DE2133393A1

DE2133393A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Stroemungsgeschwindigkeit eines Stroemungsmittels

Info

Publication number: DE2133393A1
Application number: DE19712133393
Authority: DE
Inventors: John Coulthard
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-07-06
Filing date: 1971-07-05
Publication date: 1972-01-13
Also published as: DE2133393C2; GB1359151A; US3762221A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels

( Für diese Anmeldung wird die Priorität der englischen Anmeldung No. 32563/70 vom 6· Juli 1970 und der englischen Anmeldung No. 2593/71 vom 19. Januar 1971 in Anspruch genommen )

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus: Aussenden eines Bündeis von Strahlungsenergie in das Strömungsmittel an je einer von zwei in der Strömungsrichtung des Strömungsmittels voneinander in Abstand befindlichen Positionen; Empfangen der beiden Bündel und Nachweisen der Störmodulation in jedem Bündel, welche auf Störungen im Strömungsprofil des Strömungsmittels zurückzuführen ist; wechselseitiges Miteinander-In-Beziehung-Setzen der beiden nachgewiesenen Störsignale und Bestimmen des eine maximale Übereinstimmung zwischen den beiden Störsignalen erzeugenden Betrages der Übereinstimmungsverzögerung.

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Der Betrag der Übereinstimmungsverzögerung, der zu einer maximalen Übereinstimmung führt, stellt ein Maß für diejenige Zeit dar, welche Störungen in der Strömung, die mit der mittleren oder Durchschnittsgeschwindigkeit der Strömung transportiert werden, benötigen, von der einen Position zur anderen zu gelangen. Wenn daher der Abstand zwischen den beiden Positionen durch den Betrag der Übereinstimmungsverzögerung geteilt wird, die eine maximale Übereinstimmung ergibt, so erhält man die Strömungsmittelgeschwindigkeit.

Es ist ersichtlich, daß die Erfindung besonders zur Messung der Geschwindigkeit einer sehr turbulenten Strömung geeignet ist, da die Störungen in der Strömung in einem solchen Falle groß sind. Jedoch kann das erfindungsgemäße Verfahren unter der Voraussetzung einer genügenden Empfindlichkeit der Nachweisvorrichtung auch für die Messung der Geschwindigkeit eines Strömungsmittels verwendet werden, die an den reinen laminaren Bereich angrenzt. Wenn die Strömung im wesentlichen nichtturbulent ist, können absichtlich Störungen im Strömungsmittel hervorgerufen werden, damit das erfindungsgemäße Verfahren auch in diesen Fällen angewandt oder wirkungsvoller gemacht werden kann.

Die beiden Störungssignale können durch Nachweis bzw. Ermittlung der Amplituden-, Frequenz- oder Phasenmodulation der Bündel erhalten werden; wie diese verschiedenen Nachweistechniken angewandt werden können, läßt sich beispielsweise aus den verschiedenen, weiter unten näher erläuterten besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen der Ei— findung ersehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines dünnflüssigen Breies, Schlamms, einer Aufschwemmung, einer Suspension o. dgl, an-

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gewandt werden. Flüssigkeiten, die eine große Anzahl von Streuzentren besitzen, wie beispielsweise Blut oder Milch, sind besonders für die Anwendung dieser Meßtechnik geeignet, weil eine Streuung der eingestrahlten Bündel erzeugt wird und daher die Störungssignale verstärkt werden·

In einer Anzahl unterschiedlicher Ausführungsbeispiele der Erfindung, die weiter unten näher erjäutert sind, liegen die beiden Bündel der Strahlungsenergie in der gleichen Ebene, die auch die Richtung der Strömung umfaßt, so daß das Verfahren die Übereinstimmung zwischen dem Strömungsprofil in dieser Ebene an zwei entlang der Richtung der Strömung voneinander in Abstand befindlichen Positionen bestimmt. Alternativ hierzu können die beiden Bündel in einzelnen unterschiedlichen Ebenen liegen, wobei jede dieser Ebenen die Strömungsrichtung umfaßt, so daß die Strömung nur in oder nahe der durch beide Bündel hindurchgehenden Strömungslinie bzw. -linien übereinstimmt. Beispielsweise können die beiden Bündel in zueinander senkrechten Ebenen liegen und beide durch das Zentrum eines Kanals verlaufen, der das im Strömungszustand befindliche Strömungsmittel enthält. Das letztere Verfahren ist besonders für die Messung der Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten wie Blut aufgrund der Reflexion der eingestrahlten Energie von den Teilchen anwendbar, und es ist besonders vorteilhaft für chirurgische Anwendungen geeignet, da die Blutströmung in einem Patient durch Wandler überwacht werden kann, die außen an dem Körper des Patienten festgeklemmt oder in sonstiger Weise befestigt sind.

Es können eine ganze Reihe verschiedener Arten von Strahlungsenergie zur Anwendung gelangen. Insbesondere kann Ultraschallstrahlung und elektromagnetische Strahlung angewandt werden, auch kann optische Strahlung wie durch Laser erzeugtes oder übertragenes Licht verwendet werden.

