DE202016008520U1

DE202016008520U1 - Ultraschall-Signallaufzeit-Durchflussmesser mit verbesserter Strahlformung

Info

Publication number: DE202016008520U1
Application number: DE202016008520.5U
Authority: DE
Original assignee: GWF MessSysteme AG
Current assignee: GWF MessSysteme AG
Priority date: 2016-01-18
Filing date: 2016-01-18
Publication date: 2018-04-03
Anticipated expiration: 2026-01-19

Abstract

Eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Leitung mit einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser, aufweisend- einen ersten Anschluss zum Verbinden eines ersten Ultraschallelements,- einen zweiten Anschluss zum Verbinden eines zweiten Ultraschallelements,- einen dritten Anschluss zum Verbinden eines dritten Ultraschallelements,- eine Sendeeinheit zum Senden von Impulssignalen und zum Senden von Messsignalen,- eine Empfangseinheit zum Empfangen von Antwortsignalen,- eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines ersten Messsignals aus einem ersten invertierten Signal, zum Ableiten eines zweiten Messsignals aus einem zweiten invertierten Signal und zum Speichern des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals,wobei das Ableiten des ersten invertierten Signals und des zweiten invertierten Signals ein Zeit-Umkehren eines Signalabschnitts eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals beinhaltet,und wobei die Verarbeitungseinheit, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit betreibbar sindzum Anlegen des ersten Messsignals an den ersten Anschluss, undzum Empfangen eines ersten Antwortsignals des ersten Messsignals an dem zweiten Anschluss,zum Anlegen eines zweiten Messsignals an den ersten Anschluss,zum Empfangen eines zweiten Antwortsignals des zweiten Messsignals an dem dritten Anschluss,und zum Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus mindestens einem des ersten Antwortsignals und des zweiten Antwortsignals.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft Durchflussmesser und insbesondere Ultraschall-Laufzeit-Durchflussmesser.
Derzeit werden verschiedene Arten von Durchflussmessern verwendet, um einen Volumenstrom eines Fluids, wie z. B. einer Flüssigkeit oder eines Gases, durch ein Rohr zu messen. Ultraschall-Durchflussmesser sind entweder Doppler-Durchflussmesser, die den akustischen Doppler-Effekt nutzen, oder Laufzeit-Durchflussmesser, die manchmal auch als Transmissions-Durchflussmesser bezeichnet werden, die einen Laufzeitunterschied nutzen, der durch die relative Bewegung von Quelle und Medium verursacht wird. Die Laufzeit wird auch als Flugzeit (time of flight) oder Durchgangszeit (transit time) bezeichnet.
Ein Ultraschall-Laufzeit-Durchflussmesser wertet den Laufzeitunterschied von Ultraschallpulsen aus, die sich in und gegen die Strömungsrichtung ausbreiten. Ultraschall-Durchflussmesser werden als Leitungs-Durchflussmesser, auch als intrusive oder Nass-Durchflussmesser bezeichnet, oder als Anklemm-Durchflussmesser, auch als nicht-intrusive Durchflussmesser bekannt, bereitgestellt. Andere Formen von Durchflussmessern beinhalten Venturi-Kanäle, Überlaufschwellen, Radar-Durchflussmesser, Coriolis-Durchflussmesser, Differenzdruck-Durchflussmesser, magnetisch-induktive Durchflussmesser und andere Arten von Durchflussmessern.
Wenn unregelmäßige Strömungsprofile oder offene Kanäle vorhanden sind, kann mehr als ein Ausbreitungsweg erforderlich sein, um die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen. Unter anderem werden Mehrwege-Verfahren in hydrometrischen Standards wie IEC 41 oder EN ISO 6416 beschrieben. Als eine weitere Anwendung werden Ultraschall-Durchflussmesser auch zur Messung von Strömungsprofilen eingesetzt, zum Beispiel mit einem Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser (acoustic Doppler current profiler, ADCP). Der ADCP eignet sich auch zur Messung von Wassergeschwindigkeit und -abfluss in Flüssen und offenen Gewässern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Beschreibung, einen verbesserten Laufzeit-Durchflussmesser und ein entsprechendes computerimplementiertes Verfahren zum Messen einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit oder eines Strömungsprofils eines Fluids im Allgemeinen und insbesondere für Flüssigkeiten wie Wasser oder für Gase bereitzustellen.
In einer Strömungsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Beschreibung werden Schallwandler, z.B. in Form von piezoelektrischen Elementen, auch als piezoelektrische Wandler bekannt, verwendet, um ein Testsignal und ein Messsignal zu erzeugen und zu empfangen.
Alternative Schallsender weisen Laser, die eine Metallmembran oder eine andere lichtabsorbierende Oberfläche zu Schwingungen anregen, oder spulenbetriebene Lautsprecher auf. Man kann Druckwellen auch auf andere Weise erzeugen. Die Empfängerseite kann auch durch andere Mittel dargestellt werden, die sich von piezoelektrischen Wandlern unterscheiden, aber Ultraschallwellen erfassen.
Obwohl der Begriff „piezoelektrischer Wandler“ in der vorliegenden Beschreibung häufig verwendet wird, steht er auch für andere Schallwellenwandler, die Ultraschallwellen erzeugen oder erfassen.
Ein Messsignal gemäß der vorliegenden Beschreibung kann durch ein angepasstes Filter modelliert werden. Falls ein Impuls mit scharf ausgebildetem Maximum (bzw. Spitze oder Peak) als ein Sonden- oder Testsignal verwendet wird, ist das empfangene Signal an dem Wandler die Impulsantwort einer Leitung oder eines Kanals des Fluids. Gemäß der vorliegenden Anmeldung wird eine Zeit-invertierte Version der Impulsantwort durch den gleichen Kanal wie ein Messsignal entweder in der umgekehrten Richtung oder in der gleichen Richtung zurückgesendet. Dies ergibt ein Signal mit einem Maximum an dem Ursprung, an dem sich die ursprüngliche Quelle befand, oder ein Signal mit einem Maximum am ursprünglichen Empfänger.
Die Zeit-Inversion kann auf verschiedene Weisen erreicht werden. Falls analoge Mittel zum Aufzeichnen des Antwortsignals verwendet werden, könnte man das aufgezeichnete Antwortsignal in einem Rückwärtsmodus abspielen. Falls digitale Mittel zum Aufzeichnen von Abtastwerten des Antwortsignals verwendet werden, wird die Reihenfolge der aufgezeichneten Abtastwerte umgekehrt, um das invertierte Signal zu erhalten. Dies kann erreicht werden, indem die Werte der Zeitstempel jedes aufgezeichneten Abtastwertes invertiert werden, indem der jeweilige Zeitwert mit (-1) multipliziert wird. Falls die aufgezeichneten Abtastwerte gemäß einer aufsteigenden Reihenfolge der Zeitstempelwerte wiedergegeben werden, werden sie in umgekehrter Reihenfolge abgespielt. Mit anderen Worten ist das invertierte Antwortsignal das aufgezeichnete Antwortsignal, jedoch rückwärts abgespielt.
Ein Ultraschall-Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung liefert eine Fokussiereigenschaft unter Verwendung des oben erwähnten invertierten Signals oder eines ähnlich geformten Signals für einen Ultraschall-Durchflussmesser, um ein Antwortsignal zu bilden, das sowohl räumlich als auch zeitlich konzentriert ist. Dies führt wiederum zu einer höheren Amplitude an einem empfangenden piezoelektrischen Element und zu einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis.
Mit einem Ultraschall-Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung können Fokussierungs- und Strahlformungseigenschaften unter sehr allgemeinen Bedingungen erhalten werden. Beispielsweise wird eine Fokussiereigenschaft auch dann erhalten, wenn nur ein Ultraschallsender erregt wird und auch wenn das invertierte Signal auf ein Signal reduziert ist, das im Amplitudenbereich lediglich grob digitalisiert ist, falls die zeitliche Auflösung des invertierten Signals ausreichend ist. Ferner kann ein Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung mit Anklemmwandlern verwendet werden, die einfach an einem Rohr anzuordnen sind und keine Änderungen des Rohrs erfordern.
In einem Ultraschall-Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung können technische Merkmale, die eine gute Kopplung und Ausrichtung von Anklemmwandlern gewährleisten und die Streuung verringern, nicht erforderlich sein oder er kann im Gegenteil die Strahlformungseigenschaft sogar verbessern, um sie wegzulassen. Um eine erhöhte Streuung bereitzustellen, kann ein Kopplungsmaterial ausgewählt werden, das an einen Brechungsindex der Flüssigkeit angepasst ist, oder Wandler und Wandlerkopplungen können verwendet werden, die mehr Scherwellen bereitstellen.
Vorzugsweise liegt die Frequenz von Schallwellen, die in einem Durchflussmesser gemäß der Beschreibung verwendet werden, zwischen > 20 kHz und 2 MHz, was einer Schwingungsdauer von 0,5 Mikrosekunden (µs) entspricht, sie kann aber sogar 800 MHz betragen. In vielen Fällen arbeiten Ultraschall-Durchflussmesser weit über der Hörschwelle mit Frequenzen von mehreren hundert kHz oder höher. Die Frequenz von Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmessern liegt typischerweise im kHz- oder im MHz-Bereich.
Gemäß einem Aspekt offenbart die vorliegende Beschreibung ein computerimplementiertes Verfahren zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung oder einem Fluidkanal, insbesondere in einem Rohr oder einer Röhre, unter Verwendung eines Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmessers. In einer bevorzugten Ausführungsform bezieht sich „computerimplementiert“ auf eine Ausführung auf kleinen elektronischen Komponenten wie Mikroprozessoren, ASICs, FPGAs und dergleichen, die in tragbaren oder kompakten stationären digitalen Signalverarbeitungsgeräten verwendet werden können, die im Allgemeinen kleiner sind als Workstations oder Mainframe-Computer und die an einer erforderlichen Stelle entlang einer Fluidleitung platziert werden können.
Im Folgenden werden die Begriffe „Kanal“, „Leitung“, „Durchgang“ usw. als Synonyme verwendet. Der Gegenstand der Anmeldung kann auf alle Arten von Leitungen für Fluide angewendet werden, unabhängig von ihrer jeweiligen Form und unabhängig davon, ob sie offen oder geschlossen sind. Der Gegenstand der Anmeldung kann auch auf alle Arten von Fluiden oder Gasen angewendet werden, seien es Gase oder Flüssigkeiten oder eine Mischung aus beidem.
In der gesamten Anmeldung wird häufig der Begriff „Computer“ verwendet. Obwohl ein Computer Geräte wie einen Laptop oder einen Desktop-Computer umfasst, kann die Signalübertragung und der Signalempfang auch von Mikrocontrollern, ASICs, FPGAs usw. durchgeführt werden.
Weiterhin kann eine Verbindungslinie zwischen den Wandlern in Bezug auf ein Zentrum der Fluidleitung versetzt sein, um eine Strömungsgeschwindigkeit in einer vorbestimmten Schicht zu erhalten und es kann mehr als ein Paar von Wandlern geben. Des Weiteren kann das Messsignal von mehr als einem Wandler bereitgestellt werden und/oder das Antwortsignal auf das Messsignal kann von mehr als einem Wandler gemessen werden.
Eine Signalenergie E eines Signals s(t) in einem Zeitintervall kann durch den Ausdruck $E = \int_{T_{1}}^{T_{2}} d t {| s (t) |}^{2}$
oder seine diskrete Version $E = \sum_{1 = m}^{n} {| s (i) |}^{2}$
definiert sein, wobei das Zeitintervall durch [T1, T2] bzw. [m*Δt, n*Δt] gegeben ist.
Der vordere Abschnitt des Messsignals kann signifikant zur Erzeugung eines Signals beitragen, das räumlich und zeitlich ein Maximum besitzt.
In einigen spezifischen Ausführungsformen kann das Messsignal oder das Antwortsignal durch ein amplitudenmoduliertes Schwingungssignal bereitgestellt werden, das in Bezug auf die Amplitude digitalisiert ist, z.B. mit einer Auflösung zwischen 1 und 12 Bit. Dies kann Vorteile in Bezug auf die Berechnungsgeschwindigkeit und den Speicherplatz bieten und kann sogar zu einem erhöhten Signalmaximum führen. Insbesondere sind die Daten, die in den Figuren der vorliegenden Beschreibung gezeigt sind, mit einer 12-Bit-Auflösung erhalten worden, mit Ausnahme der 30 - 35, die mit einer gröberen Auflösung als 12 Bit erhalten wurden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Messsignal, das an einen Wandler angelegt wird, ein Schwingungssignal aufweisen, das gemäß einer 0-1-Modulation moduliert ist, die entweder eine vorbestimmte Amplitude oder keine Amplitude oder mit anderen Worten eine Nullamplitude bereitstellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser offenbart. Die Vorrichtung weist einen ersten Anschluss zum Verbinden eines ersten piezoelektrischen Elements, einen zweiten Anschluss zum Verbinden eines zweiten piezoelektrischen Elements, einen optionalen Digital-Analog-Wandler (DAC), der mit dem ersten Anschluss verbunden ist, und einen optionalen Analog-Digital-Wandler (ADC), der mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, auf.
Ferner weist die Vorrichtung einen computerlesbaren Speicher, einen elektronischen Zeitgeber oder Oszillator, eine Sendeeinheit zum Senden eines Impulssignals an den ersten Anschluss und eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals auf das Impulssignal von dem zweiten Anschluss auf.
Die Begriffe Geschwindigkeit der Strömung, Strömungsgeschwindigkeit (flow velocity) und Strömungsgeschwindigkeit (flow speed) werden in der vorliegenden Anmeldung als Synonyme verwendet.
Während das Gerät als analoges Gerät ohne A/D- und D/A-Wandler und ohne eine computerlesbare Speichereinheit bereitgestellt werden kann, ist es auch möglich, das Gerät oder Teile davon durch ein digitales Computersystem bereitzustellen.
Insbesondere können die verschiedenen Signalverarbeitungseinheiten, wie die Geschwindigkeitsverarbeitungseinheit, die Auswahleinheit und die Invertierungseinheit, vollständig oder teilweise durch eine anwendungsspezifische elektronische Komponente oder durch einen Programmspeicher mit einem computerlesbaren Befehlssatz bereitgestellt werden. In ähnlicher Weise können der Messsignalgenerator und ein Impulssignalgenerator der Sendeeinheit vollständig oder teilweise durch eine anwendungsspezifische elektronische Komponente bereitgestellt werden, die einen computerlesbaren Befehlssatz aufweisen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung einen direkten digitalen Signalsynthesizer (DDS) auf, der den oben erwähnten ADC aufweist. Der DDS weist ein Frequenzsteuerregister, einen Referenzoszillator, einen numerisch gesteuerten Oszillator und ein Rekonstruktionstiefpassfilter auf. Darüber hinaus ist der ADC über das Rekonstruktionstiefpassfilter mit dem ersten und dem zweiten Anschluss verbindbar.
Ferner offenbart die vorliegende Beschreibung eine Durchflussmessvorrichtung mit einem ersten piezoelektrischen Wandler, der mit dem ersten Anschluss verbunden ist, und mit einem zweiten Ultraschallwandler, wie beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler, der mit dem zweiten Anschluss verbunden ist. Insbesondere können die Ultraschallwandler, wie beispielsweise piezoelektrische Wandler, mit Befestigungsbereichen versehen sein, wie zum Beispiel einem Klemmmechanismus, um sie an einem Rohr zu befestigen.
Die vorliegende Beschreibung offenbart weiterhin eine Durchflussmessvorrichtung mit einem Rohrabschnitt. Der erste Ultraschallwandler, wie beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler, ist an dem Rohrabschnitt an einer ersten Stelle angebracht, und der zweite Ultraschallwandler, wie beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler, ist an dem Rohrabschnitt an einer zweiten Stelle angebracht. Insbesondere können die Wandler an dem Rohrabschnitt festgeklemmt sein. Wenn die Vorrichtung mit einem Rohrabschnitt versehen ist, kann dies Vorteile bringen, wenn die Vorrichtung in Bezug auf den Rohrabschnitt vorkalibriert ist.
Die Vorrichtung kann kompakt und tragbar sein. Eine tragbare Vorrichtung gemäß der vorliegenden Beschreibung, die mit oberflächenmontierbaren Wandlern, wie z.B. Anklemmwandlern, ausgestattet ist, kann verwendet werden, um ein Rohr an jeder zugänglichen Stelle zu prüfen. Im Allgemeinen kann die Vorrichtung stationär oder tragbar sein. Vorzugsweise ist die Vorrichtung ausreichend kompakt, um an einer erforderlichen Stelle platziert zu werden, und ausreichend geschützt gegen Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit, Hitze und korrosive Substanzen.
Darüber hinaus offenbart die vorliegende Beschreibung einen computerlesbaren Code zum Ausführen eines Durchflussmessverfahrens gemäß der vorliegenden Beschreibung, einen computerlesbaren Speicher, der den computerlesbaren Code aufweist, und eine anwendungsspezifische elektronische Komponente, die betreibbar ist, um die Verfahrensschritte eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Beschreibung auszuführen.
