DE2133393C2

DE2133393C2 - Vorrichtung zum Messen der mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels

Info

Publication number: DE2133393C2
Application number: DE2133393A
Authority: DE
Inventors: John Redcar Yorkshire Coulthard
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-07-06
Filing date: 1971-07-05
Publication date: 1983-01-20
Also published as: US3762221A; GB1359151A; DE2133393A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels mit Übertragungseinrichtungen, die ein Bündel Strahlungsenergie in und durch die Strömungsmittelströmung an jeweils zwei in Strömungsrichtung voneinande' entfernte Stellen senden, sowie mit entsprechenden Empfangseinrichtungen, die jedem Bündel zugeordnet und jeweils angeordnet sind, um das zugeordnete Bündel durch Durchgang durch die Strömung hindurch zu empfangen, wobei jede Empfangseinrichtung für die Erzeugung eines für ein Bündel repräsentttiven Trägersignals ausg\ führt ist das durch eine von Inhomogenitäten im Strömungsmittel verursachte Störung moduliert ist. und ferner ein Signalkorrelator für einen Vergleich der beiden aufgenommenen Störsignale vorgeseher ist zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit aus der Laufzeit der Inhomogenitätin.

Die Verwendung des Korrelationsverfahrens zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines Strömungsmittels ist bekannt.

Dabei ist beispielsweise aus der britischen Patentschrift 10 47 134 zur Messung der Geschwindigkeit eines ionisierten Plasmas bekannt, quer zur Richtung des Plasmaflusses ein Magnetfeld anzulegen und zwei Paare von Elektroden zur Erzeugung einer Spannung in jeder Elektrode anzuordnen, so daß die Zeitverzögerung zwischen Fluktuationen der Spannung gemessen werden kann. Die Geschwindigkeitsmessung eines luminiszenten Gasstromes mit einem Paar mit Abstand angeordneter optischer Vorrichtungen geht aus der US-PS 34 13 850 hervor.

Aus der DE-OS 14 7? 206 ist die Strömungsmessung mit Hilfe von Temperaturwandlern bekannt, wobei mindestens ein Temperaturwandler vorgesehen ist. Hierbei wird ein Teil mit einer bestimmten Frequenz ausgefiltert Bei Verwendung von zwei Temperacurwandlern wird ein Vergleich durchgeführt Auch aus »Measurement and Control, Vol. 3, June 1970, Seite Tl09-TU2« ist die Messung der Strömung einer Strömungsgeschwindigkeit durch die Erfassung von Temperatur-Fluktuationen zwischen zwei Punkten eines Rohres bekannt wobei eine Heizvorrichtung in Verbindung mit einem Heizelement angeordnet ist

Aus »The Review of Scientific Instruments, Volume 41, Number 6, June 1970. Seite 843-845« ist ein Verfahren zur Messung der Gasblasen-Geschwindigkeit in einer Wasserströmung bekannt bei welcher im Gegensatz zu einer Kapazitäts- bzw. Absorptionsmessung eine optische Methode unter Verwendung von Laserlicht angewendet wird.

Alle diese Anwendungen sind entweder auf bestimmte Eigenschaften der Flüssigkeit beschränkt oder sie führen zu Problemen, insbesondere wenn die Geschwindigkeit einer sehr turbulenten ' ömung gemessen werden soii.

Wenn auf der Grundlage beispielsweise von Kapazität Leitfähigkeit oder Aufladung gearbeitet wird, wird im wesentlichen nur in der unmittelbaren Nachbarschaft des V andlers im Grenzbereich einer Leiteinrichtung gemessen. Bei der Verwendung von Lichtstrahlungen ergeben sich auch Schwierigkeiten aufgrund der Beschaffenheit des Strömungsmittels, weil die Verwendung an trüben bzw. lichtundurchläsaigen Strömungs mitteln nicht möglich ist. Bei einer anderen Strahlung entstehen Beeinträchtigungen, wenn korrodierende Strömungsmittel gemessen werden.

