DE19933473B4

DE19933473B4 - Verfahren zum Messen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines Flusses

Info

Publication number: DE19933473B4
Application number: DE19933473A
Authority: DE
Inventors: Hak Soo Chang
Original assignee: Chang Min TECH Co Ltd Sungnam; Chang Min Tech Co; Chang Min Tech Co Ltd
Current assignee: Chang Min TECH Co Ltd Sungnam; Chang Min Tech Co; Chang Min Tech Co Ltd
Priority date: 1998-06-10
Filing date: 1999-07-16
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2019-07-17
Also published as: CA2277626A1; KR20000001368A; CN1120988C; RU2194949C2; CN1281149A; US5952583A; DE19933473A1; KR100293842B1

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

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.
Bei einem herkömmlichen Verfahren wird die Durchflussrate eines offenen Kanals folgendermaßen berechnet:
Wie in 1 dargestellt, sind eine Vielzahl von paarweise angeordneten 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 T_AB und T_BA 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 (= t_BA – t_AB) 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 der allgemeine Ausdruck für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit erhalten:
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 ein Rohr oder einen offenen Kanal ist bei Verwendung des Ultraschall-Übertragungszeitdifferenz-Verfahrens abhängig von der Messung der Strömungsgeschwindigkeit. Zusätzlich zum Übertragungszeitdifferenz-Verfahren gibt es Frequenz- und Phasendifferenz-Verfahren, um die Durchflussrate zu messen, sie beruhen jedoch auf der Ultraschall-Übertragungszeit. Die Anordnung der Ultraschallwandler ist wie in 1.
Wenn dann ein Fluss sehr breit ist, verursachen frühere Technologien zum Messen einer horizontalen mittleren Geschwindigkeit einige Probleme, wie folgt:
Erstens, wenn die Durchflussrate des Flusses aus 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. Alle Teildurchflussraten werden dann aufsummiert:
Es entspricht dem im Modell UF-2000 CO verwendeten Durchflussraten-Berechnungsverfahren.
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 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 in Abhängigkeit der Form des Flusskanals unterschiedlich. Die durch die Ultraschallwelle gemessene Strömungsgeschwindigkeit ist eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit, aber anhand der mittleren Strömungsgeschwindigkeit kann nicht festgestellt werden, zu welchem Querschnitt sie gehört. Dazu wird ein 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 beträchtlichen Wirbel-(Rotations-)-Komponenten vorhanden.
Wie in 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 die durch den Ausdruck (2) berechnete Strömungsgeschwindigkeit die Strömungsgeschwindigkeit V_⊥. Wenn jedoch die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit einen Winkel φ + α zur Linie L aufweist, wird durch den Winkel α ein Fehler bei der Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit verursacht. Aus 3 wird ein korrigierter Ausdruck bereitgestellt und die Strömungsgeschwindigkeit folgendermaßen berechnet:
Wenn jedoch der Winkel α der schrägen Strömung unbekannt ist, 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 gleich 45° ist, dann 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_⊥ 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 beim Einsatz der Ultraschallwelle auf. Der Ultraschallimpuls wird aufgrund seiner hohen Oberwellenanteile stark gedämpft. Es ist nicht nur schwierig, die ausreichende Empfangsstärke zu gewährleisten, wenn die Linie L sehr lang ist, sondern es kann auch ein großer Messfehler bei der Übertragungszeit-Bestimmung verursacht werden.
Wie in 4A, 4B und 4C gezeigt, werden Ultraschallimpulse während ihrer Übertragung auf zwei Arten verändert. Im Allgemeinen wird sehr häufig der Stoßimpuls verwendet (4B). Der Ultraschallimpuls wird gemäß der Konzentrationsänderung der schwimmenden Teilchen oder der Strömungsgeschwindigkeit der Wirbelkomponente in einem größeren Ausmaß absorbiert. Dies verursacht, dass die Amplitude des Empfangssignals stark pulsiert. Wenn der Empfangszeitpunkt des Ultraschallimpulses erfasst wird, tritt deshalb der Messfehler der Ultraschall-Übertragungszeit in Höhe von ein oder zwei Perioden der Ultraschallfrequenz auf. Es ist nicht möglich, die Frequenz des Ultraschallimpulses im Fluss zur Abhilfe zu erhöhen, um den Messfehler der Ultraschall-Übertragungszeit zu verringern. Je höher die Frequenz ist, desto stärker tritt die Absorptionsdämpfung auf. Ferner wird der Verlust aufgrund der schwimmenden Teilchen größer. Somit ist es vorzuziehen, die Frequenz zu verringern. Wenn aber die Frequenz verringert wird, wird die Intensität des Ultraschallimpulses gesenkt, so dass die Hohlraumbildungsphänomene (Kavitation) verursacht werden. Dies bedeutet, dass es nicht möglich ist, den Ultraschallimpuls oberhalb einer bestimmten Intensität im Fluss zu übertragen. Folglich ist die für das Übertragungszeitdifferenz-Verfahren geeignete Flussbreite sehr begrenzt.
Aufgrund dieser drei großen Probleme macht es der Stand der Technik schwierig, die Durchflussrate bei einem Fluss mit einer großen Breite genau zu messen. Wenn der Stand der Technik zum Messen der Durchflussrate des Flusses mit einer beträchtlichen Breite angewendet wird, tritt ein hoher Messfehler auf.