Insbesondere kann die anwendungsspezifische elektronische Komponente durch eine elektronische Komponente bereitgestellt sein, die den oben erwähnten computerlesbaren Speicher aufweist, wie beispielsweise ein EPROM, ein EEPROM, einen Flash-Speicher oder dergleichen. Gemäß anderen Ausführungsformen wird die anwendungsspezifische elektronische Komponente durch eine Komponente mit einer festverdrahteten oder mit einer konfigurierbaren Schaltungsanordnung wie einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (application specific integrated circuit, ASIC) oder einer feldprogrammierbaren Gate-Anordnung (field programmable gate array, FPGA) bereitgestellt.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine anwendungsspezifische elektronische Komponente gemäß der vorliegenden Beschreibung durch mehrere miteinander verbundenen elektronischen Komponenten bereitgestellt, beispielsweise durch ein FPGA, das mit einem geeignet programmierten EPROM in einer Multichipanordnung verbunden ist. Weitere Beispiele für eine anwendungsspezifische elektronische Komponente sind programmierbare integrierte Schaltungen wie programmierbare logische Anordnungen (Programmable Logic Arrays, PLAs) und komplexe programmierbare Logikanordnungen (Complex Programmable Logic Devices, CPLDs).
Es ist hilfreich zu bestimmen, ob eine handelsübliche Testvorrichtung eine Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung gemäß der vorliegenden Anwendung misst. Zu diesem Zweck stellt man der Fluidleitung ein Fluid zur Verfügung, das eine vorbestimmte Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt. Ein Testimpulssignal wird an einen ersten Ultraschallwandler, wie beispielsweise einen piezoelektrischen Wandler, der Testvorrichtung angelegt, wobei der erste piezoelektrische Wandler an einer ersten Stelle an der Fluidleitung angebracht ist, gefolgt von einem Empfangen eines Testantwortsignals des Testimpulssignals an einem zweiten piezoelektrischen Wandler der Testvorrichtung, wobei der zweite Ultraschallwandler, wie beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler, an der Fluidleitung an einer zweiten Stelle angebracht ist.
Ferner offenbart die vorliegende Beschreibung ein computerimplementiertes Verfahren zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung unter Verwendung von vorbestimmten Messsignalen in einer Anordnung mit drei oder mehr Ultraschallwandlern. Die vorbestimmten Signale beinhalten ein erstes Messsignal und ein zweites Messsignal.
Eine Fluidleitung wird mit einem Fluid bereitgestellt, das eine vorbestimmte Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt. Des Weiteren wird die Fluidleitung mit einem ersten Ultraschallwandler, einem zweiten Ultraschallwandler und einem dritten Ultraschallwandler bereitgestellt. Insbesondere können der zweite Wandler und der dritte Wandler in Bezug auf den ersten Wandler und in Bezug auf eine Längsrichtung der Leitung beabstandet angeordnet sein.
Die Wandler sind derart angeordnet, dass jeweilige Verbindungslinien zwischen dem ersten Ultraschallwandler, dem zweiten Ultraschallwandler und dem dritten Ultraschallwandler außerhalb einer Symmetrieachse der Fluidleitung verlaufen. Insbesondere kann die Verbindungslinie um 5% oder mehr oder um 10% oder mehr in Bezug auf einen mittleren Durchmesser der Leitung oder in Bezug auf einen mittleren Radius der Leitung versetzt sein.
Zum Beispiel kann ein mittlerer Radius der Leitung in Bezug auf einen Bezugspunkt auf der Symmetrieachse definiert werden als $\frac{1}{2 π} \int_{0}^{2 π} | r | d φ$
oder als $\sqrt{\frac{1}{2 π} \int_{0}^{2 π} r^{2} d φ}$
usw.
Ein erstes vorbestimmtes Messsignal wird an den ersten Ultraschallwandler angelegt und ein erstes Antwortsignal des ersten vorbestimmten Messsignals, das an dem zweiten Ultraschallwandler empfangen wird, wird gemessen, beispielsweise durch Detektieren einer von dem zweiten Ultraschallwandler abgegebenen Spannung.
Ebenso wird ein zweites vorbestimmtes Messsignal an den ersten Ultraschallwandler angelegt und ein zweites Antwortsignal des zweiten vorbestimmten Messsignals, das an dem dritten Ultraschallwandler empfangen wird, wird gemessen.
Das erste vorbestimmte Messsignal und das zweite vorbestimmte Messsignal beinhalten jeweils einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals.
Insbesondere kann das jeweilige Messsignal aus einem Impulssignal erzeugt werden, das zwischen dem gleichen Wandlerpaar gesendet wird wie das Messsignal. Die Erzeugung des Messsignals kann durch eine tatsächliche Messung, durch eine Simulation oder durch eine Kombination von beiden erfolgen.
Das Messsignal kann in der gleichen Richtung oder in der umgekehrten Richtung gesendet werden wie das Impulssignal, aus dem es erzeugt wird. Insbesondere falls sich das Fluid in Bezug auf die Leitung während des Kalibrierungsprozesses bewegt, durch den das Messsignal aus dem Impulssignal erzeugt wird, kann es aus Stabilitätsgründen vorteilhaft sein, das Messsignal in der gleichen Richtung wie das Impulssignal zu senden.
Mit anderen Worten kann in einer Messphase die Reihenfolge von Sendewandler und Empfangswandler die gleiche sein wie in einer vorhergehenden Kalibrierphase zum Erzeugen des Messsignals oder alternativ kann sie umgekehrt werden, indem der zuvor sendende Wandler als Empfangswandler verwendet wird und der zuvor empfangende Wandler als Sendewandler.
Im Allgemeinen ist das erste Messsignal an einen Übertragungskanal oder -pfad angepasst, der sich von einem Übertragungskanal des zweiten Messsignals unterscheidet. Dadurch unterscheiden sich das erste Messsignal und das zweite Messsignal im Allgemeinen voneinander. Ferner ist ein Messsignal, das durch Senden eines Impulssignals von einem ersten Wandler zu einem zweiten Wandler erhalten wird, im Allgemeinen verschieden von einem Messsignal, das durch Senden des Impulssignals in der umgekehrten Richtung von dem zweiten Wandler zu dem ersten Wandler erhalten wird.
Im Allgemeinen umfasst die Signalausbreitung des Drucksignals zwischen dem sendenden und dem empfangenden Wandler nicht nur eine gerade Ausbreitung, sondern kann auch eine oder mehrere Reflexionen an einer Leitungswand und/oder Streuprozesse innerhalb der Rohrwand umfassen.
Insbesondere kann das oben genannte Verfahren in einer Laufzeit-Durchflussmessung (time of flight, TOF) verwendet werden. Für die TOF-Messung werden die Schritte des Anlegens des ersten Messsignals und des Messens eines zugehörigen Antwortsignals und des Anlegens des zweiten Messsignals und des Messens eines zugehörigen Antwortsignals in umgekehrter Richtung wiederholt, um zugehörige erste Rückwärtsrichtungs- und zweite Rückwärtsrichtungs-Antwortsignale zu erhalten.
Wie oben erläutert, bezieht sich das Durchführen der Messung „in umgekehrter Richtung“ auf das Ausführen der Messschritte so, dass die Rollen der jeweiligen Wandler vertauscht sind, oder mit anderen Worten so, dass der zuvor sendende Wandler als ein Empfangswandler verwendet wird und der zuvor empfangende Wandler als ein Sendewandler verwendet wird.
Wenn also eine erste Messung das Senden eines Messsignals in einer Flussrichtung des Fluids beinhaltet in dem Sinne, dass das Messsignal eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Fluidströmung besitzt, beinhaltet die entsprechende Messung „in umgekehrter Richtung“ das Senden des Messsignals gegen die Strömungsrichtung des Fluids.
Das erste Antwortsignal und das zweite Antwortsignal auf das jeweilige erste Messsignal und zweite Messsignal werden verwendet, um eine oder mehrere Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids abzuleiten. Insbesondere kann das erste Antwortsignal verwendet werden, um eine Strömungsgeschwindigkeit in einer Fluidschicht zu bestimmen, die die Verbindungslinie zwischen dem ersten Wandler und dem zweiten Wandler beinhaltet, und das zweite Antwortsignal kann verwendet werden, um eine Strömungsgeschwindigkeit in einer Fluidschicht zu bestimmen, die die Verbindungslinie zwischen dem ersten Wandler und dem dritten Wandler beinhaltet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die für eine Laufzeitmessung geeignet ist, wird ein erstes vorbestimmtes Rückwärtsrichtungs-Messsignal an den zweiten Ultraschallwandler angelegt und ein erstes Rückwärtsrichtungs-Antwortsignal des ersten Rückwärtsrichtungs-Messsignals an dem zweiten Ultraschallwandler wird gemessen.
In ähnlicher Weise wird ein zweites Rückwärtsrichtungs-Messsignal an den dritten Ultraschallwandler angelegt und ein zweites Rückwärtsrichtungs-Antwortsignal des zweiten Messsignals, das an dem ersten Ultraschallwandler empfangen wird, wird gemessen.
Das erste Rückwärtsrichtungs-Messsignal und das zweite Rückwärtsrichtungs-Messsignal beinhalten jeweils einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals. „Zugehöriges Impulssignal“ bezieht sich auf ein Impulssignal, das zwischen demselben Wandlerpaar gesendet wird wie das zugehörige Messsignal.
Eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids wird aus dem ersten Antwortsignal, dem ersten Rückwärtsrichtungs-Antwortsignal, dem zweiten Antwortsignal und/oder dem zweiten Rückwärtsrichtungs-Antwortsignal abgeleitet. Insbesondere können das erste Antwortsignal und das erste Rückwärtsrichtungs-Antwortsignal verwendet werden, um eine Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung eines Laufzeitverfahrens abzuleiten. In ähnlicher Weise können das zweite Antwortsignal und das zweite Rückwärtsrichtungs-Antwortsignal verwendet werden, um eine Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung eines Laufzeitverfahrens abzuleiten.
In einer weiteren Ausführungsform, die auch ein Messsignal verwendet, das von dem zweiten Wandler zu dem dritten Wandler in der oben erwähnten Anordnung von drei Wandlern läuft, weist die Messung weiterhin die folgenden Schritte auf.
Ein drittes Messsignal wird an den zweiten Ultraschallwandler angelegt und ein drittes Antwortsignal des zweiten Messsignals an dem dritten Ultraschallwandler wird gemessen. Ähnlich wie bei den oben genannten Ausführungsformen beinhaltet das dritte vorbestimmte Messsignal einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals.
Mindestens eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids wird aus dem dritten Antwortsignal abgeleitet. Zum Bestimmen der mindestens einen Strömungsgeschwindigkeit können auch das erste Antwortsignal, das erste Rückwärtsrichtungs-Antwortsignal, das zweite Antwortsignal und das zweite Rückwärtsrichtungs-Antwortsignal verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform, die zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit in einer Fluidschicht zwischen dem zweiten Wandler und dem dritten Wandler mittels eines Laufzeitverfahrens geeignet ist, weist das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte auf.
Ein drittes Rückwärtsrichtungs-Messsignal wird an den dritten Ultraschallwandler angelegt und ein drittes Rückwärtsrichtungs-Antwortsignal des dritten Rückwärtsrichtungs-Messsignals, das an dem zweiten Ultraschallwandler empfangen wird, wird gemessen.
Ähnlich zu den oben genannten Ausführungsformen beinhaltet das dritte Rückwärtsrichtungs-Messsignal einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals.
Mindestens eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids wird aus dem dritten Antwortsignal und dem dritten Rückwärtsrichtungs-Antwortsignal abgeleitet. Zum Bestimmen der mindestens einen Strömungsgeschwindigkeit können auch das erste Antwortsignal, das erste Rückwärtsrichtungs-Antwortsignal, das zweite Antwortsignal und das zweite Rückwärtsrichtungs-Antwortsignal verwendet werden.
Gemäß einem weiteren computerimplementierten Verfahren, das zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit in einer Fluidleitung mit einer Anordnung von mindestens zwei Anklemmwandlern geeignet ist, wird die Fluidleitung mit einem Fluid bereitgestellt, das eine vorbestimmte Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt.
Ferner wird die Fluidleitung mit einem ersten Ultraschall-Anklemmwandler und einem zweiten Ultraschall-Anklemmwandler bereitgestellt. Vorzugsweise ist der zweite Ultraschall-Anklemmwandler in Bezug auf den ersten Ultraschall-Anklemmwandler in einer Längsrichtung der Leitung versetzt.
Die Anklemmwandler sind so angeordnet, dass sich eine gerade Verbindungslinie zwischen dem ersten Ultraschall-Anklemmwandler und dem zweiten Ultraschall-Anklemmwandler außerhalb einer Symmetrieachse der Fluidleitung erstreckt. Insbesondere kann die Verbindungslinie in Bezug auf die Symmetrieachse um 5% oder mehr oder um 10% oder mehr relativ zu einem mittleren Durchmesser oder relativ zu einem mittleren Radius der Leitung versetzt sein.
Ein vorbestimmtes Messsignal wird an den ersten Ultraschall-Anklemmwandler angelegt und ein Antwortsignal des Messsignals, das an dem zweiten Ultraschall-Anklemmwandler empfangen wird, wird gemessen.
Ähnlich wie bei der oben genannten Ausführungsform beinhaltet das vorbestimmte Messsignal einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals. Eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids wird aus dem Antwortsignal abgeleitet.
Ähnlich wie bei den oben genannten Ausführungsformen kann die Messphase auch ein Senden von Messsignalen in der umgekehrten Richtung beinhalten. Insbesondere kann das Verfahren ein Anlegen eines vorbestimmten Rückwärtsrichtungs-Messsignals an den zweiten Ultraschall-Anklemmwandler und ein Messen eines Rückwärtsrichtungs-Antwortsignals des Rückwärtsrichtungs-Messsignals an dem zweiten Ultraschall-Anklemmwandler beinhalten.
Ähnlich wie bei der oben erwähnten Ausführungsform beinhaltet das Rückwärtsrichtungs-Messsignal einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals. Eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids wird aus dem Antwortsignal und aus dem Rückwärtsrichtungs-Antwortsignal abgeleitet, insbesondere unter Verwendung eines Laufzeitverfahrens.
Die Messverfahren für die vorgenannte Anordnung von mindestens drei Ultraschallwandlern, die als Nasswandler oder als Anklemmwandler bereitgestellt sein können, gelten in gleicher Weise auch für entsprechende Anordnungen von Anklemmwandlern.
Anklemmwandler können besondere Vorteile im Zusammenhang mit der Konzentration eines akustischen Signals an einer bestimmten Stelle an der Leitung bieten, was auch als „Strahlformung“ bezeichnet wird. Durch Verwendung einer Wechselwirkung mit der Leitung und optional auch mit Kopplungsstücken können die Schallwellen der Anklemmwandler im Vergleich zu Nasswandlern in einem größeren Winkel oder in mehreren Richtungen verteilt werden. Die Kopplungsstücke erlauben es, die Schallwellen in Übereinstimmung mit dem Snelliusschen Gesetz zu leiten, aber sie helfen auch, mehr Moden und Streuungen zu erzeugen.
Eine zeitliche Invertierung gemäß der vorliegenden Beschreibung kann dann dazu verwendet werden, ein Messsignal zu erzeugen, das die verschiedenen Signalkomponenten, die entlang verschiedener Pfade laufen, durch Überlagerung aufaddiert und dadurch zu einer höheren Signalamplitude an einer bestimmten Stelle der Leitung führt, an der ein Empfangswandler angeordnet werden kann.
Die unten erwähnten Modifikationen, die sich auf wiederholte Messungen und einen Digitalisierungsschritt bei der Erzeugung des Messsignals beziehen, können auf alle Anordnungen von Wandlern gemäß der vorliegenden Beschreibung angewendet werden.
In den oben erwähnten Ausführungsformen werden die Schritte des Anlegens eines Impulssignals und des Empfangens eines zugehörigen Antwortsignals mehrere Male wiederholt und eine Mehrzahl von Antwortsignalen wird erhalten. Insbesondere können sich die wiederholten Messungen auf eine gegebene Kombination von zwei Wandlern beziehen. Das jeweilige Messsignal, wie das erste und das zweite Messsignal, wird dann aus einem Mittelwert der empfangenen Antwortsignale abgeleitet.
Insbesondere kann die Ableitung des jeweiligen Messsignals in den oben genannten Ausführungsformen das Digitalisieren des zugehörigen Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals in Bezug auf die Amplitude beinhalten. Gemäß einer Ausführungsform werden Schritte eines Veränderns einer Bitauflösung des jeweiligen Messsignals und eines Messens eines Antwortsignals auf dieses Messsignal wiederholt, bis ein Messsignal gefunden wird, das das Antwortsignal mit der höchsten maximalen Amplitude erzeugt. Das Messsignal mit der zugehörigen Bitauflösung wird dann als Messsignal ausgewählt.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform wird die Bitauflösung des digitalisierten Signals erhöht, um eine Amplitude eines Antwortsignals auf das jeweilige Messsignal, wie beispielsweise das erste und das zweite Messsignal, zu erhöhen. Beispielsweise wird die Bitauflösung in vorbestimmten Schritten erhöht und die Bitauflösung, die das Antwortsignal mit der höchsten Amplitude erzeugt, wird ausgewählt und eine zugehörige Darstellung eines Messsignals wird in einem Computerspeicher gespeichert.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform wird die Bitauflösung des digitalisierten Signals verringert oder reduziert, um eine Amplitude eines Antwortsignals auf das jeweilige Messsignal zu erhöhen. Beispielsweise wird die Bitauflösung in vorbestimmten Schritten verringert, die Bitauflösung, die das Antwortsignal mit der höchsten Amplitude erzeugt, wird ausgewählt und eine zugehörige Darstellung eines Messsignals wird in einem Computerspeicher gespeichert.
