DE19933473A1 - Verfahren zum Messen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines Flusses - Google Patents

Verfahren zum Messen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines Flusses

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Abstract

Ein Verfahren zum Messen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit in einer Vielzahl von Tiefen unter Verwendung eines Ultraschallstrahls, um die Durchflußrate eines Flusses zu erhalten, umfaßt die Schritte: Aussenden von kontinuierlichen Ultraschallstrahlen entlang eines ausgewählten freien Querschnitts zum Messen der Durchflußrate von einem Rand eines Flusses und Messen eines Bewegungsabstands von gepaarten Ultraschall-Empfangswandlern ((3 1 ) i , (3 2 ) i ), die in einem Abstand (L) voneinander entfernt sind, bis die Ausgangsspannungen der gepaarten Ultraschall-Empfangswandler ((3 1 ) i , (3 2 ) i ) einander gleich werden, und dann Messen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit, wobei die gepaarten Ultraschall-Empfangswandler ((3 1 ) i , (3 2 ) i ) mit Differenzverstärkern (4) elektrisch verbunden sind, um die Position in einem Moment zu messen, in dem ihre Ausgangsspannungsdifferenzen Null werden, und die weiteren Schritte des Testens und Korrigierens einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Bereitstellung einer Technologie zum Messen einer Durchflußrate eines Flusses unter Verwendung einer Ultraschallwelle und insbesondere die Bereitstellung eines Verfahrens zum Messen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit in einer Vielzahl von Tiefen unter Verwendung eines Ultraschallstrahls, um eine Durchflußrate eines größeren Flusses oder eines offenen Schleusenkanals zu berechnen.
Stand der Technik
Ein herkömmliches Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines offenen Kanals hat eine Ultraschallwelle verwendet, um eine Durchflußrate des offenen Kanals folgendermaßen zu berechnen:
Wie in Fig. 1 dargestellt, sind eine Vielzahl von gepaarten Ultraschallwandlern A1 und B1, A2 und B2, A3 und B3 . . . in einer vorbestimmten Wassertiefe entlang des Randes von mindestens einer Seite eines offenen Kanals so montiert, daß sie einen bestimmten Winkel ϕ relativ zur Richtung einer Strömungsgeschwindigkeit V bilden. Die Ultraschall- Übertragungszeiten TAB und TBA bei der Übertragung vom Wandler Ai zu Bi und von Bi zu Ai werden folgendermaßen gemessen:
Wobei C eine Ultraschall-Übertragungsgeschwindigkeit (nachstehend "Schallgeschwindigkeit" genannt) in Wasser ist, V eine horizontale mittlere Strömungsgeschwindigkeit ist und L ein Abstand zwischen den Wandlern Ai und Bi ist.
Die Übertragungszeitdifferenzen Δt (= tBA - tAB) werden auf der Basis der Ausdrücke (a) und (b) folgendermaßen berechnet:
wobei die Strömungsgeschwindigkeit V folgendermaßen ist:
Das Quadrat der Schallgeschwindigkeit C2 ist folgendermaßen:
Wenn der obige Ausdruck in den Ausdruck (1) eingesetzt wird, wird folglich der allgemeine Ausdruck für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit folgendermaßen dargestellt:
Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit mit Ultraschall wird "Ultraschall- Übertragungszeitdifferenz-Verfahren" genannt, welches im Modell UF2100 CO verkörpert ist, das von U.S.A. Ultraflux Co. hergestellt wird. Der Durchflußmesser von UF2100 CO verwendet den folgenden Ausdruck für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit:
Folglich ist er gleich dem Ausdruck (2):
Ein gut bekannter Ultraschall-Durchflußmesser für nicht nur ein Rohr, sondern auch einen offenen Kanal ist abhängig von der Messung der Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung des Ultraschall-Übertragungszeitdifferenz-Verfahrens. Zusätzlich zum Übertragungszeitdifferenz-Verfahren gibt es Frequenz- und Phasendifferenz-Verfahren, um die Durchflußrate zu messen, sie beruhen jedoch auf der Ultraschall-Übertragungszeit. Ein Verfahren zum Anordnen von Ultraschallwandlern ist ebenfalls dasselbe wie jenes von Fig. 1.
Und wenn dann ein Fluß verhältnismäßig breiter ist, verursachen frühere Technologien zum Messen einer horizontalen mittleren Geschwindigkeit einige Probleme, wie folgt:
Erstens, wenn die Durchflußrate des Flusses gemäß der Messung einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit in einer Vielzahl von Tiefen berechnet wird, wird eine offene Fläche oder ein freier Querschnitt S in einem rechten Winkel zur Richtung der Wasserströmung ausgewählt. Daher wird die Durchflußrate Q folgendermaßen berechnet:
Q = VS . S (3)
Wobei Vs eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit durch den freien Querschnitt in einem rechten Winkel zur freien Querschnittsfläche S ist. Somit kann die Durchflußrate durch Messen der mittleren Strömungsgeschwindigkeit Vs durch den Querschnitt in einer Vielzahl von Wassertiefen berechnet werden.
Ein weiteres Verfahren besteht in der Berechnung einer Teildurchflußrate, die durch Multiplizieren einer Teilfläche Si mit einer Strömungsgeschwindigkeit Vi erhalten wird, und als nächstes Aufsummieren aller Teildurchflußraten. Es ist dasselbe wie das im Modell UF 2000 CO verwendete Durchflußraten-Berechnungsverfahren, nämlich folgendermaßen:
Selbst wenn ein beliebiges Verfahren verwendet wird, gibt es verschiedene Querschnitte in einem Streckenintervall d, in dem sich die Ultraschallwelle in verschiedenen Formen ausbreitet, wobei die Querschnitte einander nicht gleich sind, wie in Fig. 2 gezeigt. Mit anderen Worten, während die Ultraschallwellen übertragen werden oder entlang einer Linie L unter dem Einfluß der Strömungsgeschwindigkeit übertragen werden, sind die Strömungsgeschwindigkeiten an einer Vielzahl von Punkten auf der Linie L gemäß der Form der Flußkanäle an irgendeinem entsprechenden Punkt unterschiedlich. Die durch die Ultraschallwelle gemessene Strömungsgeschwindigkeit ist eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit, aber von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit kann nicht festgestellt werden, ob sie zu irgendeinem Querschnitt gehört. Dazu wird der Hilfsquerschnitt ausgewählt. Er kann den größeren Durchflußraten-Meßfehler verursachen. Wenn beispielsweise die Breite eines Flusses 500 m ist und ein Winkel ϕ 45° ist, ist der Abstand d gleich 500 m, aber der natürliche Fluß mit demselben freien Querschnitt im Abstand d existiert kaum. Wenn der freie Querschnitt behelfsweise ausgewählt wird, kann der Durchflußraten-Meßfehler nicht mit einer höheren Zuverlässigkeit ausgewertet werden.
