DE19942138B4 - Ultrasonic flow velocity measurement method - Google Patents

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Abstract

Laufzeit-Meßverfahren zur Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung der Hin- und Rücklaufzeit eines Ultraschallstrahls mit einer Komponente der Ausbreitungsrichtung in Strömungsrichtung, umfassend die folgenden Schritte:
Amplitudenmodulieren einer Ultraschallträgerfrequenz fC mit einer Amplitudenmodulationsfrequenz fM, die kleiner ist als die Trägerfrequenz fC;
Übertragen des amplitudenmodulierten Signals sowohl in Hin- als auch in Rückrichtung zwischen einem ersten und zweiten Ultraschallwandler;
Demodulieren der empfangenen amplitudenmodulierten Signale nach der Übertragung in Hin- und Rückrichtung, um das Amplitudenmodulationssignal fM zu erfassen;
Messen der Zeitdifferenz zwischen dem Modulieren der Ultraschallträgerfrequenz fC und dem Erfassen des Amplitudenmodulationssignal fM; und
Einsetzen der gemessenen Zeitdifferenzen in einen Zeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Meßausdruck und Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit,
wobei die Frequenz fM des Amplitudenmodulationssignals der folgenden Bedingung genügt: fM ≤0,05 fC
dadurch gekennzeichnet, daß
die Trägerfrequenz fC kontinuierlich abgestrahlt wird;
die Zeitdauer τ der Amplitudenmodulation bei jeder Laufzeitmessung mindestens τ = 5/fM beträgt; und
wobei die Amplitudenmodulationsfrequenz...Runtime measuring method for calculating the flow velocity using the return and return time of an ultrasound beam with a component of the direction of propagation in the flow direction, comprising the following steps:
Amplitude modulating an ultrasonic carrier frequency f C with an amplitude modulation frequency f M, which is less than the carrier frequency f C;
Transmitting the amplitude-modulated signal both in the forward and in the reverse direction between a first and a second ultrasonic transducer;
Demodulating the received amplitude-modulated signals after the transmission back and forth to detect the amplitude modulation signal f M ;
Measuring the time difference between modulating the ultrasound carrier frequency f C and detecting the amplitude modulation signal f M ; and
Inserting the measured time differences into a time difference flow rate measurement expression and calculating the flow rate,
the frequency f M of the amplitude modulation signal satisfies the following condition: f M ≤0.05 f C
characterized in that
the carrier frequency f C is continuously emitted;
the time period τ of the amplitude modulation for each transit time measurement is at least τ = 5 / f M ; and
where the amplitude modulation frequency ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung einer Ultraschallwelle. Daraus ist dann eine Durchflussrate einer Flüssigkeit in einem größeren Fluss oder einem offenen Schleusenkanal und eine Durchflussrate von Flüssigkeit und Gas in einem Rohr mit einem größeren Innendurchmesser berechenbar.The invention relates to methods for measuring a flow velocity using an ultrasonic wave. This is a flow rate a liquid in a larger river or an open lock channel and a flow rate of liquid and gas can be calculated in a tube with a larger inner diameter.

Ein Kernteil eines modernen, gut bekannten Ultraschall-Durchflussraten-Messsystems für den größeren offenen Schleusenkanal und das Rohr mit einem größeren Innendurchmesser ist dazu ausgelegt, eine Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeit und Gas zu messen, so dass das System normalerweise als "Durchflussmesser" bezeichnet wird.A core part of a modern, good well-known ultrasonic flow rate measuring system for the larger open Lock channel and the pipe with a larger inner diameter designed to have a flow rate of liquid and gas, so the system is usually referred to as a "flow meter".

Die meisten der Durchflussraten-Messsysteme messen vermutlich eine Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis einer Ultraschall-Laufzeitdifferenz.Most of the flow rate measuring systems probably measure a flow velocity the basis of an ultrasonic transit time difference.

Wie in 1 dargestellt, ist das Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystem folgendermaßen aufgebaut: Ultraschallwandler 1 und 2 zum Senden/Empfangen einer Ultraschallwelle sind in einem Winkel α so montiert, dass sie einander zugewandt sind. Eine Schalteinrichtung 3 wirkt zum abwechselnden Schalten der Wandler 1 und 2 zu den Eingängen von Sende- und Empfangsschaltungen, beispielsweise einem Ultraschallimpuls-Oszillator 4 und einem Ultraschall-Empfangssignalverstärker 5. Eine Impulsformungsschaltung 6 empfängt ein verstärktes Signal und formt es in ein Impulssignal mit einer kürzeren Periode um. Eine Zeitintervall-Messvorrichtung 7 misst Laufzeiten t1 und t2 in einem Abstandsintervall L zwischen Sendezeitpunkt und Empfangszeitpunkt. Eine Arithmetik-Logik-Einheit 8 berechnet eine Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis des Ausdrucks (1).As in 1 shown, the ultrasonic transit time difference flow velocity measuring system is constructed as follows: ultrasonic transducer 1 and 2 for transmitting / receiving an ultrasonic wave are mounted at an angle α so that they face each other. A switching device 3 acts to alternate switching of the converter 1 and 2 to the inputs of transmit and receive circuits, for example an ultrasonic pulse oscillator 4 and an ultrasound receive signal amplifier 5 , A pulse shaping circuit 6 receives an amplified signal and converts it into a pulse signal with a shorter period. A time interval measuring device 7 measures transit times t 1 and t 2 in a distance interval L between the time of transmission and the time of reception. An arithmetic logic unit 8th calculates a flow velocity based on the expression ( 1 ).

Das heißt, die Laufzeit t1, in der der Ultraschallimpuls vom Wandler 1 zum Wandler 2 übertragen wird (wie in 1 gezeigt), wird gemessen. Weiterhin wird die Laufzeit t2, in der der Ultraschallimpuls vom Wandler 2 zum Wandler 1 übertragen wird, gemessen. Diese gemessenen Zeiten werden folgendermaßen dargestellt:

Figure 00020001
That is, the transit time t 1 in which the ultrasonic pulse from the transducer 1 to the converter 2 is transferred (as in 1 shown) is measured. Furthermore, the time t 2 in which the ultrasonic pulse from the transducer 2 to the converter 1 is transmitted, measured. These measured times are shown as follows:
Figure 00020001

Die Laufzeitdifferenz (Δt = t2 – t1) kann folgendermaßen dargestellt werden:

Figure 00020002
The transit time difference (Δt = t 2 - t 1 ) can be represented as follows:
Figure 00020002

Wobei C eine Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeit oder Gas ist, L ein Abstand zwischen den Wandlern 1 und 2 ist und V eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Intervall L ist.Where C is the speed of sound in liquid or gas, L is the distance between the transducers 1 and 2 and V is an average flow velocity in the interval L.

Die Strömungsgeschwindigkeit V aus dem Ausdruck (1) wird folgendermaßen hergeleitet:

Figure 00020003
The flow velocity V from the expression ( 1 ) is derived as follows:
Figure 00020003

Es wird als "Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren" genannt, da die Strömungsgeschwindigkeit V proportional zur Laufzeitdifferenz Δt ist. Das Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren ist abhängig von der Schallgeschwindigkeit, da ein Term C2 des Quadrats der Schallgeschwindigkeit im Ausdruck (2) vorhanden ist. Der Term C2 der Schallgeschwindigkeit muss gemessen werden. Das Quadrat der Schallgeschwindigkeit wird folgendermaßen dargestellt:

Figure 00030001
It is called the "transit time difference flow rate measurement method" because the flow rate V is proportional to the transit time difference Δt. The transit time difference flow velocity measuring method depends on the speed of sound, since a term C 2 of the square of the speed of sound in the expression ( 2 ) is available. The term C 2 of the speed of sound must be measured. The square of the speed of sound is represented as follows:
Figure 00030001

Der Term der Schallgeschwindigkeit C2 wird in den Ausdruck (2) eingesetzt, um den Ausdruck zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit folgendermaßen darzustellen:

Figure 00030002
The term of the speed of sound C 2 is expressed in the expression ( 2 ) is used to represent the expression for measuring the flow velocity as follows:
Figure 00030002

Dann ist die Strömungsgeschwindigkeit durch Messen der Ultraschall-Laufzeiten t2 und t1 und Berechnen des Ausdrucks (3) erhältlich, da L2/2d = konst.Then the flow rate is measured by measuring the ultrasonic transit times t 2 and t 1 and calculating the expression ( 3 ) available because L 2 / 2d = const.

Der typische Stand der Technik ist im US-Patent 5 531 124, erteilt am 2. Juli 1996, und im Japanischen Patent Nr. 2 676 321, erteilt am 25. Juli 1998, offenbart.The typical state of the art is in U.S. Patent 5,531,124, issued July 2, 1996, and Japanese Patent No. 2,676,321, issued July 25, 1998.

Das Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren besitzt den großen Vorteil, dass die Strömungsgeschwindigkeitsmessung wie, im Ausdruck (3) dargestellt, einfach durchgeführt wird, selbst wenn sich die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeit stark ändert.The transit time difference flow rate measurement method has the great advantage that the flow rate measurement as in the expression ( 3 ) is easily performed, even if the speed of sound changes greatly in liquid.

Die Differenz zwischen den Kehrwerten bezüglich der Laufzeiten t1 und t2 wird beispielsweise folgendermaßen erhalten:

Figure 00030003
The difference between the reciprocal values with regard to the transit times t 1 and t 2 is obtained, for example, as follows:
Figure 00030003

Die Terme der Schallgeschwindigkeit C heben sich gegenseitig auf. Daher ergibt sich die Strömungsgeschwindigkeit V wie folgt:

Figure 00040001
The terms of the speed of sound C cancel each other out. The flow velocity V is therefore as follows:
Figure 00040001

Wobei d = Lcosα.Where d = Lcosα.

Folglich ist der erhaltene Ausdruck derselbe wie (3).Hence the expression obtained the same as (3).

Es hat den großen Vorteil, dass das Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren keine Beziehung zur Änderung der Schallgeschwindigkeit C im großen Bereich in Flüssigkeit hat. Aber das Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren ist hinsichtlich seiner Verwendung begrenzt. Wenn die Laufstrecke L beispielsweise sehr klein ist und/oder die Strömungsgeschwindigkeit V sehr niedrig ist, ist es sehr schwierig, die Strömungsgeschwindigkeit genau zu messen. Wenn L = 0,05 m, V = 0,1 m/s, α = 45° und C ≈ 1500 m/s ist, gilt Δt ≈ 3,14·10–9 s.It has the great advantage that the transit time difference flow velocity measuring method has no relation to the change in the speed of sound C in the large range in liquid. But the transit time flow rate measurement method is limited in its use. For example, if the running distance L is very small and / or the flow rate V is very low, it is very difficult to measure the flow rate accurately. If L = 0.05 m, V = 0.1 m / s, α = 45 ° and C ≈ 1500 m / s, then Δt ≈ 3.14 · 10 –9 s.

Wenn eine sehr kleine Zeitdifferenz innerhalb des Fehlerbereichs von 1 % gemessen werden soll, sollte der absolute Messfehler der Zeitdifferenz den Bereich von 3·10–11 s nicht überschreiten. Das Messen der Zeitdifferenz auf der Basis eines solchen Verfahrens erfordert eine relativ komplexe Zeitintervall-Messvorrichtung. Eine Vorrichtung zum Erfassen der Momente des Sendens/Empfangens der Ultraschallimpulse muss außerdem sehr stabil und genau sein. Wie nachstehend erwähnt, verursacht das Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren viele Probleme, wenn die Gasströmungsgeschwindigkeit in dem Rohr gemessen wird oder die horizontale Strömungsgeschwindigkeit in einem Kanal oder Fluss gemessen wird.If a very small time difference is to be measured within the error range of 1%, the absolute measurement error of the time difference should not exceed the range 3 · 10 –11 s. Measuring the time difference based on such a method requires a relatively complex time interval measuring device. A device for detecting the moments of transmission / reception of the ultrasonic pulses must also be very stable and accurate. As mentioned below, the transit time difference flow rate measurement method causes many problems when measuring the gas flow rate in the pipe or when measuring the horizontal flow rate in a channel or flow.

Zusätzlich zu dem Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren ist auch ein Ultraschall-Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren gut bekannt. Beispielsweise gibt es die Deutsche Patentoffenlegungsschrift DE 19722140 , vom 12. November 1997, und die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 10-104039, veröffentlicht am 24. April 1998, beide mit dem Titel "A multi-channel flow rate measuring system".In addition to the transit time difference flow rate measurement method, an ultrasonic phase difference flow rate measurement method is also well known. For example, there is the German patent application DE 19722140 , dated November 12, 1997, and Japanese Patent Laid-Open No. Hei 10-104039, published April 24, 1998, both entitled "A multi-channel flow rate measuring system".

2A und 2B zeigen eine typische Anordnung eines Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystems. Ultraschallwandler 1, 1' und 2, 2' sind so angeordnet, dass sie einander zugewandt sind. Ein Sinuswellenoszillator 9 erzeugt eine Sinuswelle mit einer Frequenz f. Ein Phasenschieber 10 stellt die Phase von empfangenen Ultraschallsignalen ein. Ein Verstärker 11 verstärkt die empfangenen Signale vom Phasenschieber 10 und vom Wandler 1'. Ein Phasendifferenz-Diskriminator 12 misst die Phasendifferenz zwischen den empfangenen Phasensignalen. Bei Betrieb des Sinuswellenoszillators 9 übertragen die Wandler 2 und 2' Ultraschallwellen mit der gleichen Phase. Zu diesem Zeitpunkt sind die Phasensignale, die die Empfangswandler 1 und 1' empfangen, folgendermaßen: φ, = 2πf·t1 + φ0; φ2 = 2πf·t2 + φ0 wobei

Figure 00050001
2A and 2 B show a typical arrangement of a phase difference flow rate measuring system. ultrasound transducer 1 . 1' and 2 . 2 ' are arranged so that they face each other. A sine wave oscillator 9 generates a sine wave with a frequency f. A phase shifter 10 sets the phase of received ultrasound signals. An amplifier 11 amplifies the signals received from the phase shifter 10 and from the converter 1' , A phase difference discriminator 12 measures the phase difference between the received phase signals. When operating the sine wave oscillator 9 transmit the transducers 2 and 2 ' Ultrasound waves with the same phase. At this time, the phase signals are the receive transducers 1 and 1' received as follows: φ, = 2πf · t 1 + φ 0 ; φ 2 = 2πf · t 2 + φ 0 in which
Figure 00050001

φ0 ist eine Anfangsphase, mit der die Ultraschallwelle zuerst übertragen wird. Daher ist die Phasendifferenz Δφ zwischen den empfangenen Signalen folgendermaßen:

Figure 00050002
φ 0 is an initial phase with which the ultrasonic wave is transmitted first. Therefore, the phase difference Δφ between the received signals is as follows:
Figure 00050002

Hierin ist die Strömungsgeschwindigkeit folgendermaßen:

Figure 00050003
Here the flow velocity is as follows:
Figure 00050003

Das Phasendifferenzverfahren besitzt die Merkmale, dass im Gegensatz zum Laufzeitdifferenz-Verfahren die Ultraschallwellen kontinuierlich übertragen werden können und die Phasendifferenz Δφ proportional zur Frequenz f ist. Selbst wenn L und V sehr klein sind, wird die Phasendifferenz bei höherer Ultraschallfrequenz f folglich größer, so dass die Phasendifferenzmessung zweckmäßig und genau durchgeführt wird.The phase difference method has the features that, in contrast to the transit time difference ver drive the ultrasonic waves can be transmitted continuously and the phase difference Δφ is proportional to the frequency f. Consequently, even if L and V are very small, the phase difference becomes larger at a higher ultrasonic frequency f, so that the phase difference measurement is carried out appropriately and accurately.