Insbesondere kann die Bitauflösung des digitalisierten Signals in Bezug auf die Amplitude als eine niedrige Bitauflösung gewählt werden. Zum Beispiel kann die niedrige Auflösung zwischen einer 1-Bit- und einer 8-Bit-Auflösung liegen oder sie kann zwischen einer 1-Bit-Auflösung und einer 64-Bit-Auflösung liegen.
Gemäß einer bestimmten Ausführungsform wird mindestens eines der Antwortsignale auf die Messsignale zur Bestimmung einer Änderung der Wandstärke der Leitung oder zur Bestimmung von Materialeigenschaften der Leitungswände durch Bestimmung von longitudinalen und transversalen Schallwellencharakteristiken verarbeitet. Zum Beispiel können die Transversal- und Longitudinalwellencharakteristika von entsprechenden Abschnitten des Empfangs- oder Antwortsignals abgeleitet werden, die unterschiedlichen Ankunftszeiten der Schallwellen entsprechen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren eine vorherige Kalibrierung, bei der die jeweiligen Messsignale aus dem Antwortsignal auf ein Impulssignal erzeugt werden. Die Kalibrierung kann in einer Werkseinstellung oder auch während der Ausführung des Verfahrens durchgeführt werden. Die unten erwähnte Kalibrierung kann in gleicher Weise auf alle Kombinationen von Paaren von zwei Wandlern angewendet werden und die Kalibrierung kann lediglich in einer Richtung in Bezug auf ein Paar von Wandlern oder in beiden Richtungen in Bezug auf das Paar von Wandlern ausgeführt werden. Im ersteren Fall wird ein Messsignal für das Paar von Wandlern erhalten und im letzteren Fall werden zwei Messsignale für das Paar von Wandlern erhalten.
Während der Kalibrierungsphase wird die Fluidleitung mit einem Fluid bereitgestellt, das in Bezug auf die Fluidleitung ruhend ist oder das sich mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit relativ zu der Fluidleitung bewegt.
Ein erstes Impulssignal wird an den zweiten Ultraschallwandler angelegt und ein erstes Antwortsignal des ersten Impulssignals wird an dem ersten Ultraschallwandler empfangen.
In ähnlicher Weise wird ein zweites Impulssignal an den dritten Ultraschallwandler angelegt und ein zweites Antwortsignal des mindestens einen Impulssignals wird an dem ersten Ultraschallwandler empfangen.
Das erste Messsignal wird aus dem ersten Antwortsignal abgeleitet und das zweite Messsignal wird aus dem zweiten Antwortsignal abgeleitet.
Das Ableiten der jeweiligen ersten und zweiten Messsignale beinhaltet ein Auswählen eines Signalabschnitts des jeweiligen ersten und zweiten Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals und ein Zeit-Umkehren des Signalabschnitts.
Mit anderen Worten wird ein Abschnitt des ersten Antwortsignals ausgewählt und bezüglich der Zeit invertiert oder umgekehrt und das erste Messsignal wird unter Verwendung des invertierten Signalabschnitts erzeugt. In ähnlicher Weise wird ein Abschnitt des zweiten Antwortsignals ausgewählt und bezüglich der Zeit invertiert oder umgekehrt und das zweite Messsignal wird unter Verwendung des invertierten Signalabschnitts erzeugt.
Das erste vorbestimmte Messsignal und das zweite vorbestimmte Messsignal zur späteren Verwendung. Wie oben erwähnt, kann derselbe Kalibrierungsprozess für jede Kombination von zwei Wandlern verwendet werden.
Im Allgemeinen wird die Kalibrierung auch in umgekehrter Richtung durchgeführt, um Instabilitäten zu vermeiden oder zu kompensieren. Abhängig davon, ob die Kalibrierung unter Nullströmungs- oder Nicht-Nullströmungsbedingungen durchgeführt wird, kann es vorteilhaft sein, die Kalibrierung in beiden Richtungen vorzusehen und jedes der beiden erzeugten Messsignale in beiden Richtungen zu verwenden.
Mit anderen Worten, falls während des Messvorgangs ein erster Wandler der sendende Wandler und ein zweiter Wandler der empfangende Wandler ist, dann kann das Messsignal erzeugt worden sein, indem ein Impulssignal von dem ersten Wandler zu dem zweiten Wandler gesendet wurde oder indem das Impulssignal von dem zweiten Wandler zu dem ersten Wandler gesendet wurde.
Ein ähnlicher Kalibrierungsprozess kann für jedes Paar von zwei Wandlern durchgeführt werden. Insbesondere kann der Kalibrierungsprozess auf ähnliche Weise für jedes Paar von Wandlern der oben erwähnten Drei-Wandler-Anordnung, die einen ersten, zweiten und dritten Wandler aufweist, durchgeführt werden.
In dem speziellen Fall einer Anordnung von zwei oder mehr Anklemmwandlern kann eine Kalibrierung durch die folgenden Schritte ausgeführt werden. Eine Fluidleitung wird mit einem Fluid bereitgestellt. Das Fluid besitzt insbesondere eine vorbestimmte Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung.
Ein Impulssignal wird an dem ersten Ultraschall-Anklemmwandler oder an dem zweiten Ultraschall-Anklemmwandler bereitgestellt. Dann wird ein Antwortsignal des Impulssignals an dem anderen der beiden Ultraschallwandler empfangen und das Messsignal wird aus dem Antwortsignal abgeleitet. In ähnlicher Weise kann das Impulssignal an dem zweiten Ultraschall-Anklemmwandler bereitgestellt werden und das Antwortsignal kann an dem ersten Ultraschall-Anklemmwandler empfangen werden.
Hierbei beinhaltet das Ableiten des Messsignals ein Auswählen eines Signalabschnitts des jeweiligen Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals und ein Zeit-Umkehren des Signalabschnitts. Das Messsignal wird zur späteren Verwendung während eines Messvorgangs gespeichert, insbesondere zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids.
Ein Impulssignal gemäß der vorliegenden Beschreibung kann sich auf ein einzelnes Impulssignal beziehen. Im Allgemeinen bezieht sich ein Impulssignal auf ein Signal, das eine Signalenergie besitzt, die über einen kurzen Zeitraum konzentriert ist. In einer spezifischen Ausführungsform erstreckt sich das Impulssignal nur über einige Schwingungsperioden eines Trägers, wie zum Beispiel 10 - 20 Schwingungsperioden oder weniger.
Insbesondere kann eine Einhüllende des Impulssignals eine rechteckige Form besitzen, jedoch sind auch andere Formen möglich. Beispielsweise kann das Impulssignal einem einmaligen Peak oder einem einzelnen Impuls, einem kurzen rechteckigen Burst oder einer anderen Signalform entsprechen, wie einer dreieckigen Sägezahnform, einer Rechteckwelle, einem Chirp, einer Sinuswelle oder einem vorbestimmter Rausch-Burst, wie einem weißen Rauschen oder einem rosa Rauschen, das auch als 1/f-Rauschen bekannt ist. Das Kalibrierungsverfahren funktioniert mit nahezu jeder Signalform des Impulssignals.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein zugehöriges Antwortsignal mehrfach gesendet und empfangen, wodurch eine Mehrzahl von Antwortsignalen erhalten wird und das jeweilige Messsignal wird aus einem Mittelwert der empfangenen Antwortsignale abgeleitet.
Insbesondere kann das Ableiten des jeweiligen Messsignals ein Digitalisieren des zugehörigen Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals in Bezug auf die Amplitude beinhalten.
Wie weiter oben erwähnt, wird die Bitauflösung des digitalisierten Signals erhöht, um eine Amplitude eines Antwortsignals auf das jeweilige Messsignal zu erhöhen. In einer bestimmten Ausführungsform wird eine Amplitude des Antwortsignals auf das erzeugte Messsignal an einer vorbestimmten Stelle der Leitung für Messsignale gemessen, die unterschiedlichen Bitauflösungen entsprechen. Das Messsignal mit der höchsten Amplitude wird dann ausgewählt und zur späteren Verwendung in einem Speicher abgelegt.
Eine ähnliches Verfahren kann auch durch Verringern der Bitauflösung des digitalisierten Signals bereitgestellt werden, bis ein Antwortsignal des Messsignals erfasst wird, das eine hohe Amplitude aufweist, und das zugehörige Messsignal wird dann zur späteren Verwendung in dem Speicher gespeichert.
Insbesondere kann die Bitauflösung des digitalisierten Signals in Bezug auf die Amplitude als eine niedrige Bitauflösung wie etwa eine Auflösung zwischen 1 und 10 Bit gewählt werden.
Des Weiteren offenbart die vorliegende Beschreibung einen computerlesbaren Programmcode mit computerlesbaren Anweisungen zum Ausführen eines der oben genannten Durchflussmessverfahren. Darüber hinaus offenbart die vorliegende Beschreibung auch einen computerlesbaren Speicher mit dem computerlesbaren Programmcode und einer anwendungsspezifischen elektronischen Komponente, der betreibbar ist, um das oben erwähnte Durchflussmessverfahren auszuführen.
Des Weiteren offenbart die vorliegende Beschreibung eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Leitung mit einer Drei-Wandler-Anordnung. Die Vorrichtung ist betreibbar, um eine Laufzeit- oder Flugzeitdurchflussmessung durchzuführen.
Die Vorrichtung weist einen ersten Anschluss zum Verbinden eines ersten Ultraschallelements, einen zweiten Anschluss zum Verbinden eines zweiten Ultraschallelements und einen dritten Anschluss zum Verbinden eines dritten Ultraschallelements auf.
Ferner weist die Vorrichtung eine Sendeeinheit zum Senden von Impulssignalen und zum Senden von Messsignalen, eine Empfangseinheit zum Empfangen von Antwortsignalen und eine Verarbeitungseinheit auf. Die Sendeeinheit, die Empfangseinheit und die Verarbeitungseinheit sind dazu vorgesehen, ein erstes Messsignal aus einem ersten invertierten Signal abzuleiten, ein zweites Messsignal aus einem zweiten invertierten Signal abzuleiten und das erste Messsignal und das zweite Messsignal zu speichern.
Ähnlich wie bei den oben genannten Ausführungsformen beinhaltet das Ableiten des invertierten Signals ein Zeit-Umkehren eines Signalabschnitts eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals.
Die Verarbeitungseinheit, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sind betreibbar, um das erste vorbestimmte Messsignal an den ersten Anschluss anzulegen und um ein erstes Antwortsignal des ersten Messsignals an dem zweiten Anschluss zu empfangen.
Ferner sind die Verarbeitungseinheit, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit betreibbar, um ein zweites Messsignal an den ersten Anschluss anzulegen und um ein zweites Antwortsignal des zweiten Messsignals an dem dritten Anschluss zu empfangen und um eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluid aus mindestens einem des ersten Antwortsignals und des zweiten Antwortsignals abzuleiten.
Des Weiteren können die Verarbeitungseinheit, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit betreibbar sein, um irgendeines der anderen Mess- und Kalibrierungsverfahren auszuführen, die oben in Bezug auf eine Drei-Wandler-Anordnung von drei Wandlern, die Nasswandler oder Anklemmwandler sein können, beschrieben sind.
Das Anlegen eines Signals kann insbesondere ein Abrufen eines gespeicherten Signals aus einem Computerspeicher beinhalten und ein Erzeugen eines zugehörigen elektrischen Signals beinhalten, das dann im Allgemeinen mittels eines Kabels an den Wandler übertragen wird. Ferner ist die Verarbeitungseinheit betreibbar, um eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem ersten Antwortsignal und/oder dem zweiten Antwortsignal abzuleiten.
Insbesondere können die Anschlüsse, die Sendeeinheit, die Empfangseinheit und die Verarbeitungseinheit durch einen Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser oder einen Teil davon und insbesondere durch einen tragbaren Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser oder einen Teil davon bereitgestellt werden.
In einem weiteren Aspekt offenbart die vorliegende Beschreibung eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Leitung in einer Anordnung mit mindestens zwei Anklemmwandlern.
Die Vorrichtung weist einen ersten Anschluss, einen ersten Ultraschall-Anklemmwandler, der mit dem ersten Anschluss verbunden ist, auf. In ähnlicher Weise weist die Vorrichtung einen zweiten Anschluss und einen zweiten Ultraschall-Anklemmwandler, der mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, auf.
Ferner weist die Vorrichtung einen Abschnitt einer Leitung auf, wobei der erste Ultraschall-Anklemmwandler an dem Leitungsabschnitt an einer ersten Stelle angebracht ist und wobei der zweite Ultraschall-Anklemmwandler an dem Leitungsabschnitt an einer zweiten Stelle angebracht ist.
Die Anklemmwandler sind derart angeordnet, dass jeweilige Verbindungslinien zwischen dem ersten Ultraschallwandler und dem zweiten Ultraschallwandler außerhalb einer Symmetrieachse der Fluidleitung verlaufen.
Ähnlich der vorgenannten Vorrichtung weist die Vorrichtung eine Sendeeinheit zum Senden von Impulssignalen und zum Senden von Messsignalen, eine Empfangseinheit zum Empfangen von Antwortsignalen und eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines Messsignals aus einem invertierten Signal auf.
Ähnlich wie bei den oben genannten Ausführungsformen beinhaltet das invertierte Signal einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals.
Die Verarbeitungseinheit, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sind betreibbar, um das Messsignal an den ersten Anschluss anzulegen, um ein Antwortsignal des ersten (vorbestimmten) Messsignals an dem zweiten Anschluss zu empfangen und um eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem Antwortsignal abzuleiten.
Des Weiteren können die Verarbeitungseinheit, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit der Vorrichtung so betrieben werden, dass sie jedes der anderen Mess- und Kalibrierungsverfahren ausführen können, die oben in Bezug auf eine Anordnung mit einem ersten Anklemmwandler und einem zweiten Anklemmwandler beschrieben wurden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung einen D/A-Wandler, der mit den jeweiligen Anschlüssen verbunden ist, und einen A/D-Wandler, der mit den jeweiligen Anschlüssen verbunden ist, auf. Des Weiteren weist die Vorrichtung einen computerlesbaren Speicher zum Speichern des mindestens einen Messsignals auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung einen direkten digitalen Signalsynthesizer auf, der den ADC, ein Frequenzsteuerregister, einen Referenzoszillator, einen numerisch gesteuerten Oszillator und ein Rekonstruktionstiefpassfilter aufweist. Der ADC ist über den Rekonstruktionstiefpassfilter mit den jeweiligen Anschlüssen verbindbar.
Gemäß einem weiteren Aspekt offenbart die vorliegende Beschreibung ein computerimplementiertes Verfahren zum Bestimmen, ob eine gegebene Testvorrichtung oder ein getestetes Gerät eine Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung gemäß dem oben genannten Messverfahren misst. Das Testverfahren liefert keinen mathematischen Beweis dafür, dass dasselbe Verfahren verwendet wird, jedoch eine Wahrscheinlichkeit, die für praktische Zwecke ausreicht.
Gemäß diesem Verfahren wird die Fluidleitung mit einem Fluid bereitgestellt, das eine vorbestimmte Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt.
Die Fluidleitung wird mit einem ersten Ultraschallwandler und einem zweiten Ultraschallwandler bereitgestellt, die an entsprechenden ersten und zweiten Stellen angebracht sind.
Ein Testimpulssignal wird an den ersten Ultraschallwandler der Testvorrichtung angelegt, und ein Testantwortsignal des Testimpulssignals wird an dem zweiten Ultraschallwandler der Testvorrichtung empfangen.
Ein erstes Testmesssignal wird aus dem ersten Antwortsignal abgeleitet, wobei das Ableiten des ersten Messsignals ein Zeit-Umkehren des jeweiligen ersten oder zweiten Antwortsignals oder eines Teils davon beinhaltet.
Das erste Testmesssignal wird mit einem ersten Messsignal verglichen, das an einem Wandler der Testvorrichtung ausgegeben wird. Es wird bestimmt, dass die Testvorrichtung ein Verfahren zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 verwendet, falls das erste Testmesssignal und das erste Messsignal ähnlich sind.
Insbesondere kann dieses Verfahren für jedes in einem der Ansprüche 1 bis 5 erwähnte Paar von Wandlern durchgeführt werden, und es wird festgestellt, dass das zugehörige Verfahren verwendet wird, falls die erhaltenen Messsignale für jedes derartige Paar von Wandlern ähnlich sind.
Insbesondere kann mit Bezug auf das Verfahren nach Anspruch 1 das zugehörige Testverfahren ferner ein Bereitstellen der Fluidleitung mit einem dritten Ultraschallwandler, ein Anlegen eines Testimpulssignals an den ersten Ultraschallwandler der Testvorrichtung oder an den zweiten Ultraschallwandler der Testvorrichtung, ein Empfangen eines zweiten Testantwortsignals des Testimpulssignals an dem dritten Ultraschallwandler der Testvorrichtung, ein Ableiten eines zweiten Testmesssignals aus dem zweiten Testantwortsignal und ein Vergleichen des zweiten Testmesssignals mit einem zweiten Messsignal, das an einem Wandler der Testvorrichtung ausgegeben wird, beinhalten.
Es wird bestimmt, dass die Testvorrichtung ein Verfahren zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung gemäß Anspruch 1 verwendet, falls das erste Testmesssignal und das erste Messsignal ähnlich sind.
Der Gegenstand der vorliegenden Beschreibung wird nun mit Bezug auf die folgenden Figuren näher erläutert, wobei