Zweitens sind Strömungsgeschwindigkeiten mit schrägwinkeligen und Wirbel-(Rotations-)-Komponenten beträchtlich ausgebildet.
Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die zu messende Strömungsgeschwindigkeit eine Strömungsgeschwindigkeit V⟂ senkrecht zu einer Querschnittsfläche S. Wenn die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit V jener der Strömungsgeschwindigkeit V⟂ entspricht und einen Winkel ϕ bezüglich der Linie L, auf der eine Ultraschallwelle übertragen wird, aufweist, ist das durch den Ausdruck (2) für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit durch die Übertragungszeitdifferenz berechnete Ergebnis die Strömungsgeschwindigkeit V⟂. Wenn jedoch die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit einen Winkel ϕ + α zur Linie L aufweist, verursacht er den größeren Fehler bei der Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit durch den Ausdruck (2). Aus Fig. 3 wird ein zugehöriger Ausdruck hergeleitet und eine Strömungsgeschwindigkeit wird mit dem Ultraschallstrahl folgendermaßen gemessen:
Wenn jedoch der Winkel α der schrägen Strömung durch den Ausdruck (2) unter der unbekannten Bedingung berechnet wird, wird das Ergebnis folgendermaßen dargestellt:
Die Strömungsgeschwindigkeit für die Berechnung der Durchflußrate sollte folgendermaßen dargestellt werden:
Daher wird V' als V⟂ betrachtet und dann wird der Meßfehler δv von V⟂ folgendermaßen dargestellt:
Wenn der Winkel ϕ 45° ist, ist tanϕ gleich 1 und δv ist gleich -tanα. Wenn sich der Winkel α der schrägen Strömung innerhalb des Bereichs von 1-10° ändert, beträgt der Meßfehler δv von V⟂ bis zu 1,745-17,63%. Im allgemeinen ist der schräge Strömungswinkel α im Fluß 2-3°. Selbst wenn die Ultraschall-Übertragungszeit, die Linie L und der Abstand d exakt gemessen werden, ist der Meßfehler δv der Strömungsgeschwindigkeit V⟂ 3,5-5,2%, was sich als Problem der Strömungsgeschwindigkeitsmessung herausstellt.
Drittens tritt ein Problem bei der Verwendung der Ultraschallwelle auf. Der Ultraschallimpuls wird aufgrund seiner ausgiebigen Oberwellenkomponente stark gedämpft. Es ist nicht nur schwierig, die ausreichende Empfangsstärke zu gewährleisten, wenn die Linie L verhältnismäßig länger ist, sondern es kann auch der größere Meßfehler der Übertragungszeit verursacht werden.
Wie in Fig. 4A, 4B und 4C gezeigt, werden Ultraschallimpulse von zwei Arten während ihrer Übertragung verändert. Im allgemeinen wird sehr häufig der Stoßimpuls verwendet (Fig. 4B). Der Ultraschallimpuls wird gemäß der Konzentrationsänderung der schwimmenden Teilchen oder der Strömungsgeschwindigkeit der Wirbelkomponente in einem größeren Ausmaß absorbiert oder verbraucht. Dies verursacht, daß die Amplitude des Empfangssignals stark pulsiert. Wenn der Empfangszeitpunkt des Ultraschallimpulses erfaßt wird, tritt deshalb der Meßfehler der Ultraschall-Übertragungszeit entsprechend einer oder zwei Perioden der Ultraschallfrequenz auf. Um den Meßfehler der Ultraschall-Übertragungszeit zu verringern, ist es nicht möglich, die Frequenz des Ultraschallimpulses im Fluß behelfsweise zu erhöhen. Je höher die Frequenz ist, desto stärker tritt die Absorptionsdämpfung auf. Ferner wird der Verlust aufgrund der schwimmenden Teilchen größer. Somit ist es bevorzugt, die Frequenz zu senken, aber wenn die Frequenz gesenkt wird, wird die Intensität des Ultraschallimpulses gesenkt, so daß die Hohlraumbildungsphänomene verursacht werden. Dies bedeutet, daß es nicht möglich ist, den Ultraschallimpuls oberhalb einer bestimmten Intensität im Fluß zu übertragen. Folglich ist die Flußbreite, die für das Übertragungszeitdifferenz-Verfahren ausgelegt sein kann, sehr begrenzt.
Aufgrund dieser drei großen Probleme macht es der Stand der Technik schwierig, die Durchflußrate eines Flusses mit einer größeren Breite zu messen. Wenn der Stand der Technik zum Messen der Durchflußrate des Flusses mit einer beträchtlichen Breite verwendet wird, kann er trotzdem den größeren Meßfehler erhöhen. Daher wird kein Verfahren zum Messen der Durchflußrate durch die Ultraschallwelle im Fluß verwendet, mit Ausnahme eines künstlichen offenen Kanals mit einer kleineren Breite.
Um diese Probleme und Nachteile zu beseitigen, ist folglich eine Aufgabe der Erfindung die Bereitstellung eines Verfahrens zum Messen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit mit Ultraschall, um die Durchflußrate eines Flusses mit einer größeren Breite zu berechnen.
Die andere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Korrigieren und Testen einer Strömungsgeschwindigkeits-Meßvorrichtung für die Messung der horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit mit Ultraschall.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Folglich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer Driftstrecke, um die ein Ultraschallstrahl im Verhältnis zu einer Strömungsgeschwindigkeit bei seiner Übertragung in einem rechten Winkel zu einer Wasserströmungsrichtung abgetrieben wird.
Wie in Fig. 5 gezeigt, wird ein Ultraschallstrahl in Flüssigkeit von einem nicht strömenden Punkt O zu einem nicht strömenden Punkt a übertragen. Wenn die Flüssigkeit stillsteht (V = 0), erreicht der Ultraschallstrahl den Punkt a. Wenn jedoch die Flüssigkeit strömt, erreicht die Ultraschallwelle den Punkt b. Die Strecke (Driftstrecke) l zwischen den Punkten a und b wird folgendermaßen dargestellt:
Wobei D eine Breite eines Flusses ist, C eine Übertragungsgeschwindigkeit eines Ultraschallstrahls in Flüssigkeit ist und t eine Übertragungszeit des über die Breite oder das Streckenintervall D zu übertragenden Ultraschallstrahls ist.
Der Winkel θ zwischen den Linien oa und ob wird folgendermaßen dargestellt:
Wenn Ultraschall-Sende- und Empfangswandler mit derselben Geschwindigkeit wie jener einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit bewegt werden, wird der Winkel θ Null und auch die Strecke l wird Null. Der Winkel θ und die Strecke l werden jeweils "Ultraschall-Driftwinkel" und "Ultraschall-Driftstrecke" genannt, wie nachstehend beschrieben. Die aus den Ausdrücken 5 und 6 hergeleitete Strömungsgeschwindigkeit V wird folgendermaßen dargestellt:
Daher ist die Strömungsgeschwindigkeit V durch Messen des Ultraschall-Driftwinkels θ oder der Ultraschall- Driftstrecke l und der Schallgeschwindigkeit C erhältlich. Das Ultraschall-Driftphänomen ist ein gewöhnliches physikalisches Wissensgebiet und auf seine ausführliche Erläuterung wird verzichtet.