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Durch die Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels vorgeschlagen, die sich auszeichnet durch eine Einrichtung zum Übertragen bzw. Aussenden eines Bündels von Strahlungsenergie in das Strömungsmittel (Übertragungseinrichtung) an je einer von zwei, in der Strömungsrichtung des Strömungsmittels voneinander im Abstand befindlichen Positionen, eine Einrichtung zum Empfangen der beiden Bündel und zum Nachweis bzw. zur Ermittlung der Störmodulation in jedem Bündel (Empfangs- und Nachweiseinrichtung), welche auf Störungen Im Strömungsprofil des Strömungsmittels zurückzuführen ist, und einen Signalkorrelator bzwi -vergleicher, um die beiden nachgewiesenen bzw. ermittelten Störsirgnale wechselseitig miteinander in Beziehung zu setzen, insbesondere auf ihre Übereinstimmung zu vergleichen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem eine Einrichtung zum Bestimmen des Wertes der Übereinstimmungsverzögerung aufweisen, bei der sich ein Maximum an Übereinstimmung zwischen den beiden Signalen ergibt, obwohl diese Funktion auch statt dessen von einer Bedienungsperson übernommen werden kann.

In Ausführungsbeispielen der Erfindung, die hinsichtlich ihrer Einzelheiten weiter unten näher erläutert sind, ist an jeder der beiden Positionen ein Oszillator mit einem Übertragungswandler auf einer Seite eines die Strömung leitenden Kanals verbunden, während ein Empfangswandler auf der anderen Seite des Kanals angeordnet ist. Das elektrische Ausgangssignal jedes Empfangs wand le rs wird zu einem Ampli tudenmodulations-(AM), Frequenzmodulations- (FM) oder Phasenmodulationsdetektor geleitet, um die dem Signal aufgeprägte Störungsmodulation nachzuweisen bzw, zu ermitteln. Die beiden auf diese Weise gewonnenen Störungssignale werden dann in einen Signalkorrelator eingegeben, um die Verzögerung zwischen ihnen zu bestimmen, die eine maximale Über-

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einstimmung erzeugt» Wenn Phasenmodulationsdetektoren benutzt werden, wird der Eingang des zugeordneten Übertragungswandlers mit jedem Detektor verbunden, um die Modulation der Phasenverschiebungen zwischen den Bündeln bzw. zwischen den Enden der Bündel festzustellen.

Bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der vorerwähnten Ausführungsbeispiele wird eine positive Rückkopplung zwischen jedem Empfangswandler und seinem zugeordneten Übertragungswandler eingeführt, so daß kein Oszillator erforderlich ist, da die Rückkopplungsschleife der Wandler Eigenschwingungen ausführt, und zwar bei einer Frequenz, die weitgehend durch die Resonanzfrequenz der Wandler bestimmt ist. Eine derartige Anordnung beseitigt das Erfordernis einer kontinuierlichen Einstellung der verwendeten Frequenz auf die Resonanzfrequenz der Wandler, um eine optimale Leistung zu erreichen, was sonst wegen der Veränderung der Resonanzfrequenzen aufgrund der Einflüsse von Temperatur, Degradation, Alterung der Wandler usw. erforderlich wäre.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung sind die beiden Bündeln zugeordneten Wandler so miteinander verbunden, daß sie eine einzige, beide Bündel umfassende Rückkopplungsschleife bilden.

Wenn eine Gasströmung gemessen werden soll, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so angeordnet werden, daß sich ein stehender Wellenverlauf im Strömungsmittel ergibt, so daß eine Störung dieses Verlaufs die Amplitude des Störungssignals erhöht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 8 der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung, in der die Amplitudenmodulation jedes von zwei Ultraschallbündeln, die quer durch einen in Längsschnitt dargestellten Kanal hindurchgeschickt werden, die beiden Störungssignale bildet]

Fig. 1A eine teilweise Ansicht einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, wobei der Kanal im Axial- statt im Längsschnitt gezeigt ist;

Fig. 2 die Variation der Größe und Phase des empfangenen Signals in Abhängigkeit vom Durchmesser eines Kanals, in dem ein Gas strömt, wobei ein stehender Wellenverlauf in dem Kanal eingestellt worden ist;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung, in dem die Oszillatoren der Fig. 1 durch regenerative Rückkopplungsschleifen ersetzt sind;

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung, in dem die Oszillatoren der Fig. 1 durch eine einzige, beide Bündel umfassende regenerative Rückkopplungsschleife ersetzt sind;

Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung, bei dem die Frequenzmodulation jedes der beiden Bündel nachgewiesen bzw. ermittelt wird;

Fig. 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel, schematisch dargestellt, bei dem die Modulation der aufgrund der Störungen im Profil des

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Strömungsmittelflusses auftretenden Phasenverschiebung über bzw, in jedem Bündel festgestellt wird;

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines die Phase in eine Spannung umwandelnden Umsetzers, der insbesondere in der Vorrichtung nach Fig. 6 angewandt werden kann; und

Fig. 8 eine Abwandlung der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung in schematischer Darstellung und nur für ein Bündel, in welcher das Bündel zweimal durch den Kanal hindurchgeschickt wird, um Fehler herabzusetzen bzw, auszuschalten, die durch eine Verzerrung des Geschwindigkeitsprofils hervorgerufen werden·

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden durch die Oszillatoren 10, 10' Übertragungswandler T, T¹ betrieben, die elektrische Energie in Ul traschall energie umwandeln, und die an der Außenseite eines Kanals 11 befestigt und so angeordnet sind, daß sie UIt rasch all energiebündel im wesentlichen rechtwinklig zu einer Strömung eines Strömungsmittels in dem Kanal einstrahlen bzw. übertragen. Die beiden Bündelliegen in einer gemeinsamen Ebene, welche die Richtung der Strömung umfaßt. Die verwendeten Frequenzen liegen vorzugsweise in der Größenordnung von 38 bis 40 kHz für Gase und in der Größenordnung von 2 MHz für Flüssigkeiten, sie können jedoch auch in Abhängigkeit von dem jeweils der Messung unterworfenen Strömungsmittel außerhalb dieser Wertebereiche Hegen.