1 eine erste Durchflussmesseranordnung mit zwei piezoelektrischen Elementen zeigt,
2 die Durchflussmesseranordnung von 1 zeigt, ein direktes Signal und zwei gestreute Signale,
3 die Durchflussmesseranordnung von 1 in Strömungsrichtung gesehen zeigt,
4 eine zweite Durchflussmesseranordnung mit vier piezoelektrischen Elementen und vier direkten Signalen zeigt,
5 die Durchflussmesseranordnung von 4 in Strömungsrichtung gesehen zeigt,
6 ein schematisches Diagramm eines Testsignals zeigt,
7 ein schematisches Diagramm einer Testsignalantwort zeigt,
8 ein schematisches Diagramm eines invertierten Signals zeigt,
9 ein schematisches Diagramm einer Antwort von dem invertierten Signal zeigt,
10 ein erstes invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
11 eine Antwort des invertierten Signals von 10 zeigt,
12 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
13 eine Antwort des invertierten Signals von 12 zeigt,
14 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
15 eine Antwort des invertierten Signals von 14 zeigt,
16 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
17 eine Antwort des invertierten Signals von 16 zeigt,
18 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
19 eine Antwort des invertierten Signals von 18 zeigt,
20 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
21 eine Antwort des invertierten Signals von 20 zeigt,
22 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
23 eine Antwort des invertierten Signals von 22 zeigt,
24 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
25 eine Antwort des invertierten Signals von 24 zeigt,
26 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
27 eine Antwort des invertierten Signals von 26 zeigt,
28 ein weiteres invertiertes Signal in 12-Bit-Auflösung zeigt,
29 eine Antwort des Signals von 28 zeigt,
30 ein weiteres invertiertes Signal in 3-Bit-Auflösung zeigt,
31 eine Antwort des Signals von 30 zeigt,
32 ein weiteres invertiertes Signal in 2-Bit-Auflösung zeigt,
33 eine Antwort des Signals von 32 zeigt,
34 ein weiteres invertiertes Signal in 1-Bit-Auflösung zeigt,
35 eine Antwort des Signals von 34 zeigt,
36 einen kurzen Impuls an einem piezoelektrischen Element des Durchflussmessers von 1 zeigt,
37 ein Signal eines piezoelektrischen Elements des Durchflussmessers von 1 zeigt, das von der invertierten Antwort des Signals von 36 abgeleitet ist,
38 eine Antwort des Signals von 37 zeigt,
39 eine stromaufwärtige und eine stromabwärtige Kreuzkorrelationsfunktion zeigt,
40 eine ausschnittsweise Vergrößerung von 39 zeigt,
41 ein Antwortsignal eines invertierten Signals für einen Versatz von 12 Grad gegenüber einer gegenüberliegenden Anordnung von piezoelektrischen Elementen zeigt,
42 eine Viele-zu-Einem-Sensoranordnung für eine Durchflussmessung gemäß der vorliegenden Beschreibung zeigt,
43 eine Ein-zu-Vielen-Sensoranordnung für eine Durchflussmessung gemäß der vorliegenden Beschreibung zeigt,
44 eine Ein-zu-Ein-Sensoranordnung für eine Durchflussmessung in einer Schicht gemäß der vorliegenden Beschreibung zeigt,
45 eine Multisensoranordnung zur Durchflussmessung in mehreren Schichten gemäß der vorliegenden Beschreibung zeigt,
46 eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Beschreibung zeigt,
47 einen direkten digitalen Synthesizer zur Verwendung in der Vorrichtung von 46 zeigt,
48 einen longitudinalen Querschnitt einer asymmetrischen Wandleranordnung zeigt,
49 einen transversalen Querschnitt der Anordnung von 49 zeigt,
50 ein Ein-Zyklus-Messsignal einer Laufzeitmessung zeigt,
51 ein Zehn-Zyklus-Messsignal einer Laufzeitmessung zeigt,
52 ein Messsignal zeigt, das aus einem zeitumgekehrten Signal abgeleitet ist,
53 ein Antwortsignal des Signals von 50 zeigt, wobei der Übertragungskanal durch die asymmetrische Anordnung von 48 und 49 bereitgestellt ist,
54 ein Antwortsignal des Signals von 51 für die Anordnung von 48 und 49 zeigt,
55 ein Antwortsignal des Signals von 52 für die Anordnung von 48 und 49 zeigt,
56 ein Verfahren zum Erhalten von Messsignalen, die zwei Signalwegen in einer Anordnung mit drei Wandlern entsprechen, zeigt,
57 eine TOF-Durchflussmessung unter Verwendung der Messsignale, die in dem Verfahren von 56 erhalten wurden, zeigt,
58 zwei verschiedene Anordnungen von zwei Wandlern auf einer Leitung zeigt,
59 Druckverteilungen von Messsignalen, die in der Anordnung von 58 erhalten wurden, zeigt, und
60 ein Beispiel zeigt eines Bestimmens, ob eine Testvorrichtung das gleiche Verfahren einer Durchflussmessung verwendet wie eine Verifikationsvorrichtung.