Auch wenn L verhältnismäßig größer ist, ist der Dämpfungsfaktor über den Ultraschallimpuls sehr klein, da die kontinuierlichen Ultraschallwellen gesendet/empfangen werden. Selbst wenn die Amplitude des empfangenen Signals signifikant pulsiert, kann das empfangene Signal ferner ausreichend verstärkt werden, da die Zeit des Empfangs nicht gemessen wird. Und eine Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung kann bei dem Verfahren verwendet werden. Dies bedeutet, dass bei der Messung der Phasendifferenz überhaupt kein Problem besteht. Allerdings wird das Phasendifferenzverfahren vorzugsweise unter der Bedingung verwendet, dass sich die Schallgeschwindigkeit C fast nicht ändert, oder in Verbindung mit einem anderen Mittel zum Messen der Schallgeschwindigkeit C. Um die Gasdurchflussrate zu messen, kann beispielsweise die Schallgeschwindigkeit in Gas unter der Bedingung leicht berechnet werden, dass ein Druckmesser und ein Thermometer in dem Rohr montiert sind.Even if L is relatively larger, the damping factor is above that Ultrasonic pulse very small because of the continuous ultrasonic waves be sent / received. Even if the amplitude of the received Signal pulsed significantly, the received signal can further sufficiently reinforced because the time of reception is not measured. And a circuit for automatic gain control be used in the process. This means that at the Measurement of the phase difference at all there is no problem. However, the phase difference method preferably used on the condition that the speed of sound C almost does not change or in connection with another means of measuring the speed of sound C. To measure the gas flow rate, for example, the speed of sound in gas can easily be calculated on the condition that a pressure gauge and a thermometer are mounted in the tube.

Wie vorstehend erwähnt, kann der große Vorteil des Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Verfahrens selbst in der Situation genutzt werden, dass sich die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeit signifikant ändert. Aber wenn der Abstand L zwischen den Wandlern größer wird, treten aufgrund des Sendens/Empfangens des Ultraschallimpulses die folgenden Probleme auf.As mentioned above, the great Advantage of the ultrasonic transit time difference method used even in the situation be that the speed of sound is in liquid changes significantly. But when the distance L between the transducers becomes larger, due to the Sending / receiving the ultrasonic pulse has the following problems on.

Erstens besitzt der Ultraschallimpuls einen größeren Dämpfungsfaktor gegenüber der Sinuswelle aufgrund seiner zusätzlichen Oberwellenkomponenten oder Obertöne. Wenn die Ultraschall-Laufstrecke L größer wird, ist es schwierig, die übertragene Ultraschallwelle au empfangen, und der empfangene Impuls wird aufgrund des starken Dämpfungsproblems glockenförmig. Aus all diesen Gründen ist es unvermeidbar, die Ultraschallwellenintensität zu erhöhen, die behelfsweise eingestellt werden kann. Wenn die Intensität höher wird, tritt in einem Fluss das Hohlraumbildungsphänomen (Kavitation) auf, so dass die Ultraschallwelle nicht übertragen wird. Insbesondere wenn die Impulsfrequenz niedriger wird, um den Dämpfungsfaktor zu verringern, wird die Ultraschallintensität ebenfalls geringer, was das Hohlraumbildungsphänomen verursacht.First, the ultrasound pulse has a larger damping factor across from the sine wave due to its additional harmonic components or overtones. When the ultrasonic running distance L becomes larger, it is difficult to the transferred Ultrasonic wave is received and the received pulse is due of the strong damping problem bell-shaped. For all of these reasons it is inevitable to increase the ultrasonic wave intensity that can be temporarily adjusted. When the intensity gets higher, occurs the cavitation phenomenon in a river, so that the ultrasound wave is not transmitted becomes. Especially when the pulse frequency gets lower by the damping factor to decrease, the ultrasound intensity is also lower, which is Cavitation phenomenon caused.

Zweitens wird der Ultraschallimpuls bei dem Übertragungsvorgang nicht nur entlang der Strecke L gedämpft, sondern die Amplitude der Ultraschallwelle pulsiert stark, wodurch die Ultraschallwelle aufgrund von verschiedenen Größen von Wirbelströmen, der Konzentrationsänderung von schwimmenden Teilchen, der Temperaturänderung des Wassers usw. in dem offenen Schleusenkanal gestreut und reflektiert wird. Es passiert manchmal, dass die Ultraschallwelle nicht empfangen wird.Second, the ultrasound pulse in the transfer process not only attenuated along the distance L, but the amplitude The ultrasonic wave pulsates strongly, causing the ultrasonic wave due to different sizes of Eddy currents the change in concentration of floating particles, the change in temperature of the water, etc. in is scattered and reflected in the open lock channel. It happens sometimes that the ultrasonic wave is not received.

Wenn die Strömungsgeschwindigkeit in Gas gemessen wird, ist der Dämpfungsfaktor des Ultraschallimpulses größer als jener in Flüssigkeit. Die starke Dämpfung und Pulsierung des Ultraschallimpulses verursachen viele Fehler, wenn es von der Erfassung des Moments abhängig ist, in dem der Ultraschallimpuls eintrifft. Somit wird der Messfehler der Strömungsgeschwindigkeit vergrößert.If the flow rate in gas is measured is the damping factor of the ultrasonic pulse is greater than that in liquid. The strong damping and pulsation of the ultrasound pulse cause many errors, if it depends on the detection of the moment in which the ultrasonic pulse arrives. This increases the measurement error of the flow velocity.

Wegen dieser Gründe ist die Ultraschall-Laufstrecke L insofern begrenzt, dass der Ultraschallimpuls gesendet/empfangen werden muss und die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis eines Zeitdifferenzverfahrens gemessen wird. Somit bestehen große Schwierigkeiten beim Messen der Strömungsgeschwindigkeit in größeren offenen Schleusenkanälen oder Flüssen und größeren Rohren.Because of these reasons, the ultrasonic running distance L limited in that the ultrasound pulse is sent / received must be and the flow rate is measured on the basis of a time difference method. Consequently exist great Difficulty measuring flow velocity in larger open ones lock channels or rivers and larger pipes.

Wenn das Phasendifferenzverfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit verwendet wird, ist der Dämpfungsfaktor zwei- oder dreifach gegenüber jenem des Ultraschallimpulses gesenkt, da die Ultraschallwellen (Sinuswellen) kontinuierlich gesendet/empfangen werden. Die Amplitudenpulsierung der empfangenen Signale ist auch nicht von Bedeutung für das Phasendifferenzverfahren, da es sich nicht auf die Erfassung des Moments bezieht, in dem der Ultraschallimpuls eintrifft, sondern die Phasendifferenz zwischen zwei Sinuswellen gemessen wird. Nichtsdestoweniger ist das Phasendifferenzverfahren hinsichtlich seiner Verwendung begrenzt. Wenn die Phasendifferenz Δφ zwischen zwei Sinuswellen gleich nπ + β ist, kann eine gewöhnliche Phasendifferenz-Messvorrichtung nicht n (1, 2, 3,...) erfassen. Wenn die Ultraschall-Laufstrecke L oder die Strömungsgeschwindigkeit V größer ist, wird Δφ größer als π. Wenn beispielsweise die Durchflussrate von Gas in dem Rohr mit einem Innendurchmesser Φ von 300 mm gemessen werden soll, ist die mittlere Querschnitts-Strömungsgeschwindigkeit V von Gas im Allgemeinen 10 – 30 m/s. Unter der Annahme, dass die Schallgeschwindigkeit C 400 m/s ist, die Ultraschallfrequenz f als 400 kHz gewählt wird, damit sie oberhalb des Rauschfrequenzbandes liegt, und ein Winkel α 45° ist, dann ist die Änderungsbreite der Phasendifferenz Δφ folgendermaßen: Δφ = 9,42 – 28,26 rad ≈ (2π + 0,998π) – (8π + 0,995π) When the phase difference method is used to measure the flow velocity, the damping factor is reduced two or three times that of the ultrasonic pulse because the ultrasonic waves (sine waves) are continuously transmitted / received. The amplitude pulsation of the received signals is also not important for the phase difference method, since it does not refer to the detection of the moment when the ultrasound pulse arrives, but rather the phase difference between two sine waves is measured. Nonetheless, the phase difference method is limited in its use. If the phase difference Δφ between two sine waves is nπ + β, an ordinary phase difference measuring device cannot detect n (1, 2, 3, ...). When the ultrasonic running distance L or the flow velocity V is larger, Δφ becomes larger than π. For example, if the flow rate of gas in the tube with an inner diameter Φ of 300 mm is to be measured, the average cross-sectional flow velocity V of gas is generally 10-30 m / s. Assuming that the speed of sound C is 400 m / s, the ultrasonic frequency f is chosen as 400 kHz so that it lies above the noise frequency band and an angle α is 45 °, then the range of change of the phase difference Δφ is as follows: Δφ = 9.42 - 28.26 rad ≈ (2π + 0.998π) - (8π + 0.995π)

Das heißt, Δφ > π.That is, Δφ> π.

Wenn L = 10 m, V = 3 m/s, f = 200 kHz und C = 1500 m/s in einem verhältnismäßig kleineren offenen Kanal, ist die Phasendifferenz Δφ folgendermaßen: Δφ ≈ 16,746 rad = 5π + 0,33π > π If L = 10 m, V = 3 m / s, f = 200 kHz and C = 1500 m / s in a relatively smaller open channel, the phase difference Δφ is as follows: Δφ ≈ 16.746 rad = 5π + 0.33π> π

Somit kann das Phasendifferenzverfahren nicht zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit in dem verhältnismäßig kleineren offenen Kanal verwendet werden. Mit anderen Worten, das Laufzeitdifferenz-Verfahren besitzt einen Vorteil bei der Verwendung in der Situation, in der sich die Schallgeschwindigkeit in einem größeren Umfang ändert. Aber es besitzt insofern Nachteile, dass, wenn das Strömungsgeschwindigkeits-Messintervall L größer ist, der Ultraschallimpuls instabil wird, da der Ultraschallimpuls aufgrund seiner Eigenschaft während des Sendens/Empfangens stark gedämpft wird.Thus, the phase difference method not to measure flow velocity in the relatively smaller one open channel can be used. In other words, the transit time difference method has an advantage when used in the situation where the speed of sound changes to a greater extent. But it has disadvantages in that if the flow velocity measurement interval L is larger, the ultrasonic pulse becomes unstable because of the ultrasonic pulse its property during of transmission / reception strongly dampened becomes.

Das Phasendifferenzverfahren besitzt die Vorteile, dass der Dämpfungsfaktor verhältnismäßig kleiner ist und das empfangene Signal leicht verarbeitet wird, da die Ultraschall-Sinuswelle kontinuierlich gesendet/empfangen wird. Wenn jedoch die Phasendifferenz π Radiant übersteigt, wobei das Intervall L und die Strömungsgeschwindigkeit V größer ist oder die Schallgeschwindigkeit niedriger ist, ist es nicht möglich, die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis des Phasendifferenzverfahrens zu messen. Das Phasendifferenzverfahren besitzt auch den Nachteil, dass die Schallgeschwindigkeit separat gemessen werden sollte.Has the phase difference method the advantages that the damping factor is relatively smaller and the received signal is easily processed because of the ultrasonic sine wave is continuously sent / received. However, if the phase difference exceeds π radians, the interval L and the flow velocity V being greater or the speed of sound is lower, it is not possible to change the flow speed to measure based on the phase difference method. The phase difference method also has the disadvantage that the speed of sound is separate should be measured.

Aus der DE 29 43 810 C2 ist ein Ultraschall-Laufzeitmessverfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids bekannt. Um das dispersionsbedingte "Verschmieren" eines Rechteckimpulses im Verlauf der Messstrecke zu vermeiden, wird vor dem Aussenden des Messsignals der Rechteckimpuls als Amplitudenmodulationssignal einer Trägerfrequenz aufgeprägt. Dadurch wird ein Wellenpaket auf der Trägerfrequenz ausgesendet, empfangen und demoduliert. Die Laufzeit ergibt sich dann aus der Zeitdifferenz zwischen den Anstiegsflanken des Amplitudenmodulationssignals und des demodulierten Signals. Gemessen wird in Hin- und Rückrichtung zwischen zwei Ultraschallwandlern, deren Verbindungslinie zur Strömungsrichtung einen Winkel einnimmt. Aus der Phasendifferenz in Hin- und Rückrichtung wird die Strömungsgeschwindigkeit berechnet.From the DE 29 43 810 C2 an ultrasonic transit time measuring method for determining the flow velocity of a fluid is known. In order to avoid the "smearing" of a square-wave pulse in the course of the measurement section, the square-wave pulse is impressed as an amplitude modulation signal of a carrier frequency before the measurement signal is transmitted. As a result, a wave packet on the carrier frequency is transmitted, received and demodulated. The transit time then results from the time difference between the rising edges of the amplitude modulation signal and the demodulated signal. Measurements are made in the back and forth direction between two ultrasonic transducers, the connecting line of which is at an angle to the flow direction. The flow velocity is calculated from the phase difference in the forward and backward direction.