Aus der US 4,726,235 ist ein Ultraschallmesssystem zur Messung der Gasgeschwindigkeit bzw. der Gasdurchflussrate in einem Rohr bekannt. Das System umfasst ein sich an der Rohrwand gegenüberliegendes Ultraschallwandlerpaar, bei dem der empfangende Wandler in Strömungsrichtung entlang der Rohrwand verfahrbar ist. Durch Verschieben des empfangenden Wandlers wird die Drift des übertragenen Ultraschalls in Strömungsrichtung erfasst und die Driftstrecke wird bei der Berechung der Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit berücksichtigt.

Auch beim Messsystem der DE-OS 2 160 920 wird die Drift des Ultraschalls bei der Übertragung durch ein Gasdurchströmtes Rohr gemessen. Dabei sind in Strömungsrichtung entlang der Rohrwand mehrere Empfangswandler hintereinander angeordnet. Die Drift ergibt sich dabei aus der Signalstärke der hintereinander liegenden Wandler. Weiterhin ist vorgesehen, über den Rohrquerschnitt mehrere gegenüberliegende Wandlerpaare vorzusehen, die eine Messung jeweils entlang einer Sehne des kreisförmigen Rohrquerschnitts ermöglichen.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Messen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit mit Ultraschall bereitzustellen, bei dem die Durchflussrate eines Flusses mit großer Breite genau berechenbar ist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in Anspruch 2 angegeben.

Wie in 5 gezeigt, wird ein Ultraschallstrahl in Flüssigkeit von einem stationären Punkt O zu einem stationären 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 der 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.

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. Daraus folgt nicht, dass der Ultraschall-Driftwinkel θ die Änderung einer Ultraschall-Übertragungsrichtung ist. Die Übertragungsrichtung wird nicht beeinflusst, aber die Übertragung folgt der Strömungsgeschwindigkeit.

Wenn die Driftstrecke loder der Driftwinkel θ, die Schallgeschwindigkeit C und die Übertragungszeit t für die Ausdrücke (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 loder 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 lfolgendermaßen berechnet:

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 (= Ctanθ) durch den Ausdruck (8) zu erhalten, da tanθ gleich 1/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.