In der folgenden Beschreibung werden Details bereitgestellt, um die Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung zu beschreiben. Es ist jedoch für einen Fachmann offensichtlich, dass die Ausführungsformen ohne derartige Details ausgeführt werden können.
Einige Teile der Ausführungsformen, die in den Figuren gezeigt sind, besitzen ähnliche Teile. Die ähnlichen Teile besitzen die gleichen Namen oder ähnliche Teilenummern mit einem Strichsymbol oder mit einem alphabetischen Symbol. Die Beschreibung solcher ähnlicher Teile gilt durch Bezugnahme wo zutreffend auch für andere ähnliche Teile, wodurch die Wiederholung von Text verringert wird, ohne die Offenbarung einzuschränken.
1 zeigt eine erste Durchflussmesseranordnung 10. In der Durchflussmesseranordnung ist ein erstes piezoelektrisches Element 11 an einer Außenwand eines Rohrs 12 angeordnet, das auch als eine Rohrleitung 12 bezeichnet wird. Ein zweites piezoelektrisches Element 13 ist an einer entgegengesetzten Seite des Rohrs 12 derart angeordnet, dass eine direkte Linie zwischen dem piezoelektrischen Element 11 und dem stromabwärtigen piezoelektrischen Element 13 unter einem Winkel β zu der Richtung 14 einer mittleren Strömung, die zugleich auch die Richtung der Symmetrieachse des Rohrs 12 ist, ausgerichtet ist. Der Winkel β ist im Beispiel von 1 ungefähr als 45 Grad gewählt, kann aber auch steiler sein, wie zum Beispiel 60 Grad, oder flacher, wie zum Beispiel 30 Grad.
Ein piezoelektrisches Element, wie die piezoelektrischen Elemente 11, 13 von 1, kann im Allgemeinen als ein Schallsender und als ein Schallsensor betrieben werden. Ein Schallsender und ein Schallsensor können durch dasselbe piezoelektrische Element oder durch unterschiedliche Bereiche desselben piezoelektrischen Elements bereitgestellt werden. In diesem Fall wird ein piezoelektrisches Element oder ein Wandler auch als piezoelektrischer Sender bezeichnet, wenn es als Sender oder Schallquelle betrieben wird, und es wird auch als Schallsensor oder Empfänger bezeichnet, wenn es als Schallsensor betrieben wird.
Wenn eine Strömungsrichtung wie in 1 gezeigt ist, wird das erste piezoelektrische Element 11 auch als „stromaufwärtiges“ piezoelektrisches Element bezeichnet und das zweite piezoelektrische Element 13 wird auch als „stromabwärtiges“ piezoelektrisches Element bezeichnet. Ein Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung arbeitet für beide Strömungsrichtungen im Wesentlichen auf die gleiche Weise und die Strömungsrichtung von 1 ist lediglich beispielhaft angegeben.
1 zeigt einen Fluss von elektrischen Signalen von 1 für eine Konfiguration, in der das stromaufwärtige piezoelektrische Element 11 als ein piezoelektrischer Wandler betrieben wird und das stromabwärtige piezoelektrische Element 13 als ein Schallsensor betrieben wird. Um klar zu sein: die Anwendung arbeitet stromaufwärts und stromabwärts, d.h. die Position der piezoelektrischen Elemente kann vertauscht werden.
Eine erste Recheneinheit 15 ist mit dem stromaufwärtigen piezoelektrischen Element 11 verbunden und eine zweite Recheneinheit 16 ist mit dem stromabwärtigen piezoelektrischen Element 13 verbunden. Die erste Recheneinheit 15 weist einen ersten digitalen Signalprozessor, einen ersten Digital-Analog-Wandler (DAC) und einen ersten Analog-Digital-Wandler (ADC) auf. In ähnlicher Weise weist die zweite Recheneinheit 16 einen zweiten digitalen Signalprozessor, einen zweiten Digital-Analog-Wandler (DAC) und einen zweiten Analog-Digital-Wandler (ADC) auf. Die erste Recheneinheit 15 ist mit der zweiten Recheneinheit 16 verbunden.
Die in 1 gezeigte Anordnung mit zwei Recheneinheiten 15, 16 ist nur beispielhaft angegeben. Andere Ausführungsformen können unterschiedliche Anzahlen und Anordnungen von Recheneinheiten besitzen. Beispielsweise kann es nur eine zentrale Recheneinheit geben oder es können zwei AD/DC-Wandler und eine zentrale Recheneinheit vorhanden sein oder es können zwei kleine Recheneinheiten an den Wandlern und eine größere zentrale Recheneinheit vorhanden sein.
Eine Recheneinheit oder Recheneinheiten können beispielsweise durch Mikrocontroller oder anwendungsspezifischen integrierte Schaltungen (ASICs) oder Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) bereitgestellt sein. Insbesondere kann die Synthese eines elektrischen Signals aus einem gespeicherten digitalen Signal durch einen direkten digitalen Synthesizer (DDS), der einen Digital-Analog-Wandler (DA, DAC) aufweist, bereitgestellt werden.
Ein Verfahren zum Erzeugen eines Messsignals gemäß der vorliegenden Beschreibung weist die folgenden Schritte auf.
Ein vorbestimmtes digitales Testsignal wird durch Synthetisieren eines akustischen Signals mit dem digitalen Signalprozessor der ersten Recheneinheit 15 erzeugt. Das digitale Testsignal wird von der ersten Recheneinheit 15 entlang des Signalpfades 17 an den piezoelektrischen Wandler 11 gesendet. Der piezoelektrische Wandler 11 erzeugt ein entsprechendes Ultraschall-Testsignal. Die Einheiten 15 und 16 können auch in einer einzigen Einheit bereitgestellt werden.
Das Testsignal wird als ein kurzer Puls bereitgestellt, beispielsweise durch eine einzelne 1 MHz-Schwingung oder durch 10 solche Schwingungen. Insbesondere kann das Testsignal durch eine kleine Anzahl von Schwingungen mit konstanter Amplitude bereitgestellt werden, wodurch ein rechteckiges Signal approximiert wird. Die Schwingung oder die Schwingungen können eine Sinusform, eine Dreieckform, eine Rechteckform oder auch andere Formen besitzen.
Das Ultraschall-Testsignal läuft durch die Flüssigkeit in der Leitung 12 zu dem piezoelektrischen Sensor 13. In 1 ist ein direkter Signalweg des Ultraschallsignals durch einen Pfeil 18 angedeutet. Ebenso ist ein direkter Signalweg des Ultraschallsignals in umgekehrter Richtung durch einen Pfeil 19 angedeutet. Ein Antwortsignal wird von dem piezoelektrischen Sensor 13 aufgenommen, über den Signalpfad 20 an die zweite Recheneinheit 16 gesendet und von der zweiten Recheneinheit 16 digitalisiert.
In einem weiteren Schritt wird aus dem digitalisierten Antwortsignal ein digitales Messsignal abgeleitet. Das Ableiten der Messung bezieht sich auf eine Zeit-Umkehrung des digitalisierten Antwortsignals. Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst das Ableiten weitere Schritte wie eine Umwandlung in eine reduzierte Auflösung im Amplitudenbereich, eine Bandbreitenfilterung des Signals zur Beseitigung von Rauschen, wie niederfrequentes Rauschen und hochfrequentes Rauschen. Insbesondere kann der Schritt der Bandbreitenfilterung vor dem Schritt des Zeit-Umkehrens des Signals ausgeführt werden.
Die Signalumkehrung kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden, beispielsweise durch Auslesen eines Speicherbereichs in umgekehrter Richtung oder durch Umkehren des Vorzeichens von Sinuskomponenten in einer Fourier-Darstellung.
In einer Ausführungsform wird ein geeigneter Abschnitt des digitalisierten Antwortsignals ausgewählt, der die Antwort von dem direkten Signal enthält. Der Abschnitt des Antwortsignals wird dann in Bezug auf die Zeit umgedreht oder invertiert. Mit anderen Worten werden Signalabschnitte des Antwortsignals, die später empfangen werden, früher in dem invertierten Messsignal ausgesendet. Falls ein Signal beispielsweise durch eine zeitlich geordnete Folge von Amplitudenabtastwerten repräsentiert wird, führt die oben erwähnte Signalinversion dazu, die Reihenfolge der Amplitudenabtastwerte zu invertieren oder umzukehren.
Das resultierende Signal, in dem die Richtung oder das Vorzeichen der Zeit invertiert wurde, wird auch als „invertiertes Signal“ bezeichnet. Der Ausdruck „invertiert“ bezieht sich in diesem Zusammenhang auf eine Inversion bezüglich der Richtung der Zeit und nicht auf eine Inversion in Bezug auf einen Wert, wie den Amplitudenwert.
10 bis 19 zeigen beispielhaft digitale Signale gemäß der vorliegenden Beschreibung.
In einem Durchflussmesser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung wird das gleiche Messsignal für beide Richtungen 18, 19, die stromabwärtige und die stromaufwärtige Richtung, verwendet, was eine einfache und effiziente Anordnung bereitstellt. Gemäß anderen Ausführungsformen werden unterschiedliche Messsignale für beide Richtungen verwendet. Insbesondere kann das Messsignal an den ursprünglichen Empfänger des Testsignals angelegt werden. Derartige Anordnungen können Vorteile für asymmetrische Bedingungen und Rohrformen bieten.
Ein Verfahren zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit durch ein Rohr, das das oben erwähnte invertierte Signal als ein Messsignal verwendet, weist die folgenden Schritte auf.
Das oben erwähnte Messsignal wird von der ersten Recheneinheit 15 entlang des Signalpfades 17 an den piezoelektrischen Wandler 11 gesendet. Der piezoelektrische Wandler 11 erzeugt ein entsprechendes Ultraschallmesssignal. Beispiele für ein solches Messsignal sind in 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 37 und 38 angegeben.
Das Ultraschallmesssignal läuft durch die Flüssigkeit in dem Rohr 12 zu dem piezoelektrischen Sensor 13. Ein Antwortsignal wird von dem piezoelektrischen Sensor 13 aufgenommen, über den Signalpfad 20 an die zweite Recheneinheit 16 gesendet und von der zweiten Recheneinheit 16 digitalisiert.
Die zweite Recheneinheit 16 sendet das digitalisierte Antwortsignal an die erste Recheneinheit 15. Die erste Recheneinheit 15 bestimmt eine Laufzeit des empfangenen Signals, zum Beispiel unter Verwendung eines der weiter unten beschriebenen Verfahren.
Ein ähnliches Verfahren wird für ein in der Rückwärtsrichtung 19 laufendes Signal ausgeführt, nämlich wird das oben erwähnte Messsignal an das stromabwärtige piezoelektrische Element 13 angelegt und ein Antwortsignal wird durch das stromaufwärtige piezoelektrische Element 11 gemessen, um eine stromaufwärtige Laufzeit TOF_up in der Rückwärtsrichtung 19 zu erhalten. Die erste Recheneinheit 15 bestimmt eine Strömungsgeschwindigkeit, beispielsweise gemäß der Formel $ν = \frac{c^{2}}{2 \cdot L \cdot cos β} \cdot (T O F_{u p} - T O F_{d o w n}),$
wobei L die Länge des direkten Weges zwischen den piezoelektrischen Elementen 11, 13 ist, β der Neigungswinkel des direkten Weges zwischen den piezoelektrischen Elementen 11, 13 und der Richtung der mittleren Strömung ist und c die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit unter den gegebenen Druck- und Temperaturbedingungen ist.
Die quadrierte Schallgeschwindigkeit c^2 kann in zweiter Ordnung angenähert werden durch den Ausdruck $c^{2} \approx \frac{L^{2}}{T O F_{u p} * T O F_{d o w n}}$
was zu folgender Formel führt $ν = \frac{L}{2 * cos β} \cdot \frac{T O F_{u p} - T O F_{d o w n}}{T O F_{u p} * T O F_{d o w n}}$
Dadurch ist es nicht notwendig, Temperatur oder Druck zu bestimmen, die wiederum die Fluiddichte und die Schallgeschwindigkeit bestimmen, oder die Schallgeschwindigkeit oder die Fluiddichte direkt zu messen. Im Gegensatz dazu hebt sich die erste Fehlerordnung nicht für nur eine Messrichtung auf.
Anstatt einen Faktor 2·L·cosβ zu verwenden, kann eine Proportionalitätskonstante aus einer Kalibriermessung mit einer bekannten Strömungsgeschwindigkeit abgeleitet werden. Die Proportionalitätskonstante der Kalibrierung berücksichtigt weitere Effekte wie Strömungsprofile und Beiträge von Schallwellen, die gestreut wurden und sich nicht entlang einer geraden Linie bewegten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Prozess des Erzeugens eines Impulssignals, des Aufzeichnens eines Antwortsignals und des Ableitens eines invertierten Messsignals aus dem Antwortsignal in einem Computer simuliert. Relevante Parameter, wie der Rohrdurchmesser des Rohrs 12 und die Sensoranordnungen, werden als Eingabeparameter für die Simulation bereitgestellt.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform wird das Messsignal, das an ein sendendes piezoelektrisches Element geliefert werden soll, unter Verwendung einer Form eines typischen Antwortsignals auf ein Impulssignal synthetisiert, wie z.B. die in 37 und 38 gezeigten Signalformen. Zum Beispiel kann das Messsignal durch eine Sinusschwingung von 1 MHz bereitgestellt werden, die amplitudenmoduliert ist mit einer Einhüllenden gemäß einer Gaußschen Wahrscheinlichkeitsfunktion mit einer Halbwertsbreite von 10 Mikrosekunden. Die Halbwertsbreite kann als ein Eingangsparameter gewählt werden, der von der tatsächlichen Anordnung wie dem Rohrdurchmesser und der Sensoranordnung abhängt.
Ein Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung kann auch als ein vordefinierter Durchflussmesser bereitgestellt sein, bei dem das Messsignal während eines Testlaufs an einer Fertigungsstätte erzeugt wird, insbesondere wenn der Durchflussmesser zusammen mit einem Rohrabschnitt geliefert wird.
Gemäß einer einfachen Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung wird eine Laufzeit in stromaufwärtiger und in stromabwärtiger Richtung bestimmt, indem eine Zeit einer Maximalamplitude eines empfangenen Signals in Bezug auf eine Sendezeit des Messsignals ausgewertet wird. Um eine höhere Genauigkeit zu erzielen, kann das Maximum unter Verwendung einer Hüllkurve des empfangenen Signals bestimmt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Messung mehrfach wiederholt und eine mittlere Laufzeit wird verwendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung wird die Laufzeit eines Signals unter Verwendung einer Kreuzkorrelationstechnik bewertet. Insbesondere können die jeweiligen Zeitverschiebungen durch Kreuzkorrelation des empfangenen stromabwärtigen oder stromaufwärtigen Signals mit dem empfangenen Signal bei einer Strömungsgeschwindigkeit von Null bewertet werden gemäß der Formel: $C C o r r (τ) = \sum_{t = - \infty}^{\infty} S i g_{F l o w} (t) \cdot S i g_{N o F l o w} (t + τ)$
wobei Sig_Flow ein stromaufwärtiges oder stromabwärtiges Signal unter Messbedingungen darstellt, wenn ein Fluidstrom durch das Rohr fließt, und wobei Sig_NoFlow ein Signal unter Kalibrierungsbedingungen bei einem Fluss von Null darstellt.
Die unendlichen Summengrenzen repräsentieren ein ausreichend großes Zeitfenster [-T1, +T2]. Allgemeiner gesagt müssen -T1 und +T2 nicht gleich sein und dies kann aus praktischen Gründen für den Durchflussmesser vorteilhaft sein.
Die Zeitverschiebung TOF_up — TOF_down wird dann durch Vergleichen der Zeit des Maximums der stromaufwärtigen Korrelationsfunktion mit der Zeit des Maximums der stromabwärtigen Korrelationsfunktion erhalten. Die Einhüllende der Korrelationsfunktion kann verwendet werden, um den Ort des Maximums genauer zu bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der ersten Recheneinheit 15 und der zweiten Recheneinheit 16 eine separate Auswerteeinheit bereitgestellt, die die Berechnung der Signalankunftszeiten und der Strömungsgeschwindigkeit durchführt.
Im Allgemeinen resultiert das gemessene Signal des Schallsensors aus einer Überlagerung von gestreuten Signalen und einem direkten Signal. Die gestreuten Signale werden einmal oder mehrmals von den inneren und äußeren Wänden des Rohrs reflektiert, einschließlich weiterer Streuprozesse innerhalb der Rohrwand. Dies ist beispielhaft in 2 gezeigt.
Die Wandlerkonfiguration von 1 ist eine direkte-Linien- oder „Z“-Konfiguration. Andere Anordnungen, die Reflexionen auf einer entgegengesetzten Seite des Rohrs verwenden, sind ebenfalls möglich, wie zum Beispiel die „V“- und die „W“- Konfiguration. Die V- und W-Konfiguration basieren auf Reflexionen an der Rohrwand, die mehr Streuungen induzieren als die Z-Konfiguration. Der Gegenstand der Anmeldung wird von diesen Konfigurationen profitieren, solange die Pfade richtig verstanden werden.
In einer V-Konfiguration sind die beiden Wandler auf der gleichen Seite des Rohrs montiert. Zur Aufnahme einer 45-Grad-Reflexion sind sie um einen Rohrdurchmesser in Strömungsrichtung auseinander angeordnet. Die W-Konfiguration verwendet drei Reflexionen. Ähnlich wie bei der V-Konfiguration sind die beiden Wandler auf der gleichen Seite des Rohrs montiert. Zur Aufnahme eines Signals nach zwei 45-Grad-Reflexionen sind sie um zwei Rohrdurchmesser in Strömungsrichtung auseinander angeordnet.
2 zeigt beispielhaft ein erstes akustisches Signal „1“, das direkt von dem piezoelektrischen Element 11 zu dem piezoelektrischen Element 13 läuft, ein zweites akustisches Signal „2“, das einmal am Umfang des Rohrs 12 gestreut wird, und ein drittes Signal 3, das dreimal am Umfang des Rohrs 12 gestreut wird.
Der Einfachheit halber sind die Streuereignisse in 2 bis 5 als Reflexionen gezeigt, jedoch kann der tatsächliche Streuprozess komplizierter sein. Insbesondere tritt die relevanteste Streuung typischerweise in der Rohrwand oder an Material auf, das vor den piezoelektrischen Wandlern angebracht ist. 3 zeigt eine Ansicht von 2 in Strömungsrichtung in Blickrichtung A-A.
4 und 5 zeigen eine zweite Sensoranordnung, bei der ein weiteres piezoelektrisches Element 22 in einem Winkel von 45 Grad zu dem piezoelektrischen Element 11 positioniert ist und ein weiteres piezoelektrisches Element 23 in einem Winkel von 45 Grad zu dem piezoelektrischen Element 13 positioniert ist.
Des Weiteren zeigen 4 und 5 direkte oder geradlinige akustische Signalwege für eine Situation, in der die piezoelektrischen Elemente 11, 22 als Piezowandler betrieben werden und die piezoelektrischen Elemente 13, 23 als Schallsensoren betrieben werden. Das piezoelektrische Element 23, das in der Ansicht von 4 auf der Rückseite des Rohrs 12 ist, wird in 4 durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
6 bis 9 zeigen in vereinfachter Weise ein Verfahren zum Erzeugen eines Messsignals aus einer Antwort eines Testsignals. In 6 bis 9 sind Verluste aufgrund von Streuung durch schraffierte Abschnitte eines Signals und durch Pfeile dargestellt.
Für die Betrachtungen der 6 bis 9 wird angenommen, dass sich das akustische Signal nur entlang eines geradlinigen Pfades, entlang eines ersten Streukanals mit einer Zeitverzögerung von Δt und entlang eines zweiten Streukanals mit einer Zeitverzögerung von 2Δt ausbreitet. Signaldämpfung entlang der Pfade wird nicht berücksichtigt.
Ein Testsignal in Form einer rechteckigen Spitze wird an das piezoelektrische Element 11 angelegt. Aufgrund von Streuung geht ein erster Teil der Signalamplitude aufgrund des ersten Streuungspfades verloren und tritt nach einer Zeit Δt auf und ein zweiter Teil der Signalamplitude geht aufgrund des zweiten Streuungspfades verloren und tritt nach einer Zeit 2Δt auf. Dies ergibt ein Signal gemäß den weißen Säulen in 7, das an dem piezoelektrischen Element 13 aufgezeichnet wird.
Ein Signalprozessor invertiert dieses aufgezeichnete Signal bezüglich der Zeit und legt das invertierte Signal an das piezoelektrische Element 11 an. Der gleiche Streuprozess wie zuvor erklärt gilt nun für alle Drei-Signal-Komponenten.
Infolgedessen wird ein Signal gemäß 9 an dem piezoelektrischen Element 13 aufgezeichnet, das annähernd symmetrisch ist.
In Wirklichkeit werden die empfangenen Signale über die Zeit verteilt sein und es gibt oft eine „ballistische Welle“, die durch Material des Rohrs gegangen ist und vor dem direkten Signal ankommt. Diese Oberflächenwelle wird verworfen, indem ein geeignetes Zeitfenster zum Erzeugen des invertierten Messsignals gewählt wird. Ebenso können Signale, die von Mehrfachreflexionen herrühren und spät ankommen, durch Begrenzen des Zeitfensters und/oder durch Auswählen bestimmter Teile des Signals verworfen werden.
Die folgende Tabelle 1 zeigt gemessene Zeitverzögerungen für eine direkte Ausrichtung oder, mit anderen Worten, für eine geradlinige Verbindung zwischen angeklemmten piezoelektrischen Elementen auf einem DN 250 Rohr in einer Ebene senkrecht zu der Längserstreckung des DN 250 Rohrs. Die Durchflussrate bezieht sich auf einen Wasserfluss durch das DN 250 Rohr.
Hierin bezieht sich „TOF 1 Zyklus“ auf einen Impuls wie den in 36 gezeigten, der durch ein piezoelektrisches Element erzeugt wird, das durch ein elektrisches Signal mit einer Schwingung mit einer Periode von 1 µs angeregt wird. „TOF 10 Zyklus“ bezieht sich auf ein Signal, das von einem piezoelektrischen Element erzeugt wird, das durch ein elektrisches Signal mit 10 sinusförmigen Schwingungen konstanter Amplitude mit einer Periode von 1 µs angeregt wird.