Wenn andererseits beabsichtigt ist, einen Ausdruck für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit durch die Ultraschall- Übertragungszeitdifferenz herzuleiten, wäre es falsch verstanden, daß sich die Schallgeschwindigkeit C gemäß der Strömungsgeschwindigkeit ändert, da die Ultraschall- Übertragungszeit als L/(C + Vcosϕ) dargestellt wird. Die Schallgeschwindigkeit C wird nur durch die Flüssigkeitseigenschaft geändert, wird aber nicht von der Strömungsgeschwindigkeit beeinflußt. Der Ausdruck für die Strömungsmessung durch die Übertragungszeitdifferenz wird aus der Ultraschalldrift (Ablenkung) hergeleitet. Mit anderen Worten, es sollte nicht selbstverständlich sein, daß der Ultraschall-Driftwinkel θ die Änderung einer Ultraschall-Übertragungsrichtung ist. Die Übertragungsrichtung wird nicht beeinflußt, aber die Übertragung erfolgt gemäß der Strömungsgeschwindigkeit.
Wenn die Driftstrecke l oder der Driftwinkel θ, die Schallgeschwindigkeit C und die Übertragungszeit t in den Ausdrücken (7) und (8) exakt gemessen werden, kann die Strömungsgeschwindigkeit V gemessen werden. Dies löst die drei Probleme des Standes der Technik beim Messen der mittleren Strömungsgeschwindigkeit, um die Durchflußrate im Fluß zu berechnen, da der Ultraschallstrahl entlang der ausgewählten Querschnittslinie der Wasserströmung übertragen wird. Dies beseitigt die mit der Auswahl des Querschnitts S verbundene Unklarheit. Es besteht auch kein Problem bei der Verstärkung eines Empfangssignals unter Verwendung von kontinuierlichen Sinuswellen anstelle eines Ultraschallimpulses, selbst wenn eine Amplitude des Empfangssignals stark pulsiert. Es löst mit der schrägen Strömung verbundenen Probleme, da eine Strecke l oder ein Winkel θ auf der Basis einer Komponente in einem rechten Winkel zur Ultraschall-Übertragungsrichtung geändert wird, selbst wenn ein Winkel α, der den Querschnitt S zur Richtung der schrägen Strömungsgeschwindigkeit bildet, größer wird. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Ultraschall-Übertragungsrichtung entspricht, werden sowohl die Strecke l als auch der Winkel θ Null.
Wenn die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit einen Winkel von 90° ± α zur Ultraschall-Übertragungsrichtung bildet, wird die Strecke l folgendermaßen dargestellt:
Wobei V⟂ (= Vcosα) eine Komponente der Strömungsgeschwindigkeit in einem rechten Winkel zu einer Ultraschall-Übertragungsrichtung ist.
Wenn die Ultraschall-Übertragungsrichtung fast dem zum Messen der Durchflußrate ausgewählten Querschnitt S entspricht, dient folglich die Strömungsgeschwindigkeit V⟂ für die Berechnung der Durchflußrate. Es ist nur nicht bevorzugt, den Driftwinkel θ zu messen und dann V (= C . tanθ) durch den Ausdruck (8) zu erhalten, da tanθ gleich l/D ist. Beispielsweise ist es erwünscht, die Strömungsgeschwindigkeit durch den Ausdruck (7) ohne Messen der Strecke l und Berechnen des Werts von tanθ zu erhalten. Hierbei wird angemerkt, daß die Ultraschall-Driftstrecke l gemäß der Erfindung exakt gemessen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun ausführlich mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:
Fig. 1 ist eine Ansicht, die das Prinzip der Messung der Durchflußrate eines offenen Kanals gemäß dem Stand der Technik erläutert;
Fig. 2 ist eine Ansicht, die die Änderung der Querschnittsfläche eines offenen Kanals, wie z. B. eines Flusses, darstellt;
Fig. 3 ist eine Ansicht, die den Meßfehler einer Strömungsgeschwindigkeit infolge der schrägen Strömung darstellt;
Fig. 4A, 4B und 4C sind Ansichten, die die Dämpfung eines Ultraschallimpulses in Flüssigkeit darstellen;
Fig. 5 ist eine Ansicht, die die Übertragungsdrift eines Ultraschallstrahls auf der Basis der Strömungsgeschwindigkeit darstellt;
Fig. 6A und 6B sind Ansichten, die ein Verfahren zum Messen einer Ultraschall-Driftstrecke gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellen;
Fig. 7 ist ein Kurvenbild, das die Änderungskurven von gemäß der Erfindung empfangenen Signalen darstellt;
Fig. 8 ist eine Ansicht, die die Auswahl des Abstandsintervalls zwischen zwei Empfangswandlern gemäß der Erfindung darstellt;
Fig. 9A und 9B sind Ansichten, die die Auswahl des Abstandsintervalls zwischen zwei Empfangswandlern gemäß der Erfindung darstellen;
Fig. 10 ist eine Kurve, die ein Verfahren zum Messen der Ultraschall-Driftstrecke gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellt;
Fig. 11 und 12 sind Ansichten, die eine Vorrichtung darstellen, welche gemäß den Ausführungsformen der Erfindung konstruiert ist; und
Fig. 13 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zum Korrigieren und Testen des Meßfehlers der Ultraschall-Driftstrecke gemäß der Erfindung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Fig. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Messen einer Ultraschall-Driftstrecke. Ultraschall-Empfangswandler 3 1 und 3 2 sind als integriertes Paar von Wandlern aufgebaut, die in einem bestimmten Intervall L voneinander entfernt sind. Der Ultraschall-Sendewandler 1 ist mit einem Ultraschallschwinger 2 verbunden. Der Ultraschall- Sendewandler 1 überträgt kontinuierliche Ultraschallstrahlen in Wasser entlang eines freien Querschnitts S zur Messung der Durchflußrate. Wenn, mit Bezug auf Fig. 6A, die Richtcharakteristiken von Ultraschallstrahlen aus dem Ultraschall-Sendewandler 1 symmetrisch gebildet sind, die Richtungswinkel ausreichend klein sind und der Mittelpunkt der gepaarten Ultraschall- Empfangswandler 3 1 und 3 2 (L/2-Punkt) der Linie des freien Querschnitts S entspricht, und wenn die Strömungsgeschwindigkeit V Null ist, geben die gepaarten Ultraschall-Empfangswandler 3 1 und 3 2 Spannungssignale U31 und U32 aus, die einander gleich sind; beispielsweise ist U31 gleich U32. Diese Ausgangsspannungen werden in einen Differenzverstärker 4 eingegeben, um die Spannungsdifferenz dazwischen zu verstärken. Zu diesem Zeitpunkt gibt der Differenzverstärker 4 die Signalspannung ΔU von Null aus; ΔU = K(U32 - U31 = 0), wobei K ein Verstärkungsfaktor ist.