Die Erfindung wird nun ausführlich mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine Anordnung zur Messung der Durchflussrate eines offenen Kanals gemäß dem Stand der Technik;
2 die Änderung der Querschnittsfläche eines offenen Kanals, wie z.B. eines Flusses;
3 ist eine Darstellung des Messfehlers einer Strömungsgeschwindigkeit infolge der schrägen Strömung;
4A, 4B und 4C die Dämpfung eines Ultraschallimpulses in Flüssigkeit;
5 die Übertragungsdrift eines Ultraschallstrahls auf der Basis der Strömungsgeschwindigkeit;
6A und 6B Anordnungen zum Messen einer Ultraschall-Driftstrecke gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
7 ein Kurvenbild, das die Änderungskurven von gemäß der Erfindung empfangenen Signalen darstellt;
8 ein Abstandsintervall zwischen zwei Empfangswandlern gemäß der Erfindung;
9A und 9B Abstandsintervalle zwischen zwei Empfangswandlern gemäß der Erfindung;
10 eine Kurve zur Erläuterung des Mess-Verfahren;
11 und 12 Vorrichtungen gemäß den Ausführungsformen der Erfindung; und
13 eine Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum Korrigieren und Testen des Messfehlers der Ultraschall-Driftstrecke gemäß der Erfindung.
6 zeigt eine Messanordnung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen einer Ultraschall-Driftstrecke. Ultraschall-Empfangswandler 3₁ und 3₂ 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. Zur Messung der Durchflussrate in Wasser überträgt der Ultraschall-Sendewandler 1 kontinuierlich Ultraschallstrahlen entlang eines freien Querschnitts S. Wenn, mit Bezug auf 6A, die Richtcharakteristiken des Ultraschall-Sendewandlers 1 symmetrisch gebildet sind, die Richtungswinkel ausreichend klein sind und der Mittelpunkt der gepaarten Ultraschall-Empfangswandler 3₁ und 3₂ (L/2-Punkt) der Linie des freien Querschnitts S entspricht, und wenn die Strömungsgeschwindigkeit V Null ist, geben die gepaarten Ultraschall-Empfangswandler 3₁ und 3₂ gleich große Spannungssignale U₃₁ und U₃₂ aus. Diese Ausgangsspannungen werden in einen Differenzverstärker 4 eingegeben, um die Spannungsdifferenz zwischen U₃₁ und U₃₂ zu verstärken. Zu diesem Zeitpunkt gibt der Differenzverstärker 4 die Signalspannung ΔU = 0 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 abgelenkt; l = (V/C)·D. Die Ausgangsspannung U₃₁ des Ultraschall-Empfangswandlers 3₁ wird kleiner als jene U₃₂ des Ultraschall-Empfangswandlers 3₂ ; ΔU = K(U₃₂ – U₃₁) > 0. Wenn die gepaarten Ultraschall-Empfangswandler 3₁ und 3₂ 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 3₁ und 3₂ kontinuierlich bewegt werden, wird ΔU zu einem negativen Wert umgewandelt; ΔU < 0. Hierbei wird angemerkt, dass der Punkt, an dem der Wert von ΔU = 0 wird, die zu messende Ultraschall-Driftstrecke l darstellt, wie in 6B gezeigt.
7 zeigt Änderungskurven des Ausgangssignals ΔU des Differenzverstärkers 4; ΔU = K(U₃₂ – U₃ ₁). Wenn der Verstärkungsfaktor K des Differenzverstärkers 4 größer wird, nimmt die Kurvensteigung der Spannungsdifferenz ΔU zu. Daher ist es einfach, die Position X bei der 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 vorgegebenes Impulssignal zu erzeugen. Das vorgegebene Impulssignal ermöglicht, dass der Punkt X = 1 erfasst wird, bei der die Spannungsdifferenz ΔU der gepaarten Ultraschall-Empfangswandler 3₁ und 3₂ Null wird.
Das Abstand L zwischen den gepaarten Ultraschall-Empfangswandlern 3₁ und 3₂ wird folgendermaßen ausgewählt:
Mit Bezug auf 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 3₁ und 3₂ 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 3₁ und 3₂ 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 3₁ und 3₂ 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, 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 3₁ und 3₂ ist, um die Position exakt zu erfassen, bei der ΔU = 0 wird (X = 1).
Wenn ein Beispiel für die Berechnung einer Breite ΔX, eines Bewegungsabstandes der gepaarten Ultraschall-Empfangswandler 3₁ und 3₂ , 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, wird ein weiteres Verfahren zum Messen der Strecke l unter Bezugnahme auf 9A und 9B erläutert.
In 9A ist eine Anzahl von Empfangswandlern in dem Intervall zwischen den Abständen 1min und 1max in Form einer vorbestimmten Mosaikstruktur angeordnet, die der Reihe nach mit einem Eingang einer Anzahl von Differenzverstärkern elektrisch verbunden sind. Die Differenzverstärker sind an ihren anderen Eingängen mit einem Ultraschall-Empfangswandler 3₁ verbunden. Wenn der maximale Schalldruck des Ultraschallstrahls an den Empfangswandler 3i angelegt wird, dann wird die Ausgangsspannungsdifferenz zwischen den Ultraschall-Empfangswandlern 3₁ und 3_i aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit maximiert. Wenn das Intervall zwischen den Abständen 1min und 1max 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 Strömungsdifferenz ΔV 2,5 m/s ist (Vmax – Vmin = 3 – 0,5 = 2,5) 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 relativ groß.
