ermittelt die zeitliche Verschiebung verglichener Signalabschnitte und daraus die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten.

Zur Messung des Strömungsprofils entlang der Achse des Schallstrahls genügt ein einziger Ultraschallwandler. Dadurch werden die Kosten gesenkt und die Durchführung der Messung vereinfacht.

Es können jedoch auch mehrere Wandler eingesetzt werden. Die Messung einer zweidimensionalen Geschwindigkeitsverteilung erfordert zwei oder mehr Wandler. Dreidimensionale Messungen sind schließlich mit drei oder mehr Ultraschallwandlern möglich.

Das System ermöglicht die stömungsprofilunabhängige Messung des Durchflusses in offenen Gerinnen, teilgefüllten Rohren und Druckleitungen. Im Vergleich zu anderen Systemen fallen hier die restriktiven Einbaubedingungen weg. Die Meßgenauigkeit wird erhöht. Gleichzeitig können mit dem System Prozeßparameter wie der Turbulenzgrad, der Füllstand, die Temperatur, die Konzentration der Inhomogenitäten und die räumliche Verteilung bzw. die Schichtung der Inhomogenitäten in Echtzeit erfaßt werden.

Das Tracking-Verfahren ermittelt die Geschwindigkeit der Inhomogenitäten. Liegt Schlupf vor, d. h. stimmt die Geschwindigkeit der Inhomogenitäten nicht mit der des Trägermediums überein, so kann durch eine Kombination des Tracking-Verfahrens mit einem von den Inhomogenitäten unabhängigen Verfahren (z. B. das bekannte Laufzeitdifferenzverfahren) eine separate Erfassung der Massenströme des Trägermediums und der Inhomogenitäten erfolgen. Hierdurch kann der Durchfluß der unterschiedlichen Phasen bei einer Mehrphasenströmung erfaßt werden.

Die räumliche Verteilung und Konzentration der Inhomogenitäten wird über Ultraschall-Dämpfungsmessungen in verschiedenen Ortsfenstern erfaßt. Dämpfungsmessungen bei ein oder mehreren Frequenzen geben Aufschluß über den Anteil der Absorption und der Streuung an der Gesamtdämpfung.

Daneben können Schallgeschwindigkeitsmessungen zur Bestimmung der Konzentration herangezogen werden.

Mit dem System können die Prozeßüberwachung und die Prozeßführung verbessert werden. Als Einsatzgebiete kommen hierbei beispielsweise die chemische Industrie, die Lebensmittelindustrie, die Papierindustrie, die Fördertechnik, der Abwasserbereich und die Überwachung von Pipelines oder Kühlkreisläufen in Betracht.

Mit dem dem eingesetzten Ultraschallsystem können bei Misch-, Trenn-, Reaktions- und Absetzprozessen gleichzeitig Prozeßparameter wie die Temperatur, der Füllstand, die Konzentration der Inhomogenitäten, die räumliche Verteilung bzw. die Schichtung der Inhomogenitäten und der Grad der Homogenisierung in Echtzeit erfaßt werden.

Auch bei diesem Anwendungsfall kann die räumliche Verteilung und Konzentration der Inhomogenitäten über Ultraschall-Dämpfungsmessungen in verschiedenen Ortsfenstern erfaßt werden. Dämpfungsmessungen bei ein oder mehreren Frequenzen geben Aufschluß über den Anteil der Absorption und der Streuung an der Gesamtdämpfung. Daneben können Schallgeschwindigkeitsmessungen zur Bestimmung der Konzentration herangezogen werden. Der Turbulenzgrad kann über die Standardabweichung der Geschwindigkeitsmessung berechnet werden. Die Auswertung der an Inhomogenitäten gestreuten Signale ermöglicht eine Überwachung des erreichten Grades der Homogenisierung bzw. Trennung.

Der Grad der Homogenisierung kann hierbei über aus der zeitlichen Änderung der Amplituden, der zeitlichen Änderung der Schallgeschwindigkeit oder eine Mustererkennung der gestreuten Ultraschallsignale abgeleitet werden. Geht beispielsweise die zweite Phase in der ersten in Lösung so findet bei vollständiger Homogenisierung keine Streuung mehr statt, d. h. die Amplituden nähern sich mit zunehmender Homogenisierung dem Nullpunkt. Der umgekehrte Fall eines Trennungsprozesses liefert eine Erhöhung der Amplituden mit der Zeit. Bei Mischungen, die nicht in Lösung gehen, kann aus der Auswertung des Signalmusters auf den Grad der Homogenisierung geschlossen werden. In beiden Fällen wird sich auch die Schallgeschwindigkeit mit dem Grad der Homogenisierung ändern. Die notwendige Information kann in vorteilhafter Weise aus den zur Strömungsprofilmessung akquirierten Echosignaldaten gewonnen werden, so daß die gleichzeitige Erfassung des Grades der Homogenisierung oder Trennung ohne zusätzliche Einrichtungen ermöglicht wird.