Wenn die Strömungsgeschwindigkeit V nicht Null ist, wird der Ultraschallstrahl um eine Strecke l abgetrieben; l = (V/C) . D. Die Ausgangsspannung U31 des Ultraschall- Empfangswandlers 3 1 wird kleiner als jene U32 des Ultraschall-Empfangswandlers 3 2; ΔU = K(U32 - U31) < 0. Wenn die gepaarten Ultraschall-Empfangswandler 3 1 und 3 2 zu diesem Zeitpunkt entlang der Richtung in einem rechten Winkel zum Querschnitt S, beispielsweise einer X-Richtung, bewegt werden, wird ΔU auf Null verringert. Wenn die gepaarten Ultraschall-Empfangswandler 3 1 und 3 2 kontinuierlich bewegt werden, wird ΔU zu einem negativen Wert umgewandelt; ΔU < 0. Hierbei wird angemerkt, daß der Punkt, an dem der Wert von ΔU Null wird, die zu messende Ultraschall-Driftstrecke l darstellt, wie in Fig. 6B gezeigt.
Fig. 7 zeigt Änderungskurven des Ausgangssignals ΔU des Differenzverstärkers 4; ΔU = K(U32 - U31). Wenn der Verstärkungsfaktor K des Differenzverstärkers 4 größer wird, nimmt die Kurvensteigung der Spannungsdifferenz ΔU zu. Daher ist es einfach, den Zeitpunkt, zu dem ΔU Null wird, exakt zu erfassen. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 4 wird beispielsweise an einen Vergleicher (nicht dargestellt) angelegt und dann betätigt das Ausgangssignal des Vergleichers eine monostabile Kippstufe (nicht dargestellt), um ein gegebenes Impulssignal zu erzeugen. Das gegebene Impulssignal ermöglicht, daß der Zeitpunkt, wenn die gepaarten Ultraschall-Empfangswandler 3 1 und 3 2 durch die Position gehen, in der ΔU Null wird, erfaßt wird.
Das Abstandsintervall L zwischen den gepaarten Ultraschall- Empfangswandlern 3 1 und 3 2 wird folgendermaßen ausgewählt:
Mit Bezug auf Fig. 8 wird ein Winkel β, der zwischen einem Punkt, an dem unter Verwendung der Richtcharakteristik des Ultraschall-Sendewandlers 1 ein Schalldruck maximal wird P/Pmax (= 1,0), und einem Punkt, der einem Schalldruck P1/Pmax entspricht, dessen Empfang die Ultraschall- Empfangswandler 3 1 und 3 2 ausgesetzt sind, gebildet wird, erhalten, und dann wird das Abstandsintervall L durch den folgenden Ausdruck berechnet:
Wenn beispielsweise der Schalldruck P1 so ausgewählt wird, daß er den Wert von 0,95 Pmax besitzt, und angenommen wird, daß der Winkel β einen Wert von 0,005° besitzt, weist L/D einen Wert von 0,000166 auf, was gleich 0 2 . 0,95 . tan0,05° ist. Wenn die Breiten eines Flusses jeweils 100 m, 500 m und 1000 m sind, sind folglich die Werte des Abstandsintervalls L jeweils 0,166 m, 0,83 m oder 1,66 m. Um das Abstandsintervall L zwischen den gepaarten Ultraschall-Empfangswandlern 3 1 und 3 2 zu verringern, ist es erwünscht, daß der Richtungswinkel des aus dem Sendewandler 1 ausgesandten Ultraschallstrahls kleiner wird. Es ist leicht, einen Richtungswinkel von 2°-3° zu gewährleisten. Wenn der Schalldruck P1/Pmax so ausgewählt wird, daß er einen größeren Wert besitzt, werden der Richtungswinkel β und das Abstandsintervall L ebenfalls kleiner. Dafür sollten der Verstärkungsfaktor K und die Intensität des Differenzverstärkers 4 erhöht werden.
Die minimalen und maximalen Bewegungsabstände Xmin und Xmax der gepaarten Ultraschall-Empfangswandler 3 1 und 3 2 werden folgendermaßen dargestellt:
Daher wird die Breite ΔX zwischen den Bewegungsabständen folgendermaßen dargestellt:
Wobei Vmax und Vmin die maximalen und minimalen Strömungsgeschwindigkeiten in einem Fluß sind, die eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit messen sollen, Cmax und Cmin maximale und minimale Ultraschall- Übertragungsgeschwindigkeiten in einem Fluß sind, D eine Breite eines Flusses ist und 1, 2 ein Koeffizient für die Weiterbewegung der gepaarten Ultraschall-Empfangswandler 3 1 und 3 2 ist, um den Zeitpunkt, zu dem ΔU Null wird, nachdem x gleich 1 ist, exakt zu erfassen.
Wenn ein Beispiel für die Berechnung einer Breite ΔX, eines Bewegungsabstandes der gepaarten Ultraschall- Empfangswandler 3 1 und 3 2, gegeben wird, und wenn Vmin 0,5 m/s ist, Vmax 3 m/s ist, und für den Fall, daß die Wassertemperatur des Flusses etwa 26°C beträgt, Cmax 1500 m/s ist, und für den Fall, daß die Wassertemperatur des Flusses etwa 0°C beträgt, Cmin 1423 m/s ist, wird ΔX/D folgendermaßen berechnet:
Wenn die Breiten des Flusses D jeweils 100 m und 500 m sind, wird ΔX 0,178 m bzw. 0,89 m.
Um die Vorteile beim Messen einer Ultraschall-Driftstrecke l gemäß der Erfindung zu erläutern, ist ein weiteres Verfahren zum Messen der Strecke l in Fig. 9A und 9B dargestellt.
Mit Bezug auf Fig. 9A ist eine Anzahl von Empfangswandlern in dem Intervall zwischen den Abständen lmin und lmax in Form einer vorbestimmten Mosaikstruktur angeordnet, die der Reihe nach mit einem Ende einer Anzahl von Differenzverstärkern elektrisch verbunden sind. Die Differenzverstärker sind an ihren anderen Enden mit einem Ultraschall-Empfangswandler 3 1 verbunden. Wenn der maximale Schalldruck des Ultraschallstrahls an den Empfangswandler 3 i angelegt wird, dann wird die Ausgangsspannungsdifferenz zwischen den Ultraschall-Empfangswandlern 3 1 und 3 i aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit maximiert. Wenn das Intervall zwischen den Abständen lmin und lmax in 100 aufgeteilt wird und die Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen Vmin und Vmax durch eine Vorrichtung wie z. B. ein Potentiometer mit einer Auflösung von einem Hundertstel gemessen wird, ist ein Modul erforderlich, das aus 100 Ultraschall-Empfangswandlern in Mosaikform aufgebaut ist. Wenn die Spannungsdifferenz ΔV 2,5 m/s ist; Vmax - Vmin = 3 - 0,5 = 2,5 ist, wird die Strömungsgeschwindigkeit mit einer Auflösung von 0,025 m/s (= 2,5/100) gemessen. In diesem Fall wird der minimale Meßfehler der Strömungsgeschwindigkeit folgendermaßen dargestellt:
Der Meßfehler ist ein verhältnismäßig größerer Wert.
