DE19934212B4

DE19934212B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluidstromes

Info

Publication number: DE19934212B4
Application number: DE19934212A
Authority: DE
Inventors: Claude Beauducel; Thierry Lepage
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1999-07-21
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: FR2781565B1; GB2339907B; GB9917420D0; GB2339907A; CA2278408A1; FR2781565A1; JP4520552B2; JP2000046854A; CA2278408C; DE19934212A1; US6546810B1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluidstromes durch Vergleich der jeweiligen Laufzeiten (tv₁, tv₂) akustischer Impulse, die zwischen auseinanderliegenden Punkten entlang des Fluidstromes ausgestrahlt bzw. empfangen werden und die sich je nachdem stromaufwärts bezüglich der Strömungsrichtung ausbreiten, dadurch gekennzeichnet,
dass der Mittelwert der Laufzeiten sowie der Unterschied zwischen den Laufzeiten bestimmt werden durch:
– Fühlen und Abtasten der empfangenen Impulse;
– Bestimmen des mit jedem empfangenen Impuls verbundenen Frequenzspektrums durch FFT; und
– Messen der relativen mittleren Phasenverschiebung, welche die Frequenzspektra der empfangenen akustischen Impulse beeinflussen, resultierend aus deren Laufzeit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluidstromes.
Die genaue Ermittlung der Fließgeschwindigkeit von Fluiden in Leitungen sowie der entsprechenden Durchsäze ist auf sehr zahlreichen Gebieten, insbesondere bei chemischen Anlagen, bei der Chromatographie usw., wichtig.

Ein bekanntes Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit und des Durchsatzes eines in einer Leitung fließenden Fluidstromes ist z.B. in den Patenten WO 93/14382 oder US 4,308,754 beschrieben. Es besteht im wesentlichen darin, die Differenz zwischen den jeweiligen Laufzeiten akustischer Impulse zwischen Sender- und Empfängerwandlern zu messen, die entlang einer Fluidbeförderungsleitung mit bekanntem Abstand zueinander angeordnet sind, je nachdem sich die Wellen stromaufwärts oder stromabwärts bezüglich der Stromrichtung ausbreiten.

In der US-4,633,719 und der DE 38 23 177 wird zur Bestimmung der Dauer der Ausbreitung eines akustischen Impulses einer bestimmten Frequenz, der sich durch ein bewegest Medium ausbreitet, die Phasenverschiebung des nach Ausbreitung mit Bezug auf den ausgestrahlten Impuls empfangenen Impuls gemessen. Dies ergibt die Phasenverschiebung zu einem bestimmten Moment.

Weiterhin offenbart die EP 0 276 244 1 ein Ultraschallphasendifferenzverfahren zur Messung hoher Strömungsgeschwindigkeiten mittels einer Messanordnung, die durch zwei sich in der Strömungsachse eines Messrohrs kreuzende Ultraschallmessstrecken gebildet ist, wobei die Messstrecken ihrerseits jeweils zwischen einem Sende-Ultraschallwandler und einem Empfangs-Ultraschallwandler definiert sind, welche Ultraschallwandler in der Wandung des Messrohrs derart angeordnet sind, dass eine der Messstrecken ihren Sende- Ultraschallwandler stromauf von ihrem Empfangs Ultraschallwandler und die andere der Messstrecken ihren Sende-Ultraschallwandler stromab von ihrem Empfangs-Ultraschallstromwandler aufweist, und wobei die Messanordnung einen Oszillator, zumindest einen Empfangsverstärker sowie eine Auswerteeinrichtung enthält.

Die US 5,035,147 offenbart ein Messverfahren, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit entlang der Strömungsstrecke durch die Fließzeit zwischen zwei Wandlern, zwei gegenüberliegend laufenden akustischen Brechwellen bestimmt wird.

Aus der US 4,527,433 wiederum ist ein Strömungsgeschwindigkeitsmessgerät, insbesondere ein Luftströmungsmessgerät, das piezoelektrische Wandler verwendet, die nahe der Resonanzfrequenz arbeiten, um Ultraschallsignale stromaufwärts und stromabwärts in einem Fließweg zu senden.

Die DE 40 27 030 offenbart zwei im Abstand hintereinander angeordnete Ultraschallsensoren, die Ultraschallsignale auf eine Feststoffe mit sich führende Flüssigkeit in einem Rohr abstrahlen. Das Verfahren und die Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in einer Volumenzelle durch Vorgabe eines Zeitfensters zwischen dem von dem Boden und der Oberfläche der Flüssigkeit erhaltenen Echo.