Das System ermöglicht damit die Überwachung und Beurteilung von Misch-, Trenn-, Reaktions- und Absetzprozessen in offenen und geschlossenen Tanks, Reaktions- und Mischgefäßen. Es liefert die zur Führung der entsprechenden Prozesse nötigen Parameter und trägt wesentlich zur Reduktion der Prozeßzeiten bei. Als Einsatzgebiete kommen hierbei beispielsweise die chemische Industrie, die Lebensmittelindustrie, die Papierindustrie, die Pharmaindustrie, der Abwasserbereich oder die Verfahrenstechnik in Betracht.

Das System eignet sich weiterhin zur Strömungsanalyse an umströmten Körpern wie z. B. Schiffsrümpfen, Schiffsschrauben, Anströmkörpern, Bohrplattformen oder Bojen. Die Konzentration, die räumliche Verteilung und die Dynamik von Inhomogenitäten wie z. B. Luftblasen können in Echtzeit erfaßt werden.

Auch hier wird die räumliche Verteilung und Konzentration der Inhomogenitäten über Ultraschall- Dämpfungsmessungen in verschiedenen Ortsfenstern erfaßt.

Dämpfungsmessungen bei ein oder mehreren Frequenzen geben Aufschluß über den Anteil der Absorption und der Streuung an der Gesamtdämpfung.

Daneben können Schallgeschwindigkeitsmessungen zur Bestimmung der Konzentration der Gasblasen herangezogen werden.

Als Einsatzgebiete kommen hierbei beispielsweise die Strömungsanalyse an umströmten Körpern wie z. B. Schiffen in Strömungskanälen oder der Schiffbau in Betracht.

Im folgenden soll zunächst näher auf das Tracking- Verfahren eingegangen werden. Das Tracking-Verfahren detektiert die Positionsänderung von Streuern (Inhomogenitäten) während einer vorgegebenen Zeit T.

Verfolgt man die Position eines Einzelstreuers innerhalb des Schallstrahls, so kann dessen Geschwindigkeit aus der während einer Zeit T zurückgelegten Distanz Δs ermittelt werden. Ultraschallstrahl und Geschwindigkeitsvektor schließen wie in Fig. 1 dargestellt den Meßwinkel α ein.

Ein zur Zeit t₀ gesendeter Ultraschallimpuls trifft auf den in Position 1 befindlichen Streuer und wird reflektiert. Der Wandler empfängt das Echo zum Zeitpunkt t = t₀ + t₁. Ein weiterer zum Zeitpunkt t₀ + T gesendeter Puls trifft am Ort 2 auf den selben Streuer. Sein Echo erreicht den Wandler zur Zeit t = t₀ + T + t₂. Die Laufzeit des in Position 2 reflektierten Pulses ist damit um Δt = t₂ - t₁ größer als die des von Position 1 zurückkehrenden. Bei einer konstanten Schallgeschwindigkeit c legt Puls 2 einen um c.Δt = 2.Δs_a längeren Weg zurück als Puls 1. Der Streuer hat sich demnach während der Zeit T um die Distanz

Δs_a = c.Δt/2 (2)

in Richtung der Schallfeldachse fortbewegt. Daraus berechnet sich die axiale Geschwindigkeitskomponente v_a (für v_a cosα << c) zu

v_a = c.Δt/2.T, (3)

die Gesamtgeschwindigkeit zu

v = (c.Δt)/(2.T.cosα). (4)

Die gesuchte Laufzeitdifferenz kann durch Korrelation der beiden Empfangssignale e1(t) und e2(t), deren Bezugspunkt jeweils der zugehörige Sendezeitpunkt ist, ermittelt werden. Die Korrelationsfunktion der Echos ist definiert durch

Die Verschiebung tmax im Maximum der Kreuzkorrelation (KKF) entspricht der gesuchten Laufzeitdifferenz Δt. Daraus ergibt sich nach Gleichung (4) die axiale Geschwindigkeit des betrachteten Streuers.