Durchflussrate /Verfahren 21 m³/h 44 m³/h 61 m³/h

TOF 1 Zyklus 7 ns 18 ns 27 ns

TOF 10 Zyklus 9 ns 19 ns 26 ns

Zeitumkehr 8 ns 18 ns 27 ns
Die folgende Tabelle zeigt gemessene Zeitverzögerungen für einen Versatz von 12 Grad gegenüber einer geradlinigen Verbindung zwischen angeklemmten piezoelektrischen Elementen in einem DN 250 Rohr in einer Ebene senkrecht zu der Längserstreckung des DN 250 Rohrs (siehe auch 48 & 49).

Durchflussrate /Verfahren 21 m³/h 44 m³/h 61 m³/h

TOF 1 Zyklus 10 ns 21 ns 28 ns

TOF 10 Zyklus 9 ns 17 ns 26 ns

Zeitumkehr 4 ns 12 ns 26 ns
9 - 27 zeigen invertierte Signale mit hoher Auflösung und ihre jeweiligen Antwortsignale. Die Spannung ist in willkürlichen Einheiten (arbitrary units) über der Zeit in Mikrosekunden aufgetragen.
Die Zeitachsen in den oberen Figuren zeigen eine Sendedauer des invertierten Signals. Die Sendedauer ist auf das Zeitfenster beschränkt, das verwendet wird, um das invertierte Signal aufzuzeichnen. In dem Beispiel der 9 - 27 beginnt das Zeitfenster kurz vor dem Einsetzen des Maximums, das von dem direkten Signal kommt, und endet 100 Mikrosekunden danach.
Die Zeitachsen in den unteren Figuren sind um das Maximum der Antwortsignale herum zentriert und erstrecken sich 100 Mikrosekunden, was die Größe des Zeitfensters für das invertierte Signal ist, vor und nach dem Maximum der Antwortsignale.
28 - 35 zeigen digitalisierte invertierte Signale mit einer hohen Auflösung und in 12, 3, 2 und 1 Bit Auflösung im Amplitudenbereich und ihre jeweiligen Antwortsignale. Die Spannung ist in Volt über der Zeit in Mikrosekunden aufgetragen. Die Signale von 28 - 25 wurden für ein wassergefülltes DN 250 Rohr erhalten.
Die Länge des Zeitfensters für das invertierte Signal beträgt 450 Mikrosekunden. Daher ist das Zeitfenster von 28 - 35 mehr als viermal größer als in den vorhergehenden 9 - 27.
In 28 - 35 ist ersichtlich, dass selbst eine Digitalisierung mit 1 Bit Auflösung eine scharfe Spitze erzeugt. Es ist ersichtlich, dass die Spitze für die niedrigeren Auflösungen sogar noch deutlicher wird. Eine mögliche Erklärung für diesen Effekt ist, dass in dem Beispiel der 28 - 35 die Gesamtenergie des Eingangssignals erhöht wird, indem eine gröbere Digitalisierung im Amplitudenbereich verwendet wird, während das Antwortsignal in der Zeit konzentriert bleibt.
36 zeigt ein Signal, das von einem piezoelektrischen Element nach dem Empfang eines elektrischen Pulses erzeugt wird, der etwa 0,56 Mikrosekunden dauert, was einer Frequenz von 3,57 MHz entspricht. Aufgrund der Trägheit des piezoelektrischen Elements ist die maximale Amplitude für die negative Spannung kleiner als für die positive Spannung und es gibt mehrere Nachschwingungen, bevor das piezoelektrische Element zur Ruhe kommt.
37 zeigt ein elektrisches Signal, das an ein piezoelektrisches Element, wie beispielsweise das stromaufwärtige piezoelektrische Element 11 von 1, angelegt wird. Das Signal von 37 wird durch Bilden eines Durchschnitts von zehn digitalisierten Antwortsignalen auf ein Signal des in 36 gezeigten Typs und zeitliches Umkehren des Signals abgeleitet, wobei die Antwortsignale von einem piezoelektrischen Element wie dem stromabwärtigen piezoelektrischen Element 13 von 1 empfangen werden.
In dem Beispiel von 37 werden die digitalisierten Signale erhalten, indem ein Signalabschnitt aus dem Antwortsignal herausgeschnitten wird, der ungefähr 10 Mikrosekunden vor dem Beginn der Einhüllenden des Antwortsignals beginnt und der ungefähr 55 Mikrosekunden hinter der Einhüllenden des Antwortsignals endet. Die Hüllkurvenform des Antwortsignals von 37 ist ähnlich der Form einer Gaußschen Wahrscheinlichkeitsverteilung oder, mit anderen Worten, einer geeignet verschobenen und skalierten Version von exp(-x^2).
38 zeigt einen Abschnitt eines Antwortsignals auf das in 37 gezeigte Signal, wobei das Signal von 37 an ein erstes piezoelektrisches Element, wie das stromaufwärtige piezoelektrische Element 11, angelegt wird und an einem zweiten piezoelektrischen Element, wie dem stromabwärtigen piezoelektrischen Element 13 von 1, empfangen wird.
39 zeigt eine stromaufwärtige Kreuzkorrelationsfunktion und eine stromabwärtige Kreuzkorrelationsfunktion, die erhalten werden durch Kreuzkorrelation des stromaufwärtigen Signals bzw. des stromabwärtigen Signals der Anordnung von 1 mit einem bei Nullfluss erhaltenen Signal.
40 zeigt eine ausschnittsweise Vergrößerung von 39. Zwei Positionsmarker geben die Positionen der jeweiligen Maxima der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kreuzkorrelationsfunktion an. Die Zeitdifferenz zwischen den Maxima ist ein Maß für die Zeitdifferenz zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Signal.
41 zeigt ein Antwortsignal, das unter ähnlichen Bedingungen wie für das Antwortsignal von 37 erhalten wurde. Anders als bei der Anordnung von 37 sind die piezoelektrischen Elemente um 12 Grad gegen eine geradlinige Anordnung entlang des Umfangs des Rohrs versetzt. Dieser Versatz ist in dem Inset von 41 gezeigt. 41 zeigt, dass selbst unter Fehlausrichtungsbedingungen ein angemessen gut definiertes Antwortsignal vorhanden ist.
42 bis 45 zeigen beispielhaft verschiedene Anordnungen von angeklemmten piezoelektrischen Wandlern, für die eine Durchflussmessung gemäß der vorliegenden Beschreibung verwendet werden kann. Insbesondere für Anklemmwandler kann ein Durchflussmessverfahren gemäß der vorliegenden Beschreibung zu einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses in den Anordnungen von 42 bis 45 oder in anderen ähnlichen Wandleranordnungen führen. Des Weiteren kann das Durchflussmessverfahren Energieeinsparungen bereitstellen, indem eine erhöhte Signalamplitude des Antwortsignals für eine gegebene Sendesignalleistung bereitgestellt wird. Dadurch kann eine Signalsendeleistung verringert werden.
42 bis 45 sind derart ausgerichtet, dass eine Schwerkraft auf eine Flüssigkeit in dem Rohr 12 nach unten gerichtet ist. Es können jedoch auch Anordnungen verwendet werden, die relativ zu den Anordnungen der 42 bis 45 gedreht sind. Die Blickrichtung der 42 bis 45 ist entlang der Längsachse des Rohrs 12. Eine stromaufwärtige oder stromabwärtige Position eines Wandlers ist in den 42 bis 45 nicht kenntlich gemacht.
In der Anordnung von 42 ist eine Anordnung von fünf piezoelektrischen Elementen 31 - 35 an einer ersten Stelle bereitgestellt und ein weiteres piezoelektrisches Element 36 ist stromaufwärts oder stromabwärts von der ersten Stelle angeordnet. Die Anordnung von piezoelektrischen Elementen 31-35 kann verwendet werden, um eine vorbestimmte Wellenfront zu erhalten und eine verbesserte Fokussierung einer Schallwelle in einer vorbestimmten Richtung zu erreichen, wenn die Anordnung von fünf Elementen 31 - 35 als ein Sender verwendet wird und das weitere Element 36 als ein Empfänger verwendet wird.
In der Anordnung von 43 ist ein einzelnes piezoelektrisches Element 37 an einer ersten Stelle bereitgestellt und eine Anordnung von fünf piezoelektrischen Elementen 38 - 42 ist stromaufwärts oder stromabwärts von der ersten Stelle angeordnet. Die Anordnung von piezoelektrischen Elementen 38-42 kann verwendet werden, um eine verbesserte Aufzeichnung der Wellenfront des Antwortsignals zu erhalten. Die verbesserte Aufzeichnung kann dann verwendet werden, um ein verbessertes Durchflussmesssignal zu erhalten, das dann an das einzelne piezoelektrische Element 37 angelegt wird.
44 zeigt eine Anordnung von zwei piezoelektrischen Elementen 43, 44 wobei ein Element stromabwärts in Bezug auf das andere angeordnet ist. Ein Abstand d der Verbindungslinie zwischen den piezoelektrischen Elementen 43, 44 zu der Symmetrieachse des Rohrs 12 beträgt etwa den halben Radius des Rohrs 12, so dass eine Strömungsschicht in einem Abstand d zu der Mittelachse des Rohrs 12 gemessen werden kann.
Insbesondere für Anklemmwandler, wie die in 44 gezeigten piezoelektrischen Elemente 43, 44, liefert die Durchflussmessung gemäß der vorliegenden Beschreibung ein verbessertes Signal an dem empfangenden piezoelektrischen Element 44, 43 durch Strahlformung.
45 zeigt eine Anordnung von acht piezoelektrischen Elementen 45 - 52, die voneinander um 45 Grad beabstandet sind. Mehrere Anordnungen sind in Bezug auf stromaufwärts-stromabwärts Anordnungen möglich.
In einer Anordnung wechseln sich die Sensorpositionen zwischen stromaufwärts und stromabwärts entlang des Umfangs ab, beispielsweise 45, 47, 49, 51 stromaufwärts und 46, 48, 50, 52 stromabwärts.
In einer anderen Anordnung sind die ersten vier aufeinanderfolgenden Elemente, wie zum Beispiel 45 - 48, entlang des Umfangs stromaufwärts oder stromabwärts relativ zu den anderen vier Elementen, wie zum Beispiel 49 - 52, angeordnet. In einer weiteren Anordnung mit 16 piezoelektrischen Elementen sind alle piezoelektrischen Elemente 45 - 52 von 45 in einer Ebene angeordnet und die Anordnung von 45 wird in stromaufwärtiger oder stromabwärtiger Richtung wiederholt.
46 zeigt beispielhaft eine Durchflussmessvorrichtung 60 zum Messen eines Durchflusses in der Anordnung in 1 oder anderen Anordnungen gemäß der Beschreibung. In der Anordnung von 1 wird die Durchflussmessvorrichtung 60 durch die erste und zweite Recheneinheit 15 und 16 bereitgestellt.
Die Durchflussmessvorrichtung 60 weist einen ersten Anschluss 61 zum Verbinden eines ersten piezoelektrischen Wandlers und einen zweiten Anschluss 62 zum Verbinden eines zweiten piezoelektrischen Wandlers auf. Der erste Anschluss 61 ist über einen Multiplexer 63 mit einem Digital-Analog-Wandler (DAC) 64 verbunden. Der zweite Anschluss 62 ist über einen Demultiplexer 66 mit einem Analog-Digital-Wandler 65 verbunden.
Der ADC 65 ist mit einer Signalauswahleinheit 67 verbunden, die mit einer Signalinvertierungseinheit 68 verbunden ist, die mit einem Bandpassfilter 69 verbunden ist, das mit einem computerlesbaren Speicher 70 verbunden ist. Des Weiteren ist der ADC 65 mit einer Geschwindigkeitsberechnungseinheit 71 verbunden.
Der DAC 64 ist mit einem Impulssignalgenerator 72 und einem Messsignalgenerator 73 verbunden. Der Messsignalgenerator ist über eine Befehlsleitung 74 mit dem Impulsgenerator 72 verbunden. Die Geschwindigkeitsberechnungseinheit 71 ist über eine zweite Befehlsleitung 75 mit dem Messsignalgenerator 73 verbunden.
Im Allgemeinen umfassen der Impulssignalgenerator 72 und der Messsignalgenerator Hardwareelemente, wie einen Oszillator, und Softwareelemente, wie beispielsweise ein Impulsgeneratormodul und ein Messsignalgeneratormodul. In diesem Fall können die Befehlsleitungen 74, 75 durch Software-Schnittstellen zwischen jeweiligen Modulen bereitgestellt werden.
Während einer Signalerzeugungsphase sendet der Impulssignalgenerator ein Signal an den DAC 64, die Auswahleinheit 67 empfängt ein entsprechendes ankommendes Signal über den ADC 65 und wählt einen Abschnitt eines ankommenden Signals aus. Die Invertierungseinheit 68 invertiert den ausgewählten Signalabschnitt in Bezug auf die Zeit, das optionale Bandpassfilter 69 filtert untere und obere Frequenzen heraus und das resultierende Messsignal wird in dem Computerspeicher 70 gespeichert. Wenn das Wort „Signal“ in Bezug auf einen Signalmanipulationsschritt verwendet wird, kann es sich insbesondere auf eine Darstellung eines Signals in einem Computerspeicher beziehen.
Insbesondere kann eine Signaldarstellung durch Wertepaare von digitalisierten Amplituden und zugehörigen diskreten Zeiten definiert sein. Andere Darstellungen umfassen unter anderem Fourier-Koeffizienten, Wavelet-Koeffizienten und eine Hüllkurve zur Amplitudenmodulation eines Signals.
47 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Durchflussmessvorrichtung 60' zum Messen eines Durchflusses in der Anordnung in 1 oder anderer Anordnungen gemäß der Beschreibung. Die Durchflussmessvorrichtung 60' weist einen direkten digitalen Synthesizer (DDS) 76 auf. Zur Vereinfachung sind nur die Komponenten des DDS 76 gezeigt. Der DDS 76 wird auch als Arbiträr-Funktionsgenerator (arbitrary waveform generator, AWG) bezeichnet.
Der DDS 76 weist einen Referenzoszillator 77, der mit einem Frequenzsteuerungsregister 78, einem numerisch gesteuerten Oszillator (numerically controlled oscillator, NCO) 79 und dem DAC 64 verbunden ist. Ein Eingang des NCO 79 für N Kanäle ist mit einem Ausgang des Frequenzsteuerregisters 78 verbunden. Ein Eingang des DAC 64 für M Kanäle ist mit dem NCO 79 verbunden und ein Eingang eines Rekonstruktions-Tiefpassfilters ist mit dem DAC 64 verbunden. Beispielsweise kann ein direkter numerisch gesteuerter Oszillator 79 mit einer Taktfrequenz von 100 MHz verwendet werden, um ein amplitudenmoduliertes 1 MHz-Signal zu erzeugen.
Ein Ausgang des Rekonstruktions-Tiefpassfilters 80 ist mit den piezoelektrischen Wandlern 11, 13 von 1 verbunden.
Aufgrund der Trägheit eines Oszillatorkristalls ist es oft vorteilhaft, einen Oszillator mit einer höheren Frequenz als der einer Trägerwelle zu verwenden, um ein vorbestimmtes amplitudenmoduliertes Signal zu erhalten, zum Beispiel durch Verwendung eines direkten digitalen Synthesizers, wie in 47 gezeigt.
Insbesondere können die Verfahrensschritte des Speicherns einer digitalen Darstellung eines Signals und des Durchführens von Operationen, wie z. B. Auswählen eines Signalabschnitts, zeitliches Umkehren eines Signals und Filtern eines Signals, vertauscht werden. Zum Beispiel kann ein Signal in einer zeitinvertierten Form gespeichert werden oder es kann in umgekehrter Reihenfolge ausgelesen werden, um ein zeitinvertiertes Signal zu erhalten.
Während die vorliegende Erfindung in Bezug auf ein rundes DN 250 Rohr erklärt wird, kann sie leicht auf andere Rohrgrößen oder sogar auf andere Rohrformen angewendet werden. Obwohl die Ausführungsformen in Bezug auf Anklemmwandler erläutert sind, können auch Nasswandler, die in ein Rohr hineinragen, verwendet werden.
48 und 49 zeigen eine asymmetrische Wandleranordnung, wobei ein zweiter Wandler um 12 Grad in Bezug auf eine Symmetrieachse der Leitung 12 versetzt ist.
50 zeigt ein Ein-Zyklus-Messsignal einer Laufzeitmessung und 51 zeigt ein Zehn-Zyklus-Messsignal einer Laufzeitmessung. Die in 50 und 51 gezeigten Signale können für eine Laufzeitmessung verwendet werden. Ferner können die Signale auch dazu verwendet werden, ein Messsignal gemäß der vorliegenden Beschreibung unter Verwendung einer zeitlichen Inversion eines empfangenen Antwortsignals, wie der Antwortsignale der 52 und 53, zu erzeugen.
52 zeigt ein Beispiel eines Messsignals, das aus einem zeitumgekehrten Signal abgeleitet wird, das mit einer niedrigen Auflösung gespeichert ist.
53 bis 55 zeigen Antwortsignale auf die jeweiligen Signale von 50 bis 52. Das Antwortsignal wird von einem empfangenden Wandler 11, 13 der asymmetrischen Anordnung der 48, 49 in Antwort auf ein Signal eines sendenden Wandlers, der durch das Signal von 50 erregt wird, aufgenommen.
Insbesondere zeigt 53 ein Antwortsignal des Signals von 50, 54 zeigt ein Antwortsignal des Signals von 51 für die Anordnung von 48 und 49 und 55 zeigt ein Antwortsignal des Signals von 52 für die Anordnung von 48 und 49. In den gezeigten Beispielen ist das Antwortsignal zeitlich konzentrierter, besitzt eine höhere Amplitude und besitzt eine besser definierte Hüllkurve im Vergleich zu den Signalen der 52 und 53.
Das Ergebnis von 55 zeigt, dass die Vorteile der zeitlichen Inversion der Impulsantwort, die unter anderem die Verwendung kleinerer Energiesignale ermöglicht, für grobkörnige Auflösung und asymmetrische Wandleranordnungen beibehalten werden können.
Die Ergebnisse von 55 zeigen, dass das Verwenden eines zeitinvertierten Signals gemäß der vorliegenden Beschreibung in der Lage ist, kurze Zeitverzögerungen im Vergleich zu herkömmlichen Laufzeit-Dopplerverschiebungsmessungen unter Verwendung eines Signals mit 1 oder 10 Schwingungszyklen bereitzustellen. 55 als ein Ergebnis der in 48 und 49 gezeigten Anordnung zeigt ferner, dass ein Messsignal gemäß der vorliegenden Beschreibung für Strahlformungszwecke verwendet werden kann.
Tabelle 2 zeigt Ergebnisse der Zeitverzögerungen für die asymmetrische Anordnung, die in 48 und 49 gezeigt ist, und für jeweilige Durchflussraten von 21, 44 und 61 Kubikmeter pro Stunde.
Die 56 bis 59 veranschaulichen weitere Beispiele von Strahlformungsanwendungen. Im Allgemeinen gibt es $\sum_{i = 1}^{N - 1} i = N * (N - 1) / 2$
direkte Übertragungskanäle zwischen N Wandlern, wobei Reflektionen an den Rohrwänden nicht berücksichtigt sind, die an einer Leitung bereitgestellt sind. Diese Übertragungskanäle besitzen im Allgemeinen unterschiedliche Eigenschaften und führen zu unterschiedlichen Antwortsignalen.
In dem Fall, dass alle der N Wandler in Bezug auf eine Strömungsrichtung oder eine Längsrichtung der Leitung an unterschiedlichen Höhen angebracht sind, können alle diese Übertragungskanäle für Durchflussmessungen verwendet werden. Eine Signalausbreitung zwischen Wandlern, die senkrecht zu der mittleren Strömung ist, ist im Allgemeinen nicht nützlich zum Erfassen von Strömungsgeschwindigkeitskomponenten, kann aber dennoch verwendet werden, um Verunreinigungen und Materialänderungen der Leitung und Änderungen in den Eigenschaften der Wandler und ihrer Kopplung an die Leitung zu bestimmen.
Eine TOF-Durchflussmessung beinhaltet eine Messung in beiden Richtungen in Bezug auf einen gegebenen Übertragungskanal zwischen zwei der Wandler. Eine TOF-Durchflussmessung, die Übertragungskanäle zwischen einem ersten Wandler und N-1 anderen Wandlern beinhaltet, erfordert mindestens N aufeinanderfolgende Messungen: eine erste Messung mit einem an den ersten Wandler angelegten Messsignal und N-1 aufeinanderfolgende Messungen mit Messsignalen, die an jeden der N-1 anderen Wandler angelegt werden.
Im Allgemeinen sind die erforderlichen Messsignale für jeden Übertragungskanal unterschiedlich und getrennte Vorwärts- und Rückwärtsmessungen sind für jeden Übertragungskanal erforderlich. Daher sind 2 x (N-1) Messungen erforderlich. Zum Beispiel sind maximal 2 x (3-1) = 4 Messungen in dem Beispiel von 57 möglich, aber nicht notwendigerweise erforderlich.
Die Signale der 41 und 55 werden von Wandlern erzeugt, die hauptsächlich in einer bevorzugten Richtung strahlen, mit einem maximalen Winkel von etwa 12 Grad zu beiden Seiten der Vorzugsrichtung. Die Direktionalität der Wandler wird unter anderem durch Einstellen der Form der Wandler und ihrer Befestigung an der Leitung erreicht. Abhängig von dem Winkel zwischen den Wandlern ergeben möglicherweise nicht alle Pfade ein ausreichend starkes Signal auf der Empfängerseite, insbesondere falls der Sender eine hohe Direktionalität besitzt. Mit den bekannten Techniken lassen sich nur Ergebnisse wie in 53 und 54 gezeigt erzielen, die typischerweise zu verrauscht sind zum Durchführen von Durchflussmessungen. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren, das invertierte Messsignale verwendet, können jedoch ausreichend gute Signale wie die in 55 gezeigten erreicht werden.
Die Verwendung eines Messsignals gemäß der Anmeldung, die eine Zeit-Umkehrung verwendet, macht es möglich, Wandler mit weniger Direktionalität bereitzustellen. Das Messsignal bündelt die Signalenergie an dem Empfänger und das empfangene Signal ist immer noch stark genug.
Ähnlich einer Messung, die nur zwei Wandler oder nur einen Übertragungskanal verwendet, kann die Durchflussmessung unter Verwendung eines vorbestimmten Messsignals oder eines Signals, das durch eine vorherige Kalibrierung erhalten wird, durchgeführt werden. Während des Kalibrierungsschritts werden die Messsignale aus Antwortsignalen auf die Impulssignale abgeleitet. Gemäß einem Beispiel wird ein Impulssignal an einen Wandler angelegt, um ein oder mehrere Antwortsignale an den anderen Wandlern zu erhalten. Die Messsignale werden durch Anwenden einer Zeit-Inversion auf die Antwortsignale oder einen Abschnitt davon abgeleitet.
In einem Beispiel, in dem es vier Messpfade gibt, werden aufeinanderfolgende Messungen entlang des ersten Pfades, des zweiten Pfades, des dritten Pfades und des vierten Pfades durchgeführt. Die aufeinanderfolgenden Messungen werden verwendet, um einen Gesamtdurchfluss und/oder Durchflüsse an einer vorbestimmten Schicht oder Position abzuleiten.
Eine oder mehrere Strömungsgeschwindigkeiten können dann durch Vergleichen der Messungen mit einem vorbestimmten Strömungsprofil abgeleitet werden. Beispielsweise kann das vorbestimmte Strömungsprofil durch eine Simulation erhalten werden. In einer anderen Ausführungsform wird eine Strömungsgeschwindigkeit für eine bestimmte Schicht oder Position unter Verwendung von Ergebnissen von einem oder mehreren Messsignalen und bekannten Verfahren zum Berechnen des Strömungsprofils abgeschätzt. In einer Ausführungsform wird ein Gesamtvolumenstrom durch Anwenden eines berechneten oder simulierten Strömungsprofils auf eine Querschnittsfläche der Leitung abgeleitet.
56 und 57 zeigen eine Laufzeitdurchflussmessung unter Verwendung von drei Wandlern und zwei Übertragungswegen.
58 und 59 zeigen eine Druckmessung in einer Zwei-Wandler-Anordnung. Die Druckskala von 59 wird in willkürlichen Einheiten (arbitrary units, a.u.) angezeigt.
Ein Messsignal gemäß der vorliegenden Anmeldung wird an den ersten Wandler 11 angelegt und die resultierende Druckverteilung wird an dem Umfang der Leitung 12 gemessen. Die Wandler 11, 13 sind in der Längsrichtung versetzt angeordnet, ähnlich der Anordnung von 1.
In einem ersten Beispiel wird ein Messsignal, das an den Signalweg zwischen dem Wandler 11 und dem Wandler 13 angepasst ist, von dem Wandler 11 an den gegenüberliegenden Wandler 13 gesendet und die resultierende Druckverteilung wird gemessen. Dies ergibt eine Kurve ähnlich der Druckverteilung 90 von 59, die ein scharfes Maximum an der Position des Wandlers 13 aufweist.
In einem zweiten Beispiel wird ein Messsignal, das an den Signalweg zwischen dem Wandler 11 und dem Wandler 13 angepasst ist, von dem Wandler 11 an den Wandler 13' gesendet und die resultierende Druckverteilung wird gemessen. Anders als bei der ersten Anordnung ist der Wandler 13' um einen Winkel von 45 Grad bezüglich einer Verbindungslinie durch den ersten Wandler und die Mitte der Leitung 12 versetzt angeordnet. Sogar in dieser Situation weist die resultierende Druckverteilung um die Position des Wandlers 13' herum ein scharfes Maximum auf und folglich ist die Energie des Signals um die Position des Wandlers 13' herum konzentriert.
Somit führt ein Messsignal gemäß der Anmeldung, das unter Verwendung einer Zeit-Umkehrung eines Signals zwischen den jeweiligen Wandlern erhalten wird, zu einem Drucksignal, das nicht nur zeitlich konzentriert ist, wie in der jeweiligen zweiten Figur der Figurensätze 10 - 35 gezeigt ist, sondern die resultierende Druckverteilung ist auch räumlich konzentriert.
Durch Verwendung eines Standardsignals, wie zum Beispiel eines Impulssignals, kann eine räumliche Konzentration immer noch erreicht werden, jedoch nur an einem festen Ort nahe der gegenüberliegenden Seite des sendenden Wandlers. Jedoch kann durch Verwendung eines Signals gemäß der vorliegenden Beschreibung, das einen zeitumgekehrten Abschnitt aufweist, das scharfe Maximum der Druckkonzentration verschoben werden.
Die Ultraschallwandler 11, 13, 23 von 56 - 59 können durch montierte Wandler, die an der Außenseite der Leitung angebracht sind, oder durch Nasswandler, die in das Innere der Leitung 12 von außerhalb der Leitung 12 hineinragen, bereitgestellt werden.
60 zeigt ein Beispiel eines Bestimmens, ob eine Testvorrichtung das gleiche Verfahren einer Durchflussmessung wie eine Verifikationsvorrichtung verwendet. In einem ersten Schritt wählt die Verifikationsvorrichtung ein Testimpulssignal aus. Dies kann zum Beispiel die Auswahl einer Signalform zum Durchführen einer Amplitudenmodulation einer Sinuswelle aus einem Satz von gespeicherten Signalformen, wie zum Beispiel einer rechteckigen Form, einer Sinusform, einer Sägezahnform usw., beinhalten.
In einem weiteren Schritt wird das Testimpulssignal an einen ersten Wandler angelegt. In einem weiteren Schritt wird ein zugehöriges Testantwortsignal an dem zweiten Wandler empfangen. In weiteren Schritten wird das Testantwortsignal oder ein Abschnitt davon invertiert und ein Testmesssignal wird abgeleitet. Die Wandler, mit denen die Verifikationsvorrichtung verbunden ist, sind vorzugsweise die Wandler der Testvorrichtung.
In einem weiteren Schritt wird das Testmesssignal mit dem tatsächlichen Messsignal der Testvorrichtung verglichen. Falls das Testmesssignal ähnlich dem Messsignal der Testvorrichtung ist, wird entschieden, dass die Testvorrichtung das gleiche Verfahren wie die Verifikationsvorrichtung verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann die Verifikationsvorrichtung das Testmesssignal an einen Wandler anlegen, ein zugehöriges Testantwortsignal empfangen und dieses Testantwortsignal mit dem Antwortsignal auf das Messsignal der Testvorrichtung vergleichen.
Die Verifikationsvorrichtung kann die Signale der Testvorrichtung als elektrische Signale durch Anzapfen einer Drahtverbindung der Testvorrichtung mit den Wandlern empfangen oder messen oder alternativ können die Signale gemessen werden, indem ein Mikrofon in die Leitung eingesetzt wird und ein Signal des Mikrofons empfangen wird.
Falls die Signale nicht ähnlich sind, wird derselbe Vorgang mit weiteren verfügbaren Testimpulssignalen wiederholt, um zu sehen, ob eines der Testimpulssignale zu einem Testmesssignal und/oder einem Antwortsignal darauf führt, das dem Messsignal und/oder dem Antwortsignal darauf ähnelt. Für den Fall, dass ein Impulssignal der Testvorrichtung verfügbar ist, kann die Verifikationsvorrichtung das verfügbare Impulssignal oder ein ähnliches Impulssignal wählen, anstatt verschiedene Testimpulssignale zu testen oder sie kann die Auswahl von Testimpulssignalen eingrenzen.
Für eine Testvorrichtung, die mehrere Signalpfade und/oder Kombinationen von Paaren von sendenden und empfangenden Wandlern für die Durchflussmessung verwendet, wiederholt die Verifikationsvorrichtung das Verfahren von 60 für die mehreren Signalpfade und/oder für die mehreren Wandlerkombinationen und die jeweiligen Messsignale und/oder Antwortsignale auf die Messsignale werden verglichen.
Obwohl die obige Beschreibung viele Details beinhaltet sollte dies nicht als eine Beschränkung des Geltungsbereichs der Ausführungsformen ausgelegt werden, sondern lediglich als Bereitstellen von Erläuterungen der vorhersehbaren Ausführungsformen. Die Verfahrensschritte können in einer anderen Reihenfolge als in den bereitgestellten Ausführungsformen durchgeführt werden und die Unterteilung der Messvorrichtung in Verarbeitungseinheiten und ihre jeweiligen Verbindungen können sich von den bereitgestellten Ausführungsformen unterscheiden.
Insbesondere sollten die oben genannten Vorteile der Ausführungsformen nicht als eine Beschränkung des Geltungsbereichs der Ausführungsformen ausgelegt werden, sondern lediglich um mögliche Erfolge zu erklären, falls die beschriebenen Ausführungsformen in die Praxis umgesetzt werden. Daher sollte der Geltungsbereich der Ausführungsformen durch die Ansprüche und ihre Äquivalente bestimmt werden statt durch die gegebenen Beispiele.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung können auch mit den folgenden Listen von Elementen beschrieben werden, die in Punkten organisiert sind. Die jeweiligen Merkmalskombinationen, die in der Punkteliste angegeben sind, werden jeweils als eigenständiger Gegenstand betrachtet, der auch mit anderen Merkmalen der Anwendung kombiniert werden kann.