Das Prinzipschema der 1 zeigt zwei Sender-Empfänger-Wandler P_A und P_B z.B. vom piezoelektrischen Typ, die beiderseits einer Leitung, in der ein Fluid mit einer Geschwindigkeit V fließt, in zwei Querschnittsebenen von dieser mit Abstand voneinander angeordnet sind. Sie strahlen gleichzeitig und zwar der eine in Richtung zum anderen (schräg) Ultraschallimpulse von einer Frequenz f₀ (Abstimmfrequenz der Wandler) und einer Dauer t₀ ab, die weit geringer als die Laufzeit der Wellen zwischen den beiden Wandlern ist. Man mißt die Eintreffzeiten t_AB und t_BA des Signals und leitet daraus die akustischen Übergangszeiten (oder Laufzeiten) tv₁ (in Richtung der Strömung) und tv₂ (in Strömungsgegenrichtung) ab, wobei von ihnen die verschiedenen parasitären Verzögerungszeiten abgezogen werden, die durch Eichung erhalten werden.

Die Ausbreitungsdauer tv₁ und die Ausbreitungsdauer tv₂ lauten:

Daraus läßt sich leicht ableiten, daß:

wobei Δt = tv₂ – tv₁ .

Der Durchsatz wird darin durch Q·v = v·S ausgedrückt, wenn S den Querschnitt des Stromes darstellt.

In einem praktischen Beispiel, bei dem die Wandler einen Abstand von etwa 10 cm haben und die Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit im Fluid 1500 m/s beträgt, liegt die Laufzeit bei etwa 60 μs. An einem solchen praktischen Beispiel läßt sich feststellen, daß man, wenn die nachgesuchte Genauigkeit bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 10^–3 liegt, dazu imstande sein muß, Zeitabstände in der Größenordnung einiger ns zu messen. Dies ist sehr schwierig zu realisieren, wenn man mit einer direkten Messung der Ausbreitungszeiten durch Defektion der Augenblicke vorgeht, in denen die empfangene Energie eine gewisse Schwelle überschreitet; denn die Genauigkeit ist allgemein nicht ausreichend und setzt voraus, daß zahlreiche Hilfsmittel ergriffen werden.

Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht es insbesondere, diesen Nachteil auszuräumen und bei im Vergleich zur vorigen Lösung viel niedrigeren Kosten eine sehr hohe Genauigkeit bei der Messung der Verschiebungsgeschwindigkeit eines Fluidstromes und demzufolge des Durchsatzes dieses Stromes zu erhalten.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluidstromes durch Vergleich der jeweiligen Laufzeiten akustischer Impulse, die zwischen auseinanderliegenden Punkten entlang des Fluidstromes ausgestrahlt bzw. empfangen werden und die sich je nachdem stromaufwärts oder stromabwärts bezüglich der Strömungsrichtung ausbreiten. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert der Laufzeiten sowie der Unterschied zwischen den Laufzeiten durch eine Ermittlung des mit jedem empfangenen Impuls verbundenen Frequenzspektrums und eine genaue Messung der relativen Phasenverschiebungen gemessen werden, welche die Frequenzspektren der empfangenen akustischen Impulse beeinflussen und die sich aus den Laufzeiten der Impulse ergeben.

Entsprechend einer vorteilhaften Durchführungsart (geeignet für die relativ wenig absorbierenden Fluide) wird an jedem Punkt ein erster akustischer Impuls ausgestrahlt, dann werden nacheinander an diesem gleichen Punkt ein zweiter akustischer Impuls, der von einem anderen Punkt ausgestrahlt wurde, und ein Echo des ersten akustischen Impulses an diesem anderen Punkt detektiert, die Frequenzspektren der verschiedenen detektierten Impulse berechnet und der Mittelwert der Laufzeiten der detektierten akustischen Impulse sowie die Abstände zwischen ihren jeweiligen Laufzeiten ermittelt.

Entsprechend einer anderen Durchführungsart wird der Mittelwert der Laufzeiten ausgehend von Bezugsspektren ermittelt, die durch Eichung gebildet werden, bei der von den Spektren empfangener akustischer Impulse ausgegangen wird.