Die US 4,787,252 schlägt die Ultraschall-Strömungsgeschwindigkeitsmessung mit einer Anordnung vor, die der eben beschriebenen entspricht und mit der ebenfalls die Laufzeit der Ultraschallwelle gemessen wird. Es werden verschiedene Arten der Modulation einer Trägerfrequenz vorgeschlagen, wobei dann das gesendete und empfangene Signal miteinander korreliert werden, um einen maximalen Korrelationskoeffizienten zu ermitteln. In Verbindung mit speziell ausgewählten Ultraschallwandlern kann die Amplitude eines Signals moduliert werden, um einen Signalburst mit mehreren Wellen zu erzeugen.The US 4,787,252 proposes the ultrasonic flow velocity measurement with an arrangement which corresponds to the one just described and with which the transit time of the ultrasonic wave is also measured. Different types of modulation of a carrier frequency are proposed, in which case the transmitted and received signals are then correlated with one another in order to determine a maximum correlation coefficient. In conjunction with specially selected ultrasonic transducers, the amplitude of a signal can be modulated to generate a signal burst with multiple waves.

Auch die DE 43 02 368 C1 schlägt eine Ultraschallmessstrecke zwischen zwei Wandlern vor, die unter einem Winkel zur Strömungsrichtung verläuft. Die Laufzeit der Signale wird entweder über die Phasenverschiebung oder direkt gemessen. Zur Messung werden zwei verschiedene Sendefrequenzen verwendet, deren Verhältnis speziellen Bedingungen genügen muss, um auch kleinste Strömungsgeschwindigkeiten zu messen.Also the DE 43 02 368 C1 proposes an ultrasonic measuring section between two transducers that runs at an angle to the direction of flow. The transit time of the signals is measured either via the phase shift or directly. Two different transmission frequencies are used for the measurement, the ratio of which must meet special conditions in order to measure even the smallest flow velocities.

Mit einer ähnlichen Messanordnung wird bei der EP 0 535 364 A1 eine Phasendifferenz gemessen. Zur Umgehung der Messbeschränkung auf Phasendifferenzen kleiner 2π bei der Trägerfrequenz wird eine Modulationsfrequenz auf die Amplitude der Trägerfrequenz aufmoduliert, wobei deren Frequenz wesentlich niedriger als die Trägerfrequenz ist. Es wird damit eine Grob- und Feinphasenmessung ermöglicht, durch deren Kombination dann die absolute Phasenverschiebung folgt. Es ist jedoch nicht spezifiziert, wie die absolute Phasenverschiebung tatsächlich berechnet wird.With a similar measuring arrangement, the EP 0 535 364 A1 measured a phase difference. To circumvent the measurement restriction to phase differences less than 2π at the carrier frequency, a modulation frequency is modulated onto the amplitude of the carrier frequency, the frequency of which is significantly lower than the carrier frequency. A coarse and fine phase measurement is thus made possible, the combination of which then results in the absolute phase shift. However, it is not specified how the absolute phase shift is actually calculated.

Aus der VDI/VDE-Richtlinie 2642 "Ultraschall-Durchflussmessung von Fluiden in voll durchströmten Körpern" von 1996 ist eine Formel zur Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit aus den gemessenen Phasenwinkeln bekannt.From the VDI / VDE guideline 2642 "Ultrasonic flow measurement of fluids in fully flowed bodies "from 1996 is one Formula for calculating the flow velocity known from the measured phase angles.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, Verfahren zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit mittels Ultraschall-Laufzeit- bzw. Phasendifferenzmessung bereitzustellen, bei denen die Messgenauigkeit und -empfindlichkeit noch weiter erhöht ist.It is therefore an object of the invention Method of measuring flow velocity to be provided by means of ultrasound transit time or phase difference measurement, where the measurement accuracy and sensitivity is increased even further.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 3 bzw. 4 gelöst. Unteranspruch 2 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Anspruchs 1.This task comes with the characteristics of claims 1, 3 and 4 solved. Sub-claim 2 is an advantageous embodiment of the claim 1.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung unter Bezugnahme auf den Stand der Technik näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are described below with reference to the drawing State of the art closer explained. Show it:

1 ein schematisches Blockdiagramm, das ein Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystem gemäß dem Stand der Technik darstellt; 1 1 is a schematic block diagram illustrating an ultrasonic transit time difference flow rate measurement system according to the prior art;

2A und 2B schematische Blockdiagramme, die ein Ultraschall-Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystem gemäß dem Stand der Technik darstellen; 2A and 2 B schematic block diagrams illustrating an ultrasonic phase difference flow velocity measuring system according to the prior art;

3 ein Ablaufdiagramm, das den Ablauf eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahrens darstellt; 3 a flowchart illustrating the sequence of an ultrasonic transit time difference flow velocity measuring method according to the invention;

4 ein schematisches Blockdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystem darstellt; 4 is a schematic block diagram illustrating an ultrasonic transit time difference flow velocity measuring system according to the invention;

5 ein schematisches Blockdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystem darstellt; und 5 is a schematic block diagram illustrating an ultrasonic phase difference flow rate measuring system according to the invention; and

6 ein schematisches Blockdiagramm, das ein Ultraschall-Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellt. 6 is a schematic block diagram illustrating an ultrasonic phase difference flow rate measurement system according to another embodiment of the invention.

Zuerst wird ein Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren der Erfindung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen im einzelnen erläutert:First, an ultrasonic transit time difference flow rate measurement method is used Invention with reference to the accompanying drawings in detail explains:

3 ist ein Ablaufdiagramm oder eine Abfolge, die ein Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren darstellt. Es ist bekannt, dass eine Ultraschall-Trägerfrequenz fC im allgemeinen unter Berücksichtigung eines Rauschfrequenzbandes, das in einer Flüssigkeitsströmung verursacht wird, der Sicherheit bezüglich des Richtdiagramms eines Ultraschallwandlers, eines Ultraschall-Dämpfungsfaktors in Flüssigkeit usw. ausgewählt wird. 3 Fig. 10 is a flowchart or sequence illustrating a flow rate measurement method. It is known that an ultrasound carrier frequency f C is generally selected in consideration of a noise frequency band caused in a liquid flow, the safety with respect to the directional diagram of an ultrasonic transducer, an ultrasonic damping factor in liquid, etc.

Wenn eine Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird, wird der ausgewählte Ultraschallträger fC (3, VI) für eine Periode τ2 (3, V) auf eine Frequenz fM (3, I), die niedriger ist als fC, amplitudenmoduliert und dann in einer zur Strömung ähnlichen oder entgegengesetzten Richtung übertragen. Und unter Berücksichtigung eines vorbestimmten Moments der Amplitudenmodulation als Startpunkt wird eine Zeit vom Startpunkt bis zu einem bestimmten Moment der Amplitudenmodulation oder des Signals fM gemessen, während die amplitudenmodulierte Ultraschallwelle über eine konstante Strecke L gesendet/empfangen wird und das empfangene Signal demoduliert wird. Die Zeiten werden als Ultraschall-Laufzeiten t1 und t2 bei der Ausbreitung in einer zur Strömung ähnlichen oder entgegengesetzten Richtung definiert. Mit anderen Worten, die amplitudenmodulierte Ultraschallwelle wirkt als Markierungssignal zum Messen der Laufzeit der Ultraschallwelle. Da die Ultraschallwelle im Wesentlichen eine Sinuswelle ist, die kontinuierlich übertragen wird und für ein konstantes Zeitintervall amplitudenmoduliert wird, ist das Ultraschall-Frequenzband fC ± fM bedeutend schmäler als das eines kurzen Ultraschallimpulses, so dass ihr Dämpfungsfaktor kleiner ist. Und selbst wenn sich der Dämpfungsfaktor zu sehr ändert, ist die Verarbeitung des Empfangssignals leicht und die Dämpfung wirkt sich nicht auf die Messung der Laufzeit aus.When a flow velocity is measured, the selected ultrasound carrier f C ( 3 , VI) for a period τ 2 ( 3 , V) to a frequency f M ( 3 , I), which is lower than f C , amplitude modulated and then transmitted in a direction similar or opposite to the flow. And taking into account a predetermined moment of the amplitude modulation as the starting point, a time from the starting point to a certain moment of the amplitude modulation or the signal f M is measured while the amplitude-modulated ultrasonic wave is transmitted / received over a constant distance L and the received signal is demodulated. The times are defined as ultrasonic transit times t 1 and t 2 when propagating in a direction similar or opposite to the flow. In other words, the amplitude-modulated ultrasound wave acts as a marking signal for measuring the transit time of the ultrasound wave. Since the ultrasonic wave is essentially a sine wave that is transmitted continuously and is amplitude modulated for a constant time interval, the ultrasonic frequency band f C ± f M is significantly narrower than that of a short ultrasonic pulse, so that its damping factor is smaller. And even if the attenuation factor changes too much, the processing of the received signal is easy and the attenuation does not affect the measurement of the transit time.

Aber wenn die Ultraschall-Trägerwelle fC auf das Amplitudenmodulationssignal fM amplitudenmoduliert wird, sollte sie mit derselben Phase wie jener des Amplitudenmodulationssignals fM amplitudenmoduliert werden, beispielsweise einer Phase von Null, wie in 3, V gezeigt. Ferner entspricht ein Signal, das durch Empfangen/Demodulieren der amplitudenmodulierten Ultraschallwelle erhalten wird, nicht der Form des Amplitudenmodulationssignals fM. Das amplitudenmodulierte Signal, das an den Ultraschallwandler angelegt wird, wird in einen Demodulator eingeben, damit es demoduliert wird, und das Amplitudenmodulationssignal fM wird aus dem Demodulationssignal erfasst. Der Zeitpunkt, in dem die erste Periode des Modulationssignals über das Nullpotential geht, wird unter Verwendung einer Nulldurchgangs-Unterscheidungsschaltung erfasst. Hierbei wird der erfasste Zeitpunkt als Startpunkt zum Messen der Ultraschall-Laufzeit betrachtet, wie in 3, VII und VIII gezeigt.But if the ultrasound carrier wave f C is amplitude modulated onto the amplitude modulation signal f M , it should be amplitude modulated with the same phase as that of the amplitude modulation signal f M , for example a phase of zero as in FIG 3 , V shown. Furthermore, a signal obtained by receiving / demodulating the amplitude-modulated ultrasonic wave does not correspond to the shape of the amplitude modulation signal f M. The amplitude modulated signal applied to the ultrasonic transducer is input to a demodulator to be demodulated, and the amplitude modulation signal f M is detected from the demodulation signal. The time at which the first period of the modulation signal goes above zero potential is detected using a zero-crossing discrimination circuit. Here, the recorded time is regarded as the starting point for measuring the ultrasound transit time, as in 3 , VII and VIII shown.

Ebenso wird das empfangene Amplitudenmodulationssignal durch den Demodulator auch demoduliert, wie vorstehend dargelegt, das Amplitudenmodulationssignal fM wird aus dem Demodulationssignal erfasst und dann wird ein Zeitpunkt, in dem die erste Periode des Modulationssignals über einen Nulldurchgangspunkt geht, als Stoppsignal des Zeitintervalls erfasst, wie in 3, X und XI gezeigt.Likewise, the received amplitude modulation signal is also demodulated by the demodulator, as set out above, the amplitude modulation signal f M is detected from the demodulation signal and then a point in time at which the first period of the modulation signal passes a zero crossing point is detected as a stop signal of the time interval, as in FIG 3 , X and XI shown.

Wie vorstehend beschrieben, kann die Genauigkeit der Messung der Ultraschall-Laufzeit bedeutend verbessert werden, wobei nur ein Demodulator die Sende-/Empfangssignale demoduliert, und die Zeitpunkte, in denen die erste Periode des Demodulationssignals über den Nulldurchgangspunkt geht, als Start- und Stoppsignale zur Zeitintervallmessung verwendet werden.As described above, the accuracy of the measurement of the ultrasonic transit time can be significantly improved, only one demodulator demodulates the transmit / receive signals, and the times when the first period of the demodulation signal over the Zero crossing point goes as start and stop signals for time interval measurement be used.

Wie in 3, VIII und XI gezeigt, ist es belanglos, als Zeitpunkte eineinhalb Perioden des Amplitudenmodulationssignals fM an Stelle der ersten halben Periode über den Nulldurchgangspunkt als Start- und Stoppsignale zur Zeitintervallmessung zu verwenden. Die Verzögerungszeit wird natürlich im Demodulator, im Verstärker, in der Nulldurchgangsschaltung usw. erzeugt, aber es ist nicht erforderlich, die Verzögerungszeit zu kompensieren, da ein System dieselbe Verzögerungszeit erzeugt, jedes Mal wenn die Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird.As in 3 , VIII and XI, it is irrelevant to use as times one and a half periods of the amplitude modulation signal f M instead of the first half period above the zero crossing point as start and stop signals for the time interval measurement. The delay time is of course generated in the demodulator, amplifier, zero crossing circuit, etc., but it is not necessary to compensate for the delay time because a system produces the same delay time every time the flow rate is measured.

Und das Amplitudenmodulationssignal fM sollte die folgenden Bedingungen einhalten: Die erste Bedingung ist, dass das Amplitudenmodulationssignal fM bedeutend höher ist als eine Dämpfungspulsierungsfrequenz fP, beispielsweise fM >> fp. Der Dämpfungsfaktor der Ultraschallwelle ändert sich aufgrund von vielen Faktoren während der Übertragung in Flüssigkeit. Wenn sich der Dämpfungsfaktor ändert, wird die Ultraschallwelle amplitudenmoduliert. Somit sollte die Amplitudenmodulationsfrequenz fM höher sein als die Dämpfungspulsierungsfrequenz fp, mit der der Dämpfungsfaktor pulsiert, welche keine in Flüssigkeit erzeugte Rauschfrequenz ist. Die Dämpfungspulsierungsfrequenz fP ist nicht hoch und überschreitet 100 Hz im Allgemeinen nicht.And the amplitude modulation signal f M should meet the following conditions: The first condition is that the amplitude modulation signal f M is significantly higher than an attenuation pulsation frequency f P , for example f M >> f p . The damping factor of the ultrasonic wave changes due to many factors during transmission in liquid. When the damping factor changes, the ultrasonic wave is amplitude modulated. Thus, the amplitude modulation frequency f M should be higher than the damping pulsation frequency f p with which the damping factor pulsates, which is not a noise frequency generated in liquid. The damping pulsation frequency f P is not high and generally does not exceed 100 Hz.

