DE2325830A1

DE2325830A1 - Vorrichtung zur messung der stroemungsgeschwindigkeit von medien unter anwendung einer anordnung zur messung der schallgeschwindigkeit in diesen medien

Info

Publication number: DE2325830A1
Application number: DE19732325830
Authority: DE
Inventors: auf Nichtnennung. M Antrag
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1973-05-22
Filing date: 1973-05-22
Publication date: 1974-12-19

Description

Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Medien unter Anwendung einer Anordnung zur Messung der Schallgeschwindigkeit in diesen Medien Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Medien unter Anwendung einer Anordnung zur Messung der Schallgeschwindigkeit in diesen Medien.
Esist bekannt, die Schallgeschwindigkeit in Gasen oder Flüssigkeiten durch die Messung der Laufzeiten von pulsförmigen Schallsignalen Uber eine in der Länge definierten Meßstrecke zu bestimmen. In einem ähnlichen Verfahren ist die aus der Laufzeit von periodischen Schall signalen entstehende Phasenverschiebung ein Maß für die Schallgeschwindigkeit.
Bekannt sind Anordnungen, in denen die von einem Schaltgeber über eine Meßstrecke gegebenen Signale von einem Schallempfänger aufgenommen und über Verstärker auf den Schallgeber zurückgekoppelt werden. Die Frequenz bei Selbsterregung der Schwingung ist ein Maß für die Schallgeschwindigkeit im Medium der Meßstrecke.
Bekannt ist außerdem, daß sich die Transportgeschwindigkeit der Schallschwingungen in der Meßstrecke additiv zusammensetzt aus der Schallgeschwindigkeit des Mediums in der Meßstrecke und aus der Relativgeschwindigkeit des Mediums gegenüber der Meßanordnung. Ist die Schallgeschwindigkeit bekannt, so kann aus der gemessenen Größe der Transportgeschwindigkeit die Flußgeschwindigkeit ermittelt werden. Andererseits können bei stillstehendem Medium diese Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit eingesetzt werden. Nachteilig ist bei diesen Verfahren, daß Störschwingungen das Meßergebnis beeintrAchg tigen können. Die Beseitigung der Störschwingungen berei tet Schwierigkeiten und erfordert Vorkehrungen, die aufwendig im Aufbau sind und die Meßeinrichtung verteuern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der es in apperativ einfacher Weise und entsprechend der Zuverlässigkeit der Schallgeschwindigkeitsmessung möglich ist, die Strömungsgeschwindigkeiten von Medien, wie Flüssigkeiten und Gasen mit einem hohen Genauigkeitsgrad gemessen und insbesondere die Schallgeschwindigkeit in Medien möglichst unbeeinflußt von Störschwingungen zu halten.
Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zwei gleiche Meßstrecken mit jeweils einer phase-lockedloop-Schaltung, wobei in Strömungsrichtung des Mediums am Anfang der ersten Meßstrecke der Schwingungsempfänger und am Ende Schwingungsgeber, bei der zweiten Meßstrecke am Anfang der Schwingungsgeber und am Ende der Schwingungsempfänger angekoppelt sind und die Differenz der entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit verschiedenen Regelspannungen oder Schwingungsfrequenzen gemessen wird, woraus sich die Strömungsgeschwindigkeit mit v = 2d zur ergibt.
Die Laufzeit t des Schalls in der Meßstrecke ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit v des Mediums, z.B. einem Gas, und der Schallgeschwindigkeit c in diesem Medium. Je nach der Strömungsrichtung wird die Laufzeit verkürzt oder verlängert. Damit ergibt sich für die 1. Meßstrecke 2. Meßstrecke und daraus mit der bekannten Differenz der Eigenschwingungsfrequenzen \ f = (f1 l-f 2) die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums mit v = 2d 4 f.
Der Vorteil dieser Meßvorrichtung liegt in der Einfachheit des Meßvorganges und in der Sicherheit des Meßergebnisses. Die Strömungsgeschwindigkeit ist nur von der Länge der gleichen Meßstrecken, die als Gerätekonstante bekannt ist, und von der Differenz der Eigenschwingungsfrequenz abhängig. Diese ist entsprechend der weiteren Ausbildung der Erfindung direkt abnehmbar. Entweder werden die Schwingungsfrequenzen einer Frequenzmischschaltung zugeführt, dann ist die gebildete Differenzschwingungsfrequenz die Meßgrdße für die Strömungsgeschwindigkeit und/ oder es werden die Regel spannungen einem Differenzverstärker zugeführt, dann ist die gebildete Differenzspannung die Meßgröße für die Strömungsgeschwindigkeit.
Eine andere, nebengeordnete Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß zwei gleiche Meßstrecken 20-21, 20a-21a mit jeweils einer "phase-locked-loop"-Schaltung 12, 13 parallel geschaltet sind, wobei die erste Meßstrecke 20-21 von dem zu messenen, strömenden Gas durchflossen ist, während an der zweiten Meßstrecke 20a-21a ein Gas der gleichen Zusammensetzung in ruhendem Zustand sich befindet4wnd die Diferenz der entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit gebildeten Regelspannung 6 U undjoder Schwingungsdifferenz2 f gemessen wird, woraus sich die Strömungsgeschwindigkeit mit v = d iSf ergibt. Die Laufzeit t des Schalles in der einen Meßstrecke 20-21 ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit V des Mediums, z.B. des Gases und der Schallgeschwindigkeit c in diesem Medium.
Die Anordnung ergibt also unmittelbar eine Zeitdifferenz, aus der die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums mit v = 2d . a f gemessen wird.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die Schmalbandigkeit der PLL - Schaltung sicher die Störgeräusche unterdrückt werden. Die Erfindung benutzt die Eigenschaft der PLL - Schaltung, daß der Oszillator so geregelt wird, daß seine Frequenz gegenüber dem Eingangssignal um 900 verschonen ist. Koppelt man das Oszillatorsignal über ein phasenverschiebendes Glied zurück, so schwingt die Schaltung mit der Frequenz, bei der die Phasenbedingung von 900 erfüllt ist. Bei der Erfindung bewirkt die Laufzeit des Signals über die Meßstrecke die frequenzbestimmende Phasenverschiebung von 900.
Die endliche Laufzeit des Signals über die Meßstrecke ist der frequenz-bestimmende Bauteil der Anordnung. Die Laufzeit ist bestimmt durch t -c wobei d die Länge der Wegstrecke und c die Schallgeschwindigkeit im Medium ist. Die PLL-Schaltung schwingt mit der Eigenfrequenz, wenn die 900 Phasenverschiebung durch die Laufzeit t des Signals erfüllt ist. Mit der bekannten Eigenschwingungsfrequenz f ergibt sich die Schallgeschwindigkeit im Medium aus c = 4d f. f.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 die Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit, bei der zwei Meßstrecken hintereinander geschaltet sind und Fig. 2 eine Anordnung, bei der die zu messende Gasströmung mit einer ruhenden Gasströmung verglichen wird.
Die Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach Fig. 1 zeigt zwei gleiche Meßstrecken 2-3 und 2a-3a, die hintereinander angeordnet und nacheinander vom gleichen Medium, z.B. einem Gas, durchströmt-werden. Angekoppelt an die beiden Meßstrecken sind jeweils eine PLL - Schaltung, und zwar die PLL - Schaltung 12in Strömungsrichtung des Gases am Anfang der Meßstrecke 2-3 über den Schallempfänger 3 und am Ende über den Schallgeber 2. Die PLL-Schaltung 15 für die Meßstrecke 2a-3a ist am Anfang über den Schallgeber 2a und am Ende über den Schallempfänger da verbunden. Damit werden die PLL-Schaltungen in bezug auf Schallgeber und -empfänger im entgegengesetzten Sinn angeströmt. Die Schwingungsfrequenzen f1 und f2 werden der Frequenzmischschaltung 14 zugeführt, in der die Differenzschwingungsfrequenz f gebildet wird, die am Ausgang 15 zur Messung abgenommen wird. Die Regelspannungen U1 und U2 liegen dem Differenzverstärker 16 an, dem die Differenzspannung ii Uam Ausgang 17 entnommen wird.
Das dargestellte Beispiel zeigt eine mögliche Ausführung, andere Ausführungen sind möglich; Es können sich z.B. die beiden Meßstrecken.gegenseitig durchdringen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind zwei gleichgroße Strecken 20-21 und 20a-21a vorhanden, die einander parallel liegen. Die Meßstrecke 20-21 wird von dem strömenden, zu messenden Medium, wie einem Gas, durchströmt. In der Meßstrecke 20a-21a befindet sich das gleiche Gas, jedoch in ruhendem Zustand. Zu diesem Zweck kann von der Gasleitung 1 ein Zweigstrom über eine nicht dargestellte Zweigleitung abgezweigt und mit praktisch zu vernachlässigender Geschwindigkeit durch das Rohr 2 geleitet werden.
Angekoppelt an die beiden Meßstrecken sind jeweils eine PLL-Schaltung 12 und 13, die in ähnlicher Weise wie Fig.1 geschaltet sind.