Entsprechend einer weiteren Durchführungsart wird bei empfangenen akustischen Impulsen, ausgehend von ihren Frequenzspektren und von einem durch Eichung erhaltenen Zeitabstand, der Unterschied zwischen ihren jeweiligen Laufzeiten ermittelt.

Entsprechend einer bevorzugten Durchführungsart umfaßt das Verfahren die Übertragung von akustischen Impulsen gleichzeitig von einem ersten Punkt entlang einem Fluidstrom in Richtung eines zweiten, stromabwärts vom ersten Punkt gelegenen Punktes und umgekehrt vom zweiten Punkt in Richtung des ersten Punktes. Die empfangenen Impulse werden an beiden Punkten in festen Empfangsfenstern detektiert, die um ein gleiches Zeitintervall in bezug auf die gemeinsamen Ausstrahlzeitpunkte dieser Impulse verschoben sind, wobei die für jedes Frequenzspektrum gemessene Phasenverschiebung von der Lage des entsprechenden Impulses abhängt, der innerhalb des entsprechenden Empfangsfensters empfangen wird.

Zur Behebung jeglicher Mehrdeutigkeit über den Wert der Phasenverschiebungen wird vorzugsweise die Steigung der für die Veränderung der Phase als Funktion von der Laufzeit über einen festgelegten Bereich des Frequenzspektrums der Impulse maßgeblichen Geraden ermittelt.

Eine Vorrichtung, die eine Durchführung des Verfahrens ermöglicht, enthält z.B, wenigstens zwei Sender-Empfänger-Wandler, die an verschiedenen Stellen entlang einem Fluidstrom angeordnet sind, einen mit den Wandlern verbundenen Impulssignalgenerator, eine Anordnung zur Erfassung der Signale, die so ausgelegt ist, daß die von den Wandlern während eines festen Erfassungsfensters empfangenen Signale abgetastet und digitalisiert werden, und eine Verarbeitungsanordnung zur Ermittlung der Phasenverzögerungen, die wenigstens einen Bereich des Frequenzspektrums jedes der empfangenen Impulse beeinflussen und die durch die variable Laufzeit der ausgestrahlten akustischen Impulse bedingt sind.

Die Verarbeitungsanordnung enthält z.B. einen programmierten Signalprozessor zur Ermittlung des FFT-Frequenzspektrums jedes Signals, ausgehend von einer innerhalb des genannten Fensters erfaßten Reihe von Abtastungen.

Das Verfahren nach der Erfindung führt zu einer sehr hohen Genauigkeit bei der Messung der Laufzeit der Wellen durch das sich in Bewegung befindende Fluid hindurch. Es ermöglicht mit einem ganz beträchtlichen Verstärkungseffekt schwierig meßbare, sehr kurze Zeitintervalle mit Genauigkeit bei annehmbaren wirtschaftlichen Bedingungen in beträchtliche Phasenänderungen umzusetzen. Simulationen haben gezeigt, daß bessere Genauigkeiten als 1 °/∞ über die Messung der Geschwindigkeit erreicht werden können.