Die zweite Bedingung ist, dass eine Trägerperiode mehr als 20 mal in einer Amplitudenmodulationsperiode enthalten sein sollte, beispielsweise fM ≤ fC/20. Die Bedingung betrifft die Amplitudenmodulation des Trägers fC, wobei die Phase des Trägers fC am Startpunkt der Amplitudenmodulation nicht immer gleichmäßig ist, selbst wenn der Träger fC an einem Nulldurchgangspunkt amplitudenmoduliert wird, wie in 3, V dargestellt. Deshalb verursacht die amplitudenmodulierte Ultraschallwelle Übergangsphänomene und verzerrt die Wellenform in dem Intervall einer ersten viertel Periode des Amplitudenmodulationssignals fM. Um zu verhindern, dass ein verzerrter Wellenabschnitt eine viertel Periode übersteigt, sollte der Träger fC mindestens fünf Perioden in der ersten viertel Periode des Amplitudenmodulationssignals fM umfassen. Somit sollte das Signal des Trägers fC über 20 mal (= 4 × 5) in einer Periode des Amplitudenmodulationssignals fM vorhanden sein. Außerdem ist es bevorzugt, dass die Frequenz des Trägers fC höher ist als jene des Amplitudenmodulationssignals fM, um das Amplitudenmodulationssignal fM aus der Pulsierungsfrequenz des Trägers fC zu filtern.The second condition is that a carrier period should be included more than 20 times in an amplitude modulation period, for example f M ≤ f C / 20. The condition concerns the amplitude modulation of the Carrier f C , the phase of the carrier f C at the starting point of the amplitude modulation is not always uniform, even if the carrier f C is amplitude modulated at a zero crossing point, as in 3 , V shown. Therefore, the amplitude-modulated ultrasonic wave causes transient phenomena and distorts the waveform in the interval of a first quarter period of the amplitude modulation signal f M. In order to prevent a distorted wave section from exceeding a quarter period, the carrier f C should comprise at least five periods in the first quarter period of the amplitude modulation signal f M. Thus, the signal of the carrier f C should be present over 20 times (= 4 × 5) in one period of the amplitude modulation signal f M. It is also preferred that the frequency of the carrier f C is higher than that of the amplitude modulation signal f M in order to filter the amplitude modulation signal f M from the pulsation frequency of the carrier f C.

Die dritte Bedingung ist, dass eine kontinuierliche Zeit der amplitudenmodulierten Signale wünschenswerterweise mindestens fünf Perioden des Amplitudenmodulationssignals fM (5/fM) übersteigt, wenn das amplitudenmodulierte Signal demoduliert wird, um das Amplitudenmodulationssignal fM zu erfassen. Wenn das amplitudenmodulierte Signal, dessen Amplitudenmodulationsperiode zwei- oder dreimal wiederholt wird, demoduliert wird, wird das Ausgangssignal aus dem Demodulator verzerrt.The third condition is that a continuous time of the amplitude modulated signals desirably exceeds at least five periods of the amplitude modulation signal f M (5 / f M ) when the amplitude modulated signal is demodulated to detect the amplitude modulation signal f M. When the amplitude modulated signal, whose amplitude modulation period is repeated two or three times, is demodulated, the output signal from the demodulator is distorted.

Die vierte Bedingung ist: Wenn die Ultraschallwelle abwechselnd in einer zur Strömungsgeschwindigkeit ähnlichen oder entgegengesetzten Richtung gesendet/empfangen wird, ist es erwünscht, dass die Zeit der kontinuierlichen Amplitudenmodulation der Ultraschallwelle die Hälfte der Ultraschall-Laufzeit nicht überschreitet. Das Beispiel ist folgendermaßen:

Figure 00140001
The fourth condition is: When the ultrasonic wave is alternately transmitted / received in a direction similar to or opposite to the flow velocity, it is desirable that the time of the continuous amplitude modulation of the ultrasonic wave does not exceed half the ultrasonic transit time. The example is as follows:
Figure 00140001

Wie vorstehend beschrieben, wird das Amplitudenmodulationssignal fM, das die vier Bedingungen erfüllt, durch den folgenden Ausdruck ausgewählt:

Figure 00140002
As described above, the amplitude modulation signal f M that meets the four conditions is selected by the following expression:
Figure 00140002

Wobei Cmax eine maximale Schallgeschwindigkeit ist, die in Flüssigkeit erwartet werden kann, und νmax (=Vmaxcosα,) ein maximaler Strömungsgeschwindigkeits-Messwert ist.Where C max is a maximum sound velocity that can be expected in liquid, and ν max (= V max cosα,) is a maximum flow velocity measurement.

Es ist bei der Auswahl des Amplitudenmodulationssignals fM, das den Ausdruck (6) erfüllt, bevorzugt, dass eine vergleichsweise niedrige Frequenz ausgewählt wird, da Übergangsphänomene stattfinden, wenn sich die an den Ultraschallwandler angelegte Spannung schnell ändert. Es ist erwünscht, dass der Amplitudenmodulationsprozentsatz m 50% nicht übersteigt. Gemäß der Experimente ist ein Amplitudenmodulationsprozentsatz m von 25-30% sehr vernünftig. Der Ultraschall-Dämpfungsfaktor pulsiert mit der niedrigeren Frequenz fP, dessen Änderungsverhältnis im Allgemeinen etwa 50% beträgt. Wenn m > 50% ist, ist folglich zu befürchten, dass die amplitudenmodulierte Welle abgeschnitten wird. Unter der Annahme, dass beispielsweise L = 10 m, α = 45°, Cmax = 1500 m/s, fC = 500 kHz ist, gilt fp << 1507 ≤ fM ≤ 25·103 Hz. Somit kann fM aus dem Bereich von 10 bis 20 kHz ausgewählt werden. In Anbetracht der Übergangsphänomene der Ultraschallwelle ist es nicht erforderlich, die höhere Frequenz des Amplitudenmodulationssignals fM auszuwählen.When selecting the amplitude modulation signal f M that satisfies expression (6), it is preferable that a comparatively low frequency is selected because transition phenomena take place when the voltage applied to the ultrasonic transducer changes rapidly. It is desirable that the amplitude modulation percentage m not exceed 50%. According to the experiments, an amplitude modulation percentage m of 25-30% is very reasonable. The ultrasonic damping factor pulsates at the lower frequency f P , the change ratio of which is generally about 50%. Therefore, if m> 50%, there is a fear that the amplitude-modulated wave is cut off. Assuming that, for example, L = 10 m, α = 45 °, C max = 1500 m / s, f C = 500 kHz, f p << 1507 ≤ f M ≤ 25 · 10 3 Hz. Thus f M can be selected from the range from 10 to 20 kHz. In view of the transition phenomena of the ultrasonic wave, it is not necessary to select the higher frequency of the amplitude modulation signal f M.

4 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die Anordnung eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Durchführen eines Verfahrens zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit, wie vorstehend beschrieben, darstellt. 4 FIG. 12 is a schematic block diagram illustrating the arrangement of a system according to an embodiment of the invention for performing a method for measuring a flow rate as described above.

Ultraschallwandler 1 und 2 sind mit einer Wandlerumschalteinrichtung 3 verbunden, damit sie in den Sende- oder Empfangszustand geschaltet werden. Ein Ausgangsverstärker 18 regt den Ultraschallwandler 1 oder 2 an. Ein Empfangsverstärker 19 verstärkt die Signale aus dem Ultraschallwandler 1 oder 2, welcher ein Schmalbandverstärker ist, der die Funktion der automatischen Verstärkungsregelung (AGC) besitzt und nur das Frequenzband eines Amplitudenmodulationssignals verstärkt.ultrasound transducer 1 and 2 are with a converter switching device 3 connected so that they are switched to the transmit or receive state. An output amplifier 18 stimulates the ultrasonic transducer 1 or 2 on. A reception amplifier 19 amplifies the signals from the ultrasonic transducer 1 or 2 , which is a narrow band amplifier that has the function of automatic gain control (AGC) and only amplifies the frequency band of an amplitude modulation signal.

Ein Amplitudenmodulator 17 führt eine Amplitudenmodulation eines Ultraschall-Trägersignals fC durch. Ein Trägeroszillator 13 erzeugt ein Ultraschall-Trägersignal fC. Ein Modulationsoszillator 14 erzeugt ein Modulationssignal fM, das geringer ist als das Trägersignal fC. Hierbei sind sowohl der Trägeroszillator 13 als auch der Modulationsoszillator 14 Sinuswellen-Oszillatoren. Ein Demodulator 20 demoduliert das amplitudenmodulierte Signal, um die Modulationsfrequenz fM zu erfassen. Ein Schmalbandverstärker 21 verstärkt das Modulationssignal fM. Eine Nulldurchgangsschaltung 22 gibt einen Rechteckimpuls aus, wenn eine erste Periode des Ausgangssignals fM aus dem Schmalbandverstärker 21 durch den Nullpunkt geht. Eine Zeitintervall-Messvorrichtung 7 mißt das Zeitintervall zwischen zwei Impulsen. Eine Arithmetik-Logik-Einheit 8 berechnet eine Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis der Ultraschall-Laufzeitdifferenz. Eine Schalteinrichtung 23 läßt das Ausgangssignal mit der Modulationsfrequenz fM aus dem Modulationsoszillator 14 in einem gegebenen Zeitintervall durch diese hindurch. Eine Nulldurchgangsschaltung 15 erzeugt einen Rechteckimpuls, wenn eine erste Periode des Modulationssignals fM durch den Nullpunkt geht. Eine monostabile Kippstufe 16 wird durch die Nulldurchgangsschaltung 15 betätigt, um einen Impuls mit einer gegebenen Länge zu erzeugen.An amplitude modulator 17 carries out an amplitude modulation of an ultrasound carrier signal f C. A carrier oscillator 13 generates an ultrasound carrier signal f C. A modulation oscillator 14 generates a modulation signal f M that is less than the carrier signal f C. Here are both the carrier oscillator 13 as well as the modulation oscillator 14 Sine wave oscillators. A demodulator 20 demodulates the amplitude-modulated signal to detect the modulation frequency f M. A narrow band amplifier 21 amplifies the modulation signal f M. A zero crossing circuit 22 outputs a square wave pulse when a first period of the output signal f M from the narrowband amplifier 21 goes through the zero point. A time interval measuring device 7 measures the time interval between two pulses. An arithmetic logic unit 8th calculates a flow velocity based on the ultrasonic transit time difference. A switching device 23 lets the output signal with the modulation frequency f M from the modulation oscillator 14 through them at a given time interval. A zero crossing circuit 15 generates a square-wave pulse when a first period of the modulation signal f M passes through the zero point. A monostable flip-flop 16 is through the zero crossing circuit 15 actuated to generate a pulse of a given length.

Eine Schalteinrichtung 24 wird durch den Impuls der monostabilen Kippstufe 16 umgeschaltet, um zu ermöglichen, dass das Ausgangssignal des Modulationsoszillators 14 an den Amplitudenmodulator 17 angelegt wird. Eine Schalteinrichtung 25 ermöglicht, dass ein moduliertes Ultraschall-Ausgangssignal an den Demodulator 20 angelegt wird, und wird dann umgeschaltet, um zu ermöglichen, dass das Ausgangssignal aus dem Empfangsverstärker 19 in den Amplitudenmodulator 20 eingegeben wird. Ein Spannungsdämpfungsglied 27 stellt die Ausgangsspannung des Ausgangsverstärkers 18 ein. Eine Schalteinrichtungs-Steuereinheit 26 steuert die Schalteinrichtungen 3 und 23 und 25.A switching device 24 is caused by the impulse of the monostable multivibrator 16 switched to allow the output signal of the modulation oscillator 14 to the amplitude modulator 17 is created. A switching device 25 Allows a modulated ultrasound output signal to be sent to the demodulator 20 is applied, and is then switched to allow the output signal from the receive amplifier 19 into the amplitude modulator 20 is entered. A voltage attenuator 27 sets the output voltage of the output amplifier 18 on. A switching device control unit 26 controls the switching devices 3 and 23 and 25 ,

Der Betrieb des in 4 gezeigten Ultraschall-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystems wird nachstehend mit Bezug auf 3 im einzelnen erläutert.Operation of the in 4 Ultrasonic flow rate measurement system shown below is referenced with reference to 3 explained in detail.

Der Trägeroszillator 13 und der Modulationsoszillator 14 werden zuerst in Schwingungen versetzt, um Sinuswellen mit der Ultraschall-Trägerfrequenz fC bzw. der Modulationsfrequenz fM zu erzeugen, wie in 3, VI und I dargestellt. Wenn ein Messzeitpunkt für die Strömungsgeschwindigkeit erreicht ist, legt die Schalteinrichtungs-Steuereinheit 26 einen Rechteckimpuls mit einer Länge τ1 (siehe 3, II) an die Schalteinrichtung 23 an. Die Schalteinrichtung 23 ermöglicht, dass das Signal mit der Modulationsfrequenz fM aus dem Modulationsoszillator 14 in die Nulldurchgangsschaltung 15 eingegeben wird. Wenn der Betriebspotentialpegel der Nulldurchgangsschaltung 15 auf einen niedrigen Pegel "-" gesetzt wird, dann erzeugt die Nulldurchgangs schaltung 15 einen Rechteckimpuls (siehe 3, III), wenn die erste halbe Periode des Ausgangssignals aus dem Modulationsoszillator 14 durch den Nullpunkt geht (U = 0). Der Rechteckimpuls wird in die monostabile Kippstufe 16 eingegeben und die monostabile Kippstufe 16 erzeugt einen Rechteckimpuls mit einer Länge τ2 (3, IV). Die Schalteinrichtung 24 wird durch den Rechteckimpuls von τ2 umgeschaltet, um zu ermöglichen, dass das Signal mit der Modulationsfrequenz fM aus dem Modulationsoszillator 14 in den Amplitudenmodulator 17 eingegeben wird. Folglich wird das Signal mit der Ultraschall-Trägerfrequenz fC für die Zeit von τ2 amplitudenmoduliert, wie in 3, VI gezeigt. Ebenso soll die Ultraschall-Trägerfrequenz fC immer mit derselben Phase wie die Modulationsfrequenz fM amplitudenmoduliert werden.The carrier oscillator 13 and the modulation oscillator 14 are first vibrated to generate sine waves with the ultrasound carrier frequency f C or the modulation frequency f M , as in 3 , VI and I. When a measuring point in time for the flow velocity is reached, the switching device control unit sets 26 a rectangular pulse with a length τ 1 (see 3 , II) to the switching device 23 on. The switching device 23 enables the signal with the modulation frequency f M from the modulation oscillator 14 into the zero crossing circuit 15 is entered. When the operating potential level of the zero crossing circuit 15 is set to a low level "-", then generates the zero crossing circuit 15 a rectangular pulse (see 3 , III) when the first half period of the output signal from the modulation oscillator 14 goes through the zero point (U = 0). The rectangular pulse turns into the monostable multivibrator 16 entered and the monostable multivibrator 16 generates a rectangular pulse with a length τ 2 ( 3 , IV). The switching device 24 is switched by the square pulse of τ 2 to enable the signal with the modulation frequency f M from the modulation oscillator 14 into the amplitude modulator 17 is entered. Consequently, the signal is amplitude modulated with the ultrasound carrier frequency f C for the time of τ 2 , as in 3 , VI shown. Likewise, the ultrasound carrier frequency f C should always be amplitude modulated with the same phase as the modulation frequency f M.