Im Realfall tragen alle im Schallstrahl befindlichen Streuer zu Echosignalen bei. Um die Verschiebung des zu einem bestimmten Meßvolumen gehörenden Signalabschnitts und damit die axiale Geschwindigkeitskomponente eines entsprechenden Streuervolumens zu bestimmen, werden den Echosignalen Zeitfenster (Gate) entnommen (Fig. 2). Aus ihrem zeitlichen Beginn tg sowie der Länge τp des gesendeten Ultraschall-Signals ergibt sich die Tiefe sa in der das Ortsfenster beginnt zu

s_a = c.(t_g - τ_p)/2. (6)

Die axiale Ausdehnung, also die Länge 1 des untersuchten Volumenbereiches berechnet sich gemäß Gleichung (7) aus der Länge τ_g des Zeitfensters und der Länge τ_p des gesendeten Ultraschall-Pulses. Damit ist die Ortsauflösung der Geschwindigkeitsdetektion eine Funktion der Gate-Länge und der Systembandbreite.

l = c.(τ_g - τ_p)/2 (7)

Tiefe und Länge des Ortsfensters sowie "Breite" und Form des Schallstrahles definieren das Meßvolumen, das sogenannte "Sample Volume" (SV). Die Echos aller im SV befindlichen Streuer interferieren zu einem für die vorliegende Konfiguration charakteristischen Empfangssignal. Findet zwischen zwei Messungen eine Positionsänderung statt, so verläßt ein Teil des Streuervolumens, das im ersten Echo das SV repräsentiert den betrachteten Bereich (Fig. 2). Nur der Signalanteil des im Meßfenster verbleibenden Volumens, das sogenannte Restvolumen gestattet eine Geschwindigkeitsdetektion.

Eine entscheidende Größe in diesem Zusammenhang ist die Pulswiederholfrequenz PRF = 1/T (Meßrate). Sie muß bei einer gegebenen Geschwindigkeit ausreichend groß gewählt werden, so daß ein genügend großes Streuervolumen im SV verbleibt, um ähnliche Signalabschnitte in aufeinanderfolgenden Echos zu gewährleisten.

Die Verschiebung Δt wird im einfachsten Fall geschätzt, indem man das Maximum der zeitbegrenzten KKF lokalisiert. Die Höhe des Korrelationsmaximums nimmt mit zunehmender Verschiebung und zunehmender Turbulenzen ab. In der Praxis werden die Echos mit einer Abtastrate f_a(= 1/T_a) digitalisiert. N Signalpunkte repräsentieren das im 5 V befindliche Streuermuster. Das Maximum der diskreten Korrelation

liefert die gesuchte Laufzeitverschiebung als eine Anzahl von n diskreten Punkten. Die axiale Geschwindigkeitskomponente berechnet sich entsprechend Gleichung (3) zu:

v_a = n.c.PRF/2.f_a. (9)

Die zeitliche Auflösung beträgt ±T_a/2. Interpolationsalgorithmen gestatten eine Erhöhung der Auflösung bzw. eine Verringerung der durch Zeitdiskretisierung bedingten Fehler bei der Detektion der Laufzeitveschiebung.

Die normierte Korrelationsfunktion

liefert mit Werten zwischen -1 und 1 ein Maß für die Übereinstimmung verglichener Signalabschnitte.

Um die Korrelationsfunktion der auf N Meßwerte beschränkten Signalabschnitte bei Verschiebung k ≠ 0 berechnen zu können gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die Datenfelder können um jeweils N Nullen ergänzt werden oder aber die Summation in Gleichung (8) erfolgt in Abhängigkeit von der Verschiebung über N - k Summanden. In beiden Fällen sinkt die Zahl der Produkte, die zum Funktionswert der KKF beitragen, linear mit der Verschiebung. Damit ist die Amplitude der KKF nicht nur von der Übereinstimmung der Signale bei der jeweiligen Verschiebung, sondern auch von der Verschiebung selbst abhängig. Gleiches gilt für die normierte Korrelationsfunktion bei Normierung auf die Gesamtenergie der Signalabschnitte. Da lediglich die Zahl der Summanden ungleich Null, nicht aber die jeweilige Summe linear mit der Verschiebung abnimmt, kann dieser Effekt nicht durch eine Gewichtsfunktion kompensiert werden. Der Effekt entfällt jedoch unter Anwendung von Block-Matching- Algorithmen. Hier werden Signalabschnitte unterschiedlicher Länge verglichen, d. h. ein kürzerer Abschnitt wird in einem später akquirierten längeren Abschnitt gesucht.