Weitere Merkmale und Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung stellen sich beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels heraus, wobei auf beigefügte Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:
1 ein Schema zur Darstellung des Meßprinzips,
2 ein Beispiel einer Änderung der Amplitude A eines empfangenen akustischen Impulses als Funktion der Zeit, 3 ein Beispiel einer Änderung des komplexen Betrags (Modul) G(k) des Frequenzspektrums eines empfangenen Impulses als Funktion des Abtastindex k,
4a und 4b die Änderung des Betrags G(k) des Frequenzspektrums in der Umgebung eines spektralen Maximums I_M bzw, die entsprechende Änderung der Phase,
5a und 5b die Änderung des Moduls G(k) des Frequenzspektrums in der Umgebung eines spektralen Maximums I_M bzw. die relative Phasendifferenz, die nach Wiederherstellung des stetigen Verlaufs der Änderung erhalten wird,
6 die monotone Änderung der relativen Phase über 9 Abtastungen ungefähr mit einem Abtastindex entsprechend bei einem spektralen Maximum,
7 das Prinzip zur Berechnung eines Einstellkoeffizienten,
8 das Prinzip des Meßverfahrens, das die Messung der direkten Eintreffvorgänge nach Ausbreitung und der Ein treffvorgänge bei Rücksendung ihrer Echos verbindet, und
9 eine Gestaltungsart der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit zwei entlang einem Fluidstrom mit Abstand angeordneten Sender-Empfänger-Wandlern akustischer Impulse.
Nachfolgend wird das Verfahren nach der Erfindung beschrieben.
Das Verfahren kann z.B. durchgeführt werden, indem an zwei Punkten A, B (1) zwei Sender-Empfänger-Wandler P_A bzw. P_B von Ultraschallwellen an zwei verschiedenen Querschnitten einer Leitung angeordnet werden, in welcher ein Fluidstrom mit einer Geschwindigkeit V fließt, wobei die Querschnitte so angeordnet sind, daß bei jedem die von leiten des anderen Wandlers ausgestrahlten Wellen empfangen kann. Sie strahlen gleichzeitig und zwar der eine in Richtung zum anderen (z.B. schräg) Ultraschallimpulse der Frequenz f₀ (Abstimmfrequenz der Wandler) und der Dauer t₀ aus, die weitaus geringer als die akustische Übergangszeit (oder Laufzeit) tv der Wellen zwischen den beiden Wandlern ist. Die Eintreffzeiten t_AB und t_BA des Signals (2) werden gemessen und daraus die Laufzeiten tv1 (in Richtung der Strömung) und tv2 (in zur Strömung entgegengesetzter Richtung) abgeleitet, wobei von ihnen die verschiedenen parasitären Verzögerungszeiten subtrahiert werden, die durch Eichung erhalten werden.
Die Ausbreitungsdauer tvl und die Ausbreitungsdauer tv2 werden geschrieben als:
Daraus läßt sich leicht ableiten, daß:

wobei Δt = tv₂ – tv₁.
Die Messungen von tv₁ und tv₂ müssen sehr genau sein. Insbesondere muß der Wert Δt = tv₂ – tv₁ mit einer Genauigkeit bekannt sein, die höher als diejenige ist, die für die Vorrichtung gewünscht ist. Bei den gemessenen Zeiten sind die Reaktionszeiten der piezoelektrischen Elemente bei der Ausstrahlung und beim Empfang zur Umsetzung der elektrischen Signale in Wellen und umgekehrt eingeschlossen. Diese Reaktionszeiten sind a priori nicht bekannt und können von Gerät zu Gerät wegen der Herstellungsstreuungen unterschiedlich sein. Dagegen lassen sie sich über den Lauf der Zeit als im wesentlichen konstant ansehen. Das Verfahren umfaßt die genaue Messung von Zeitintervallen durch die Schräge (Winkel α) der Messung von Phasenverschiebungen, die zwischen den Signalen bestehen und die sich aus deren Ausbreitung ergeben, wozu nachstehend an das an sich bekannte Prinzip erinnert wird.
Es werden zwei Signale S₁, S₂ betrachtet, die gleichzeitig von zwei Wandlern, wie A und B, während eines Ausstrahlungsfensters ausgestrahlt werden, das natürlich viel kürzer als ihre Laufzeit ist. Sie werden am jeweils gegenüberliegenden Wandler in einem gleichen, zu einem gleichen Zeitpunkt t₀ öffnenden Erfassungsfenster empfangen und mit der Abtastfrequenz Fe abgetastet. Es werden N Abtastungen (N ist z.B. gleich 2048) jedes dieser drei Signale erfaßt. Durch eine FFT werden ihre komplexen Frequenzspektren G₁(k), G₂(k) ermittelt, wobei k ein Abtastindex ist, der von 0 bis N-1 (N = Anzahl der Punkte der FFT) variiert.
Wenn G₁(f) und G₂(f) die Fourier-Transformierten der beiden Signale sind, werden die entsprechenden diskreten Transformierten erhalten, indem f durch die Folge ganzer Zahlen k mit der Entsprechug
ersetzt wird, wobei Fe die Abtastfrequenz
Frequenzschritt oder Δf) ist. Diese kom plexen Funktionen von k können entweder durch G(k) = ρ(k) (cosΘ(k) + jsinΘ(k)) oder durch G(k) = ρ(k)^ejΘ ^(k) (ρ = Betrag, Θ = Phase) dargestellt werden.
Durch Anwendung des Verzögerungstheorems läßt sich schreiben, daß die Fourier-Transformierte von S₂ ist:
(wobei, a die Dämpfung der Welle zwischen den beiden Empfängern darstellt).
Wenn f durch die Folge k, wie z.B.
ersetzt wird, erhält man im Falle einer diskreten Transformierten:
Werden nun G₂ (k) und G₁ (k) durch
bzw.
dargestellt, so lautet die Gleichung (2):
Die Gleichung lautet bei Annahme des natürlichen Logarithmus auch:
was unmittelbar ergibt:
sDie genannte Funktion der theoretischen Differenz zwischen den Phasen Θ_Δ(k) = Θ₂(k) = Θ₁(k) ist eine Gerade, die bei k = 0 durch den Ursprung verläuft, da Δt = (t₂ – t₁) von k unter der Bedingung unabhängig ist, daß sie ungefähr in einem ziemlich engen Bereich (z.B. ±150 kHz) des um die Ausstrah lungsfrequenz zentrierten Spektrums bleibt. Der Absolutwert der Phase überschreitet π Radiant nicht und der Betrag nimmt beiderseits des Maximums mit einer korrelativen Erhöhung des Phasenrauschens ziemlich schnell ab. Die Mehrdeutigkeit über den Wert der Phase muß also beseitigt werden.
Im folgenden wird ein Verfahren zur Aufhebung der Unbestimmtheit der Phasen-Differenz beschrieben.
Über das Spektrum G₁ z.B. (3) wird das Maximum des Moduls ermittelt, was ein Bezugszeichen k(Im) angibt. Es werden (beispielsweise) ± 4 Punkte um Im an den 2 Spektren G₁ und G₂ genommen, und die Monotonizität der Phasenänderung über diese 9 Punkte wird wiederhergestellt. Diese Operation besteht darin, alle Phasensprünge von einem Absolutwert höher als π durch ihr Komplement zu 2 π zu ersetzen (5b). Danach werden Punkt für Punkt die erhaltenen Phasenwerte für A und B subtrahiert.