Das amplitudenmodulierte Signal aus dem Amplitudenmodulator 17 wird durch den Ausgangsverstärker 18 verstärkt und dann an den Ultraschallwandler 1 angelegt. Der Ultraschallwandler 1 überträgt die amplitudenmodulierte Ultraschallwelle durch Flüssigkeit zum Wandler 2.The amplitude modulated signal from the amplitude modulator 17 is through the output amplifier 18 amplified and then to the ultrasonic transducer 1 created. The ultrasonic transducer 1 transmits the amplitude-modulated ultrasound wave through liquid to the transducer 2 ,

Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des Ausgangsverstärkers 18 über das Spannungsdämpfungsglied 27 und die Schalteinrichtung 25 in den Demodulator 20 eingegeben, um das Modulationssignal fM (3, VII) zu erfassen. Der Schmalbandverstärker 21 verstärkt das durch den Demodulator 20 demodulierte Modulationssignal und legt das verstärkte Signal an die Nulldurchgangsschaltung 22 an. Die Nulldurchgangsschaltung 22 erzeugt einen kürzeren Rechteckimpuls (3, VIII) in dem Moment, in dem die erste halbe Periode "-" des Modulationssignals fM durch den Nullpunkt geht. Der kürzere Rechteckimpuls wird in die Zeitintervall-Messvorrichtung 7 eingegeben, um als Startsignal für die Zeitmessung zu wirken.At the same time, the output signal of the output amplifier 18 via the voltage attenuator 27 and the switching device 25 into the demodulator 20 input to the modulation signal f M ( 3 , VII). The narrow band amplifier 21 reinforces this through the demodulator 20 demodulated modulation signal and applies the amplified signal to the zero crossing circuit 22 on. The zero crossing circuit 22 generates a shorter rectangular pulse ( 3 , VIII) at the moment when the first half period "-" of the modulation signal f M passes through the zero point. The shorter rectangular pulse is in the time interval measuring device 7 entered to act as a start signal for time measurement.

Anschließend sperrt die Schalteinrichtung 25 die Eingabe in das Dämpfungsglied 27 und veranlasst, dass das Ausgangssignal aus dem Empfangsverstärker 19 an den Demodulator 20 angelegt wird. Mit anderen Worten, die amplitudenmodulierte Ultraschallwelle, die der Wandler 1 aussendet, läuft durch eine Strecke L, wird vom Wandler 2 empfangen und vom Empfangsverstärker 19 verstärkt. Das Ausgangssignal (3, IX) aus dem Empfangsverstärker 19 wird über den Demodulator 20 und den Verstärker 21 an die Nulldurchgangsschaltung 22 angelegt. Die Nulldurchgangsschaltung 22 erzeugt den kürzeren Rechteckimpuls (3, XI) und legt ihn an die Zeitintervall-Messvorrichtung 7 an, damit er als Stoppsignal für die Zeitmessung wirkt.Then the switching device locks 25 the input into the attenuator 27 and causes the output signal from the receive amplifier 19 to the demodulator 20 is created. In other words, the amplitude-modulated ultrasound wave that the transducer 1 sends out, runs through a distance L, is from the converter 2 received and from the receiving amplifier 19 strengthened. The output signal ( 3 , IX) from the receiving amplifier 19 is about the demodulator 20 and the amplifier 21 to the zero crossing circuit 22 created. The zero crossing circuit 22 generates the shorter rectangular pulse ( 3 , XI) and places it on the time interval measuring device 7 so that it acts as a stop signal for time measurement.

Folglich misst die Zeitintervall-Messvorrichtung 7 das Zeitintervall t1 zwischen dem ersten und dem zweiten Rechteckimpuls aus der Nulldurchgangsschaltung 22. Nach Beendung der Messung des Zeitintervalls t1 wird die Wandlerumschalteinrichtung 3 umgeschaltet, um den Wandler 2 mit dem Ausgangsverstärker 18 zu verbinden. Dann wird die Schalteinrichtung 25 mit dem Dämpfungsglied 27 verbunden und die Schalteinrichtung 23 wird wieder umgeschaltet. Und die nächsten Operationen werden mit denselben Vorgängen wie jenen zum Messen des Zeitintervalls t1 wiederholt. Folglich wird eine Zeit t2 gemessen, bis die amplitudenmodulierte Ultraschallwelle vom Wandler 2 gesendet und vom Wandler 1 empfangen wird.As a result, the time interval measuring device measures 7 the time interval t 1 between the first and the second rectangular pulse from the zero crossing circuit 22 , After the measurement of the time interval t 1 has ended , the converter switching device 3 switched to the converter 2 with the output amplifier 18 connect to. Then the switching device 25 with the attenuator 27 connected and the switching device 23 is switched again. And the next operations are repeated with the same operations as those for measuring the time interval t 1 . Consequently, a time t 2 is measured until the amplitude-modulated ultrasound wave from the transducer 2 sent and from the converter 1 Will be received.

Die Zeitintervalle t1 und t2 werden in die Arithmetik-Logik-Einheit 8 für die Strömungsgeschwindigkeit eingegeben, um die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis des Ausdrucks (3) zu berechnen. Die Arithmetik-Logik-Einheit 8 für die Strömungsgeschwindigkeit gibt ein Signal aus, das der Strömungsgeschwindigkeit V entspricht. Das Ausgangssignal der Strömungsgeschwindigkeit V wird zu einer Arithmetik-Logik-Einheit zur Messung der Durchflussrate (nicht dargestellt) geliefert, wenn das System ein Durchflussraten-Messsystem ist.The time intervals t 1 and t 2 are in the arithmetic logic unit 8th for the flow rate is entered to determine the flow rate based on the expression ( 3 ) to calculate. The arithmetic logic unit 8th for the flow rate outputs a signal that corresponds to the flow rate V. The flow rate output signal V is provided to an arithmetic logic unit for measuring the flow rate (not shown) if the system is a flow rate measuring system.

Zur Messung der Zeitintervalle t1 und t2 werden das amplitudenmodulierte Ausgangssignal, das in den Wandler 1 (oder 2) eingegeben wird, und das Signal, das vom Wandler 2 (oder 1) empfangen wird, mittels des Demodulators und der Nulldurchgangsschaltung sowie die Start- und Stopp-Impulssignale, die in die Zeitintervall-Messvorrichtung 7 eingegeben werden, in einen Rechteckimpuls umgeformt.To measure the time intervals t 1 and t 2 , the amplitude-modulated output signal, which is in the converter 1 (or 2 ) is entered, and the signal from the converter 2 (or 1 ) is received, by means of the demodulator and the zero crossing circuit as well as the start and stop pulse signals, which are in the time interval measuring device 7 entered, converted into a rectangular pulse.

Der Ausdruck (5), der als Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messausdruck gut bekannt ist, hängt vom Quadrat der Schallgeschwindigkeit C2 ab. Im Ausdruck (5) ist Δφ auch eine Phasendifferenz zwischen den Ultraschallwellen, die in und entgegen der Richtung der Strömung übertragen werden. Neben dem Ausdruck (5) kann ein Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messausdruck, der nicht von der Schallgeschwindigkeit C abhängt, hergeleitet werden.Expression (5), which is well known as a phase difference flow rate measurement term, depends on the square of the speed of sound C 2 . In expression (5), Δφ is also a phase difference between rule the ultrasonic waves that are transmitted in and against the direction of the flow. In addition to the expression (5), a phase difference flow velocity measurement expression that does not depend on the speed of sound C can be derived.

Die Phasendifferenz Δψ1 zwischen der gesendeten Ultraschallwelle und der empfangenen Welle nach der Übertragung in die Richtung der Strömung und die Phasendifferenz Δψ2 zwischen dem gesendeten Ultraschallsignal und dem empfangenen Signal nach der Übertragung in eine zur Strömung entgegengesetzten Richtung sind folgendermaßen:

Figure 00190001
wobei ν = Vcosα ist und L ein Abstand zwischen den Ultraschallwandlern ist. Die Differenz zwischen den Kehrwerten der Phasendifferenzen Δψ1 und Δψ2 ist folgendermaßen:
Figure 00190002
The phase difference Δψ 1 between the transmitted ultrasound wave and the received wave after transmission in the direction of the flow and the phase difference Δψ 2 between the transmitted ultrasound signal and the received signal after transmission in an opposite direction to the flow are as follows:
Figure 00190001
where ν = Vcosα and L is a distance between the ultrasonic transducers. The difference between the reciprocal values of the phase differences Δψ 1 and Δψ 2 is as follows:
Figure 00190002

Wobei V folgendermaßen ist:

Figure 00190003
Where V is as follows:
Figure 00190003

Beim Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren ist es nicht notwendig, die Schallgeschwindigkeit separat zu messen, selbst unter der Bedingung, dass sich die Schallgeschwindigkeit signifikant ändert. Aber nur wenn der Messfehler der Phasendifferenzen Δψ1 und Δψ2 klein genug ist, um ignoriert zu werden, könnte die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis des Ausdrucks (9) gemessen werden.With the flow rate measurement method, it is not necessary to measure the speed of sound separately even under the condition that the speed of sound changes significantly. But only if the measurement error of the phase differences Δψ 1 and Δψ 2 is small enough to be ignored, the flow velocity could be measured on the basis of expression (9).

Beispielsweise Δψ1 = 2,0 rad und Δψ2 = 2,2 rad. Unter der Annahme, dass die Phasendifferenzen im Fehlerbereich von 0,5% gemessen werden, sind die gemessenen Phasendifferenzen folgendermaßen: Δψ1' = 2,0(1 + 0,005) = 2,01 Δψ2' = 2,2(1 – 0,005) = 2,189 For example, Δψ 1 = 2.0 rad and Δψ 2 = 2.2 rad. Assuming that the phase differences are measured in the error range of 0.5%, the measured phase differences are as follows: Δψ 1 '= 2.0 (1 + 0.005) = 2.01 Δψ 2 '= 2.2 (1 - 0.005) = 2.189

Es ergibt sich

Figure 00200001
It follows
Figure 00200001

Der tatsächliche Wert ist jedoch folgendermaßen:

Figure 00200002
However, the actual value is as follows:
Figure 00200002

Daher ergibt sich der Fehler wie folgt:

Figure 00200003
Therefore the error results as follows:
Figure 00200003

Das heißt, die Phasendifferenz wurde im Fehlerbereich von 0,5% gemessen, aber der Fehler zwischen den Differenzen der Kehrwerte bezüglich der Phasendifferenzen wurde mehr als 20fach erhöht. Somit würde der Messfehler der Strömungsgeschwindigkeit größer als 10% werden.That is, the phase difference was measured in the error range of 0.5%, but the error between the Differences in reciprocal values the phase differences were increased more than 20 times. Thus the measurement error would be the flow velocity larger than 10% will be.

Um das Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren, das nicht von der Schallgeschwindigkeit C abhängt, durchzuführen, muss die Phasendifferenz sehr genau gemessen werden.To the phase difference flow rate measurement method, that does not depend on the speed of sound C the phase difference can be measured very precisely.

Der Ausdruck (7) ist mit dem folgenden Problem verbunden: Wenn der Abstand L vergrößert wird, die Schallgeschwindigkeit C gesenkt wird und die Ultraschallfrequenz erhöht wird, wird die Phasendifferenz Δψ1,2 mehr als π. Wenn L, C und ν gegeben sind, könnte natürlich die Ultraschallfrequenz f, die es ermöglicht, dass die Phasendifferenz Δ ψ den Messbereich π eines gewöhnlichen Phasendifferenz-Diskriminators nicht überschreitet, ausgewählt werden, aber sie muss weitaus höher sein als ein in Flüssigkeit erzeugtes Rauschfrequenzband.Expression (7) has the following problem: When the distance L is increased, the speed of sound C is decreased and the ultrasonic frequency is increased, the phase difference Δψ 1.2 becomes more than π. If L, C and ν are given, the ultrasonic frequency f, which enables that the phase difference Δ ψ does not exceed the measuring range π of an ordinary phase difference discriminator, but it must be far higher than a noise frequency band generated in liquid.

Unter der Annahme, dass beispielsweise der Innendurchmesser D eines Erdgasrohrs gleich 0,3 m ist, C ≈ 420 m/s, V = 30 m/s, α = 45° und L = 0,425 m ist, ist die Ultraschallfrequenz f, die keine Überschreitung der Phasendifferenz π verursacht, folgendermaßen:

Figure 00210001
Assuming that, for example, the inner diameter D of a natural gas pipe is 0.3 m, C ≈ 420 m / s, V = 30 m / s, α = 45 ° and L = 0.425 m, the ultrasonic frequency is f, which is none Exceeding the phase difference π causes as follows:
Figure 00210001

Ein solches Frequenzband ist in einem Rauschfrequenzband enthalten. Es macht es ferner unmöglich, einen kompakten Wandler herzustellen, der die Schallwelle von 165 Hz überträgt.Such a frequency band is in one Noise frequency band included. It also makes it impossible for one to produce a compact transducer that transmits the sound wave of 165 Hz.

Um aus dem Rauschband herauszukommen, wenn die Ultraschall-Trägerfrequenz fC gleich 40 kHz gewählt wird, ist die Phasendifferenz in den Beispielen folgendermaßen:

Figure 00210002
Hierbei kann 76π durch den gewöhnlichen Phasendifferenz-Diskriminator nicht gemessen werden.In order to get out of the noise band if the ultrasound carrier frequency f C is chosen to be 40 kHz, the phase difference in the examples is as follows:
Figure 00210002
In this case, 76π cannot be measured by the usual phase difference discriminator.