Die Bündel werden durch Störungen amplitudenmoduliert, welche aus Beunruhigungen in dem Strömungsmittel bestehen, und die durch Störung modulierten Signale werden von Empfangswandlern R, R¹ empfangen,

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die am Kanal 11 gegenüber den Übertragungswandlern T, T¹ befestigt sind und die modulierten Ultraschallsignale in elektrische Signale umwandeln. Diese letzteren Signale werden von Verstärkern 12, 12' verstärkt, und nach Auffindung, Gleichrichtung, Demodulation o. dgl. durch AM-Detektoren 13, 13' werden die Störsignale von Verstärkern 14, 14' verstärkt, wodurch zwei Signale x(t) und y(t) erzeugt werden, die dann einem Signalkorrelator 15 zugeleitet werden, um wechselseitig miteinander in Beziehung gesetzt zu werden, wobei die Übereinstimmungsverzögerung für eine maximale Übereinstimmung bestimmt wird, um ein Maß für die mittlere Strömungsmittelgeschwindigkeit zu erhalten.

Die Übereinstimmungsverzögerung kann beispielsweise durch diejenige Zeit bestimmt werden, um welche das Signal x(t) verzögert werden muß, um möglichst weitgehend in Übereinstimmung mit dem Signal y(t) übereinzustimmen·

Wenn die Vorrichtung in einem Anwendungsfall benützt werden soll, bei dem die Strömung durch den Kanal 11 an den reinen Laminarzustand angrenzt oder laminar ist, kann eine allgemein bei A dargestellte Vorrichtung stromaufwärts von den Bündeln vorgesehen sein, welche es gestattet, die Strömung zu unterbrechen oder in sonstiger Weise auf die Strömung einzuwirken und auf diese Weise künstlich Störungen, Beunruhigungen o· dgl, in der Strömung zu erzeugen.

In dem in Fig, 1A dargestellten Ausführungsbeispiel, das eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 ist, liegen die Bündel jeweils in unterschiedlichen Ebenen, von denen jede die Strömungsrichtung umfaßt. Die Ebenen sind senkrecht zueinander und schneiden sich im Zentrum des Kanals, so daß die Vorrichtung nur Beunruhigungen der Strömung miteinander in Wechselbeziehung setzt, die in oder nahe der durch die Mitte des Kanals verlaufenden Stromlinie bzw, -linien auftreten. Wie bereits

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erwähnt, ist der Nachweis von Übereinstimmungen von Strömungsbeunruhigungen in dieser Weise besonders vorteilhaft für die Messung der Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten wie Blut wegen der Reflexion der Strahlungsenergie von den Teilchen (im Strömungsmittel) geeignet.

Der akustische Reflexionskoeffizient zwischen Gas und Metall ist meistens Eins, und daher wird in einer Anordnung nach Fig. 1, die zur Messung der Gasströmung in einem mit MetalIInnenwänden versehenen Kanal benutzt wird, bei jedem Wandler die von einer Wand in den Kanal übertragene akustische Energie von der gegenüberliegenden Wand zurückreflektiert und zurück zur ersten Wand übertragen, wo eine weitere Reflexion auftritt; diese vielfache Reflexion bewirkt eine komplexe stehende akustische Wellenform,

Daher ergibt sich für einen im Querschnitt kreisförmigen Kanal die Größe der Ausgangsspannung v_r von jedem Empfangswandler R, R¹ angenähert durch die Gleichung

sinKDcoskD - j cosh (KD sin kP cosh 2KD - cos 2kD

und die Phasendifferenz zwischen v_o und v_r ergibt sich aus der Gleichung

θ = tan

-1

cosh OCD sin kD sinh t><D cos kD

Hierin haben die Formelzeichen im einzelnen folgende Bedeutung:

D = Der Durchmesser des Kanals, 0< =» der Dämpfungskoeffizient

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k = die Wellenzahl,
v_o = die Spannung für D = O, und
A = die Wellenlänge der verwendeten Strahlung.

Die Größe und Phase jeder erhaltenen Spannung in bezug auf die übertragenen Signale ist in Fig. 2 in Abhängigkeit vom Kanaldurchmesser dargestellt.

Wenn ein Gas längs des Kanals strömt, so bewirken Beunruhigungen bzw. Störungen im Gas, daß sich Kompressionen und Verdünnungen durch den aufgebauten akustischen Feldverlauf bewegen, wodurch Störungsschwankungen bzw. -änderungen im stehenden Wellensystem und Änderungen der Amplitude v_r der Signale der Empfangswandler hervorgerufen werden. Wenn die Oszillatorsignale in ihrer Amplitude und Frequenz konstant sind, dann ändern sich die mittleren Quadratwurzel werte der Signale x(t) und y(t) entsprechend der Größe der obigen Gleichung für v_r. Es folgt, daß die Größen der Signale x(t) und y(t) von der Länge des akustischen Weges und dem Grad der Turbulenz des Strömungsmittels abhängen, das durch diesen strömt. Eine bestimmte Turbulenz mag dazu führen, daß ein Störungssignal ansteigt und das andere abfällt, so daß sich eine negative Spitze der gegenseitigen Wechselbeziehung bzw. Übereinstimmung ergibt; das Verfahren nach der Erfindung ist auf diese Weise noch praktikabel.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 wird wünschenswerterweise bei Frequenzen betrieben, die so nahe wie möglich an den Resonanzfrequenzen der Wandler liegen, insbesondere wenn Wandler mit hohem Q bzw. hohem Gütefaktor verwendet werden, um den Verlust von Informationen hoher Frequenz zu vermeiden, was zu einer Abschwächung der Kurve der gegenseitigen Wechselbeziehung bzw. Übereinstimmung und damit zu einer Herabsetzung der Genauigkeit führen würde. Wenn sich nun die Resonanzfrequenzen der