Im Zusammenhang mit einer anderen Ausführung als der eingangs beschriebenen, an sich vorteilhaften Vorrichtung ist aus der US-PS 30 19 647 bereits eine Strömungsmessung bekannt, die mit Ultraschall arbeitet Auch in dieser bekannten Ausführung wird aber unter Inkaufnahme der dabei entstehenden Nachteile mit Temperaturgrößen gearbeitet wobei das Strömungsmittel zunächst erhitzt werden muß. Eine Erhitzung führt schon aufgrund auch des Einflusses von äußeren Bedingungen zu Schwierigkeiten.

Die bekannten Ausführungen sind verhältnismäßig aufweindig. insbesondere können bekannte Strahlungen teilweise nicht durch dickwandige Stahlrohre gesendet werden. Mitunter ist es bei den bekannten Ausführungen notwendig, einen Teil des Wandlers an der Innenseite des Rohres anzuordnen. Es ergeben sich dabei ungenaue Einflüsse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die sich für die industrielle Anwendung eignet und zwar ■mc! friim Einsatz in einer sehr turbulenten Strömung, in der die Störungen verhältnismäßig groß sind, insbesondere aucii zur Messung der Geschwindigkeit eines Strömungsmittels, die an den rein laminaren Bereich angrenzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, eo daß Übertragungseinrichtungen zum Aussenden von Ultraschall-Energie vorgesehen sind. Gegenüber den bisherigen Bemühungen zur Anwendung von Ultraschall-Energie in den eingangs angegebenen Vorrichtungen wird dadurch eine überraschende Lösung geschaffen.

Ultraschall-Wellen werden durch Änderung der akustischen Impedanz beeinflußt, die die Wellen in dem sich bewegenden Strömungsmittel antreffen, wenn sie

dutch das Strömungsmittel hindurchgehen, so daß Einflüsse aufgrund der Dichte und Elastizität des Strömungsmittels aufgenommen werden und auch kleine Änderungen in der Strömung erfaßbar sind. Diese hohe Empfindlichkeit ermöglicht, daß weite Bereiche der Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden können.

Außerdem ergibt sich durch die Anwendung von Ultraschall-Energie der Vorteil, daß diese Strahlung durch dickwandige Stahlrohre gesendet werden kann.

Weil im übrigen Ultraschall-Bündel mechanische Schwingungen sind, ist die Strahlung mit dem sich bewegenden Strömungsmittel verträglich.

Gegenüber den bekannten obenangegebenen Wandlern sind Ultraschall-Wandler genauer, da das Signal ein Integral aller Störungen längs des Strahlungsbündels darstellt und daher eine Information enthält, die sich sowohl aus der Mitte der Strömung als auch von den t\äi'i(jei π her cTgiui.

Vorteilhaft weist der Signalkorrelator eine Einrichtung zum Bestimmen des eine maximale Übereinstimmung zwischen den beiden Signalen erzeugenden Betrages der Übereinstimmungsverzögerung auf. Hierdurch wird die automatische Auswertung erleichtert.

Zweckmäßig hat die Übertragungseinrichtung für jedes Bündel jeweils einen Übertragungswandler und die Empfangs- und Aufnahmeeinrichtung für jedes Bündel jeweils einen Empfangswandler. Dabei wird bevorzugt, daß der Ausgang jedes Empfangswandlers über eine Rückkopplungsschleife mit dem Eingang des zugeordneten Übertragungswandlers verbunden ist, wobei jede Rückkopplungsschleife eine zum Hervorrufen einer Eigenschwingung ausreichende Verstärkung besitzt. Wenn zwischen jedem Empfangswandler und seinem zugeordneten Übertragungswandler eine positive Rückkopplung eingeführt wird, isi kein Oszillator erforderlich, weil die Eigenschwingung vorhanden ist.

Hierbei sind vorteilhaft die Parameter der Komponenten jeder Rückkopplungsschleife so gewählt, daß sie bei einer Frequenz schwingt, die nahe oder gleich den Resonanzfrequenzen der angeschlossenen Übertragungs und Empfangswandler ist. Dabei entfällt das Erfordernis einer kontinuierlichen Einstellung der verwendeten Frequenz auf die Resonanzfrequenz der Wandler, jm eine optimale Leistung zu erreichen, was ?onst wegen der Einflüsse von Temperatur. Degradation. Alterung der Wandler usw. erforderlich wäre.