Während die Berechnung diskreter Werte der KKF bzw. kurzer Abschnitte der Korrelationsfunktion vorteilhaft im Zeitbereich erfolgen kann, empfiehlt sich zur Berechnung der gesamten KKF vor allem bei langen Fenstern eine Fourier-Transformation der um N "Nullen" ergänzten Signale. Durch Multiplikation der Spektren und Rücktransformation in den Zeitbereich erhält man die gesuchte KKF.

Da das Tracking-Verfahren auf der Detektion von Laufzeitänderungen basiert, stellen Geschwindigkeits- und Ortsauflösung keine konträren Anforderungen an das System. Eine gleichzeitige Optimierung beider Größen ist ohne zusätzlichen technischen Aufwand möglich. Die frequenzabhängige Dämpfung verändert aufeinanderfolgende Echos gleichermaßen, so daß die mittels Kreuzkorrelation berechnete Laufzeitänderung von der Dämpfung unbeeinflußt bleibt. Der entscheidende Vorteil des Tracking-Verfahrens liegt darin, daß höhere Geschwindigkeiten in größeren Tiefen gemessen werden können als dies mit üblichen Puls- Doppler-Systemen möglich ist.

Beim hier vorliegenden Verfahren reichen prinzipiell zwei Puls-Echo-Zyklen (ein Meßzyklus) aus, um die Geschwindigkeit in einem Ortsfenster zu ermitteln. Damit sind höhere Meßraten als bei Puls-Doppler-Systemen möglich.

Das Verfahren benötigt nur einen Einelementwandler, um das Strömungsprofil entlang einer Linie zu erfassen, und ist daher kostengünstig realisierbar. Die räumliche Zuordnung der Meßtiefen ergibt sich dabei unmittelbar aus der entsprechenden Signallaufzeit.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen

Fig. 1 das Prinzip des Tracking-Verfahrens am Beispiel eines Einzelstreuers,

Fig. 2 das Prinzip des Tracking-Verfahrens zur ortsaufgelösten Geschwindigkeitsmessung,

Fig. 3 die schematische Darstellung eines Meßpfades eines Ausführungsbeispiels, und

Fig. 4 das Ergebnis einer Strömungsprofilmessung in einem zylindrischen Rührbehälter zeigen.

Als Beispiel für ein universelles System zum Einsatz bei den obigen Anwendungsfällen wird im folgenden eine Implementierung der auszuführenden Funktionen in einen DSP (digitaler Signalprozessor) vorgeschlagen.

Die implementierte Software gestattet eine in weiten Grenzen freie Vorgabe der Systemparameter. Hierzu gehören die Mittenfrequenz der Ultraschallwelle, die PRF, die Zahl, Tiefe und Länge der Meßfenster, die Abtastfrequenz, die Höhe der Sendeamplituden und Empfangsverstärkungsfaktoren (für die unterschiedlichen Ortsfenster). Die (digitalisierte) Fensterlänge wird bei diesem Beispiel auf 512 Punkte festgelegt. Die Software bietet zudem einige Wahlmöglichkeiten in bezug auf die Datenakquisition und die Signalverarbeitung. So ist beispielsweise die Zahl der in einem Meßzyklus aufzuzeichnenden Echos wählbar. Suchbereichsbeschränkung bzw. Beschränkung des Meßbereichs auf ein Meßintervall und nichtlineare Filterung (z. B. Medianfilterung) können aktiviert oder ausgeschaltet werden. Lage und Länge des Meßintervalls sowie die Dimension des Filters sind einstellbare Parameter. Durch die Beschränkung des Meßintervalls können die Verarbeitungszeit verkürzt und die Wahrscheinlichkeit für die Detektion eines falschen Maximums (Meßfehler) verringert werden. Werden dennoch falsche Maxima detektiert, so wird ihr Einfluß auf das Meßergebnis durch die nichtlineare Filterung unterdrückt.

Vor dem Start der Messung erfolgt zunächst die Parametereingabe. Nach Bestätigung der Werte durch den Benutzer erfolgt die Hardware-Initialisierung und die Messung wird gestartet. Die eingestellte Anzahl der Echos wird akquiriert und die KKF aufeinanderfolgender Signale, beispielsweise durch konjuguiertkomplexe Multiplikation im Frequenzbereich, berechnet.