1. Ein Verfahren zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung, aufweisend:
- - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem Fluid, das eine vorbestimmte Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt,
- - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem ersten Ultraschallwandler, einem zweiten Ultraschallwandler und einem dritten Ultraschallwandler, wobei jeweilige Verbindungslinien zwischen dem ersten Ultraschallwandler, dem zweiten Ultraschallwandler und dem dritten Ultraschallwandler außerhalb einer Symmetrieachse der Fluidleitung verlaufen,
- - Anlegen eines ersten Messsignals an den ersten Ultraschallwandler und
- - Messen eines ersten Antwortsignals des ersten Messsignals an dem zweiten Ultraschallwandler,
- - Anlegen eines zweiten Messsignals an den ersten Ultraschallwandler,
- - Messen eines zweiten Antwortsignals des zweiten Messsignals an dem dritten Ultraschallwandler, wobei das erste Messsignal und das zweite Messsignal jeweils einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals beinhalten,
- - Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus mindestens einem des ersten Antwortsignals und des zweiten Antwortsignals.
2. Das Verfahren gemäß Punkt 1, aufweisend
- - Anlegen eines ersten Rückwärtsrichtungs-Messsignals an den zweiten Ultraschallwandler und
- - Messen eines ersten Rückwärtsrichtungs-Antwortsignals des ersten Rückwärtsrichtungs-Messsignals an dem zweiten Ultraschallwandler,
- - Anlegen eines zweiten Rückwärtsrichtungs-Messsignals an den dritten Ultraschallwandler,
- - Messen eines zweiten Rückwärtsrichtungs-Antwortsignals des zweiten Rückwärtsrichtungs-Messsignals an dem ersten Ultraschallwandler,
wobei das erste Rückwärtsrichtungs-Messsignal und das zweite Rückwärtsrichtungs-Messsignal jeweils einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals beinhalten,
- - Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus mindestens einem des ersten Antwortsignals, des ersten Rückwärtsrichtungs-Antwortsignals, des zweiten Antwortsignals und des zweiten Rückwärtsrichtungs-Antwortsignals.
3. Das Verfahren gemäß Punkt 1 oder Punkt 2, aufweisend
- - Anlegen eines dritten Messsignals an den zweiten Ultraschallwandler,
- - Messen eines dritten Antwortsignals des zweiten Messsignals an dem dritten Ultraschallwandler,
wobei das dritte Messsignal einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals beinhaltet
- - Ableiten mindestens einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem dritten Antwortsignal.
4. Das Verfahren gemäß Punkt 3, aufweisend
- - Anlegen eines dritten Rückwärtsrichtungs-Messsignals an den dritten Ultraschallwandler,
- - Messen eines dritten Rückwärtsrichtungs-Antwortsignals des dritten Rückwärtsrichtungs-Messsignals an dem zweiten Ultraschallwandler, wobei das dritte Rückwärtsrichtungs-Messsignal einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals beinhaltet
- - Ableiten mindestens einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem dritten Antwortsignal und dem dritten Rückwärtsrichtungs-Antwortsignal.
5. Ein Verfahren zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung, aufweisend:
- - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem Fluid, das eine vorbestimmte Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt,
- - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem ersten Ultraschall-Anklemmwandler und einem zweiten Ultraschall-Anklemmwandler, wobei eine Verbindungslinie zwischen dem ersten Ultraschall-Anklemmwandler und dem zweiten Ultraschall-Anklemmwandler außerhalb einer Symmetrieachse der Fluidleitung verläuft,
- - Anlegen eines Messsignals an den ersten Ultraschall-Anklemmwandler,
- - Messen eines Antwortsignals des Messsignals an dem zweiten Ultraschall-Anklemmwandler, wobei das Messsignal einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals beinhaltet,
- - Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem Antwortsignal.
6. Das Verfahren gemäß Punkt 5, aufweisend
- - Anlegen eines Rückwärtsrichtungs-Messsignals an den zweiten Ultraschall-Anklemmwandler,
- - Messen eines Rückwärtsrichtungs-Antwortsignals des Messsignals an dem ersten Ultraschall-Anklemmwandler, wobei das Messsignal einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals beinhaltet,
- - Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem Antwortsignal.
7. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Punkte, wobei der Signalabschnitt, der zum Ableiten der jeweiligen Messsignale verwendet wird, einen ersten Abschnitt um eine maximale Amplitude eines Antwortsignals und einen hinteren Signalabschnitt aufweist, wobei der hintere Signalabschnitt zeitlich nach der Ankunftszeit der maximalen Amplitude verläuft.
8. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Punkte, aufweisend ein Verarbeiten von mindestens einem der Antwortsignale zum Bestimmen einer Änderung der Wandstärke der Leitung oder zum Bestimmen von Materialeigenschaften der Leitungswände durch Bestimmen von Longitudinal- und Transversalschallwellencharakteristiken.
9. Das Verfahren gemäß Punkt 1, aufweisend
- - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem Fluid,
- - Bereitstellen eines ersten Impulssignals an einen des ersten oder des zweiten Ultraschallwandlers,
- - Empfangen eines ersten Antwortsignals des ersten Impulssignals an dem anderen des ersten oder des zweiten Ultraschallwandlers,
- - Bereitstellen eines zweiten Impulssignals an einen des ersten oder des dritten Ultraschallwandlers,
- - Empfangen eines zweiten Antwortsignals des zweiten Impulssignals an dem anderen des ersten oder des dritten Ultraschallwandlers,
- - Ableiten des ersten Messsignals aus dem ersten Antwortsignal,
- - Ableiten des zweiten Messsignals aus dem zweiten Antwortsignal, wobei das Ableiten der jeweiligen ersten und zweiten Messsignale ein Auswählen eines Signalabschnitts der jeweiligen ersten und zweiten Antwortsignale oder eines davon abgeleiteten Signals und ein Zeit-Umkehren des Signalabschnitts beinhaltet,
- - Speichern des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals zur späteren Verwendung.
10. Das Verfahren gemäß Punkt 5, aufweisend
- - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem Fluid,
- - Bereitstellen eines Impulssignals an einen des ersten Ultraschall-Anklemmwandlers und des zweiten Ultraschall-Anklemmwandlers,
- - Empfangen eines Antwortsignals des Impulssignals an dem anderen des ersten Ultraschall-Anklemmwandlers und des zweiten Ultraschall-Anklemmwandlers,
- - Ableiten des Messsignals aus dem Antwortsignal, wobei das Ableiten des Messsignals ein Auswählen eines Signalabschnitts des jeweiligen Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals und ein Zeit-Umkehren des Signalabschnitts beinhaltet,
- - Speichern des Messsignals zur späteren Verwendung.
11. Das Verfahren gemäß Punkt 9 oder Punkt 10, aufweisend
- - Mehrfaches Wiederholen der Schritte des Anlegens eines Impulssignals und des Empfangens eines zugehörigen Antwortsignals, wodurch mehrere Antwortsignale erhalten werden,
- - Ableiten des jeweiligen Messsignals aus einem Durchschnitt der empfangenen Antwortsignale.
12. Das Verfahren gemäß einem der Punkte 9 bis 11, wobei das Ableiten des jeweiligen Messsignals ein Digitalisieren des zugehörigen Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals in Bezug auf eine Amplitude beinhaltet.
13. Das Verfahren gemäß Punkt 12, aufweisend ein Erhöhen der Bitauflösung des digitalisierten Signals, um eine Amplitude eines Antwortsignals auf das jeweilige Messsignal zu erhöhen.
14. Das Verfahren gemäß Punkt 12, aufweisend ein Verringern der Bitauflösung des digitalisierten Signals, um eine Amplitude eines Antwortsignals auf das jeweilige Messsignal zu erhöhen.
15. Das Verfahren gemäß Punkt 12, wobei die Bitauflösung des digitalisierten Signals in Bezug auf die Amplitude eine niedrige Bitauflösung ist.
16. Ein computerlesbarer Programmcode, der computerlesbare Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens gemäß einem der Punkte 1 bis 15 aufweist.
17. Ein computerlesbarer Speicher, wobei der computerlesbare Speicher den computerlesbaren Programmcode von Punkt 16 aufweist.
18. Eine anwendungsspezifische elektronische Komponente, die betreibbar ist zum Ausführen des Verfahrens gemäß einem der Punkte 1 bis 15.
19. Eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Leitung mit einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser, aufweisend
- - einen ersten Anschluss zum Verbinden eines ersten Ultraschallelements,
- - einen zweiten Anschluss zum Verbinden eines zweiten Ultraschallelements,
- - einen dritten Anschluss zum Verbinden eines dritten Ultraschallelements,
- - eine Sendeeinheit zum Senden von Impulssignalen und zum Senden von Messsignalen,
- - eine Empfangseinheit zum Empfangen von Antwortsignalen,
- - eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines ersten Messsignals aus einem ersten invertierten Signal, zum Ableiten eines zweiten Messsignals aus einem zweiten invertierten Signal und zum Speichern des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals,
wobei das Ableiten des ersten invertierten Signals und des zweiten invertierten Signals ein Zeit-Umkehren eines Signalabschnitts eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals beinhaltet, und wobei die Verarbeitungseinheit, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit betreibbar sind zum Anlegen des ersten Messsignals an den ersten Anschluss, und zum Empfangen eines ersten Antwortsignals des ersten Messsignals an dem zweiten Anschluss, zum Anlegen eines zweiten Messsignals an den ersten Anschluss, zum Empfangen eines zweiten Antwortsignals des zweiten Messsignals an dem dritten Anschluss, und zum Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus mindestens einem des ersten Antwortsignals und des zweiten Antwortsignals.
20. Eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Leitung mit einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser, aufweisend
- - einen ersten Anschluss,
- - einen erster Ultraschall-Anklemmwandler, der mit dem ersten Anschluss verbunden ist,
- - einen zweiten Anschluss,
- - einen zweiten Ultraschall-Anklemmwandler, der mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, einen Abschnitt einer Leitung, wobei der erste Ultraschall-Anklemmwandler an dem Leitungsabschnitt an einer ersten Stelle angebracht ist, und der zweite Ultraschall-Anklemmwandler an dem Leitungsabschnitt an einer Stelle angebracht ist, wobei jeweilige Verbindungslinien zwischen dem ersten Ultraschall-Anklemmwandler und dem zweiten Anklemm-Ultraschallwandler außerhalb einer Symmetrieachse der Fluidleitung verlaufen,
- - eine Sendeeinheit zum Senden von Impulssignalen und zum Senden von Messsignalen,
- - eine Empfangseinheit zum Empfang von Antwortsignalen,
- - eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines Messsignals aus einem invertierten Signal, wobei das Ableiten des invertierten Signals ein Zeit-Umkehren eines Signalabschnitts eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals beinhaltet, und wobei die Verarbeitungseinheit, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit betreibbar sind zum Anlegen des Messsignals an den ersten Anschluss, zum Empfangen eines Antwortsignals des ersten Messsignals an dem zweiten Anschluss, und zum Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem Antwortsignal.
21. Die Vorrichtung gemäß Punkt 20, zudem aufweisend
- - einen D/A-Wandler, wobei der D/A-Wandler mit dem ersten Anschluss verbunden ist,
- - einen A/D-Wandler, wobei der A/D-Wandler mit dem zweiten Anschluss verbunden ist,
- - einen computerlesbaren Speicher zum Speichern des Messsignals.
22. Die Vorrichtung gemäß Punkt 20, zudem aufweisend eine Auswahleinheit, wobei die Auswahleinheit betreibbar ist zum Auswählen eines Abschnitts eines empfangenen Antwortsignals auf das Impulssignal oder eines davon abgeleiteten Signals, und eine Invertierungseinheit, wobei die Invertierungseinheit betreibbar ist zum Zeit-Invertieren des ausgewählten Abschnitts des empfangenen Antwortsignals, um das invertierte Signal zu erhalten.
23. Die Vorrichtung gemäß Punkt 20, wobei die Vorrichtung aufweist:
- einen direkten digitalen Signalsynthesizer, wobei der direkte digitale Signalsynthesizer den ADC aufweist,
- ein Frequenzsteuerregister, einen Referenzoszillator, einen numerisch gesteuerten Oszillator und ein Rekonstruktionstiefpassfilter, wobei der ADC über das Rekonstruktionstiefpassfilter mit dem ersten und dem zweiten Anschluss verbindbar ist.
24. Die Vorrichtung gemäß Punkt 20, aufweisend einen Abschnitt einer Leitung, wobei der erste Ultraschall-Wandler an dem Leitungsabschnitt an einer ersten Stelle angebracht ist, und der zweite Ultraschall-Wandler an dem Leitungsabschnitt an einer zweiten Stelle angebracht ist.
25. Ein Verfahren zum Bestimmen, ob eine Testvorrichtung eine Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung gemäß einem der Punkte 1 bis 5 misst, aufweisend:
- - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem Fluid, das eine vorbestimmte Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt,
- - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem ersten Ultraschallwandler und einem zweiten Ultraschallwandler,
- - Anlegen eines Testimpulssignals an den ersten Ultraschallwandler der Testvorrichtung,
- - Empfangen eines Testantwortsignals des Testimpulssignals an dem zweiten Ultraschallwandler der Testvorrichtung,
- - Ableiten eines Testmesssignals aus dem Testantwortsignal, wobei das Ableiten des Testmesssignals ein Zeit-Umkehren des jeweiligen ersten oder zweiten Antwortsignals oder eines Abschnitts davon beinhaltet,
- - Vergleichen des ersten Testmesssignals mit einem ersten Messsignal, das an einem Wandler der Testvorrichtung ausgegeben wird, wobei bestimmt wird, dass die Testvorrichtung ein Verfahren zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung gemäß einem der Punkte 1 bis 5 verwendet, falls das erste Testmesssignal und das erste Messsignal ähnlich sind.
26. Verfahren gemäß Punkt 25, aufweisend
- - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem dritten Ultraschallwandler,
- - Anlegen eines Testimpulssignals an den ersten Ultraschallwandler der Testvorrichtung oder an den zweiten Ultraschallwandler der Testvorrichtung,
- - Empfangen eines zweiten Testantwortsignals des Testimpulssignals an dem dritten Ultraschallwandler der Testvorrichtung,
- - Ableiten eines zweiten Testmesssignals aus dem zweiten Testantwortsignal,
- - Vergleichen des zweiten Testmesssignals mit einem zweiten Messsignal, das an einem Wandler der Testvorrichtung ausgegeben wird, wobei bestimmt wird, dass die Testvorrichtung ein Verfahren zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung gemäß Punkt 1 verwendet, falls das erste Testmesssignal und das erste Messsignal ähnlich sind.