In einer anderen vorteilhaften Ausführung ist der Ausgang des dem ersten Bündel zugeordneten Empfangswandlers mit dem Eingang des dem zweiten Bündel zugeordneten Übertragungswandlers und der Ausgang des dem zweiten Bündel zugeordneten Empfangswandlers mit dem Eingang des dem ersten Bündel zugeordneten Übertragungswandlers verbunden, so daß beide Bündel von einer einzigen Rückkopplungsschleife umfaßt werden, welche eine zum Hervorrufen einer Eigenschwingung für die Erzeugung dieser Bündel ausreichende Verstärkung aufweist. Zweckmäßig ist in bezug zueinander einer der dem ersten Bündel zugeordneten Übertragungswandler an den Übertragungswandler angepaßt, der dem zweiten Bündel zugeordnet ist. wobei der andere, dem ersten Bündel zugeordnete Übertragungswandler zu dem anderen, dem zweiten Bündel zugeordneten Übertragungswandler fehlangepaßt ist.

Für die Nachweiseinrichtung für jedes Bündel sind mehrere vorteilhafte Ausführungen vorgesehen. In einer Ausführungsform besitzt die Nachweiseinrichtung für jedes Bündel je einen mit dem Ausgang des Empfangswandlers verbundenen Detektor für amplitudenmodulierte Signale (AM-Detektor) zum Nachweis einer durch die Störung in den Bündeln hervorgerufe-

nen Amplitudenmodulation. In einer anderen zweckmäßigen Ausführungsfoim hat die Nachweiseinrichtung für jedes Bündel je einen mit dem Ausgang des Empfangswandlers verbundenen Detektor für frequenzmoduiierte Signale (FM-Detektor) zum Nachweis einer durch die

Störung in den Bündeln hervorgerufenen Frequenzmodulation.

Ferner sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, daß die Nachweiseinrichtung für jedes Bündel einen Phasen in Spannungen umsetzenden Umformer (Phasen-Span-

nungs-Wandler) umfaßt, der einen ersten, mit dem Eingang des zugeordneten Übertragungswandlers und einen zweiten, mit dem Ausgang des zugeordneten Empfangswandlers verbundenen Eingang besitzt, so j_o :_cij_cr IJ[^fQj-[T)Or im Betrieb «Hip Änderung der

Phasenverschiebung von der einen zur anderen Seite des zugeordneten Bündels messen kann. Dabei sind zweckmäßig ein oder mehrere dazwischenliegende Übertragungswandler und ein oder mehrere dazwischenliegende Empfangswandler für jedes Bündel

vorgesehen, derart, daß jedes Bündel mehrmals durch das strömende Strömungsmittel hindurchgeschickt werden kann.

In eine: zweckmäßigen Ausgestaltung umfaßt jeder Phasen-Spannungs-Wandler (a) ein lineares Viertelpe-

rioden-Verzögerungsnetzwerk, dessen Eingang mit dem ersten Eingang des Phasen-Spanrungs-Wandlers verbunden ist sowie (b) einen Niveaudetektor, dessen Eingang mit dem Ausgang des linearen Viertelperioden-Verzögerungsnetzwerks verbunden ist, und (c) einen

halbperiodisch monostabilen Kreis, dessen Eingang mit dem Ausgang des Niveaudetektors verbunden ist. weiter (d) ein Tor. das einen ersten, mit dem Ausgang des halbperiodisch monostabilen Kreises und einen zweiten, mit dem zweiten Eingang des Phasen-Span-

nungs-Wandlers verbundenen Eingang besitzt, und (e) einen Integrator, dessen Eingang mit dem Ausgang des Tores verbunden ist.

Unter verschiedenen Ausführungen liegt eine Ausgestaltung darin, daß die Übertragungseinrichtungen so

angeordnet sind, daß sie die beiden Bündel in einer gemeinsamen Ebene aussenden, welche auch die Strömungsrichtung des Strömungsmittels umfaßt.