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Wandler aufgrund verschiedenartigster Effekte, wie z.B. Alterung, Temperaturveränderung, Ansammlung von Staub oder sonstigen Ablagerungen auf den Membranen der Wandler u. dgl. verändern, ist eine dauernde Korrektur der Oszillatorfrequenzen erforderlich. Um das zu vermeiden, wurde das in Fig. 3 veranschaulichte Ausführungsbeispiel der Erfindung entwickelt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel, in dessen Darstellung die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 für entsprechende Elemente verwendet wurden, sind keine Oszillatoren vorgesehen. Statt dessen bilden die Verstärker .12, 12' und 16, 16' Teile von selbstschwingenden elektro-akustischen positiven Rückkopplungsschleifen L und L¹, welche die Wandler und die akustischen Bündel mit umfassen. Die Parameter der Schleifenkomponenten sind derart, daß durch die Wandler eine Schwingung der Schleifen bei Frequenzen sichergestellt wird, die weitgehend durch deren eigene Resonanzfrequenzen bestimmt sind. Daher verändern sich die Frequenzen automatisch, wenn sich die Resonanzfrequenzen der Wandler ändern.

Die Amplituden der Schwingungen werden durch die Sättigung der Ausgangsstufen der Verstärker 16, 16¹ bestimmt, wobei die Signale für den Nachweis an den Ausgängen der Verstärker 12, 12¹ abgenommen werden, bevor irgendeine Verzerrung aufgrund der Sättigung auftritt. Diese Signale sind der Größe des akustischen Druckes an den Empfangs wandlern direkt proportional.

Eine Bewegung der Wandler in Richtungen senkrecht zur Strömungsrichtung veranlaßt die Schwingungsfrequenzen in genau aussagbarer Weise um zentrisch zu den Resonanzfrequenzen der Wandler liegende Frequenzen zu variieren. Wenn die Anordnung bei der Wandler-Resonanzfrequenz schwingt, dann ergeben sich Bedingungen, die es ermöglichen, eine be-

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friedigende gegenseitige Wechselbeziehung bzw, Übereinstimmung zwischen den Signalen x(t) und y(t) zu erreichen.

Bei Tests mit Vorrichtungen gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ergaben Störungen eines im Kanal erzeugten stehenden Wellenverlaufs deutliche und klare Kurven der gegenseitigen Wechselbeziehung bzw, Übereinstimmung und dementsprechend eine genaue Messung der Gasströmungsgeschwindigkeiten im Geschwindigkeitsbereich von etwa 4 m/s an aufwärts, wenn die beiden Positionen (der Wandler) um 25 cm voneinander getrennt waren. Die Systemfrequenzen stellten sich automatisch in Abhängigkeit von den Umgebungsveränderungen so ein, daß sich übereinstimmend genaue Strömungsmessungen ergaben. Es wurde auch gefunden, daß der Abstand zwischen den beiden Positionen mit vergrößerter Strömungsgeschwindigkeit vergrößert werden konnte.

Es wurde festgestellt, daß sich bei bestimmten Formen der Erfindung in bestimmten Anwendungsfällen Ungenauigkeiten aufgrund einer Phasenverschiebung zwischen den beiden Bündeln ergeben können. Es ist anzunehmen, daß diese Ungenauigkeit von einer Verschiebung der Spitze der gegenseitigen Wechselbeziehung bzw, Übereinstimmung aus der Lage herrührt, welche die Spitze einnehmen würde, wenn keine derartige Phasendifferenz vorhanden wäre, was zur Folge hat, daß der gemessene Betrag der Verzögerung für die maximale gegenseitige Wechselbeziehung bzw, Übereinstimmung zwischen den beiden Bündeln leicht von der mittleren Beunruhigungs-Transportzeit zwischen den beiden Bündeln abweicht. Es sei daraufhingewiesen, daß diese Ungenauigkeit nur bei bestimmten Anwendungsfällen auftrat; beispielsweise erhält man mit der in Fig, I gezeigten Vorrichtung gute Ergebnisse, wenn sie zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit verwendet wird, es werden jedoch weniger befriedigende Ergebnisse erzielt, wenndiese Vorrichtung

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für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases benutzt wird. Es ist anzunehmen, daß die weniger befriedigenden Ergebnisse, die bei Benützung dieser Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases auftraten, Störungen des in dem Gas erzeugten stehenden Wellenverlaufs zuzuschreiben sind.

Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ist der in Fig. 3 veranschaulichten Vorrichtung im großen und ganzen ähnlich. Jedoch bilden hier die Verstärker 12, 12' und 16, 16' zusammen mit den beiden Bündeln eine einzige selbstschwingende elektro-akustische positive RückkoppIungsschleife. Wie bei der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung schwingt auch hier die Schleife bei einer Frequenz, die weitgehend durch die Resonanzfrequenzen der Wandler bestimmt ist, so daß sich die Frequenz automatisch ändert, wenn sich die Resonanzfrequenzen der Wandler ändern. Die Vorrichtung nach Fig. 4 hat aber den weiteren Vorteil, daß die vorerwähnte, durch Phasendifferenzeffekte zwischen den beiden Bündeln hervorgerufene Ungenauigkeit gegenüber dem Gerät nach Fig. 3 beträchtlich herabgesetzt ist. Es sei daraufhingewiesen, daß bei der Vorrichtung nach Fig. 4 kein ••Übersprechen" zwischen den beiden modulierenden Störsignalen erfolgt, obgleich sie sich beide in derselben Rückkopplungsschleife befinden. Das liegt daran, daß die Verstärker 16, 16' beide gesättigte Ausgänge besitzen, wodurch die Modulation entfernt wird.

Es isterkennbar, daß genauso gut wie die bevorzugte Rückkopplungsschleife R-I 2-16-T¹-R¹-12'-16'-T-R zwei mögliche subsidiäre Rückkopp I ungsschleifen vorhanden sein können, die durch Übertragung unerwünschter Bündel zwischen T und R¹ sowie zwischen T¹ und R hervorgerufen werden können. Die Vorrichtung muß in ihrer Ausführung so angeordnet sein, daß wenigstens die bevorzugte Rückkopplungsart vorherrscht. Zu diesem Zweck sind die Übertragungswandler T, T¹ relativ angepaßt, und die

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Empfangswandler R, R¹ sind sowohl gegenseitig als auch relativ zu den Übertragungswandlern T, T¹ fehlangepaßt.

Das in Fig. 5 veranschaulichte Ausführungsbeispiel der Erfindung stimmt ebenfalls weitgehend mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 überein. Jedoch wird an Stelle eines Nachweises der durch Beunruhigungen in der Strömung hervorgerufenen Amplitudenmodulation der Bündel die Frequenzveränderung festgestellt, d.h. es wird die aufgrund von Beunruhigungen in der Strömung hervorgerufene Frequenzmodulation der Bündel durch die veranschaulichten Umwandler nachgewiesen bzw. festgestellt, welche die Frequenz in eine Spannung umwandeln, d. h. durch FM-Detektoren 20, 20¹, die Signale x(t) und y(t) für eine Korrelation bzw. Wechselbeziehung abgeben.

Es sei darauf hingewiesen, daß das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 durch Ausschluß der Rückkopplungsschleifen und Verwendung von Oszillatoren zum Betreiben der Übertragungswandler entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 abgeändert werden kann.

Das in Fig. 6 veranschaulichte Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht insofern weitgehend der Vorrichtung nach Fig. 1, als zwei getrennte, durch entsprechende Oszillatoren 10, 10' erzeugte akustische Bündel verwendet werden. Jedoch wird hier an Stelle einer Feststellung der durch Beunruhigungen im Strömungsmittelfluß in den Bündeln hervorgerufenen Amplituden- oder Frequenzmodulation die gesamte Phasenverschiebung zwischen den Enden jedes Bündels gemessen, indem der Ausgang des Oszillators und der Ausgang des Empfangs wand le rs für jedes Bündel in je einen Umwandler 22, 22¹ eingegeben werden, der die Phase in eine Spannung umwandelt. Aufgrund der Tatsache, daß eine sich durch die beiden Bündel bewegende Störung bzw, Beunruhigung dazu führt, daß

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die Phase zwischen dem Eingang des Übertragungswandlers und dem Ausgang des Empfangswandlers in jedem Bündel in gleichartiger Weise verändert wird, ergibt sich keine Phasenverschiebung zwischen den Ausgangssignalen der Umwandlers 22, 22', und diese beiden Signale können gegenseitig in Wechselbeziehung gebracht werden, wodurch man im Ergebnis die Transportzeit für Störungen bzw. Beunruhigungen in den beiden Bündeln erhält, die durch die weiter oben erwähnten Phasenverschiebungseffekte nicht ungenau gemacht wird.

Ein eine Phase in eine Spannung umsetzender Umwandler, auch als Phasen-Spannungs-Umwandler bezeichnet, der in jedem der beiden Kanäle der Vorrichtung nach Fig. 6 verwendet werden kann, ist in Fig. 7 im Blockdiagramm dargestellt, wobei die an bestimmten Stellen auftretenden Wellenformen mit eingezeichnet sind. Die Signale vom Ausgang des Oszillators 10 (10¹) und vom Ausgang des Verstärkers 12 (12¹) werden auf je einen ersten Eingang je eines Tores 30 und 32 gegeben. Diese Signale sind Folgen von Impulsen der Ultraschall trägerfrequenz, die ihre Phase aufgrund von Turbulenzen in der Strömung relativ zueinander konstant verändern. Die Ausgänge der Tore 30 und 32 sind mit Teilerkreisen 34 und 36 verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt in diesen Kreisen eine Teilung durch acht, obgleich die Teilerkreise auch so ausgebildet sein können, daß sie in unterschiedlichen Anwendungsfällen durch andere Zahlen teilen können; in wieder anderen Anwendungsfällen Ist es auch möglich, daß die Teilerkreise ganz wegfallen. Die Teiler sind nämlich nur erforderlich, wenn die Vorrichtung in Verbindung mit Kanälen verwendet werden soll, welche große Durchmesser besitzen, um die Phasenverschiebungen in den Linearitätsbereich der Umwandler zu bringen.