Dem Verfahren sollte ein Mosaikmodul folgen, das Hunderte von Empfangswandlern in dem Intervall zwischen den Abständen 1min und 1max enthält, um das Abstandsintervall 1 exakt messen zu können. 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 9B wird ein weiteres Verfahren zum Messen des Abstands 1 dargestellt. Das Verfahren besteht darin, die Position zu erfassen, in der die Ausgangsspannungsdifferenz ΔU zwischen den gepaarten Ultraschall-Empfangswandlern 3₁ und 3₂ maximiert wird, unter der Bedingung, dass ein Empfangswandler 3₁ an einer gegebenen Stelle ortsfest ist und ein Empfangswandler 3₂ bewegt wird.
Hierbei ist es bekannt, dass diese Verfahren zur Messung des Abstands 1 durch Erfassen der bei der maximalen Spannungsdifferenz ΔU zwischen den gepaarten Ultraschall-Empfangswandlern indizierten Position dienen.
10A zeigt eine treppenförmige Kurve aus den Ausgangssignalspannungen einer Vielzahl von Ultraschall-Empfangswandlern in Form einer Mosaikstruktur. Die Kurve beinhaltet aufgrund ihres nicht gut aufgelösten obersten Punkts dort den größten Fehler bei der Erfassung der Position, bei der die Spannungsdifferenz ΔU maximiert wird. 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 1 33,3 mm. Wenn der Abstand 1 innerhalb eines Fehlerbereichs von 1 % gemessen werden soll, ist der zulässige Fehlerabstand ±Δl= ±0,33 mm.
Mit Bezug auf 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 relativ eng im Bereich von 2° – 3° ist, ist es folglich nicht möglich, die Position mit dem maximalen Schalldruck exakt zu erfassen.
Nur wenn der Empfangswandler 3₂ (in 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 3₂ wäre kompliziert.
Wenn, wie vorstehend beschrieben, die aus den Empfangswandlern 3₁ und 3₂ ausgegebene Spannungsdifferenzänderung nicht integriert wird und ein Empfangswandler vom Mosaiktyp verwendet wird, und wenn die Dämpfung während der Übertragung des Ultraschallstrahls variiert, ist es nicht möglich, den Moment zu erfassen, in dem der Schalldruck maximal ist. Während die Ausgangsspannungsverhältnisse der Empfangswandler gemessen werden, sollte in diesem Fall der Zeitpunkt, zu dem das gemessene Spannungsverhältnis maximal ist, erfasst werden, aber es tritt ein größerer Fehler bei der Erfassung des Moments, in dem das Änderungsverhältnis maximal 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 der Position, in der die Spannungsdifferenz ΔU Null wird. Auch die Bewegungsgeschwindigkeit der Empfangswandler 3₁ und 3₂ ist irrelevant. Das Einstellen des Abstands L zwischen den Empfangswandlern 3₁ und 3₂ kann die an die Differenzverstärker anzulegende größere Spannungsdifferenz sicherstellen. Ferner ist eine Vorrichtung zum Erfassen der Position, in der 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. Dabei ist ein Signal erforderlich, das den Betrieb eines Ultraschallwandlers 1 zum Ultraschall-Sendezeitpunkt anzeigt, um die Ultraschall-Übertragungszeit t zu messen. Mit anderen Worten, eine Seite des Ultraschall-Sendewandlers 1 sollte das Ultraschall-Sendesignal zur anderen Seite des Ultraschall-Empfangswandlers im Fluss übertragen. Eine Signal-Übertragungsvorrichtung mit oder ohne Draht ist als Übertragungsmittel verwendbar.
Es gibt auch ein gut bekanntes Verfahren zum Messen der Schallgeschwindigkeit C anstelle des Verfahrens zur Messung 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 C_D im Intervall D. Unter der Bedingung, dass C nicht gleich C_D ist, ergibt sich der Messfehler von C_D zu δ_C [=(C-C_D)/C_D].
Unter derselben Bedingung ändert sich die Schallgeschwindigkeit C in Abhängigkeit der 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 C_D folgendermaßen:
Wenn beispielsweise die mittlere Temperatur T_D im Intervall D 24°C beträgt und die Wassertemperatur T_d im Intervall d nahe dem Rand des Flusses 25°C beträgt, ist der Messfehler δ_C 0,0162%. Die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der mittleren Temperatur T_D in der Flussbreite D und der Temperatur T_d 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 C_h in einer Vielzahl von Wassertiefen, die nicht einer Schallgeschwindigkeit C_Di in einer Vielzahl von horizontalen Intervallen entspricht. Wenn die Wassertiefe im Sommer geringer ist, ist die horizontale mittlere Schallgeschwindigkeit C_D entlang der Wasseroberfläche etwas größer als diejenige C_h unter Wasser. Im Gegensatz dazu ist die horizontale mittlere Ultraschall-Übertragungsgeschwindigkeit C_D etwas geringer als diejenige C_h. 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 11 ist die Vorrichtung zum Messen der Ultraschall-Driftstrecke für die horizontale mittlere Strömungsgeschwindigkeit dargestellt. Ein Differenzverstärker 4 empfängt Ausgangsspannungssignale von gepaarten Empfangswandlern (3₁ ) _i und (3₂ ) _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 (3₁ ) _i und (3₂ ) _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 der 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 1 der Zahnstange 14 entspricht. Eine erste Arithmetik-Logik-Verarbeitungseinheit 8 speichert einen horizontalen Abstand D_i (=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 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 ≠ ... ≠ f_n. 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 11 gezeigt, eine Vorrichtung mit dem Ritzel 12 und der Zahnstange 14 zum Bewegen der gepaarten Empfangswandler (3₁ ) _i und (3₂ ) _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 (3₁ ) _i und (3₂ ) _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 (3₁ ) _i und (3₂ ) _i auszusenden. Dabei empfangen die gepaarten Empfangswandler (3₁ ) _i und (3₂ ) _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 (3₁ ) _i und (3₂ ) _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 (3₁ ) _i und (3₂ ) _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 1 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 Beendigung der Messung der Ultraschall-Driftstrecke li in einer Vielzahl von Wassertiefen wird der Elektromotor 8 gestoppt und dann umgekehrt gedreht, um die gepaarten Empfangswandler (3₁ ) _i und (3₂ ) _i in die ursprüngliche Position zurückzubringen, wobei ein Steuerteil des Elektromotors 8 in 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 vorhanden sind. Somit ist das Abstandsintervall 1 gleich 1min 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 1 mit zunehmender Wassertiefe schrittweise größer wird, entspricht die Position, in der die Ausgangssignalspannungen der gepaarten Empfangswandler (3₁ ) _i und (3₂ ) _i , die am nächsten zur Wasseroberfläche angeordnet sind, einander gleich sind, dem maximalen Driftstreckenintervall 1max, 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. 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 1 festzulegen.
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 13 dargestellt.
Ein Wassertank 21 enthält einen Sendewandler 1 und gepaarte Empfangswandler 3₁ bzw. 3₂ , 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 3₁ und 3₂ 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 3₁ und 3₂ vom Sendewandler 1 gebildet ist, den Punkt in der Hälfte 1/2 des Abstandsintervalls D. Wenn die Ultraschall-Richtcharakteristik des Sendewandlers 1 nicht symmetrisch ist, kreuzt die Linie einen anderen Punkt zwischen den gepaarten Empfangswandlern 3₁ und 3₂ , 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 1 (beispielsweise 0,25 mm) unter Verwendung der Mikrometerschraube 23 bewegt. Wenn die gepaarten Empfangswandler 3₁ und 3₂ 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 zu klein ist oder dass der Ultraschall-Richtungswinkel des Sendewandlers 1 zu groß 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 3₁ und 3₂ verstellt, bis die monostabile Kippstufe 6 den Signalimpuls an dem Punkt erzeugt, der durch den zulässigen Fehlerabstand Δl geht. Dann wird der Sendewandler 1 durch mehrere Intervalle bewegt, die zwischen den minimalen und maximalen Abstandsintervallen 1min und 1max liegen.
Gleichzeitig werden die gepaarten Empfangswandler 3₁ und 3₂ 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 1 überprüft. Der Wassertank 21 ist groß genug, wenn seine Länge 5 m beträgt.
Folglich besitzt die Erfindung den großen Vorteil, dass das Ultraschall-Driftstreckenintervall 1 einfach getestet und korrigiert wird. Mit anderen Worten, das Ultraschall-Driftstreckenintervall 1 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 1 im Wassertank bewegt wird, der Test zum Korrigieren des zulässigen Fehlers des Driftstreckenintervalls während der Bewegung der gepaarten Empfangswandler 3₁ und 3₂ durchgeführt werden.

Claims

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 1 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, dadurch gekennzeichnet dass, 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 und dass der Schritt der Messung des Ultraschall-Driftstreckenintervalls 1 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.
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.