Wenn in einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung die Übertragungseinrichtungen so angeordnet sind, daß

sie die beiden Bündel in einzelnen unterschiedlichen Ebenen aussenden, von denen jede die Strömung..ichtung des Strömungsmittels umfaßt, wird die Strömung in bezug gesetzt nahe der Strömungslinie, die durch die beiden Bündel hindurchgeht Dadurch wird eine genaue

Messung unter Einschließung bestimmter Punkte erreicht. Dabei können die beiden Ebenen senkrecht zueinander verlaufen. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten wie Blut und andere medizinische Anwendungen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besitzt die Vorrichtung eine oberhalb beider Bündel angeordnete Einrichtung zum Hervorrufen von Turbulenz in dem strömenden Strömungsmittel.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfm-

dungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung, in der die Amplitudenmodulation jedes von zwei Ultraschallbündeln, die quer durch einen in Längsschnitt dargestellten Kinal hindurchgeschickt werden, je ein Störungssignal bildet,

Fig. IA eine teilweise Ansicht einer Abwandlung des Ausführungsbetspiels nach Fig. I, wobei der Kanal im Axi'l 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,

F i g. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung, in dem die Oszillatoren der Fig. 1 dur.-h regenerative Rückkopplungsschleifen ersetzt sind,

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

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

F i g. 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel, schematisch dargestellt, bei dem die Modulation der aufgrund der Störungen im Profil des Strömungsmittelflusses auftretenden Phasenverschiebung über bzw. in jedem Bündel festgestellt wird,

F^: g. 7 ein Blockschaltbild eines die Phase in eine Spannung umwandelnden Umsetzers, der insbesondere in der Vorrichtung nach F i g. 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 T' betrieben, die elektrische Energie in Ultraschallenergie umwandeln, und die an der Außenseite eines Kanals 11 befestigt und so angeordnet sind, daß sie Ultraschallenergiebündel im wesentlichen rechtwinklig zu einer Strömung eines Strömungsmittels in dem Kanal einstrahlen bzw. übertragen. Die beiden Bündel liegen 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 liegen.

Die Bündel werden durch Störungen amplitudenmoduliert, welche aus Beunruhigungen in dem Strömungsmittel bestehen, und die durch Störung modulierten Signale werden von Empfangswandlern R, R' empfangen, die am Kanal Il gegenüber den Übertragungswandlern T, T' befestigt sind und die modulierten Ultraschallsignale in elektrische Signale umwandeln. Diese letzteren Signale werden von Verstärkern 12,12' verstärkt, und nach Auffindung, Gleichrichtung, Demodulation od. 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 /u 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 dem reinen Laminarzustand nahekc imt 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

Ain^utiiirLian "Γ!^ auf HiAC^ VJpiet* Winctlirh ^tnnincrpn

Beunruhigungen od. dgl. in der Strömung zu erzeugen.

In dem in Fig. IA dargestellten Ausführungsbeispiel,

das eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach F i g. 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 erwähnt, ist der Nachweis von Übereinstimmungen von Strömungsbeunruhigungen in dieser Weise besonders vorteilhaft für die Messung der Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten v/ie 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 Metallinnenwänden 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, R' angenähert durch die Gleichung

sinh aD cos kD -j cosh aD sin kD
cosh 2 a D - cos 2 JtD

und die Phasendifferenz θ zwischen v₀ und v_r ergibt sich aus der Gleichung

e = tan-'

L sinh aD cos kD

Hierin haben die Formelzeichen im einzelnen folgende Bedeutung:

D = Der Durchmesser des Kanals,
a = der Dämpfungskoeffizient,
k = die Wellenzahl, definiert als 2π/λ Vo = die Spannung für D= 0, und
λ = 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, das sich Kompressionen und Verdünnungen durch den aufgebauten akustischen Feldverlauf bewegen, wodurch Störungsschwankungen bzw. -Veränderungen im stehenden Wellensyscem und Änderungen der Amplitude v_r der Signale der Empfangswandler hervorgerufen werden. Wenn die Oszillatorsigr.ale in ihrer Amplitude und Frequenz konstant sind, dann ändern sich die mittleren Quadratwurzelwerte der Signale x(t) und y(t) entsprechend der Größe der obigen Gleichung für Vr. Es folgt, daß die Größen der Signale x(t) und y(t) von der Länge des akustischen Weges und dem Grad der Turbulenz des Stromungsmittels abhängen, das durch diesen strömt, wenn die Anzahl der Wellenlängen in jedem Bündel nicht identisch ist. Eine bestimmte Turbulenz mag dazu fuhren, daß ein Siörungisignal ansteigt und das andere abfällt, so daß sich eine negative Spitze der gegenseitigen Wechselbeziehungen bzw. Übereinstimmung ergibt. Das Verfahren nach der Erfindung ist auf diese Weise noch praktikabel.