Um diese Probleme zu lösen, zieht die Erfindung eine Ultraschallfrequenz fC als Träger in Betracht, die vom Rauschband weit entfernt ist, und führt auf dieser eine Amplitudenmodulation mit einer Frequenz fM durch, die niedriger ist als die Ultraschallfrequenz fC. Der Ultraschall wird in und entgegen der Richtung der Strömung übertragen und man misst die Phasendifferenzen zwischen dem gesendeten Signal und dem empfangenen Signal folgendermaßen:
Zuerst wird die Amplitudenmodulationsfrequenz fM so gewählt, dass die Phasendifferenzen ΔψM1 und ΔψM2 zwischen der gesendeten Welle eines amplitudenmodulierten Signals und empfangenen und demodulierten Signalen nach der Übertragung in und entgegen der Strömungsrichtung die folgenden Bedingungen erfüllen:

Figure 00220001
wobei π = konst. (1, 2, 3,...); a < 1,0, b < 1,0, Cmax und Cmin maximale und minimale Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeit sind und νmax = Vmaxcosα ist, welches ein maximaler Strömungsgeschwindigkeits-Messbereich ist.To solve these problems, the invention contemplates an ultrasound frequency f C as a carrier far from the noise band and performs on it an amplitude modulation with a frequency f M that is lower than the ultrasound frequency f C. The ultrasound is transmitted in and against the direction of the flow and the phase differences between the transmitted signal and the received signal are measured as follows:
First, the amplitude modulation frequency f M is chosen so that the phase differences Δψ M1 and Δψ M2 between the transmitted wave of an amplitude-modulated signal and received and demodulated signals after transmission in and against the flow direction meet the following conditions:
Figure 00220001
where π = const. (1, 2, 3, ...); a <1.0, b <1.0, C max and C min are maximum and minimum sound velocities in liquid and ν max = V max cosα, which is a maximum flow velocity measuring range.

Wenn nπ bereits bekannt ist, sollen in diesem Fall die Phasendifferenzen ΔψM1 und ΔψM2 nur dann gemessen werden, wenn aπ und bπ gemessen werden, und als nächstes wird nπ hinzuaddiert. Hierbei ist an eine maximale Messgrenze und bπ ist eine niedrigste Messgrenze. Da es instabil ist, wenn a = 1 und b = 0, ist es erwünscht, dass a gleich 0,95 gewählt wird und b gleich 0,2 gewählt wird.In this case, if nπ is already known, the phase differences Δψ M1 and Δψ M2 should only be measured when aπ and bπ are measured, and nπ is added next. Here is a maximum measurement limit and bπ is a lowest measurement limit. Since it is unstable when a = 1 and b = 0, it is desirable that a be chosen to be 0.95 and b to be 0.2.

Das n, das den Ausdruck (10) erfüllt, ist folgendermaßen:
(hergeleitet aus dem Ausdruck (10))

Figure 00230001
wobei n folgendermaßen ist:
Figure 00230002
The n that satisfies expression (10) is as follows:
(derived from expression (10))
Figure 00230001
where n is as follows:
Figure 00230002

Die Modulationsfrequenz fM auf der Basis eines so erhaltenen n ist folgendermaßen:

Figure 00230003
oderThe modulation frequency f M based on an n thus obtained is as follows:
Figure 00230003
or

Figure 00230004
Figure 00230004

Daher wird der Träger fC auf die ausgewählte Modulationsfrequenz fM amplitudenmoduliert und das amplitudenmodulierte Signal wird gesendet/empfangen. Wenn die Phasendifferenzen ΔψM1 und ΔψM2 zwischen den Modulationsfrequenzen fM in dem Bereich eines konstanten Fehlers δM gemessen werden, sind die Berechnungsergebnisse für die Phasendifferenzen ΔψM1 und ΔψM2 folgendermaßen: ΔψM1' = nπ + bπ(1 ± δM) (12-a) ΔψM2' = nπ + aπ(1 ± δM) (12-b)wobei aπ = ΔψMM1 und bπ = ΔψMM2, welche Phasendifferenzen sind, die der Phasendifferenz-Diskriminator messen kann. Das Multiplizieren der Phasendifferenz mit fC/πfM ergibt einen Wert, der die Phasendifferenzen ΔψC1 und ΔψC2 zwischen den Trägern durch π teilt.Therefore, the carrier f C is amplitude modulated to the selected modulation frequency f M and the amplitude modulated signal is transmitted / received. When the phase differences Δψ M1 and Δψ M2 between the modulation frequencies f M are measured in the range of a constant error δ M , the calculation results for the phase differences Δψ M1 and Δψ M2 are as follows: Δψ M1 '= nπ + bπ (1 ± δ M ) (12-a) Δψ M2 '= nπ + aπ (1 ± δ M ) (12-b) where aπ = Δψ MM1 and bπ = Δψ MM2 , which are phase differences that the phase difference discriminator can measure. Multiplying the phase difference by f C / πf M gives a value that divides the phase differences Δψ C1 and Δψ C2 between the carriers by π.

Figure 00240001
Figure 00240001

Wobei β < 1,0, γ < 1,0 ist und m1 und m2 ganze Zahlen (1, 2, 3, 4,...) sind.Where β <1.0, γ <1.0 and m 1 and m 2 are integers (1, 2, 3, 4, ...).

Es wird angemerkt, dass, wenn die Phasendifferenzen ΔψC1 und ΔψC2 wie vorstehend beschrieben gemessen werden, m1π + βπ und m2π + γπ erhältlich sind.It is noted that if the phase differences Δψ C1 and Δψ C2 are measured as described above, m 1 π + βπ and m 2 π + γπ are available.

Die Werte, die der Diskriminator als Phasendifferenz zwischen den Trägern misst, sind folgendermaßen: ΔψCM1' = βπ(1 ± δc) (14-a) ΔψCM2' = γπ(1 ± δC) (14-b) The values that the discriminator measures as the phase difference between the carriers are as follows: Δψ CM1 '= βπ (1 ± δc) (14-a) Δψ CM2 '= γπ (1 ± δ C ) (14-b)

Wenn min und m2π zu den gemessenen Werten addiert werden, ist die Differenz zwischen einer Phase beim Senden der Trägerwelle und der Phase des empfangenen Signals nach der Übertragung in und entgegen der Strömung folgendermaßen: ΔψC1' = miπ + βπ(1 ± δc) (15-a) ΔψC2' = m2π + γπ(1 ± δc) (15-b) If min and m 2 π are added to the measured values, the difference between a phase when the carrier wave is transmitted and the phase of the received signal after transmission in and against the flow is as follows: Δψ C1 '= m i π + βπ (1 ± δc) (15-a) Δψ C2 '= m 2 π + γπ (1 ± δc) (15-b)

Die wie vorstehend erhaltenen Phasendifferenzen ΔψC1' und ΔψC2' werden in den Ausdruck zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eingesetzt, um die Strömungsgeschwindigkeit folgendermaßen zu berechnen:

Figure 00250001
The phase differences Δψ C1 'and Δψ C2 ' obtained as above are used in the expression for measuring the flow velocity in order to calculate the flow velocity as follows:
Figure 00250001

Wenn die Phasendifferenz der Träger nach dem obigen Verfahren gemessen wird, wird der Messfehler gegenüber dem Fehler δC des Phasendifferenz-Diskriminators zehn- oder hundertfach verringert.

Figure 00250002
wobei gilt m1 und m2 >> 1, β und γ < 1,0. Somit sind δΔψC1 und δΔψC2 sehr viel kleine als δC.When the phase difference of the carriers is measured according to the above method, the measurement error is reduced ten or a hundred times compared to the error δ C of the phase difference discriminator.
Figure 00250002
where m 1 and m 2 >> 1, β and γ <1.0. Thus δ ΔψC1 and δ ΔψC2 are much smaller than δ C.

Da wie vorstehend beschrieben gemäß der Erfindung die Phasendifferenz genau gemessen wird, wenn die Ultraschallwelle gesendet und empfangen wird, könnte die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis des Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messausdrucks, der nicht von der Schallgeschwindigkeit abhängt, gemessen werden. Selbst wenn L und V größer sind, C geringer ist und die Phasendifferenz zwischen den Ultraschallwellen π rad weit überschreitet, kann die Strömungsgeschwindigkeit einfach gemessen werden.As described above according to the invention the phase difference is measured accurately when the ultrasonic wave could be sent and received the flow rate based on the phase difference flow rate measurement expression, that does not depend on the speed of sound. Self if L and V are larger, C is lower and the phase difference between the ultrasonic waves far exceeds π rad, can the flow rate just be measured.

Wenn beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit von Erdgas, das in einem Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm strömt, gemessen wird, sowie unter Annahme von Cmin = 420 m/s, Cmax = 450 m/s, L = 0,425 m, Vmaxcosα = 30 m/s, wird in Anbetracht des Rauschens in dem Rohr die Ultraschall-Trägerfrequenz fC 40 kHz gewählt. Unter der Annahme, dass der Messbereich des Phasendifferenz-Diskriminators als 0 – π gewählt wird, gilt bπ = 0,2π, beispielsweise b = 0,2, wenn die Phasendifferenz in dem Bereich minimal wird, und aπ = 0,95π, beispielsweise a = 0,95, wenn die Phasendifferenz in dem Bereich maximal wird. Daher ist die Modulationsfrequenz fM folgendermaßen:

Figure 00260001
For example, if the flow rate of natural gas flowing in a pipe with an inner diameter of 300 mm is measured, and assuming C min = 420 m / s, C max = 450 m / s, L = 0.425 m, V max cosα = 30 m / s, the ultrasonic carrier frequency f C 40 kHz is selected in view of the noise in the tube. Assuming that the measuring range of the phase difference discriminator is chosen as 0 - π, bπ = 0.2π, for example b = 0.2, if the phase difference in the area becomes minimal, and aπ = 0.95π, for example a = 0.95 when the phase difference in the area becomes maximum. Therefore the modulation frequency f M is as follows:
Figure 00260001

Unter der Annahme, dass n als 3 gewählt wird und im Speicher des Systems gespeichert wird, gilt

Figure 00260002
Assuming that n is chosen as 3 and stored in the system memory, the following applies
Figure 00260002

Unter der Annahme, dass fM = 1830 Hz gewählt wird, wird während der Übertragung der mit dem Amplitudenmodulationssignal fM = 1830 Hz amplitudenmodulierten Ultraschallwelle in und entgegen der Strömung das empfangene Signal demoduliert, um das Amplitudenmodulationssignal fM zu erfassen. Wenn die Phasendifferenz zwischen der Phase des Amplitudenmodulationssignals fM der Sendeseite und der Empfangssignalphase gemessen wird, sind die Ergebnisse folgendermaßen: Wenn die Strömungsgeschwindigkeit Vcosα gleich 20 m/s ist und C gleich 450 m/s ist, gilt

Figure 00260003
Assuming that f M = 1830 Hz is selected, during the transmission of the ultrasonic wave amplitude-modulated with the amplitude modulation signal f M = 1830 Hz in and against the flow, the received signal is demodulated in order to detect the amplitude modulation signal f M. When the phase difference between the phase of the amplitude modulation signal f M of the transmission side and the reception signal phase is measured, the results are as follows: If the flow velocity Vcosα is 20 m / s and C is 450 m / s, the following applies
Figure 00260003

Hierbei ist bekannt, dass die Phasendifferenz, die der Diskriminator messen kann, 0,30178π und 0,60893π ist. Unter der Annahme, dass die Phasendifferenzen mit einem Messfehler im Bereich von ±1% gemessen werden, ist die berechnete Phasendifferenz folgendermaßen: ΔψM1' = 3π + 0,30178π(1 + 0,01) = 10,382328 rad ΔψM2' = 3π + 0,60893π(1 – 0,01) = 11,31865 rad It is known that the phase difference that the discriminator can measure is 0.30178π and 0.60893π. Assuming that the phase differences are measured with a measurement error in the range of ± 1%, the calculated phase difference is as follows: Δψ M1 '= 3π + 0.30178π (1 + 0.01) = 10.382328 rad Δψ M2 '= 3π + 0.60893π (1 - 0.01) = 11.31865 rad

Die nächste Prozedur ist folgendermaßen:

Figure 00270001
The next procedure is as follows:
Figure 00270001

Hierbei wird m1 (=72) im Speicher des Systems gespeichert.Here m 1 (= 72) is stored in the system memory.

Figure 00270002
Figure 00270002

Hierbei wird m2 (=78) im Speicher des Systems gespeichert.Here, m 2 (= 78) is stored in the system memory.

Die tatsächliche Phasendifferenz zwischen den Trägern ist folgendermaßen:

Figure 00270003
The actual phase difference between the carriers is as follows:
Figure 00270003

Wobei angemerkt wird, dass m1 (=72) mit dem gespeicherten Wert übereinstimmte und die Phasendifferenz ΔψCM1 zwischen den Trägern, die direkt gemessen werden könnte, gleich 0,17021276 ist.

Figure 00270004
It should be noted that m 1 (= 72) matched the stored value and the phase difference Δψ CM1 between the carriers, which could be measured directly, is 0.17021276.
Figure 00270004

Wobei m2 (=78) mit dem gespeicherten Wert übereinstimmte und die Phasendifferenz ΔψCM2 zwischen den Trägern gleich 0,88372094 ist.Where m 2 (= 78) matched the stored value and the phase difference Δψ CM2 between the carriers is 0.88372094.

Wenn die Phasendifferenzen ΔψCM1 und ΔψCM2 im Fehlerbereich von ±1 % gemessen werden, gilt ΔψCM1' = 0,54 rad, ΔψCM2' = 2,748 rad If the phase differences Δψ CM1 and Δψ CM2 are measured in the error range of ± 1%, the following applies Δψ CM1 '= 0.54 rad, Δψ CM2 '= 2.748 rad

Die Berechnungsergebnisse der Phasendifferenz ΔψC1 und ΔψC2 sind folgendermaßen: ΔψC1' = 72π + 0,54 = 226,73467 rad ΔψC2' = 78π + 2,748 = 247,7922 rad The calculation results of the phase difference Δψ C1 and Δψ C2 are as follows: Δψ C1 '= 72π + 0.54 = 226.73467 rad Δψ C2 '= 78π + 2.748 = 247.7922 rad

Diese Phasendifferenzen werden in den Ausdruck zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eingesetzt, um die Strömungsgeschwindigkeit folgendermaßen zu berechnen:

Figure 00280001
These phase differences are used in the flow rate measurement expression to calculate the flow rate as follows:
Figure 00280001

Die erste Strömungsgeschwindigkeit Vcosα war gleich 20 m/s, aber die tatsächliche gemessene Strömungsgeschwindigkeit wurde 19,95 m/s. Somit betrug der Messfehler etwa -0,15%. Das heißt, die Phasendifferenzen wurden zweimal im Bereich von 1 gemessen. Nichtsdestoweniger wurde der Messfehler der Strömungsgeschwindigkeit folglich um 0,15% verringert.The first flow rate Vcosα was the same 20 m / s, but the actual one measured flow velocity became 19.95 m / s. The measurement error was thus approximately -0.15%. That is, the Phase differences were measured twice in the range of 1. Nonetheless became the measurement error of flow velocity consequently reduced by 0.15%.

Wegen einem solchen Grund einer Fehlerverringerung werden die Messfehler der Phasendifferenz ΔψC1 und ΔψC2 signifikant gesenkt.Because of such a reason of error reduction, the measurement errors of the phase difference Δψ C1 and Δψ C2 are significantly reduced.