Dem Verfahren sollte ein Mosaikmodul folgen, das Hunderte von Empfangswandlern in dem Intervall zwischen den Abständen lmin und lmax enthält, um das Abstandsintervall l exakt zu messen. Somit sollte der Empfangswandler 3 i in seiner Größe kleiner werden. Die Empfangsspannung kann auch unterhalb eines Rauschpegels gesenkt werden. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird komplex.
Mit Bezug auf Fig. 9B wird ein weiteres Verfahren zum Messen des Abstands l dargestellt. Das Verfahren besteht darin, die Position zu erfassen, in der die Ausgangsspannungsdifferenz ΔU zwischen den gepaarten Ultraschall-Empfangswandlern 3 1 und 3 2 maximiert wird, unter der Bedingung, daß ein Empfangswandler 3 1 an einer gegebenen Stelle ortsfest ist und ein Empfangswandler 3 2 bewegt wird.
Hierbei ist es bekannt, daß diese Verfahren zur Messung des Abstands l durch Erfassen der bei der maximalen Spannungsdifferenz ΔU zwischen den gepaarten Ultraschall- Empfangswandlern indizierten Position dienen.
Mit Bezug auf Fig. 10A zeigt eine treppenförmige Kurve die Ausgangssignalspannungen von einer Vielzahl von Ultraschall-Empfangswandlern in Form einer Mosaikstruktur.
Die Kurve könnte aufgrund ihres nicht entwickelten obersten Punkts den größeren Fehler bei der Erfassung des Zeitpunkts, zu dem die Spannungsdifferenz ΔU maximiert wird, verursachen. Die Änderungskurve der Spannungsdifferenz ΔU ist dieselbe wie die Richtcharakteristik des Sendewandlers.
Wenn die minimale Strömungsgeschwindigkeit 0,5 m/s ist, die Breite D des Flusses 100 m ist und die Schallgeschwindigkeit, ist der Abstand l 33,3 mm. Wenn der Abstand l innerhalb eines Fehlerbereichs von 1% gemessen werden soll, ist der zulässige Fehlerabstand ±Δl 0,33 mm.
Mit Bezug auf Fig. 10B bildet ein Punkt (a), der in einem zulässigen Fehlerabstand Δl von 0,33 mm von der Position entfernt ist, wo der maximale Druck Pmax auf der Basis der Ultraschallübertragungs-Richtcharakteristiken auf einem Maximum liegt, einen Winkel β bezüglich der Ultraschallsendeposition; beispielsweise ist β gleich tan (0,33 m/D). Wenn eine Flußbreite D 100 m ist, ist der Winkel β 0,00019°. Selbst wenn der Richtungswinkel des Ultraschall-Sendewandlers 1 als verhältnismäßig spitzerer von 2°-3° gewährleistet ist, ist es folglich nicht möglich, die Position zu erfassen, die den maximalen Schalldruck darstellt.
Nur wenn der Empfangswandler 3 2 (in Fig. 9B gezeigt) in eine Bewegung mit einer hohen Geschwindigkeit gebracht wird, wird das Kurvenänderungsverhältnis der Spannungsdifferenzfunktion ΔU(t) stark erhöht, so daß es integriert werden kann. Zu diesem Zeitpunkt könnte ein Maximalwert des Schalldrucks Pmax geringfügig erfaßt werden, aber eine Vorrichtung zum Bewegen des Empfangswandlers 3 2 wäre kompliziert.
Wenn, wie vorstehend beschrieben, die aus den Empfangswandlern 3 1 und 3 2 ausgegebene Spannungsdifferenzänderung nicht integriert wird und ein Empfangswandler vom Mosaiktyp verwendet wird, und wenn der Dämpfungsfaktor während der Übertragung des Ultraschallstrahls pulsiert, ist es nicht möglich, den Moment zu erfassen, in dem der Schalldruck maximiert wird. Während die Ausgangsspannungsverhältnisse der Empfangswandler gemessen werden, sollte in diesem Fall der Zeitpunkt, zu dem das gemessene Spannungsverhältnis maximiert ist, erfaßt werden, aber es tritt ein größerer Fehler bei der Erfassung des Moments, in dem das Änderungsverhältnis maximiert ist, auf, da der Ausgangsspannungs-Änderungsverhältnisbereich sehr klein ist.
Im Gegensatz dazu bestehen gemäß der Erfindung, selbst wenn die Intensität des Ultraschallstrahls an der Empfangsposition schwankt, keine Probleme bei der Erfassung des Moments, in dem die Spannungsdifferenz ΔU Null wird. Auch die Bewegungsgeschwindigkeit der Empfangswandler 3 1 und 3 2 ist irrelevant. Das Einstellen des Abstands L zwischen den Empfangswandlern 3 1 und 3 2 kann die an die Differenzverstärker anzulegende größere Spannungsdifferenz sicherstellen. Ferner ist eine Vorrichtung zum Erfassen des Moments, in dem die Spannungsdifferenz ΔU Null wird, sehr einfach. Daher kann die Erfindung die Ultraschall- Driftstrecke l exakt messen.
Um die Ultraschall-Driftstrecke l zu messen und dann eine horizontale mittlere Strömungsgeschwindigkeit V zu berechnen, sollten die Breite D eines Flusses und eine Ultraschall-Übertragungszeit t oder eine Schallgeschwindigkeit C in einem Fluß folgendermaßen gemessen werden:
Hierbei sind Verfahren zum Messen der Ultraschall- Übertragungszeit t und der Schallgeschwindigkeit C gut bekannt und auf ihre ausführliche Erläuterung wird verzichtet, da sie nicht in der technischen Idee der Erfindung enthalten sind. Dann sollte ein Signal erforderlich sein, das die Operation eines Ultraschallwandlers 1 zum Ultraschall-Sendezeitpunkt darstellt, um die Ultraschall-Übertragungszeit t zu messen. Mit andere Worten, eine Seite des Ultraschall-Sendewandlers 1 sollte das Ultraschall-Sendesignal zur anderen Seite des Ultraschall-Empfangswandlers im Fluß übertragen. Eine Übertragungsvorrichtung mit oder ohne Draht ist als Übertragungsmittel verwendbar.