Eine zusätzliche Festzielunterdrückung ist möglich. Diese kann beispielsweise durch Substraktion aufeinanderfolgender Echosignale und Korrelation der jeweiligen Differenzwerte erfolgen.

Bei Aktivierung der Meßbereichsbegrenzung erfolgt die Suche nach dem Maximum der KKF im vorgegebenen Meßintervall bzw. die KKF wird nur für dieses Intervall bestimmt. Ansonsten detektiert der Algorithmus das globale Maximum im gesamten Bereich der KKF. Es folgt eine Interpolation (z. B. parabolische Interpolation) im gefundenen Maximum.

Da in diesem Ausführungsbeispiel nur unmittelbar aufeinanderfolgende Echos korreliert werden, und hier keine Festzielunterdrückung mittels Differenzbildung erfolgt, liefert ein n Echos umfassender Meßzyklus n - 1 Korrelationsergebnisse. Nun erfolgt, sofern das Filtern aktiviert wurde, die Medianfilterung dieser n - 1 Werte. Ein Filter vom Rang m hat die Länge 2m + 1 und liefert n - 2m - 2 Ausgangswerte. Die Medianfilterung setzt daher voraus, daß mindestens n = 2m - 1 Echos in einem Meßzyklus akquiriert werden.

Der Mittelwert der gefilterten Daten liefert einen Meßpunkt. Danach werden Delay, Sendespannung und Empfangsverstärkung vom DSP-Programm aktualisiert, bevor der nächste Meßzyklus die Geschwindigkeit im nächsten Ortsfenster detektiert. Die vorgegebenen Ortsfenster werden zyklisch abgearbeitet. Es ist jedoch auch eine entsprechende parallele Datenakquisition und - verarbeitung in den bzw. für die Meßfenster möglich.

Der vorliegende Algorithmus gestattet durch Optimierung und Regelung von Parametern sowie durch die Begrenzung des Meßbereichs entsprechend den gegebenen Meßbedingungen eine Reduktion der Fehlerwahrscheinlichkeit. Bei ungenauer Maximumsdetektion trägt eine Interpolation, bei falscher Detektion eine nichtlineare Filterung zur Beseitigung von Meßfehlern bei. Eine anschließende statistische Auswertung, die über einen oder mehrere Meßzyklen erfolgen kann, reduziert statistische Schwankungen und den Einfluß verbleibender Meßfehler. Der Einfluß feststehender Reflektoren in der Meßstrecke kann durch eine zusätzlich vorgesehene Festzielunterdrückung beseitigt werden.

Das beschriebene Tracking-System gestattet die Messung von Strömungsprofilen z. B. in Rührbehältern. Im folgenden Ausführungsbeispiel wird die Strömung zwischen zwei konzentrisch angeordneten Zylindern gemessen, von denen der Innere (R) rotiert, der Äußere (Z) stillsteht. Als Medium dient Wasser, dem Streupartikel zugesetzt wurden. Ein am unteren Ende des rotierenden Zylinders angebrachter Propeller wirkt der Sedimentation der Partikel entgegen. Der rotatorischen Bewegung der Wassersäule sind zusätzliche Bewegungskomponenten überlagert. Am äußeren Zylinder sind eine Wandlerhalterung und ein Wandler so angebracht, daß die Meßstrecke senkrecht zur Zylinderachse und bei einer Exzentrizität von 12,5 cm liegt. Zu messen ist die rotatorische Geschwindigkeitskomponente. Fig. 3 zeigt hierzu eine schematische Darstellung des Meßpfades.

Zum Einsatz kommt ein Kreiskolbenschwinger als Ultraschallwandler mit einem Durchmesser von 12,7 mm, einer Mittenfrequenz von 2,25 MHz und einer relativen Bandbreite von 60%. Als Anzahl der Meßfenster wurde 15, als Tiefe des ersten Fensters 1 cm gewählt. Die weiteren Fenster wurden äquidistant in einem Abstand von jeweils 2,5 cm angeordnet. Damit beginnt das letzte Meßfenster in einer Tiefe von 36 cm. Bei der eingestellten Fensterlänge von 2 cm und einem Abstand von 38 cm zwischen dem Wandler und der Rückwand des Rührbehälters ist damit die Geschwindigkeitsverteilung auf dem gesamten Schallpfad abgetastet. Die mit der Tiefe zunehmende Dämpfung der Ultraschallsignale wird über die einstellbare tiefenabhängige Verstärkung kompensiert. Die Gates werden hier sequentiell abgearbeitet. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, die Geschwindigkeiten in den verschiedenen Tiefen parallel zu erfassen. Die Zahl der Puls-Echo- Zyklen, die pro Gate zur Ermittlung eines Geschwindigkeitswertes herangezogen werden, beträgt in diesem Beispiel 28, die Pulswiederholfrequenz 800 kHz. Der Suchbereich für die Korrelationsmaxima wurde auf 0-30 Punkte beschränkt. Als Rang für die Medianfilterung wurde 2 eingestellt, womit die Filterlänge 5 beträgt.