Es wird somit die relative Phasendifferenz erhalten (da nur bekannt bis auf 2nπ) , d.h. Θr_Δ(k) = Θ₁(k) – Θ₂(k) , wobei die Änderungskurve nur verwandt mit einer Geraden ist, im Gegensatz zur Kurve der theoretischen Phasendifferenz (6).
Durch Definition ist die geschätzte Phase eine Gerade:
Θe_Δ(k) = σ × k. Zur Ermittlung der Steigung σ dieser Geraden lassen sich mehrere Methoden anwenden: Berechnen einer Regressionsgeraden, die bei kleinsten Quadraten durch die ausgewählten Punkte verläuft, Bilden des Mittelwertes der gemessenen Steigungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten, usw.
Der Unterschied zwischen der geschätzten Phasendifferenz Θe_Δ(k) und der relativen Θr_Δ(k) sollte also 2nπ sein (n ist ganzzahlig und bezeichnet einen Einstellkoeffizienten), wie durch die 7 dargestellt ist. Zur Berechnung von τ reicht es aus, die Phase in einem Punkt zu haben, beispielsweise diejenige, die dem Maximum des Betrags (Modul) des Spektrums, d.h. Im, entspricht.
Die Meßergebnisse zeigen, daß die Genauigkeit der relativen Phasendifferenz, d.h. Θr_Δ(Im) besser ist als diejenige der geschätzten Phasendifferenz, d.h. Θe_Δ(Im) = σ × Im. Es wird also die absolute (oder wiederhergestellte) Phasendifferenz gewählt: ΘΔ(Im) = ΘrΔ(Im) + 2nπ (5)mit
wobei E* den ganzen Bereich bezeichnet.
Es läßt sich feststellen, daß es, damit diese Wiederherstellung fehlerfrei abläuft, notwendig und hinreichend ist, daß |ΘeΔ (Im) – ΘrΔ (Im) – 2nπ| < π . (7)
Die Zeit τ wird also durch die Formel
erhalten.
Nachfolgend wird eine Echomethode beschrieben.
Diese Methode besteht im wesentlichen darin, das dem Echo des von jedem Wandler ausgestrahlten Signal entsprechende Signal auszunutzen, das zum jeweiligen Wandler nach Reflexion am gegenüberliegenden Zielwandler zurückkommt (8). Es ist experimentell als richtig nachgewiesen worden, daß für wenig absorbierende Fluide, wie Wasser oder verflüssigte Gase wie z.B. LPG (flüssiges Erdölgas), die auf Empfang umgeschalteten piezoelektrischen Wandler nicht nur das vom gegenüberliegenden Element stammende Signal empfingen, sondern auch das Echo ihrer eigenen Ausstrahlung, die an der Oberfläche des gegenüberliegenden Elements reflektiert worden ist.
Die zwischen den primären Signalen und dem Echo gemessenen Zeitintervalle hängen dann nicht mehr von den Verzögerungen auf die Ausstrahlung (gemeinsam für beide) ab, und es kann folgendermaßen vorgegangen werden.
Es werden zwei Meßfenster W1, W2 abgegrenzt, die zu den Zeitpunkten Tf₁ und Tf₂ in bezug auf den Ausstrahlungszeitpunkt jedes Wellenzuges beginnen, um die Anzahl der Punkte der FFT zu begrenzen und einen guten Einstellkoeffizienten n (dem Kriterium der Gleichung (7) genügend) zu haben.
Es werden die Zeiten T_ABe und T_BAe gemessen, welche, zur Erinnerung, die Zeitverschiebungen zwischen den von den Empfängern A und B in gleicher Form stammenden Signalen sind, wobei die direkten Signale im Fenster W1, d.h. S_A und S_B, und die Echosignale im Fenster W2, d.h. Se_A und Se_B, registriert werden, und es werden durch die FFT die vier komplexen FFT-Spektren, d.h. G_A(k), G_B(k), Ge_A(k) und Ge_B(k), berechnet.
Im folgenden wird die Ermittlung der mittleren Laufzeit t_vm beschrieben.
Die nachfolgend definierte Prozedur wird zweimal angewandt und zwar