Es gibt auch ein gut bekanntes Verfahren zum Messen der Schallgeschwindigkeit C anstatt der Ultraschall- Übertragungszeit t. Beispielsweise werden zwei Empfangswandler in Richtung der Ultraschall- Übertragungsrichtung so angeordnet, daß sie um einen Abstand d voneinander entfernt sind. Als nächstes empfangen die Empfangswandler Ultraschallstrahlen, die vom Sendewandler der Reihe nach ausgesandt werden, die Ultraschall-Übertragungszeit t wird gemessen und die Schallgeschwindigkeit C wird berechnet; C ist gleich d/t. Die Schallgeschwindigkeit C ist eine Eins im Abstand d. Und dann ist eine zu messende Schallgeschwindigkeit eine Schallgeschwindigkeit CD im Intervall D. Unter der Bedingung, daß C nicht gleich CD ist, ergibt sich der Meßfehler von CD zu δC [= (C - CD)/CD].
Unter derselben Bedingung ändert sich die Schallgeschwindigkeit C gemäß einer Wassertemperatur:
C ≈ 1557 - 0,0244 (74 - T)2
≈ 1557 [1 - 1,57 . 10-5 (74 - T)2]
Wobei T eine mittlere Temperatur des Wassers in dem zur Übertragung des Ultraschallstrahls gewählten Intervall ist. Daher ist der Meßfehler von CD folgendermaßen:
Wenn beispielsweise die mittlere Temperatur TD im Intervall D 24°C beträgt und die Wassertemperatur Td im Intervall d nahe dem Rand des Flusses 25°C beträgt, ist der Meßfehler δC 0,0162%. Die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der mittleren Temperatur TD in der Flußbreite D und der Temperatur Td nahe dem Flußrand ändert sich mit den Jahreszeiten, übersteigt aber nicht 2°C.
Wenn die horizontale mittlere Strömungsgeschwindigkeit in einer Vielzahl von Wassertiefen gemessen wird, um die Durchflußrate zu messen, sollte die Messung der Wassertiefe dazugehören. Eine Technologie zum Messen der Wassertiefe unter Verwendung eines Ultraschallstrahls ist gut bekannt. Unter der Bedingung, daß die Wassertiefe gemessen werden kann, kann die Schallgeschwindigkeit C exakt gemessen werden. Die gemessene Schallgeschwindigkeit ist nur eine Schallgeschwindigkeit Ch in einer Vielzahl von Wassertiefen, die nicht einer Schallgeschwindigkeit CDi in einer Vielzahl von horizontalen Intervallen entspricht. Wenn die Wassertiefe im Sommer verhältnismäßig tiefer ist, ist die horizontale mittlere Schallgeschwindigkeit CD auf einer Wasseroberfläche etwas größer als diejenige Ch unter Wasser. Im Gegensatz dazu ist die horizontale mittlere Ultraschall-Übertragungsgeschwindigkeit CD etwas geringer als diejenige Ch. Hierbei wird angemerkt, daß der Meßfehler der Strömungsgeschwindigkeit auf der Wasseroberfläche positiv wird und der Meßfehler der Strömungsgeschwindigkeit unter Wasser negativ wird. Daher wird ein Fehler, der sich auf das Berechnungsergebnis der Durchflußrate auswirkt, verringert.
Eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Messen einer Ultraschall-Driftstrecke l und zum Berechnen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit ist folgendermaßen:
Mit Bezug auf Fig. 11 ist die Vorrichtung zum Messen der Ultraschall-Driftstrecke für die horizontale mittlere Strömungsgeschwindigkeit dargestellt. Ein Differenzverstärker 4 empfängt Ausgangsspannungssignale von gepaarten Empfangswandlern (3 1)i und (3 2)i. Ein Vergleicher 5 erzeugt ein Impulssignal, um eine monostabile Kippstufe oder eine stabile Kippschaltung 6 zu betätigen, wenn die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 4 Null wird. Die gepaarten Empfangswandler (3 1)i und (3 2)i sind auf einer Zahnstange 14 so montiert, daß sie um einen Abstand L voneinander entfernt sind. Die Zahnstange 14 wird gemäß der Drehrichtung eines Ritzels 12 nach links und nach rechts bewegt. Eine Welle 13 des Ritzels 12 ist drehbar mit einem Getriebe 9 zum Verringern der Drehzahl eines Elektromotors gekoppelt. Der Elektromotor 10 ist wiederum mit einem Zähler 11 zum Erfassen von dessen Drehzahl und einem ersten Zeitgeber 16 und einem ersten Stromversorgungsschalter 17 verbunden, um dessen Ein-Aus-Operation zu steuern. Ein Multiplexer 7 empfängt das Impulssignal aus dem Vergleicher 6 und das Zählsignal aus dem Zähler 11, um ein Datensignal zu erzeugen, das dem Bewegungsabstand l der Zahnstange 14 entspricht. Eine erste Arithmetik-Logik- Verarbeitungseinheit 8 speichert einen horizontalen Abstand Di (= konst.), der vorher in einen Speicher eingegeben wurde, und empfängt das Datensignal aus dem Multiplexer 7 und ein Datensignal einer Schallgeschwindigkeit C von einer gut bekannten Schallgeschwindigkeits-Meßvorrichtung (nicht dargestellt), um die Strömungsgeschwindigkeit V zu berechnen; V ist gleich l . C/D. Eine zweite Arithmetik- Logik-Verarbeitungseinheit 15 empfängt das Datensignal aus der Arithmetik-Logik-Verarbeitungseinheit 8, um die Durchflußrate eines Flusses zu berechnen. Ein Gehäuse enthält darin montiert das Ritzel und die Zahnstange. Das Ritzel und die Zahnstange bestehen aus einem Material, wie z. B. Polyurethan, das ohne Verwendung von Schmiermitteln arbeitet.
Mit Bezug auf Fig. 12A und 12B sind Ultraschall- Sendewandler 1i mit einem Oszillator 2i zum Erzeugen von Ultraschall-Sinuswellen-Schwingungssignalen elektrisch verbunden, wobei die Ultraschall-Sendewandler 1i einer Schwingung mit voneinander verschiedenen Ultraschallfrequenzen unterworfen sind, um die Ultraschallstrahlen gleichzeitig zu erzeugen; beispielsweise f1 ≠ f2 ≠ . . . ≠ fn. Der Oszillator 2i ist wiederum mit einem zweiten Zeitgeber 18 und einem zweiten Stromversorgungsschalter 19 verbunden, um dessen Ein-Aus- Operation zu steuern. Mit anderen Worten, der zweite Zeitgeber 19 legt an den zweiten Stromversorgungsschalter 18 pro gegebener Durchflußraten-Meßzeit, beispielsweise einer Stunde, ein Signal an. Der erste Zeitgeber 16, der auf der Empfangsseite montiert ist, wird mit dem zweiten Zeitgeber 18 auf der Sendeseite synchronisiert.