Die Vorrichtung nach Fig. I wird wünschenswerterweise bei Frequenzen betrieben, die so nahe wie möglich an den Resonanzfrequenzen der Wandler liegen, insbesondere, wenn Wandler mit hohem ζ) 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 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 Ausfiihrungsbeispiel, in dessen Darstellung die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. I 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 L', 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, 16' bestimmt, wobei die Signale für den Nachweis an den Ausgängen der Verstärker 12,12' abgenommen werden, bevor irgendeine Verzerrung aufgrund der Sättigung auftritt Diese Signale sind der Größe des akustischen Druckes an den Empfangswandlern 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 Hegende Frequenzen zu variieren. Wenn die Anordnung bei der Wandler-Resonanzfrequenz schwingt, dann ergeben sich Bedingungen, die es ermöglichen, eine befriedigende gegenseitige Wechselbeziehung bzw. Übereinstimmung zwischen den Signalen x(t) und y(l) 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 Wechselbeziehungen 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

2ü Formen der erfir.durigsgemäßen Vorrichtung 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 darauf hingewiesen, daß diese Ungenauigkeit nur bei bestimmten Anwendungsfällen auftrat; beispielsweise erhält man mit der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung gute Ergebnisse, wenn sie zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit verwendet wird, es werden jedoch weniger befriedigende Ergebnisse erzielt, wenn diese Vorrichtung für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases bei niedrigen Sendefrequenzen benutzt wird. Es ist anzunehmen, daß die weniger befriedigenden Ergebnisse, die bei Benutzung dieser Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases auftraten. Störungen des in dem Gas erzeugten stehenden Wellenverlaufs zugeschrieben werden können.

Das in F i g. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ist der in F i g. 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 Rückkopplungsschleife. Wie bei der in F i g. 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 F i g. 4 hat aber den weiteren Vorteil, daß die vorerwähnte, durch Phasendifferenzeffekte zwischen den beiden Bündeln hervorgerufene Ungenauigkeit gegenüber dem Ger?» nach F i g. 3 beträchtlich herabgesetzt ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei der Vorrichtung nach F i g. 4 kein »Übersprechen« zwischen den beiden modulierenden Störsignalen erfolgt, obgleich s>e sich beide in derselben Rückkopplungsschleife befinden. Das liegt daran, daß die Verstärker 16, 16' beide gesättigte Ausgänge besitzen, wodurch die Modulation entfernt

Es ist erkennbar, daß genauso gut wie die bevorzugte Rückkopplungsschleife Ä-12-16- T'-R'-W- W-T-R zwei mögliche subsidiäre Rückkopplungsschleifen vorhanden sein können, die durch Übertragung unerwünschter Bündel zwischen Γ und R' sowie zwischen T und R hervorgerufen werden können. Die Vorrichtung muß in ihrer Ausführung so angeordnet sein, daß wenigstens die bevorzugte Rückkopplungsart vorherrscht. Dieses kann durch Verminderung der Verstärkung in jeder Hilfsschleife erreicht werden, indem ein Wandler in einer Hilfsschleife an einen Wandler in der anderen Hilfsschleife angepaßt wird und der andere Wandler in der einen Schleife in bezug zu dem anderen Wandler in der anderen Schleife in Fehlanpassung gebracht wird, und die beiden Wandler in jeder Schleife zueinander in Fehlanpassung gebracht werden. Beispielsweise sind die Senderwandler T, T' point;» anmnofti iinr) Hip Fmnfancrswandler R. /?'sind lowohl gegenseitig als auch relativ zu den Ubertrafungswanuiern 7^ T'fehlangepaßt

Das in F i g. 5 veranschaulichte Ausführungsbeispiel der Erfindung stimmt ebenfalls weitgehend mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 überein. Jedoch wird •n 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, 20', die Signale x(t) und y(t) für eine Korrelation bzw. Wechselbeziehung abgeben.