– zwischen Ge_A(k) und G_B(k), was eine Zeit τ_AB = T_ABe, d.h. einen Abstand (W1-W2), ergibt, und
– zwischen Ge_B(k) und G_A(k), was eine Zeit τ_BA = T_BAe, d.h. einen Abstand (W2-W1), ergibt.

Und schließlich: TAB e = τBA + (Tf2 – Tf1) und TBA e = τAB + (Tf2 – Tfl) .
Wenn durch r_{E_A} und r_{E_B} die Wandlerverzögerüngen der elektrischen Erregungssignale der Wandler A bzw. B bei der Ausstrahlung akustischer Wellen und durch r_{R_A} und r_R _{_B} die entsprechenden Verzögerungen beim Empfang durch die Wandler A bzw. B bezeichnet werden, lassen sich die gemessenen Zeiten t_AB bzw. tBA ausdrücken durch: TAB e = tv1 + rR _B – rR_A TBAe = tv2 + rR_A – rR_B .
Man sieht, daß sich bei Ausführen der Halbsumme die störenden Verzögerungen aufheben und daß die mittlere Laufzeit t_vm ausgedrückt wird durch:
Im folgenden wird die Ermittlung von Δt beschrieben.
Die Werte τ_BA und τ_A _B können es ermöglichen, Δt mit einem nahezu konstanten Fehler zu ermitteln: TBAe – TABe = tv2 + rR_A – (tv1 + rR_B – rR_A = Δt + 2rR_A – 2rR_B , wobei Δt = T_BAe – T_ABe – τ₀ = τ_AB – τ_BA – τ₀ .
τ₀ kann durch Eichung erhalten werden, da durch die Gleichung (1) bekannt ist, daß Δt = 0, wenn die Geschwindigkeit des Fluids null ist;
(τ0 = τ_AB – τ_BA für V = 0).
Entsprechend einer anderen Durchführungsart läßt sieh der Zeitunterschied zwischen den Signalen S_A und S_B auch direkt durch die vorhergehend beschriebene Schräge einer Phasenver schiebungsmessung zwischen G_B(k) und G_A(k) messen, woraus sich die Zeit τ = t_BA – t_AB ergibt: tBA – tAB = tv2 – tv1 + rE_B + rR_A – rE_ A – rR_B , d. h. Δt = τ – (rE_B + rR_A – rE_A – rR_B) = τ – τp0 wobei der Wert τ_p0 durch Eichung wie vorstehend erhalten wird: τ_p0 = τ bei V = 0.
Die beiden vorhergehenden Durchführungsarten lassen sich auch kombinieren, und es läßt sich der Mittelwert der auf diese beiden Arten erhaltenen Δt bilden, um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen.
Nachfolgend wird eine Methode des wiederhergestellten Bezugssignals beschrieben.
Es ist möglich, daß es die Messung der Geschwindigkeit von stark absorbierenden Fluiden (Emulsionen, Schlamm usw.) nicht möglich macht, Echos zu erhalten. In diesem Falle verfügt man im Augenblick der Messung nur über zwei Spektren G_A(k) und G_B(k), die den im Fenster W1 gemessenen Signalen S_A bzw. S_B entsprechen und die durch eine FFT erhalten werden.
Das Δt kann also leicht erhalten werden, wie vorstehend angegeben ist.
Um in diesem Fall die mittlere Laufzeit t_vm zu ermitteln, muß man über zwei Bezugssignale von gleicher Form wie die empfangenen Signale verfügen, jedoch von akustischer Verzögerung null und also einer Umsetzung der akustischen Wellen, so wie sie ausgestrahlt worden sind. In der Praxis ist diese Art von Signal nicht unmittelbar zugänglich. In der Phase der Eichung kann man die mittlere Laufzeit t_vm, durch die vorher beschriebene Echomethode ermitteln, indem das Meßsystem durch ein geeignetes Fluid gefüllt wird. Es ist auch möglich, eine Ver suchsschleife zu benutzen, die eine andere Geschwindigkeitsmessung der erforderlichen Genauigkeit besitzt. Natürlich setzen diese Beispiele keine Grenzen. Man nimmt das Spektrum G_A(k) und multipliziert es mit
. Wird für das Spektrum G_B(k) genauso verfahren, so erhält man die Spektren G_0A(k), G_0B(k) oder Bezugsspektren.
Für die eigentliche Messung verwendet man die vorher bereits beschriebene Prozedur zur Ermittlung der mittleren Laufzeit zwischen G_A(k) und G_0A(k) einerseits und zwischen G_B(k) und G_0B(k) andererseits, was zu den Werten von τ_A und τ_B führt. Daraus wird tm = ½ (τ_A + τ_B) + Tf₁ abgeleitet. Da man sich nur für die Phasen der Spektren über eine kleine Anzahl von Punkten um das Maximum des Betrags interessiert, können die Bezugsspektren auf die Werte der Phasen an diesen Punkten beschränkt werden.
Nachfolgend wird die Berechnung der Geschwindigkeit beschrieben.
Die Laufzeiten tvl und tv2 werden erhalten, indem tv₁ = tvm + ½ Δt und tv2 = tvm – ½ Δt berechnet werden, und es kann die Beziehung (1)
oder einfacher mit einem vernachlässigbaren Fehler
angewandt werden.
Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit C der Wellen läßt sich erhalten, indem
Die Vorrichtung zur Durchführung umfaßt (9) einen Impulssignalgenerator G, der die beiden Wandler P_A, P_B speist, und eine Anordnung A zur Erfassung der von diesen gleichen Wandlern nach ihrer Ausbreitung innerhalb des Fluidstromes aufgefangenen Signale, die an eine programmierte Verarbeitungsanordnung T angeschlossen ist, um in Realzeit die Berechnungen der Zeitintervalle und der Phasenverschiebungen gemäß der beschriebenen Methode auszuführen. Umschaltmittel {nicht dargestellt) ermöglichen es, nacheinander jeden Wandler mit dem Signalgenerator G zur Ausstrahlung von Impulsen und vom Ende der Ausstrahlung an mit der Erfassungsanordnung A zu verbinden.
Die Verarbeitungsanordnung T enthält vorzugsweise einen Spezialsignalprozessor, wie z.B. einen digitalen Signalprozessor (DSP) bekannter Art.