Bezugszeichenliste

10: Durchflussmesseranordnung
11: stromaufwärtiges piezoelektrisches Element
12: Rohr
13: stromabwärtiges piezoelektrisches Element
14: Richtung einer mittleren Strömung
15: erste Recheneinheit
16: zweite Recheneinheit
17: Signalpfad
20: Signalpfad
22: piezoelektrisches Element
23: piezoelektrisches Element
31 - 52: piezoelektrische Elemente
60, 60': Durchflussmessvorrichtung
61: erster Anschluss
62: zweiter Anschluss
63: Multiplexer
64: DAC
65: ADC
66: Demultiplexer
67: Signalauswahleinheit
68: Signalinvertierungseinheit
69: Bandpassfilter
70: Speicher
71: Geschwindigkeitsberechnungseinheit
72: Impulssignalgenerator
73: Messsignalgenerator
74: Befehlsleitung
75: Befehlsleitung
76: DDS
77: Referenzoszillator
78: Frequenzsteuerungsregister
79: numerisch gesteuerter Oszillator
80: Tiefpassfilter

Claims

Eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Leitung mit einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser, aufweisend - einen ersten Anschluss zum Verbinden eines ersten Ultraschallelements, - einen zweiten Anschluss zum Verbinden eines zweiten Ultraschallelements, - einen dritten Anschluss zum Verbinden eines dritten Ultraschallelements, - eine Sendeeinheit zum Senden von Impulssignalen und zum Senden von Messsignalen, - eine Empfangseinheit zum Empfangen von Antwortsignalen, - eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines ersten Messsignals aus einem ersten invertierten Signal, zum Ableiten eines zweiten Messsignals aus einem zweiten invertierten Signal und zum Speichern des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals, wobei das Ableiten des ersten invertierten Signals und des zweiten invertierten Signals ein Zeit-Umkehren eines Signalabschnitts eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals beinhaltet, und wobei die Verarbeitungseinheit, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit betreibbar sind zum Anlegen des ersten Messsignals an den ersten Anschluss, und zum Empfangen eines ersten Antwortsignals des ersten Messsignals an dem zweiten Anschluss, zum Anlegen eines zweiten Messsignals an den ersten Anschluss, zum Empfangen eines zweiten Antwortsignals des zweiten Messsignals an dem dritten Anschluss, und zum Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus mindestens einem des ersten Antwortsignals und des zweiten Antwortsignals.
Eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Leitung mit einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser, aufweisend - einen ersten Anschluss, - einen erster Ultraschall-Anklemmwandler, der mit dem ersten Anschluss verbunden ist, - einen zweiten Anschluss, - einen zweiten Ultraschall-Anklemmwandler, der mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, einen Abschnitt der Leitung, wobei der erste Ultraschall-Anklemmwandler an dem Leitungsabschnitt an einer ersten Stelle angebracht ist, und der zweite Ultraschall-Anklemmwandler an dem Leitungsabschnitt an einer zweiten Stelle angebracht ist, wobei jeweilige Verbindungslinien zwischen dem ersten Ultraschall-Anklemmwandler und dem zweiten Anklemm-Ultraschallwandler außerhalb einer Symmetrieachse der Leitung verlaufen, - eine Sendeeinheit zum Senden von Impulssignalen und zum Senden von Messsignalen, - eine Empfangseinheit zum Empfang von Antwortsignalen, - eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines Messsignals aus einem invertierten Signal, wobei das Ableiten des invertierten Signals ein Zeit-Umkehren eines Signalabschnitts eines Antwortsignals eines zugehörigen Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals beinhaltet, und wobei die Verarbeitungseinheit, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit betreibbar sind zum Anlegen des Messsignals an den ersten Anschluss, zum Empfangen eines Antwortsignals des ersten Messsignals an dem zweiten Anschluss, und zum Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem Antwortsignal.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, zudem aufweisend - einen D/A-Wandler, wobei der D/A-Wandler mit dem ersten Anschluss verbunden ist, - einen A/D-Wandler, wobei der A/D-Wandler mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, - einen computerlesbaren Speicher zum Speichern des Messsignals.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, zudem aufweisend eine Auswahleinheit, wobei die Auswahleinheit betreibbar ist zum Auswählen eines Abschnitts eines empfangenen Antwortsignals auf das Impulssignal oder eines davon abgeleiteten Signals, und eine Invertierungseinheit, wobei die Invertierungseinheit betreibbar ist zum Zeit-Invertieren des ausgewählten Abschnitts des empfangenen Antwortsignals, um das invertierte Signal zu erhalten.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Vorrichtung aufweist: einen direkten digitalen Signalsynthesizer, wobei der direkte digitale Signalsynthesizer den A/D-Wandler aufweist, ein Frequenzsteuerregister, einen Referenzoszillator, einen numerisch gesteuerten Oszillator und ein Rekonstruktionstiefpassfilter, wobei der A/D-Wandler über das Rekonstruktionstiefpassfilter mit dem ersten und dem zweiten Anschluss verbindbar ist.