Andererseits ist, wie in Fig. 11 gezeigt, eine Vorrichtung mit dem Ritzel 12 und der Zahnstange 14 zum Bewegen der gepaarten Empfangswandler (3 1)i und (3 2)i um die Hälfte des Abstands L gegen die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit von einem Durchflußraten-Meßquerschnitt S entfernt angeordnet. In dem Zustand, daß die Strömungsgeschwindigkeit nicht gemessen wird, entspricht der Mittelpunkt L/2 zwischen den gepaarten Empfangswandlern (3 1)i und (3 2)i dem Durchflußraten-Meßquerschnitt S.
Die Vorrichtung zur. Messung der Strömungsgeschwindigkeit wird folgendermaßen betrieben:
Bei der Durchflußraten-Messung werden der erste und der zweite Zeitgeber 16 und 18 betätigt, um die Stromversorgungsschalter 17 und 19 einzuschalten. Zu diesem Zeitpunkt betätigen die Stromversorgungsschalter 16 und 18 die Sendewandler 1i, um einen Ultraschallstrahl von kontinuierlichen Sinuswellen zu den gepaarten Empfangswandlern (3 1)i und (3 2)i auszusenden. Dabei empfangen die gepaarten Empfangswandler (3 1)i und (3 2)i den ausgesandten kontinuierlichen Ultraschallstrahl. Gleichzeitig wird der Elektromotor 10 betätigt, um die Ritzel 12 zu drehen sowie die Zahnstangen 14 in Richtung der Strömungsgeschwindigkeitsrichtung zu bewegen. Gleichzeitig werden die gepaarten Empfangswandler (3 1)i und (3 2)i, die an den Zahnstangen 14 befestigt sind, in dieselbe Richtung wie jene der Zahnstange 14 bewegt. Während ihrer Bewegung werden die Ausgangsspannungen der gepaarten Empfangswandler (3 1)i und (3 2)i einander gleich. Wenn die Ausgangsspannung ΔU Null wird, erzeugt die monostabile Kippstufe 6 einen Signalimpuls, um ihn an den Multiplexer 7 anzulegen. Während der Elektromotor 10 gedreht wird, zählt andererseits der Zähler 11 die Drehzahl des Elektromotors 10, um einen Signalimpuls entsprechend dem Bewegungsabstand der Zahnstange 14 zu erzeugen. Wenn der Multiplexer 7 den Signalimpuls von der monostabilen Kippstufe 6 empfängt, legt er den Signalimpuls an die erste Arithmetik-Logik-Verarbeitungseinheit 8 an, wobei der Signalimpuls dem Driftstreckenintervall l gemäß dem Driftstrecken-Meßverfahren der Erfindung entspricht.
Die erste Arithmetik-Logik-Verarbeitungseinheit 8 speichert den horizontalen Abstand Di in einer Vielzahl von vorher festgelegten Wassertiefen und empfängt Datensignale der Wassertiefen und die Schallgeschwindigkeit C von der Schallgeschwindigkeits-Meßvorrichtung (nicht dargestellt). Die erste Arithmetik-Logik-Verarbeitungseinheit 8 berechnet die horizontale mittlere Strömungsgeschwindigkeit Vi, um das berechnete Ergebnis an die zweite Arithmetik-Logik- Verarbeitungseinheit 15 auszugeben; Vi ist gleich (li . C)/Di. Nach Beendung der Messung der Ultraschall- Driftstrecke li in einer Vielzahl von Wassertiefen wird der Elektromotor 8 gestoppt und dann umgekehrt gedreht, um die gepaarten Empfangswandler (3 1)i und (3 2)i in die ursprüngliche Position zurückzubringen, wobei ein Steuerteil des Elektromotors 8 in Fig. 11 nicht dargestellt ist und seine Erläuterung weggelassen wird, da er auf dem Gebiet des Standes der Technik gut bekannt ist.
Von der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung in einem Fluß wird angenommen, daß die geringste Geschwindigkeit unter Wasser und die höchste Geschwindigkeit auf der Wasseroberfläche gebildet werden. Somit ist das Abstandsintervall l gleich lmin in der geringsten Tiefe unter Wasser, so daß ein Signal, das den Zeitpunkt darstellt, zu dem die Spannungsdifferenz ΔU Null wird, zum frühesten Zeitpunkt erzeugt wird. Wenn das Abstandsintervall l gemäß der sinkenden Wassertiefe schrittweise erhöht wird, entspricht die Position, in der die Ausgangssignalspannungen der gepaarten Empfangswandler (3 1)i und (3 2)i, die am nächsten zur Wasseroberfläche angeordnet sind, einander gleich sind, dem maximalen Driftstreckenintervall lmax, so daß ein Signal, das den Zeitpunkt darstellt, zu dem die Spannungsdifferenz ΔU Null wird, zum spätesten Endzeitpunkt erzeugt wird.
Eine Durchflußraten-Meßzeit hängt von der Bewegungsgeschwindigkeit der Zahnstange 14 ab. Es besteht kein Zweifel darüber, ob die Vorrichtung das Driftstreckenintervall l exakt messen kann. Mit anderen Worten, die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 10, das Änderungsverhältnis des Getriebes 9, der Bewegungsabstand der Zahnstange 14 pro Umdrehung des Ritzels 12, die Drehzahl des Elektromotors 10, die Auflösung der Messung der Spannungsdifferenz usw. werden zweckmäßig ausgewählt, um den zulässigen Fehler der Messung des Driftstreckenintervalls l zu steuern.
Gemäß der Erfindung kann ein Verfahren zum Messen eines Ultraschall-Driftstreckenintervalls und dann einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Gegensatz zum Stand der Technik leicht durchgeführt werden und die Durchflußrate eines Flusses exakt messen.
Ferner ist es sehr wichtig, eine Vorrichtung zum Messen eines Ultraschall-Driftstreckenintervalls und dann einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit zu korrigieren und zu testen. Ein Verfahren zum Korrigieren und Testen der Vorrichtung ist in Fig. 13 dargestellt.
Ein Wassertank 21 enthält einen Sendewandler 1 und gepaarte Empfangswandler 3 1 bzw. 3 2, die beweglich auf Mikrometer- Schraubenspindeln 22 montiert sind, wobei die Mikrometer- Schraubenspindeln 22 auf beiden Endteilen des Wassertanks 21 montiert sind. Wenn die gepaarten Empfangswandler 3 1 und 3 2 nach links und nach rechts bewegt werden, wird die Position in einem Moment, in dem eine monostabile Kippstufe 6 einen Signalimpuls erzeugt, gemessen. Wenn die Ultraschall-Richtcharakteristik des Sendewandlers 1 symmetrisch ist, kreuzt eine Linie, die in einem rechten Winkel bezüglich des Abstandsintervalls D zwischen den gepaarten Empfangswandlern 3 1 und 3 2 vom Sendewandler 1 gebildet ist, den Punkt in der Hälfte l/2 des Abstandsintervalls D. Wenn die Ultraschall- Richtcharakteristik des Sendewandlers 1 nicht symmetrisch ist, kreuzt die Linie einen anderen Punkt zwischen den gepaarten Empfangswandlern 3 1 und 3 2, wobei der Kreuzungspunkt ein Punkt ist, der einen zum Messen der Durchflußrate ausgewählten freien Querschnitt S kreuzt.