Das vorgeschlagene Verfahren behält alle seine Leistungsfähigkeiten, wenn die Beschaffenheit des Fluids geändert wird und folglich die Ausstrahlungsfrequenz: die Abtastfrequenz F_e wird infolgedessen angepaßt werden.
Es ist eine Durchführungsart des Verfahrens beschrieben worden, bei der die bedeutsamen Phasenverschiebungen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluidstromes an Impulsen gemessen werden, die gleichzeitig von zwei Punkten jeweils in Richtung zum anderen Punkt ausgestrahlt werden, wobei der eine Punkt bezüglich der Strömungsrichtung stromabwärts vom anderen gelegen ist: Der Rahmen der Erfindung wird jedoch nicht verlassen, wenn irgend eine andere Wellen-Sende/Empfangs-Vorrichtung mit Wandlern angenommen wird, die in bezug auf den Fluidstrom abweichend angeordnet sind, möglicherweise unterschiedlich für die Ausstrahlung und den Empfang, was es ermöglicht, Laufzeiten van Impulsen, die sich in Richtung des Stroms oder entgegen dem Strom ausbreiten, zu vergleichen oder zu kumulieren, mögen diese gleichzeitig oder nacheinander ausgestrahlt werden.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluidstromes durch Vergleich der jeweiligen Laufzeiten (tv₁, tv₂) akustischer Impulse, die zwischen auseinanderliegenden Punkten entlang des Fluidstromes ausgestrahlt bzw. empfangen werden und die sich je nachdem stromaufwärts bezüglich der Strömungsrichtung ausbreiten, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert der Laufzeiten sowie der Unterschied zwischen den Laufzeiten bestimmt werden durch: – Fühlen und Abtasten der empfangenen Impulse; – Bestimmen des mit jedem empfangenen Impuls verbundenen Frequenzspektrums durch FFT; und – Messen der relativen mittleren Phasenverschiebung, welche die Frequenzspektra der empfangenen akustischen Impulse beeinflussen, resultierend aus deren Laufzeit.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Punkt ein erster akustischer Impuls ausgestrahlt wird, dass nacheinander an diesem gleichen Punkt ein zweiter akustischer Impuls, der von einem anderen Punkt ausgestrahlt wurde, und ein Echo an diesem anderen Punkt vom ersten akustischen Impuls detektiert werden, dass die Frequenzspektren der verschiedenen detektierten Impulse berechnet werden und dass der Mittelwert der Laufzeiten der detektierten akustischen Impulse sowie die Unterschiede zwischen ihren jeweiligen Laufzeiten ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert der Laufzeiten-ausgehend von Bezugsspektren ermittelt wird, die durch eine Eichung gebildet werden, die von den Spektren von empfangenen akustischen Impulsen ausgeht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied zwischen den jeweiligen Laufzeiten der empfangenen akustischen Impulse ausgehend von deren Frequenzspektren und von einem durch eine Eichung erhaltenen Zeitabstand ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es die Übertragung von akustischen Impulsen gleichzeitig von einem ersten Punkt entlang einem Fluidstrom in Richtung eines zweiten Punktes stromabwärts vom ersten Punkt und umgekehrt vom zweiten Punkt in Richtung des ersten Punktes umfaßt, und daß die an beiden Punkten empfangenen Impulse in festen Empfangsfenstern (W1, W2) detektiert werden, die um ein gleiches Intervall in bezug auf gemeinsame Ausstrahlungszeitpunkte dieser Impulse verschoben sind, wobei die für jedes Frequenzspektrum gemessene Phasenverschiebung von der Lage des entsprechenden, innerhalb des entsprechenden Empfangsfensters empfangenen Impulses abhängt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine die Aufhebung jeglicher Ungewißheit über die Geschwindigkeit des Fluidstromes ermöglichende Ermittlung jeder Phasenverschiebung modulo 2π umfaßt
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Ermittlung der Steigung der für die Phasenänderung als Funktion der Laufzeit über einen bestimmten Bereich des Frequenzspektrums der Impulse maßgeblichen Geraden umfaßt.
Vorrichtung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluidstromes, die wenigstens zwei an verschiedenen Stellen entlang einem Fluidstrom angeordnete Sender, Empfänger, Wandler (P_A, P_B), einen mit den Wandlern verbundenen Impulssignalgenerator (G), eine Signalerfassungseinheit zur Erfassung der empfangenen Signale und eine Verarbeitungsanordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerfassung (A) Mittel zum Abtasten und Digitalisieren der durch die Wandler während einem bestimmten Erfassungszeitfenster empfangenen Signale beinhaltet und die Verarbeitungsanordnung (P) Mittel zur Ermittlung der mittleren Phasenverschiebungen enthält, die wenigstens einen Bereich des Frequenzspektrums jedes empfangenen Impulses auf Grund der variablen Laufzeit der ausgestrahlten akustischen Impulse beeinflussten.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsanordnung (P) einen programmierten Signalprozessor zur Ermittlung des FFT-Frequenzspektrums jedes Signals ausgehend von einer Reihe von innerhalb des genannten Fensters erfassten Abtastungen enthält.