Claims

Patentansprüche

1) Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Medien unter Anwendung einer Anordnung zur Messung der Schallgeschwindigkeit in diesen Medien, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche Meßstrecken (2-5, 2a-3a) mit jeweils einer "phase-locked-loop"-Schaltung (12 und 15) hintereinander angeordnet sind, wobei in Strömungsrichtung des Mediums am Anfang der ersten Meßstrecke (1) der Schwingungsempfänger (3) und am Ende der Schwingungsgeber (2), bei der zweiten Meßstrecke (la) am Anfang der Schwingungsgeber (2a) und am Ende der Schwingungsempfänger ()a) angekoppelt sind und die Differenz der entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit gebildeten Regelspannung OSU) und/oder die Differenz der SchwingungsRrequenzen ( f) gemessen wird, welche der Strömungsgeschwindigkeit proportional sind.

2) Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen unter Anwendung einer Anordnung zur Messung der Schallgeschwindigkeit in diesen Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche Meßstrecken (20-21, 20a-21a) mit jeweils einer "phase-locked-loop" -Schaltung (12, 13) parallel geschaltet sind, wobei die erste Meßstrecke (20-21) von dem zu messenden, strömenden Gas durchflossen ist, während an der zweiten Meßstrecke (20a-21a) sich ein Gas der gleichen Zusammensetzung in ruhendem Zustand befindet und die Differenz der entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit gebildeten Regelspannung (#) und/oder Schwingungsfrequenzdifferenz (ii f) gemessen wird, welche der Strömungsgeschwindigkeit proportional sind.

3) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfrequenzen (t und f2) einer Frequenzmischschaltung (14) zugeführt werden und die gebildete Differenzschwingungsfrequenz (# f) die Meßgröße für die Strömungsgeschwindigkeit ist.

4) Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelspannungen (U1 und Us) einem Differenzverstärker (16) anliegen und die gebildete Diffe renzspannung (#U) die Meßgröße für die Strömungsgeschwindigkeit ist.

L e e r s e i t e