Das Ausgangssignal des Teilerkreises 34, dessen Periode achtmal größer

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als de.s Eingangssignalsist, wird einem linearen Halbperioden-Verzögerungsnetzwerk 38 zugeführt, welches eine sägezahnförmig verlaufende Ausgangsgröße erzeugt, wie in Fig. 7 veranschaulicht ist. Der sägezahnförmige Ausgang des linearen Halbperioden-Verzögerungsnetzwerks wird einem Niveaudetektor 40 zugeführt, der seinen Zustand am Ausgang ändert, wenn seine Eingangsspannung ein vorbestimmtes Niveau überschreitet. Dieser Ausgang gelangt zu einem halbperiodisch monostabilen Kreis 42, so daß die dargestellte Wellenform erzeugt wird.

Diese Wellenform wird einem ersten Eingang eines weiteren Tores 44 eingegeben, während der Ausgang des Teilers 36 an den anderen Eingang dieses Tores angelegt wird. Aufgrund der Tatsache, daß die beiden Eingangsspannungen des Tores 44 gleiche Wellenformen aufweisen, die zeitlich um eine der zwischen den Enden des Bündels auftretenden Phasenverschiebung äquivalente Größe gegeneinander verschoben sind, ist die Ausgangsspannung des Tores 44 ein Impuls veränderlicher Länge, wobei diese Länge ein Maß für die vorerwähnte Phasenverschiebung darstellt. Aufeinanderfolgende, am Ausgang des Tores 44 auftretende Impulse werden in einen Integrator 46 eingegeben, an dessen Ausgang man auf diese Weise ein Signal erhält, das proportional der mittleren Phasenverschiebung zwischen den Enden des Bündels ist, d.h. x(t) oder y(t) entsprechend dem jeweiligen Fall. Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn die Strömungsgeschwindigkeit Null ist, die Impulsbreite der am Tor 44 auftretenden Wellenform konstant ist und infolgedessen dann der Integrator am Ausgang ein konstantes Gleichstromniveau aufweist. Wenn hingegen eine Strömung auftritt, verändert sich die Impulsbreite, was dazu führt, daß nunmehr am Ausgang des Integrators eine Wellenform auftritt, welche den Verlauf einer Wechsel Stromschwankung auf einem mittleren Gleichstromniveau besitzt, wie in Fig. 7 rechts unten dargestellt ist. Um die Signale x(t) oder y(t) in Wechselstromform zu erhalten, wird das am

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Integratorausgang auftretende Signal über eine Wechselstromkopplung entnommen.

Von dem mit dem Ausgang des Tores 44 verbundenen Impulsbreitendetektor 48 erhaltene logische Synchronisierungsimpulse werden je einem zweiten Eingang jedes der Tore 30 und 32 sowie Rückstellanschlüssen der Teiler 34 und 36 zugeführt. Diese Synchronisierungsimpulse werden nur erzeugt, wenn die Teiler nicht synchron arbeiten, beispielsweise dann, wenn die Vorrichtung erst angeschaltet wird. Der Impulsbreitendetektor 48 stellt das Fehlen der Synchronisierung fest, weil dann, wenn die Teiler 34 und 36 nicht durch die Anstiegskante des gleichen Impulses der Ultraschallträgerwelle getriggert werden, ein falscher Impuls auftritt, wie sich aus einer entsprechenden Betrachtung der Fig. 7 ersehen läßt.

In Fig. 8 ist ein Blockschaltbild eines Gerätes dargestellt, das sich jedoch nur auf ein Bündel bezieht und eine Abwandlung der in Fig. 6 veranschaulichten Vorrichtung darstellt. Der Kanal 11 ist in Fig. 8 an Stelle in einem Axial- in einem Radialschnitt gezeigt. Das Bündel akustischer Energie wird zweimal quer durch den Kanal hindurchgeleitet, um eine genauere Messung dermittleren Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen, insbesondere in den Fällen, in denen das Geschwindigkeitsprofil verzerrt ist. Das Bündel wird zunächst durch einen Übertragungswandler T1 ausgestrahlt und von einem Empfangswandler R1 empfangen und dann an einen zweiten Übertragungswandler T2 abgegeben und schließlich von dem Empfangswandler R2 aufgenommen. Es läßt sich leicht erkennen, daß die Vorrichtung in einfacher Weise zur Verwirklichung von drei oder mehr Durchgängen des Bündels quer durch den Kanal abgewandelt werden kann, sofern es eine noch genauere Messung bzw. Ablesung ermöglichen soll.

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Es ist weiterhin aufgrund der vorstehenden Erläuterungen leicht erkennbar, daß bei der Verwirklichung der Erfindung auch elektromagnetische Strahlung an Stelle von Ultraschallenergie verwendet werden kann. Die einzige grundsätzliche Veränderung besteht darin, daß es hierzu erforderlich ist, die Wandler T, T¹ und R, R¹, die beispielsweise piezoelektrische Vorrichtungen sein können, durch geeignete Einrichtungen zu ersetzen, beispielsweise durch Antennen zur Ausstrahlung elektrischer bzw. elektromagnetischer Energie in den Kanal und zum Empfang der Strahlung an der anderen Seite des Kanals, Die Störsignale ergeben sich in diesem Falle aufgrund der Modulation der Bündel durch Änderungen der elektrischen Eigenschaften des fließenden Strömungsmittels, an Stelle der Modulation durch Druckänderungen, die beide durch die Beunruhigungen bzw. Störungen hervorgerufen werden.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß eine analogische optische Einrichtung an Stelle der mit Ultraschall arbeitenden Ausführungsbeispiele angewandt werden kann, um Veränderungen der optischen Eigenschaften des sich bewegenden Strömungsmittels zur Modulation von Lichtbündeln zu benutzen. Hierzu können die Wandler T, T¹ durch Wechsel lichtquell en und die Wandler R, R¹ durch photoelektrische Detektoren ersetzt werden. In diesem Zusammenhang ist es möglich, in einer dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechenden Ausführungsform Laser zu verwenden, wobei zwei Laser mit einer Spiegelanordnung kombiniert werden, um eine selbstschwingende Rückkopplungsanordnung aufzubauen, die analog den elektro-akustischen Rückkopplungsschleifen L, L¹ arbeitet.

Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen entnehmen läßt, wird mit der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit aller Arten von Strömungsmitteln vorgeschlagen,

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wobei Ergebnisse erzielt werden, die absolut und unabhängig von den
physikalischen Eigenschaften des Strömungsmittels sind. Da es im Rahmen der Erfindung nicht erforderlich ist, den Strömungsmittelfluß durch Anordnung von Apparateteilen in der Strömung zu behindern oder in
sonstiger Weise direkt auf mechanischem Wege in die Strömung einzugreifen, ist es mit der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise möglich, gefährliche, korrosi-ve, unter Hochdruck stehende oder in sonstiger Weise angriffsfreudige Strömungsmittel sicher zu überwachen.

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Claims

DIPL.-ING. O. R. KRETZSCHMAR a Hamburg ι *

0. BEIM STROHHAUSE 3*

PATENTANWALT 4\V RUF Oili/2467 43

John Coulthard
Yorkshi re/Engl and

Anwaltsakte: 3920

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10, 10¹; T, T¹) zum Aussenden eines Bündels von Strahlungsenergie in das Strömungsmittel (Übertragungseinrichtung) an je einer von zwei in der Strömungsrichtung des Strömungsmittels voneinander im Abstand befindlichen Positionen, eine Einrichtung (R, R¹; 12, 12'j 13, 13'j 14, 14¹) zum Empfangen der beiden Bündel und zum Nachweisen der Störmodulation in jedem Bündel (Empfangs- und Nachweiseinrichtung), welche auf Störungen im Strömungsprofil des Strömungsmittels zurückzuführen ist, und einen Signalkorrelator (15), um die beiden nachgewiesenen Störsignale wechselseitig miteinander in Beziehung zu setzen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Slgnalkorrelator eine Einrichtung zum Bestimmen des eine maximale Übereinstimmung zwischen den beiden Störsignalen erzeugenden

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KONTENt DRESDNER BANK, KONTO-NR. 9229371 · POSTSCHECK HAMBURG NR. 193766

Betrages der Übereinstimmungsverzögerung aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung so angeordnet ist, daß sie die beiden Bündel in einer gemeinsamen Ebene aussendet, welche auch die Strömungsrichtung des Strömungsmittels umfaßt (Fig. 1 und 3-6).
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung so angeordnet ist, daß sie die beiden Bündel in einzelnen unterschiedlichen Ebenen aussendet, von denen jede die Strömungsrichtung des Strömungsmittels umfaßt (Fig. IA und 8).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ebenen senkrecht zueinander verlaufen (Fig. IA und 8).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung für jedes Bündel jeweils einen Übertragungswandler (T bzw. T¹) und die Empfangs- und Nachweiseinrichtung für jedes Bündel jeweils einen Empfangswandler (R bzw. R¹) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator (10, 10') mit dem Eingang eines jeden Übertragungswandlers verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang jedes Empfangswandlers über eine Rückkopplungsschleife (l_, L¹) mit dem Eingang des zugeordneten Übertragungswandlers verbunden ist, wobei jede Rückkopplungsschleife eine zum Hervor-

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rufen einer Eigenschwingung für die Erzeugung des zugeordneten Bündels ausreichende Verstärkung besitzt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter der Komponenten jeder Rückkopplungsschleife so gewählt sind, daß sie bei einer Frequenz schwingt, die nahe oder gleich den Resonanzfrequenzen der angeschlossenen Übertragungs- und Empfangswandler ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des dem ersten der Bündel zugeordneten Empfangs Wandlers (R in Fig. 4) mit dem Eingang des dem zweiten der Bündel zugeordneten Übertragungswandlers (T¹) und der Ausgang des dem zweiten Bündel zugeordneten Empfangswandlers (R¹) mit dem Eingang des dem ersten Bündel zugeordneten Übertragungswandlers (T) verbunden ist, so daß beide Bündel von einer einzigen Rückkopplungsschleife umfaßt werden, weiche eine zum Hervorrufen einer Eigenschwingung für die Erzeugung dieser Bündel ausreichende Verstärkung aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Übertragungswandler gegenseitig angepaßt und die beiden Empfangs wandler sowohl gegenseitig als auch relativ zu den Übertragungswandlern fehl angepaßt sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangs- und Nachweiseinrichtung je einen mit dem Ausgang jedes Empfangswandlers verbundenen Detektor (13, 13') für amplitudenmodulierte Signale (AM-Detektor) zum Nachweis der durch die Störung in den Bündeln hervorgerufenen Amplitudenmodulation zum Zwecke der Erzeugung der beiden Störungssignale aufweist.