Es sei darauf hingewiesen, daß das Ausführungsbeispiel der F i g. 5 durch Ausschluß der Rückkopplungsschleifen und Verwendung von Oszillatoren zum Bertreiben der Übertragungswandler entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 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 Empfangswandlers für jedes Bündel in je einen Umwandler 22, 22' 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 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 Umwandler 22, 22', und diese beiden Signale können gagen.~sitäg in Wichselbeziehuitfi gebracht werden., wodurch man im Ergebt« die Transportzeit fur 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, aEcft ais Pbasen-Sparwningi-¹ J

bezeichnet, der in jedem der beiden Kanäle der Vorrichtung nach Fi g. 6 verwendet werden kann, ist in F i g. 7 im Blockdiaiprsmm dargestellt, wobei die an bestimmten Stellen auftretenden Wellenfonnen mit eingezeichnet sind. Die Signale vom Ausgang des Oszillators 10(10') und vom Ausgang des Verstärkers 12 (12') werden auf je einen ersten Eingang je eines Tores 30 und 32 gegeben. Diese Signale sind Folgen von Impulsen der Ultraschallträgerfrequenz, die ihre Pha: · 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 Teilerkrei-

is se 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 verwende*, 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 als des Eingangssignals ist, wird einem linearen Viertelperioden-Verzögerungsnetzwerk 38 zugeführt, welches eine sägezahnförmig verlaufende Ausgangsgröße erzeugt, wie in F i g. 7 veranschaulicht ist Der sägezahnförmige Ausgang des linearen Viertelperioden-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 en. 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 eier 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 Wechsektramschwankung auf einem mittleren Gleichstromniveau besitzt wie in Fig.7 rechts unten dargestellt ist Um die Signale x(t) oder y(t) in Weehselstromform zu erhalten, wird das am Integratorausgang ayftmende Signal über eine WechselstromkoppSuTig ettnonuiissn.

V -.si d%. 3tv~ dem Ausgang des Tores 44 verbundenen l^sT''sbreitoidfctektor 48 erhaltene logische Synchroni-

sierungsimpulse 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 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 Ultraschallträgerweüe getriggert werden, ein falscher Impuls auftritt, wie sich aus einer entsprechenden Betrachtung der F i g. 7 ersehen läßt

In Fig.8 ist ein Blockschaltbild eines Gerätes dai gestellt, das sich jedoch nur auf ein Bündel bezieht und eine Abwandlung der in F i g. 6 veranschaulichten Vorrichtung darstellt Der Kanal ti 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 der mittleren Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen, ^;nsbesondere in den Fällen, in denen das Geschwindigkeitsprofil verzerrt ist Das Bündel wird zunächst durch einen Übertragungswandler Tl ausgestrahlt und von einem Empfangswandler R1 empfangen und dann an einen zweiten Übertragungswandler T2 abgegeben und schließlich von dem Empfangswandler R 2 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.

Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen entnehmen läßt, wird mit der Erfindung ein Verfahren

to und eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit aller Arten von Strömungsmitteln vorgeschlagen, wobei Ergebnisse erzielt werden, die absolut und unabhängig von den physikalischen Eigenschaften des Strömungsmittels sind. Da es im Rahmen der

is 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, korrosive, unter Hochdruck stehende oder in sonstiger Weise angriffsfreudige Strömungsmittel sicher zu überwachen. Es ist ersichtlich, daß sowohl die Kanäle und die Strömungsmittel, deren Geschwindigkeit gemessen werden sollte, lichtundurchlässig sein können.

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen der mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels mit Obertragungseinrichiungen, die ein Bündel Strahlungsenergie in und durch die Strömungsmittelströmung an jeweils zwei in Strömungsrichtung voneinander entfernte Stellen senden, sowie mit entsprechenden Empfangseinrichtungen, die jedem Bündel zugeordnet und jeweils angeordnet sind, um das zugeordnete Bündel nach Durchgang durch die Strömung hindurch zu empfangen, wobei jede Empfangseinrichtung für die Erzeugung eines für ein Bündel repräsentativen Trägersignals ausgeführt ist, das durch eine von Inhomogenitäten im Strömungsmittel verursachte Störung moduliert ist, und ferner ein Signalkorrelator für einen Vergleich der beiden aufgenommenen Störsignale vorgesehen ist zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit aus der Laufzeit der Inhomogenitäten, dadurch gekennzeichnet, daß Öbertragungseinrichtungen (10, 10'; T. T) zum Aussenden von Ultraschall-Energie vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Signalkorrelator eine Einrichtung zum Bestimmen des eine maximale Übereinstimmung zwischen den beiden Signalen erzeugenden Betrags der Übereinstimmungsverzögerung aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet daß die Übertragungseinrichtungen