Fig. 4 zeigt die bei verschiedenen Drehzahlen des Rührers ermittelten Strömungsprofile. Unstetigkeiten in den Profilen sind auf die erwähnten zusätzlichen Bewegungskomponenten und die damit verbundene starke Turbulenz zurückzuführen.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Strömungscharakteristik eines Mediums in offenen Gerinnen, teilgefüllten Rohren und Druckleitungen unter Anwendung eines Tracking- Verfahrens mit folgenden Verfahrensschritten:

- Vorsehen zumindest eines Ultraschallwandlers an oder in einem offenen Gerinne, teilgefüllten Rohr oder einer Druckleitung;
- Aussenden eines ersten kurzen Ultraschallsignales in eine Richtung, die eine Richtungskomponente in Strömungsrichtung aufweist;
- Empfangen von ersten Echosignalen von an Inhomogenitäten in der Strömung gestreuten Anteilen des ersten kurzen Ultraschallsignales in einem vorgegebenen Zeitfenster, das einem ersten Ortsfenster in der Strömung entspricht;
- Digitalisieren des ersten Echosignalverlaufs;
- Speichern des digitalisierten ersten Echosignalverlaufs;
- Aussenden eines zweiten kurzen Ultraschallsignales in einem vorgegebenen kleinen zeitlichen Abstand zur Aussendung des ersten kurzen Ultraschallsignales in die gleiche Richtung;
- Empfangen von zweiten Echosignalen von an Inhomogenitäten in der Strömung gestreuten Anteilen des zweiten kurzen Ultraschallsignales in einem vorgegebenen Zeitfenster, das dem ersten Ortsfenster in der Strömung entspricht;
- Digitalisieren des zweiten Echosignalverlaufs;
- Bilden der Kreuzkorrelation zwischen einem oder mehreren Bereichen des ersten Echosignalverlaufs und einem oder mehreren Bereichen des zweiten Echosignalverlaufs;
- Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit(en) in dem ersten Ortsfenster in der Strömung aus der Position eines lokalen Maximums der Kreuzkorrelation bzw. von lokalen Maxima der Kreuzkorrelationen;
- Wiederholen des Meßzyklus gemäß den vorangehenden Verfahrensschritten bei verschobenen Zeitfenstern, die anderen Ortsfenstern in der Strömung entsprechen, falls die Erfassung der vollständigen Strömungscharakteristik im gewünschten Bereich noch nicht abgeschlossen ist.

2. Verfahren zur Messung der Strömungscharakteristik in offenen Gewässern unter Anwendung eines Tracking- Verfahrens mit folgenden Verfahrensschritten:

- Vorsehen zumindest eines Ultraschallwandlers in einem offenen Gewässer;
- Aussenden eines ersten kurzen Ultraschallsignales in eine Richtung, die eine Richtungskomponente in Strömungsrichtung aufweist;
- Empfangen von ersten Echosignalen von an Inhomogenitäten in der Strömung gestreuten Anteilen des ersten kurzen Ultraschallsignales in einem vorgegebenen Zeitfenster, das einem ersten Ortsfenster in der Strömung entspricht;
- Digitalisieren des ersten Echosignalverlaufs;
- Speichern des digitalisierten ersten Echosignalverlaufs;
- Aussenden eines zweiten kurzen Ultraschallsignales in einem vorgegebenen kleinen zeitlichen Abstand zur Aussendung des ersten kurzen Ultraschallsignales in die gleiche Richtung;
- Empfangen von zweiten Echosignalen von an Inhomogenitäten in der Strömung gestreuten Anteilen des zweiten kurzen Ultraschallsignales in einem vorgegebenen Zeitfenster, das dem ersten Ortsfenster in der Strömung entspricht;
- Digitalisieren des zweiten Echosignalverlaufs;
- Bilden der Kreuzkorrelation zwischen einem oder mehreren Bereichen des ersten Echosignalverlaufs und einem oder mehreren Bereichen des zweiten Echosignalverlaufs;
- Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit(en) in dem ersten Ortsfenster in der Strömung aus der Position eines lokalen Maximums der Kreuzkorrelation bzw. von lokalen Maxima der Kreuzkorrelationen;
- Wiederholen des Meßzyklus gemäß den vorangehenden Verfahrensschritten bei verschobenen Zeitfenstern, die anderen Ortsfenstern in der Strömung entsprechen, falls die Erfassung der vollständigen Strömungscharakteristik im gewünschten Bereich noch nicht abgeschlossen ist.