Als nächstes wird der Sendewandler 1 um den zulässigen Fehlerabstand Δl der Ultraschall-Driftstrecke l (beispielsweise 0,25 mm) unter Verwendung der Mikrometerschraube 23 bewegt. Wenn die gepaarten Empfangswandler 3 1 und 3 2 bewegt werden, gehen sie durch den Punkt, der dem zulässigen Fehlerabstand Δl entspricht. Zu diesem Zeitpunkt wird festgestellt, ob die monostabile Kippstufe 6 den Signalimpuls an dem Punkt, der durch den zulässigen Fehlerabstand Δl geht, erzeugt. Wenn die monostabile Kippstufe 6 den Signalimpuls nicht erzeugt, liegt dies daran, daß der Verstärkungsfaktor K des Differenzverstärkers 4 verhältnismäßig kleiner ist oder daß der Ultraschall-Richtungswinkel des Sendewandlers 1 verhältnismäßig größer ist. Wenn der Verstärkungsfaktor K des Differenzverstärkers 4 erhöht wird und wenn die monostabile Kippstufe 6 keinen Signalimpuls erzeugt, wird folglich das Abstandsintervall D zwischen den gepaarten Empfangswandlern 3 1 und 3 2 eingestellt, um die monostabile Kippstufe 6 den Signalimpuls an dem Punkt erzeugen zu lassen, der durch den zulässigen Fehlerabstand Δl geht. Dann wird der Sendewandler 1 durch Intervalle bewegt, die das Abstandsintervall zwischen den minimalen und maximalen Abstandsintervallen lmin und lmax in mehrere aufteilen. Gleichzeitig werden die gepaarten Empfangswandler 3 1 und 3 2 bewegt. Während dieser Operation wird festgestellt, ob die Position in einem Moment, in dem die monostabile Kippstufe 6 den Signalimpuls erzeugt, der Bewegungsposition des Sendewandlers 1 entspricht. Und dann wird der zulässige Fehler des Driftstreckenintervalls l überprüft. Der Wassertank 21 ist ausreichend, wenn seine Länge 5 m beträgt.
Folglich besitzt die Erfindung den großen Vorteil, daß das Ultraschall-Driftstreckenintervall l einfach getestet und korrigiert wird. Mit anderen Worten, das Ultraschall- Driftstreckenintervall l ist gleich der Strecke, um die der Sendewandler 1 mit der Strömungsgeschwindigkeit V für eine Zeit t bewegt wird, in der der Ultraschallstrahl in einem Fluß mit der Breite D übertragen wird; t ist gleich D/C. Daher kann, nachdem der Sendewandler 1 zum Abstandsintervall l im Wassertank bewegt wird, der Test zum Korrigieren des zulässigen Fehlers des Driftstreckenintervalls während der Bewegung der gepaarten Empfangswandler 3 1 und 3 2 durchgeführt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Messen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit in einer Vielzahl von Tiefen unter Verwendung eines Ultraschallstrahls, um eine Durchflußrate in einem größeren Fluß zu berechnen, umfassend die folgenden Schritte:
Auswählen eines freien Querschnitts S zum Messen der Durchflußrate, der in einem rechten Winkel zur Strömungsrichtung des Wassers liegt;
Befestigen eines Ultraschall-Sendewandlers in einer gegebenen Tiefe entlang eines Randes des Flusses, um Ultraschallstrahlen in Richtung des anderen Randes auszusenden;
Befestigen von gepaarten Ultraschall-Empfangswandlern auf einer Linie, die in einem rechten Winkel zum freien Querschnitt S gebildet ist, so daß sie in einem Abstandsintervall L voneinander entfernt sind, in einer Vielzahl von Tiefen entlang des anderen Randes des Flusses;
Bewegen der gepaarten Ultraschall-Empfangswandler in derselben Richtung wie jener der Strömungsgeschwindigkeit in Bezug auf den Mittelpunkt, in dem der Querschnitt S gekreuzt wird;
Erfassen des Punkts, an dem die Ausgangsspannungen der gepaarten Ultraschall-Empfangswandler einander gleich sind;
Messen eines Ultraschall-Driftstreckenintervalls l zwischen dem erfaßten Punkt und dem Mittelpunkt; und
Messen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit V als folgende Ausdrücke:
wobei t eine Ultraschall-Übertragungszeit beim Lauf über einen Abstand D zwischen dem Mittelpunkt und dem Sendewandler ist und C eine Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeit zum Zeitpunkt der Messung der Strömungsgeschwindigkeit ist.
2. Verfahren zum Messen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit nach Anspruch 1, wobei: das Abstandsintervall L zwischen den gepaarten Ultraschall-Empfangswandlern folgendermaßen berechnet wird:
wobei Pmax ein maximaler Schalldruck der Richtcharakteristik des Sendewandlers ist, P1 ein Schalldruck ist, den die Empfangswandler empfangen sollen, und β ein Winkel zwischen den Linien ist, die den Mittelpunkt mit P1 und Pmax verbinden.
3. Verfahren zum Messen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit nach Anspruch 1, wobei:
der Schritt der Erfassung des Punkts, an dem die Ausgangsspannungen der gepaarten Ultraschall- Empfangswandler einander gleich sind, die weiteren Schritte des Anlegens der Ausgangsspannungen der gepaarten Ultraschall-Empfangswandler an Differenzverstärker, um sie zu verstärken, des Erfassens des Moments, in dem die Spannungsdifferenz ΔU zwischen den Differenzverstärkern Null wird, und des Erfassens der Position, in der die Ausgangsspannungen der gepaarten Ultraschall- Empfangswandler einander gleich sind, umfaßt.
4. Verfahren zum Messen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit nach Anspruch 1 oder 3, wobei:
der Schritt der Messung des Ultraschall- Driftstreckenintervalls l die weiteren Schritte der Befestigung des Sendewandlers und der in einem Abstand L voneinander entfernten, gepaarten Empfangswandler in einem Wassertank, der Bewegung des Sendewandlers parallel zur Linie L durch Intervalle, die in einige aufgeteilt sind, von der Anfangsposition, und des Vergleichens des Bewegungsabstands mit dem Intervall Eins, der durch die gepaarten Empfangswandler gemessen wird, um den Moment, in dem die Spannungsdifferenz ΔU Null wird, oder den Abstand L zu erfassen, umfaßt.
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