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13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangs- und Nachweiseinrichtung je einen mit dem Ausgang jedes Empfangswandlers verbundenen Detektor für frequenzmodulierte Signale (20, 20¹) (FM-Detektor) zum Nachweis der durch die Störung in den Bündeln hervorgerufenen Frequenzmodulation zum Zwecke der Erzeugung der beiden Störungssignale aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangs- und Nachweiseinrichtung für jedes Bündel je einen Phasen in Spannungen umsetzenden Umformer (22, 22¹) (Phasen-Spannungs-Wandler) umfaßt, der einen ersten, mit dem Eingang des zugeordneten Übertragungswandlers und einen zweiten, mit dem Ausgang des zugeordneten Empfangswandlers verbundenen Eingang (Fig. 6) besitzt, so daß jeder Umformer im Betrieb die Phasenverschiebung von der einen zur anderen Seite des zugeordneten Bündels messen kann.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere dazwischenliegende Übertragungswandler und ein oder mehrere dazwischenliegende Empfangswandler für jedes Bündel vorgesehen sind, derart, daß jedes Bündel zwei oder mehr Male durch das strömende Strömungsmittel hindurchgeschickt werden kann.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Phasen-Spannungs-Wandler (a) ein lineares Halbperioden-Verzögerungsnetzwerk (38) umfaßt, dessen Eingang mit dem ersten Eingang des Phasen-Spannungs-Wandlers verbunden ist, sowie (b) einen Niveaudetektor (40) dessen Eingang mit dem Ausgang des linearen Halbperioden-Verzögerungsnetzwerks verbunden ist, und (c)

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einen halbperiodisch monostabilen Kreis (42), dessen Eingang mit dem Ausgang des Niveaudetektors verbunden ist, weiter (d) ein Tor (44), das einen ersten, mit dem Ausgang des halbperiodisch monostabilen Kreises und einen zweiten, mit dem zweiten Eingang des Phasen-Spannungs-Wandlers verbundenen Eingang besitzt, und (e) einen Integrator (46), dessen Eingang mit dem Ausgang des Tores verbunden ist, wobei das Ausgangssignal des Integrators eines der beiden Rausch- bzw. Störungssignale ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Phasen-Spannungs-Wandler einen ersten, zwischen dessen ersten Eingang und den Eingang des linearen Halbperioden-Verzögerungsnetzwerks geschalteten Teiler (34) und einen zweiten, das gleiche Verhältnis wie der erste Teiler aufweisenden Teiler (36) besitzt, wobei letzterer zwischen den zweiten Eingang des Phasen-Spannungs-Wandlers und den zweiten Eingang des Tors (44) geschaltet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Phasen-Spannungs-Wandler eine erste und zweite Toreinrichtung (30 bzw. 32) aufweist, von denen jede einen ersten Eingang besitzt, der mit jeweils einem der beiden Eingänge des Phasen-Spannungs-Wandlers verbunden ist, sowie einen Impulsbreitendetektor (48), dessen Eingang mit dem Ausgang des Tors (44) und dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang jeder Toreinrichtung (30 bzw. 32) und mit Rückstellanschlüssen jedes Teilers (34, 36) verbunden ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungswandler (T, T¹) auf elektrische Eingangssignale ansprechen und die Empfangswandler (R, R¹) elektrische Ausgangssignale erzeugen.

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20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungswandler bzw. -einrichtung Ultraschall-Strahlungsenergie aussenden bzw. aussendet.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungswandler bzw. -einrichtung elektromagnetische Strahlungsenergie aussenden bzw. aussendet.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlungsenergie innerhalb des optischen Bereiches liegt.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 22, gekennzeichnet durch eine oberhalb beider Bündel angeordnete Einrichtung zum Hervorrufen von Turbulenz in dem strömenden Strömungsmittel.
24. Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels, insbesondere zum Betreiben der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 23, gekennzeichnet durch folgende Vei— fahrensschritte: Aussenden eines Bündels von Strahlungsenergie in das Strömungsmittel an je einer von zwei in der Strömungsrichtung des Strömungsmittels voneinander in Abstand befindlichen Positionen; Empfangen der beiden Bündel und Nachweisen der Störmodulation in jedem Bündel, welche auf Störungen im Strömungsprofil des Strömungsmittels zurückzuführen ist; wechselseitiges Miteinander-In-Beziehung-Setzen der beiden nachgewiesenen Störsignale und Bestimmen des eine maximale Übereinstimmung zwischen den beiden Störsignalen erzeugenden Betrages der Übereinstimmungsverzögerung.

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25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bündel in einer gemeinsamen Ebene ausgesendet werden, welche auch die Strömungsrichtung des Strömungsmittels umfaßt.
26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bündel in einzelnen unterschiedlichen Ebenen ausgesendet werden, von denen jede die Strömungs richtung des Strömungsmittels umfaßt.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bündel in senkrecht zueinander verlaufenden Ebenen ausgesendet werden.
28. Verfahren nach Anspruch 24, 25, 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Störung in beiden Bündeln hervorgerufene Amplitudenmodulation nachgewiesen bzw. ermittelt wird, um die beiden Störungssignale zu erzeugen.
29. Verfahren nach Anspruch 24, 25, 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Störung in beiden Bündeln hervorgerufene Frequenzmodulation nachgewiesen bzw. ermittelt wird, um die beiden Störungssignale zu erzeugen.
30. Verfahren nach Anspruch 24, 25, 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Störung in den beiden Bündeln hervorgerufene Phasenmodulation nachgewiesen bzw. ermittelt wird, um die beiden Störungssignale zu erzeugen.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 - 30, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsenergie Ultraschall angewandt wird.

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32. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 - 30, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsenergie elektromagnetische Energie angewandt wird.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß eine innerhalb des optischen Bereiches liegende elektromagnetische Strahlungsenergie angewandt wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 - 33, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts von beiden Bündeln Turbulenz in dem strömenden Strömungsmittel hervorgerufen wird.

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