3. Verfahren zur Messung der Strömungscharakteristik eines Mediums bei Misch-, Trenn-, Reaktions- und Absetzprozessen in offenen und geschlossenen Behältnissen unter Anwendung eines Tracking-Verfahrens mit folgenden Verfahrensschritten:

- Vorsehen zumindest eines Ultraschallwandlers an oder in einem offenen oder geschlossenen Behältnis, in dem Misch-, Trenn-, Reaktions- und Absetzprozesse ablaufen;
- Aussenden eines ersten kurzen Ultraschallsignales in eine Richtung, die eine Richtungskomponente in Strömungsrichtung aufweist;
- Empfangen von ersten Echosignalen von an Inhomogenitäten in der Strömung gestreuten Anteilen des ersten kurzen Ultraschallsignales in einem vorgegebenen Zeitfenster, das einem ersten Ortsfenster in der Strömung entspricht;
- Digitalisieren des ersten Echosignalverlaufs;
- Speichern des digitalisierten ersten Echosignalverlaufs;
- Aussenden eines zweiten kurzen Ultraschallsignales in einem vorgegebenen kleinen zeitlichen Abstand zur Aussendung des ersten kurzen Ultraschallsignales in die gleiche Richtung;
- Empfangen von zweiten Echosignalen von an Inhomogenitäten in der Strömung gestreuten Anteilen des zweiten kurzen Ultraschallsignales in einem vorgegebenen Zeitfenster, das dem ersten Ortsfenster in der Strömung entspricht;
- Digitalisieren des zweiten Echosignalverlaufs;
- Bilden der Kreuzkorrelation zwischen einem oder mehreren Bereichen des ersten Echosignalverlaufs und einem oder mehreren Bereichen des zweiten Echosignalverlaufs;
- Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit(en) in dem ersten Ortsfenster in der Strömung aus der Position eines lokalen Maximums der Kreuzkorrelation bzw. von lokalen Maxima der Kreuzkorrelationen;
- Wiederholen des Meßzyklus gemäß den vorangehenden Verfahrensschritten bei verschobenen Zeitfenstern, die anderen Ortsfenstern in der Strömung entsprechen, falls die Erfassung der vollständigen Strömungscharakteristik im gewünschten Bereich noch nicht abgeschlossen ist.

4. Verfahren zur Messung der Strömungscharakteristik eines Mediums an umströmten Körpern unter Anwendung eines Tracking-Verfahrens mit folgenden Verfahrensschritten:

- Vorsehen zumindest eines Ultraschallwandlers im Bereich des umströmten Körpers;
- Aussenden eines ersten kurzen Ultraschallsignales in eine Richtung, die eine Richtungskomponente in Strömungsrichtung am umströmten Körper aufweist;
- Empfangen von ersten Echosignalen von an Inhomogenitäten in der Strömung gestreuten Anteilen des ersten kurzen Ultraschallsignales in einem vorgegebenen Zeitfenster, das einem ersten Ortsfenster in der Strömung entspricht;
- Digitalisieren des ersten Echosignalverlaufs;
- Speichern des digitalisierten ersten Echosignalverlaufs;
- Aussenden eines zweiten kurzen Ultraschallsignales in einem vorgegebenen kleinen zeitlichen Abstand zur Aussendung des ersten kurzen Ultraschallsignales in die gleiche Richtung;
- Empfangen von zweiten Echosignalen von an Inhomogenitäten in der Strömung gestreuten Anteilen des zweiten kurzen Ultraschallsignales in einem vorgegebenen Zeitfenster, das dem ersten Ortsfenster in der Strömung entspricht;
- Digitalisieren des zweiten Echosignalverlaufs;
- Bilden der Kreuzkorrelation zwischen einem oder mehreren Bereichen des ersten Echosignalverlaufs und einem oder mehreren Bereichen des zweiten Echosignalverlaufs;
- Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit(en) in dem ersten Ortsfenster in der Strömung aus der Position eines lokalen Maximums der Kreuzkorrelation bzw. von lokalen Maxima der Kreuzkorrelationen;
- Wiederholen des Meßzyklus gemäß den vorangehenden Verfahrensschritten bei verschobenen Zeitfenstern, die anderen Ortsfenstern in der Strömung entsprechen, falls die Erfassung der vollständigen Strömungscharakteristik im gewünschten Bereich noch nicht abgeschlossen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über den Füllstand und das ermittelte Strömungsprofil der Durchfluß des Mediums im offenen Gerinne, teilgefüllten Rohr oder der Druckleitung berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten von Schlupf zwischen den Inhomogenitäten und dem Medium eine zusätzliche Durchflußmessung, beispielsweise über das Laufzeitdifferenzverfahren, durchgeführt wird, um die Geschwindigkeit des Mediums zu erfassen.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Homogenisierung oder Trennung anhand der Änderung der Amplituden der gestreuten Ultraschallsignale oder anhand der Änderung der Schallgeschwindigkeit im Medium oder anhand einer Mustererkennung bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstand bzw. der Pegel des Mediums über eine Laufzeitmessung mittels Ultraschall durch Reflexion an der Oberfläche des strömenden Mediums bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mediums über eine Laufzeitmessung mittels Ultraschall bestimmt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration und Verteilung von Inhomogenitäten im Medium über eine Ultraschalldämpfungsmessung oder Schallgeschwindigkeitsmessung bestimmt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Standardabweichung von Meßwerten der Strömungsgeschwindigkeit der Turbulenzgrad bestimmt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die korrelierten Zeitfenster die gleiche Länge aufweisen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedlich lange Zeitfenster korreliert werden (Block-Matching-Algorithmus).

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Festzielunterdrückung, beispielsweise über ein Differenzverfahren, erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßzyklus die Aussendung weiterer kurzer Ultraschallsignale in vorgegebenen kleinen zeitlichen Abständen zur Aussendung des jeweils vorangehenden kurzen Ultraschallsignales in die gleiche Richtung umfaßt, das Empfangen der Echosignale von an Inhomogenitäten in der Strömung gestreuten Anteilen der weiteren Ultraschallsignale in vorgegebenen Zeitfenstern, die dem gleichen Ortsfenster in der Strömung entsprechen, das Digitalisieren der weiteren Echosignalverläufe und das Bilden der Kreuzkorrelation zwischen den Echosignalverläufen der Ultraschallsignale, so daß mehrere Meßwerte der Strömungsgeschwindigkeit für ein Ortsfenster in der Strömung erhalten werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst alle Echosignalverläufe gespeichert und erst nach Abschluß eines Meßzyklus korreliert werden.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßwerte für das gleiche Ortsfenster einer nichtlinearen Filterung, beispielsweise einer Medianfilterung, mit nachfolgender statistischer Auswertung (z. B. Mittelwert, Standardabweichung) unterzogen werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei in Relation zur Fensterlänge großen Positionsänderungen der Inhomogenitäten zwischen den benachbarten Puls-Echo-Zyklen die Kreuzkorrelation mittels Fouriertransformation und konjugiert komplexer Multiplikation im Frequenzbereich, und bei in Relation zur Fensterlänge kleinen Positionsänderungen der Inhomogenitäten zwischen den benachbarten Puls-Echo- Zyklen die Kreuzkorrelation mittels konjugiert komplexer Multiplikation im Zeitbereich erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilung der Zuverlässigkeit der Messung anhand eines normierten Kreuzkorrelationskoeffizienten erfolgt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Maximums der Kreuzkorrelation nur in einem vorgebbaren oder von einem Algorithmus ermittelten Meßintervall innerhalb des Zeitfensters erfolgt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung des Maximums der Kreuzkorrelation im gefundenen Maximum eine Interpolation durchgeführt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei Veränderung des Ortsfensters die Sendeamplituden, die Empfangsverstärkung, die Pulswiederholfrequenz, das Meßintervall und gegebenenfalls die Fenstergröße angepaßt werden.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß durch Vorsehen weiterer Ultraschallwandler und eines Multiplexers eine zwei- oder dreidimensionale Erfassung der Strömungscharakteristik erfolgt.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß durch Vorsehen weiterer Ultraschallwandler und zusätzlicher Auswertekanäle eine zwei- oder dreidimensionale Erfassung der Strömungscharakteristik erfolgt.