Figure 00290001
Figure 00290001

Die Phasendifferenz ΔψCM1 wurde mit δC (=1%) gemessen. Nichtsdestoweniger wurde der Messfehler ΔψC1 mit einen Faktor von m1/β (=72/0,1702 ≈ 423) verringert (mit Bezug auf den Ausdruck 17). Es wird angenommen, dass die Phasendifferenzen ΔψMM1, ΔψMM2, ΔψCM1 und ΔψCM2 mit dem Fehler von 1% aus dem obigen Beispiel gemessen werden, aber eigentlich ist es normal, dass die Phasendifferenz mit dem Fehler von 0,5% gemessen wird.The phase difference Δψ CM1 was measured with δ C (= 1%). Nevertheless, the measurement error Δψ C1 was reduced by a factor of m 1 / β (= 72 / 0.1702 ≈ 423) (with reference to expression 17). It is assumed that the phase differences Δψ MM1 , Δψ MM2 , Δψ CM1 and Δψ CM2 are measured with the error of 1% from the above example, but it is actually normal that the phase difference is measured with the error of 0.5% ,

Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der Erfindung die Strömungsgeschwindigkeit von Gas bei hoher Strömungsgeschwindigkeit und niedriger Schallgeschwindigkeit auf der Basis des Phasendifferenzverfahrens in einem Rohr mit einem größeren Innendurchmesser genau gemessen werden.As described above, according to the invention the flow rate of gas at high flow rates and low speed of sound based on the phase difference method in a tube with a larger inner diameter be measured accurately.

In 5 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die Anordnung eines Systems zum Durchführen eines Verfahrens zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis eines Phasendifferenzverfahrens darstellt, als eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt.In 5 FIG. 11 is a schematic block diagram illustrating the arrangement of a system for performing a method of measuring a flow rate based on a phase difference method as an embodiment of the invention.

Ultraschallwandler 1 und 1' sind ein Ultraschall-Empfangswandler zum Empfangen einer Ultraschallwelle und ein Ultraschallwandler 2 ist ein Ultraschall-Sendewandler zum Senden von Ultraschallwellen in einem breiteren Richtungswinkel. Ein Trägeroszillator 13 und ein Modulationswellen-Oszillator 14 erzeugen eine Ultraschall-Trägerfrequenz fC bzw. eine Amplitudenmodulationsfrequenz fM. Ein Amplitudenmodulator 17 führt eine Amplitudenmodulation einer Ultraschall-Trägerfrequenz fC durch. Ein Ausgangsverstärker 18 regt den Ultraschallwandler 2 an. Empfangsverstärker 19, 19' verstärken jeweils die Signale aus den Ultraschallwandlern 1, 1'. Demodulatoren 20, 20' demodulieren das amplitudenmodulierte Signal, um die Modulationsfrequenz fM zu erfassen. Schmalbandverstärker 21, 21' verstärken die aus dem Demodulator 20, 20' ausgegebenen Signale. Phasendifferenz-Diskriminatoren 28, 28' erfassen die Phasendifferenzen ΔψMM1 und ΔψMM2 zwischen den Amplitudenmodulationswellen fM. Phasendifferenz-Diskriminatoren 31, 31' erfassen die Phasendifferenzen ΔψCM1 und ΔψCM2 zwischen den Trägern fC. Verstärker-Begrenzer 30, 30' verstärken und begrenzen die amplitudenmodulierten Signale auf einen vorbestimmten Pegel. Phasenschieber 29, 29' sind erforderlich zum Veranlassen, dass das Ausgangssignal der Phasendifferenz-Diskriminatoren 28, 28' auf Null eingestellt wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit V Null ist. Eine Arithmetik-Logik-Einheit 32 berechnet die Phasendifferenzen ΔψC1 und ΔψC2 zwischen den Trägern fC und dann die Strömungsgeschwindigkeit gemäß der Erfindung.ultrasound transducer 1 and 1' are an ultrasonic receiving transducer for receiving an ultrasonic wave and an ultrasonic transducer 2 is an ultrasound transducer for transmitting ultrasound waves in a wider direction. A carrier oscillator 13 and a modulation wave oscillator 14 generate an ultrasound carrier frequency f C or an amplitude modulation frequency f M. An amplitude modulator 17 carries out an amplitude modulation of an ultrasound carrier frequency f C. An output amplifier 18 stimulates the ultrasonic transducer 2 on. receiver amplifier 19 . 19 ' each amplify the signals from the ultrasonic transducers 1 . 1' , demodulators 20 . 20 ' demodulate the amplitude-modulated signal to detect the modulation frequency f M. Narrow-band amplifier 21 . 21 ' amplify those from the demodulator 20 . 20 ' issued sig dimensional. Phase difference discriminators 28 . 28 ' detect the phase differences Δψ MM1 and Δψ MM2 between the amplitude modulation waves f M. Phase difference discriminators 31 . 31 ' detect the phase differences Δψ CM1 and Δψ CM2 between the carriers f C. Amplifier-limiter 30 . 30 ' amplify and limit the amplitude modulated signals to a predetermined level. phase shifter 29 . 29 ' are required to cause the output signal to be the phase difference discriminators 28 . 28 ' is set to zero when the flow rate V is zero. An arithmetic logic unit 32 calculates the phase differences Δψ C1 and Δψ C2 between the carriers f C and then the flow rate according to the invention.

Das Ultraschall-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystem wird folgendermaßen betrieben:
Der Amplitudenmodulator 17 führt eine Amplitudenmodulation der durch den Trägeroszillator 13 erzeugten Trägerfrequenz fC auf die Modulationsfrequenz fM, die durch den Modulationsoszillator 14 erzeugt wird, durch. Der Verstärker 18 verstärkt das amplitudenmodulierte Signal und liefert es zum Ultraschall-Sendewandler 2. Wenn der Wandler 2 das amplitudenmodulierte Signal in und entgegen der Strömung überträgt, empfängt der Empfangswandler 1 das in und entgegen der Strömung V übertragene Signal und wandelt es in elektrische Signale um. Das Ausgangssignal aus dem Empfangswandler 1 wird vom Empfangsverstärker 19 im Frequenzband von fC ± fM verstärkt und wird in den Demodulator 20 eingegeben. Am Ausgang des Demodulators 20 wird das Amplitudenmodulationssignal fM erzeugt. Die Signale werden über den Phasenschieber 29 in den Schmalbandverstärker 21 eingegeben. Der Schmalbandverstärker 21 filtert wieder das amplitudenmodulierte Signal und legt es an den Phasendifferenz-Diskriminator 28 mit einer niedrigeren Frequenz fM an. Der Diskriminator 28 erfasst das Signal entsprechend der Phasendifferenz ΔψMM2, die kleiner ist als π, und gibt sein Ausgangssignal in die Arithmetik-Logik-Einheit 32 ein, die die Phasendifferenz und die Strömungsgeschwindigkeit berechnet.The ultrasonic flow velocity measuring system is operated as follows:
The amplitude modulator 17 performs an amplitude modulation by the carrier oscillator 13 generated carrier frequency f C to the modulation frequency f M by the modulation oscillator 14 is generated by. The amplifier 18 amplifies the amplitude-modulated signal and delivers it to the ultrasound transmitter 2 , If the converter 2 the receive transducer receives the amplitude-modulated signal in and against the flow 1 the signal transmitted in and against the flow V and converts it into electrical signals. The output signal from the receive converter 1 is amplified by the reception amplifier 19 in the frequency band of f C ± f M and is in the demodulator 20 entered. At the output of the demodulator 20 the amplitude modulation signal f M is generated. The signals are over the phase shifter 29 into the narrowband amplifier 21 entered. The narrow band amplifier 21 filters the amplitude-modulated signal again and applies it to the phase difference discriminator 28 with a lower frequency f M. The discriminator 28 detects the signal corresponding to the phase difference Δψ MM2 , which is smaller than π, and outputs its output signal to the arithmetic logic unit 32 which calculates the phase difference and the flow velocity.

Die in die Richtung der Strömung übertragene Ultraschallwelle wird vom Empfangswandler 1' empfangen und die Phasendifferenz ΔψMM1 wird durch einen Empfangsverstärker 19', einen Demodulator 20', einen Schmalbandverstärker 21', den Diskriminator 28', wie vorstehend erwähnt, erfasst. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal aus dem Empfangsverstärker 19' durch den Verstärker-Begrenzer 30' auf einen gesättigten Zustand verstärkt und in den Phasendifferenz-Diskriminator 31' eingegeben. Der Phasendifferenz-Diskriminator 31' erzeugt die Signale, die den Phasendifferenzen ΔψC M1 und ΔψCM2 entsprechen, und gibt sie in die Arithmetik-Logik-Einheit 32 ein.The ultrasonic wave transmitted in the direction of the flow is generated by the receiving transducer 1' received and the phase difference Δψ MM1 is by a receiving amplifier 19 ' , a demodulator 20 ' , a narrow band amplifier 21 ' , the discriminator 28 ' as mentioned above. At the same time, the output signal from the receiving amplifier 19 ' through the amplifier limiter 30 ' amplified to a saturated state and in the phase difference discriminator 31 ' entered. The phase difference discriminator 31 ' generates the signals that correspond to the phase differences Δψ C M1 and Δψ CM2 and outputs them to the arithmetic logic unit 32 on.

In die Arithmetik-Logik-Einheit 32 sind die ganzen Zahlen von n, fM, fC, L und cosα im Voraus eingegeben worden. m1 und m2 werden gemäß dem Ausdruck (13) berechnet. Weiterhin werden die Phasendifferenzen ΔψC1 und ΔψC2 der Träger gemäß dem Ausdruck (15) sowie die Strömungsgeschwindigkeit V gemäß dem Ausdruck (16) berechnet. Eine so erhaltene Strömungsgeschwindigkeit kann zur Berechnung der Durchflussrate verwendet werden, wenn sie für einen Durchflussmesser ausgelegt ist.In the arithmetic logic unit 32 the integers of n, f M , f C , L and cosα have been entered in advance. m 1 and m 2 are calculated according to the expression ( 13 ) calculated. Furthermore, the phase differences Δψ C1 and Δψ C2 of the carriers according to the expression ( 15 ) and the flow velocity V are calculated according to expression (16). A flow rate obtained in this way can be used to calculate the flow rate if it is designed for a flow meter.

Es gibt einen Grund dafür, die Schallgeschwindigkeit C auf eine andere Weise zu messen. Wenn beispielsweise ein Durchflussmesser zum Messen einer Volumendurchflussrate installiert ist, um die Massendurchflussrate von Gas zu messen, werden der Gasdruck und die Temperatur separat gemessen. In diesem Fall kann die Schallgeschwindigkeit unter Verwendung der Messergebnisse des Gasdrucks und der Temperatur berechnet werden. Wenn die Flüssigkeitsdurchflussrate manchmal gemessen wird, gibt es einen Grund dafür, dass die Schallgeschwindigkeit C in Flüssigkeit vorher bekannt sein kann, wobei sie sich nicht ändert. In diesem Fall wird die in und entgegen der Strömung übertragene Ultraschallwelle empfangen und die Phasendifferenz ΔφC zwischen den Empfangssignalen wird gemessen, so dass die Strömungsgeschwindigkeit V auf der Basis des Ausdrucks (5) gemessen wird. Wenn ΔφC >> π gilt, wird die Phasendifferenz ΔφC zu diesem Zeitpunkt folgendermaßen gemessen: um am Ultraschallträger fC eine Amplitudenmodulation auf die Modulationsfrequenz fM durchzuführen, wird die Modulationsfrequenz fM folgendermaßen ausgewählt:

Figure 00320001
wobei Cmin die niedrigste Schallgeschwindigkeit ist, die in Flüssigkeit erwartet werden kann.There is a reason to measure the speed of sound C in a different way. For example, if a flow meter for measuring a volume flow rate is installed to measure the mass flow rate of gas, the gas pressure and the temperature are measured separately. In this case, the speed of sound can be calculated using the measurement results of the gas pressure and the temperature. If the liquid flow rate is sometimes measured, there is a reason that the speed of sound C in liquid can be known beforehand, but it does not change. In this case, the ultrasonic wave transmitted in and against the flow is received, and the phase difference Δφ C between the received signals is measured, so that the flow velocity V is measured based on the expression (5). If Δφ C >> π applies, the phase difference Δφ C is measured at this time as follows: In order to carry out an amplitude modulation on the ultrasound carrier f C to the modulation frequency f M , the modulation frequency f M is selected as follows:
Figure 00320001
where C min is the lowest speed of sound that can be expected in liquid.

Die Phasendifferenz ΔφM zwischen den Empfangssignalen von so ausgewählten amplitudenmodulierten Frequenzen überschreitet π in dem maximalen Strömungsgeschwindigkeits-Messwert nicht. Das empfangene amplitudenmodulierte Signal wird demoduliert, so dass die Phasendifferenz ΔφM zwischen den modulierten Frequenzen gemessen wird, und dann wird m durch den folgenden Ausdruck (19) erhalten.

Figure 00320002
wobei a < 1,0 gilt.The phase difference Δφ M between the received signals of amplitude-modulated frequencies selected in this way does not exceed π in the maximum flow velocity measured value. The received amplitude modulated signal is demodulated so that the phase difference Δφ M between the modulated frequencies is measured, and then m is expressed by the following expression ( 19 ) receive.
Figure 00320002
where a <1.0 applies.

Das an im Ausdruck (19) ist ein Teil, der die Phasendifferenz zwischen den Trägern messen können soll. Gleichzeitig wird die Phasendifferenz an zwischen den Trägersignalen gemessen und ΔφC wird durch den folgenden Ausdruck berechnet. ΔφC = mπ + aπ (20) The on in expression (19) is a part that should measure the phase difference between the carriers. At the same time, the phase difference between the carrier signals is measured and Δφ C is calculated by the following expression. Δφ C = mπ + aπ (20)

Als nächstes wird ΔφC in den Ausdruck (5) eingesetzt, um die Strömungsgeschwindigkeit V zu berechnen. Hierbei ist die zu messende Phasendifferenz an. Wenn der absolute Fehler Δaπ bei der Messung von an gleich δaπ·aπ ist (San ist ein relativer Fehler), ist der Messfehler von ΔφC folgendermaßen:

Figure 00320003
Next, Δφ C is used in expression (5) to calculate the flow velocity V. Here, the phase difference to be measured is on. If the absolute error Δaπ in the measurement of an is δ aπ · aπ (San is a relative error), the measurement error of Δφ C is as follows:
Figure 00320003

Daher gilt δΔφC << δπ a und die Genauigkeit der Strömungsgeschwindigkeitsberechnung wird verbessert. Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit ist als schematisches Diagramm in 6 dargestellt.Therefore, δ ΔφC << δ π a applies and the accuracy of the flow velocity calculation is improved. Another embodiment of a method for measuring a flow velocity is shown as a schematic diagram in FIG 6 shown.