jo angeordnet sind, daß sie die beiden Bündel in einer gemeinsamen Eb.ne aus enden, welche auch die Strömungsrichtung des Strömungsmittels umfaßt(Fig. 1 und 3-6).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtungen so angeordnet sind, daß sie die beiden Bündel in einzelnen unterschiedlichen Ebenen aussenden, von denen jede die Strömungsrichtung des Strömungsmittels umfaßt (F ig. IA und 8).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ebenen senkrecht zueinander verlauf en (F i g. IA und 8).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5. dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung für jedes Bündel jeweils einen Übertragungswandler (T bzw T) und die Empfangs- und Aufnahmeeinrichtung für jedes Bündel jeweils einen Empfangswandler (R bzw /?y 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 ü"3er eine Rückkopplungsschleife (L. L) mit dem Eingang des zugeordneten Übertragungswandlers verbunden ist, wobei jede Rückkopplungsschleife eine zum Hervorrufen einer F.igenschwingung 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 Empfangswandlers (R in Fig.4) mit dem Eingang des dem zweiten der Bündel zugeordneten Übertragungswandlers (T') und der Ausgang des dem zweiten Bündel zugeordneten Empfangswandlers (R') mit dem Eingang des dem ersten Bündel zugeordneten Übertragungswandlers (T) verbunden ist, so daß beide Bündel von einer einzigen Rückkopnlungsschleife umfaßt werden, welche eine zum Hervorrufen einer Eigenschwingung für die Erzeugung dieser Bündel ausreichende Verstärkung aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in bezug zueinander einer der dem ersten Bündel zugeordneten Übertragungswandler an einen der Übertragungswandler angepaßt ist, der dem zweiten Bündel zugeordnet ist, und daß der andere, dem ersten Bündel zugeordnete Übertragungswandler zu den anderen, dem zweiten Bündel zugeordneten Übertragungswandlern fehlangepaßt ist

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 — i f, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweiseinrichtung für jedes Bündel je einen mit dem Ausgang des Empfangswandlers verbundenen Detektor (13, 13') für amplitudenmodulierte Signale (AM-Detektor) zum Nachweis iiner durch die Störung in den Bündeln hervorgerufenen Amplitudenmodulation aufweist

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-11. dadurch gekennzeichnet daß die Nachweiseinrichtung für jedes Bündel je einen mit dem Ausgang des Empfangswandlers verbundenen Detektor für frequenzmodulierte Signale (20, 20') (FM-Detektor) zum Nachweis einer durch die Störung in den Bündeln hervorgerufenen Frequenzmodulation aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-11. dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweiseinrichtung für jedes Bündel einen Phaseii in Spannungen umsetzenden Umformer (22, 22') (Phasen-Spannungs-Wandler) umfaßt, der einen ersten, mit dem Eingang des zugeordneten Übertragungswandlers und einen zweiten, mit dem Ausgang des zugeordneten Empfangswandlers verbundenen Eingang (F i g. 6) besteht, so daß jeder Umformer im Betrieb die Änderung der 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 mehre re dazwischenliegende Empfangswandler für jedes Bündel vorgesehen sind, derart, daß jedes Bündel mehrmals durch das strömende Strömungsmittel hindurchgeschickt werden kann.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15. dadurch gekennzeichnet, daß jeder Phasen-Span nungs-Wandler (a) ein lineares Viertelperioden 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 Viertelperioden-Verzögerungsnetzwerks verbunden ist, und (c) einen halbpcriodisch 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

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 Tores (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 Tores (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 1-18, gekennzeichnet durch eine überhalb beider Bündel angeordnete Einrichtung zum Hervorrufen von Turbulenz in dem strömenden Strömungsmittel.