Mit Bezug auf 6 beziehen sich die Bezugsziffern mit denselben Zahlen auf dieselben Teile wie jene von 5. Bei der Arithmetik-Logik-Einheit werden die ganzen Zahlen von fM, fC, L und cosα im Voraus in diese eingegeben und die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis der Ausdrücke (18), (19) und (5) berechnet.Regarding 6 The reference numerals with the same numbers refer to the same parts as those of 5 , In the arithmetic logic unit, the integers of f M , f C , L and cosα are input to them in advance and the flow rate based on the expressions ( 18 ), ( 19 ) and ( 5 ) calculated.

Folglich kann die Erfindung eine Amplitudenmodulation einer Ultraschallwelle durchführen und eine Strömungsgeschwindigkeit mit einer höheren Zuverlässigkeit auf der Basis eines Ultraschall-Zeitdifferenzverfahrens in einem größeren Fluss, einem größeren Schleusenkanal oder einem Rohr mit einem größeren Innendurchmesser messen. Die Erfindung stellt auch ein Phasendifferenz-Schallgeschwindigkeitsunabhängiges Messverfahren unter Verwendung eines gewöhnlichen Phasendifferenz-Diskriminators mit einem Phasendifferenz-Messbereich von π bereit. Dabei kann die Phasendifferenz π rad übersteigen.Consequently, the invention can Perform amplitude modulation of an ultrasonic wave and a flow rate with a higher one reliability based on an ultrasound time difference method in one larger river, a larger lock channel or a pipe with a larger inner diameter measure up. The invention also provides a phase difference sound velocity independent measurement method using an ordinary Phase difference discriminator with a phase difference measuring range of π ready. The phase difference can exceed π rad.

Claims (4)

Laufzeit-Meßverfahren zur Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung der Hin- und Rücklaufzeit eines Ultraschallstrahls mit einer Komponente der Ausbreitungsrichtung in Strömungsrichtung, umfassend die folgenden Schritte: Amplitudenmodulieren einer Ultraschallträgerfrequenz fC mit einer Amplitudenmodulationsfrequenz fM, die kleiner ist als die Trägerfrequenz fC; Übertragen des amplitudenmodulierten Signals sowohl in Hin- als auch in Rückrichtung zwischen einem ersten und zweiten Ultraschallwandler; Demodulieren der empfangenen amplitudenmodulierten Signale nach der Übertragung in Hin- und Rückrichtung, um das Amplitudenmodulationssignal fM zu erfassen; Messen der Zeitdifferenz zwischen dem Modulieren der Ultraschallträgerfrequenz fC und dem Erfassen des Amplitudenmodulationssignal fM; und Einsetzen der gemessenen Zeitdifferenzen in einen Zeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Meßausdruck und Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit, wobei die Frequenz fM des Amplitudenmodulationssignals der folgenden Bedingung genügt: fM ≤0,05 fC dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfrequenz fC kontinuierlich abgestrahlt wird; die Zeitdauer τ der Amplitudenmodulation bei jeder Laufzeitmessung mindestens τ = 5/fM beträgt; und wobei die Amplitudenmodulationsfrequenz fM weiterhin den folgenden Bedingungen genügt:
Figure 00340001
wobei fp die maximale Amplitudenänderungsmodulation ist, die durch das zu messende Fluid selbst verursacht wird, Cmax die maximale Schallgeschwindigkeit im Fluid ist, L die Ultraschall-Laufstrecke ist, Vmax eine maximale Strömungsgeschwindigkeit ist, die im Intervall L erwartet werden kann, und α ein Winkel ist, den die Laufstrecke L und die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit bilden.Run-time measuring method for calculating the flow rate using the round-trip transit time of an ultrasonic beam with a component of the propagation direction in the direction of flow, comprising the steps of: amplitude-modulating f an ultrasonic carrier frequency C with an amplitude modulation frequency f M, which is less than the carrier frequency f C; Transmitting the amplitude-modulated signal both in the forward and in the reverse direction between a first and a second ultrasonic transducer; Demodulating the received amplitude-modulated signals after the transmission back and forth to detect the amplitude modulation signal f M ; Measuring the time difference between modulating the ultrasound carrier frequency f C and detecting the amplitude modulation signal f M ; and inserting the measured time differences into a time difference flow rate measurement expression and calculating the flow rate, the frequency f M of the amplitude modulation signal satisfying the following condition: f M ≤0.05 f C, characterized in that the carrier frequency f C is radiated continuously; the time period τ of the amplitude modulation for each transit time measurement is at least τ = 5 / f M ; and wherein the amplitude modulation frequency f M further meets the following conditions:
Figure 00340001
where f p is the maximum amplitude change modulation caused by the fluid to be measured itself, C max is the maximum speed of sound in the fluid, L is the ultrasonic travel distance, V max is a maximum flow rate that can be expected in the interval L, and α is an angle formed by the running distance L and the direction of the flow velocity. Ultraschall-Strömungsgeschwindigkeits-Meßverfahren nach Anspruch 1, wobei: das Verfahren zum Messen einer Zeit, in der die Ultraschallwelle übertragen wird, die folgenden Schritte umfaßt: Eingeben eines Spannungssignals in einen Amplitudenmodulator zur Amplitudenmodulation, wobei das Spannungssignal von 0 V zu einer positiven Spannung erhöht wird, Eingeben der amplitudenmodulierten Ausgangsspannung in einen der Ultraschallwandler, während die Ausgangsspannung abwechselnd in einen Demodulator eingegeben wird, um das Amplitudenmodulationssignal fM zu erfassen, Festlegen des Startzeitpunkt für die Ultraschall-Laufzeitmessung als denjenigen Zeitpunkt, in dem eine erste Periode oder eineinhalb Perioden des Amplitudenmodulationssignals über das Nulldurchgangspotential gehen, Übertragen der amplitudenmodulierten Ultraschallwelle durch das Streckenintervall L und dann Empfang dieser Ultraschallwelle durch den anderen Ultraschallwandler, Demodulieren des empfangenen Signals durch den Demodulator und Erfassen des Amplitudenmodulationssignals fM, Festlegen des Empfangszeitpunkts für die Ultraschall-Laufzeitmessung als den Zeitpunkt, in dem eine erste Periode oder eineinhalb Perioden des Amplitudenmodulationssignals über das Nulldurchgangspotential gehen, und Messen der Ultraschall-Laufzeiten unter Verwendung der Start- und Empfangszeitpunkte der Ultraschall-Laufzeit.The ultrasonic flow rate measuring method according to claim 1, wherein: the method for measuring a time in which the ultrasonic wave is transmitted comprises the steps of: inputting a voltage signal into an amplitude modulator for amplitude modulation, the voltage signal increasing from 0 V to a positive voltage inputting the amplitude-modulated output voltage into one of the ultrasonic transducers, while alternately inputting the output voltage into a demodulator to detect the amplitude modulation signal f M , Determining the start time for the ultrasonic transit time measurement as the point in time in which a first period or one and a half periods of the amplitude modulation signal pass the zero crossing potential, transmitting the amplitude-modulated ultrasonic wave through the path interval L and then receiving this ultrasonic wave by the other ultrasonic transducer, demodulating the received signal by the demodulator and detecting the amplitude modulation signal f M , determining the time of reception for the ultrasonic transit time measurement as the point in time at which a first period or one and a half periods of the amplitude modulation signal exceed the zero crossing potential, and measuring the ultrasonic transit times using the start and receive times of the ultrasonic transit time. Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Meßverfahren zum Senden/Empfangen einer Ultraschallwelle unter einem konstanten Winkel α zur Strömungsgeschwindigkeit in Hin- und Rückrichtung und unter Auswertung der proportional zur Strömungsgeschwindigkeit geänderten Ultraschall-Phasendifferenz, umfassend die folgenden Schritte: Amplitudenmodulieren einer Ultraschallwellenträgerfrequenz fC mit einer Amplitudenmodulationsfrequenz fM, die geringer ist als fC; gekennzeichnet durch – Festlegen der Amplitudenmodulationsfrequenz fM gemäß der Bedingungen:
Figure 00360001
wobei a (< 1,0) ein Faktor zur Auswahl eines maximalen Meßbereichs (aπ)max eines Phasendifferenz-Diskriminators ist, wobei b (< 1,0) ein Faktor zur Auswahl eines maximalen Meßbereichs (bπ)max eines Phasendifferenz-Diskriminators ist, wobei Cmax und Cmin maximale und minimale zu erwartenden Schallgeschwindigkeiten sind, und wobei νmax (= Vmaxcosα) ein maximaler Strömungsgeschwindigkeits-Meßbereich ist – Speichern von n; – Messen der Phasendifferenzen an und bπ in Hin- und Rückrichtung durch einen Phasendifferenz-Diskriminator, – Addieren von nπ zu den Phasendifferenzen an und bπ, um die Phasendifferenzen ΔψM1 und ΔψM2 zu erhalten gemäß: ΔψM1 = nπ + bπ ΔψM2 = nπ + aπ , – Demodulieren des mit der Frequenz fM modulierten, empfangenen Ultraschallsignals nach der Übertragung durch die Strecke L in Hin- und Rückrichtung, um das Signal mit der Amplitudenmodulationsfrequenz fM zu erfassen; – Erhalten der Vielfachen m1 und m2 von π aus den durch Phasendiskriminatoren gemessenen Phasendifferenzen ΔψC1 und ΔψC2 zwischen der Trägerfrequenz fC beim Senden und Empfangen durch den folgenden Ausdruck:
Figure 00360002
wobei β < 1, 0 und γ < 1, 0 gilt, – Speichern von m, und m2, – Bestimmen der Phasendifferenzkomponenten βπ und γπ, – Addieren von m1π und m2π zu den gemessenen Ergebnissen, um die Phasendifferenzen ΔψC1 und ΔψC2 zu berechnen, und – Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis des folgenden Ausdrucks:
Figure 00370001
Phase difference flow velocity measuring method for transmitting / receiving an ultrasonic wave at a constant angle α to the flow velocity in the forward and backward direction and evaluating the ultrasound phase difference changed in proportion to the flow velocity, comprising the following steps: amplitude modulation of an ultrasonic wave carrier frequency f C with an amplitude modulation frequency f M that is less than f C ; characterized by - determining the amplitude modulation frequency f M according to the conditions:
Figure 00360001
where a (<1.0) is a factor for selecting a maximum measuring range (aπ) max of a phase difference discriminator, where b (<1.0) is a factor for selecting a maximum measuring range (bπ) max of a phase difference discriminator, where C max and C min are maximum and minimum sound speeds to be expected, and where ν max (= V max cosα) is a maximum flow velocity measuring range - storing n; Measuring the phase differences an and bπ in the forward and backward direction by means of a phase difference discriminator, adding nπ to the phase differences an and bπ in order to obtain the phase differences Δψ M1 and Δψ M2 according to: Δψ M1 = nπ + bπ Δψ M2 = nπ + aπ, - demodulating said modulated with the frequency f M, the ultrasonic signal received after transmission through the distance L in the return direction to the signal with the amplitude modulation frequency f M to detect; Obtaining the multiples m 1 and m 2 of π from the phase differences Δψ C1 and Δψ C2 measured by phase discriminators between the carrier frequency f C during transmission and reception by the following expression:
Figure 00360002
where β <1, 0 and γ <1, 0 applies, - storing m, and m 2 , - determining the phase difference components βπ and γπ, - adding m 1 π and m 2 π to the measured results by the phase differences Δψ Calculate C1 and Δψ C2 , and - Calculate the flow velocity based on the following expression:
Figure 00370001
 Verfahren zum Messen der Phasendifferenz ΔφC einer Ultraschallwelle, die sich unter einem Winkel α in Hin- oder Rückrichtung zur Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids ausbreitet, wobei unter der Voraussetzung, daß die Schallgeschwindigkeit C separat gemessen wird oder konstant ist, die Strömungsgeschwindigkeit V durch den folgenden Ausdruck berechnet wird:
Figure 00370002
mit den Schritten: – Amplitudenmodulieren einer Ultraschallträgerfrequenz fC mit einer Amplitudenmodulationsfrequenz fM, wobei die Amplitudenmodulationsfrequenz fM durch den folgenden Ausdruck ausgewählt wird:
Figure 00370003
mit: L = Länge der Ultraschallmeßstrecke, Cmin = minimal mögliche Schallgeschwindigkeit, Vmax = maximal mögliche Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, α = Winkel zwischen der Meßstrecke und der Strömungsgeschwindigkeit; – Übertragen der amplitudenmodulierten Signale in Hin- und Rückrichtung; – Demodulieren von mindestens zwei empfangenen Signalen nach der Übertragung, – Messen einer Phasendifferenz ΔφM (< n) der Modulationsfrequenz zwischen dem hin- und rückgesendeten Signal und – Erhalten des Vielfachen m von mπ der Phasendifferenz ΔφC der Trägerfrequenz abzüglich an, durch den folgenden Ausdruck:
Figure 00370004
– Messen der Phasendifferenz an zwischen den empfangenen Ultraschallsignalen fC gleichzeitig durch den Phasendiskriminator, – Addieren von mπ zu aπ, um ΔφC zu erhalten, und – Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit V gemäß obigem Ausdruck.A method of measuring the phase difference Δφ C of an ultrasonic wave that propagates at an angle α in the back or forth direction to the flow velocity of a fluid, provided that the speed of sound C is measured separately or is constant, the flow velocity V by the following expression is calculated:
Figure 00370002
comprising the steps of: - amplitude-modulating an ultrasonic carrier frequency f C with an amplitude modulation frequency f M, wherein the amplitude modulation frequency f M is selected by the following expression:
Figure 00370003
with: L = length of the ultrasonic measuring section, C min = minimum possible speed of sound, V max = maximum possible flow speed of the fluid, α = angle between the measuring section and the flow speed; - Transmission of the amplitude-modulated signals in the forward and backward direction; - Demodulating at least two received signals after the transmission, - Measuring a phase difference Δφ M (<n) of the modulation frequency between the sent and returned signal and - Obtaining the multiple m of mπ the phase difference Δφ C of the carrier frequency minus an, by the following Expression:
Figure 00370004
Measuring the phase difference between the received ultrasonic signals f C simultaneously by the phase discriminator, adding mπ to aπ to obtain Δφ C , and calculating the flow velocity V according to the above expression.
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