DE2437107A1 - Akustisches stroemungsgeschwindigkeitsmessgeraet - Google Patents

Description

• Akustisches Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät Die Erfindung betrifft ein akustisches Strömungsge schwindigke itsmeßgerät, insbesondere zur Geschwindigkeits- und Mengenmessung strömender Flüssigkeiten.
• Akustische Str ömungsgeschwindigke itsmeßgeräte beruhen auf der Mitführung des Schalls durch die Strömung. Da die Schallgeschwindigkeit selbst sehr stark vom Medium und seinem physikalischen Zustand abhängt, darf ihr Wert das Meßergebnis nicht beeinflussen, insbesondere deshalb, weil die zu messenden Strömungsgeschwindigkeiten klein im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit sind.
• Auch andere Umwelteinflüsse wie z.B. Temperatur dürfen das Meßgerät möglichst nicht beeinflussen.
• Es ist bekannt, daß sich die Schallgeschwindigkeit selbst eliminieren läßt, wenn man mit je einer Meßstrecke die Schallgeschwindigkeit einmal mit und einmal gegen die Strömung mißt und die Ergebnisse voneinander subtrahiert (U.S.Patent 3.o50.997, 1962). Diese Anordnung erfordert jedoch eine sehr genaue Ausrichtung und zeigt leicht Nullpunktfehler. Zur genauen Messung der Schallgeschwindigkeit sind verschiedene Methoden bekannt.
• Beim sing-around Verfahren löst ein am Empfänger ankommender Schallimpuls einen neuen Sendeimpuls aus Auf diese Weise entsteht ein umlaufender Impuls, dessen Frequenz annähernd der Schallgeschwindigkeit proportional ist. (Voith Forschung und Konstruktion, Heft 21, Aufsatz. 6).
• Eine andere Möglichkeit ist, direkt aus den Laufzeiten der Schallimpulse über die Strecke die Schallgeschwin digkeit zu errechnen.
• Alle bekannten Methoden waren aber entweder zu ungenau oder so aufwendig, daß akustische Strömungegeschwindig keitsmesser bis heute nur in Spezialfällen eingesetzt wurden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine von der Schallgeschwindigkeit selbst unabhängige Strömungsgeschwindigkeitsmessung mit einer einzigen Meßstrecke und Meßschaltung durchzuführen, um die Kosten für Aufbau, Inbetriebnahme und Instandhaltung derartiger Meßgeräte zu senken.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strömungsgeschwindigkeit durch die Differenz der Schallgeschwindigkeiten mit und gegen die Strömung festgestellt wird, wobei beide Schallgeschwindigkeitsmessungen mit derselben einen Meßstrecke und einer Meßschaltung durchgeführt werden.
• Die Messung der Schallgeschwindigkeiten erfolgt besonders vorteilhaft entweder im sing-around Verfahren, wobei die Differenzfrquenz in einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler ausgezählt wird oder durch Berechnung aus der Zeitdauer eines oder einer bestimmten Zahl von Schallimpulsdurchläufen über die Meßstrecke mit einer elektronischen Rechenschaltung.
• Es ist mit diesem Verfahren auch besonders günstig möglich, mehrere Meßstrecken multiplex mit einer Meßschaltung zu betreiben.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesonders in Folgendem: nur es werden für jede Meßstelle eine Meßstrecke mit zwei Schallwandlern benötigt; Einstellungsarbeiten werden wesentlich vereinfacht; es sind besonders einfache elektronische Meßschaltungen verwendbar; der Meßwert fällt bei den vorgeschlagenen Meßschaltungen in digitaler Form an und läßt sich leicht weiter verarbeiten; die Schallgeschwindigkeit selbst ist wie bei bekannten Verfahren nicht im Ergebnis enthalten, jedenfalls solange sie während des Meßvorgangs gleich bleibt; Einflüsse, die beide Schallgeschwindigkeitsmessungen gleich betreffen, wie beispielsweise Längenänderung der Meßstrecke infolge Temperaturausdehnung oder Laufzeiten in den Wandlern und in der elektronischen Meßschaltung, wirken sich nur.noch auf den Differenzwert, also die Strömungsgeschwindigkeit aus und lassen sich in den meisten Fällen im Gegensatz zu bekannten Verfahren vernachlässigen; die Meßstrecke erfaßt nur die Strömungskomponente, die in ihrer Richtung wirkt, dadurch lassen sich mit mehreren Meßstrecken Strömungsrichtungen komponentenmäßig erfassen; Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden näher beschrieben.
• Die Meßstrecke selbst besteht aus zwei elektro-akustischen Wandlern, die auf einem reversiblen, piezoelektrischen oder magnetostriktiven Effekt beruhen und die sich gleichermaßen zum Senden wie zum Empfangen von Schallsignalen eignen. Die Resonanzfrequenzen liegen bei mehreren MHz. Der sendeseitige Wandler wird von einem Impulsgeber mit einem elektrischen Impuls geeigneter Länge angeregt, der Empfänger besteht hauptsächlich aus einer empfindlichen, genau einstellbaren Schwellenwertschaltung, die zweckmäßigerweise auf die erste Periode des Empfangssignal getriggert wird um unnötige Verzögerungszeiten klein zu halten.
• Der weitere Ablauf der Messung hängt vom verwendeten Verfahren ab. Beim sing-around Verfahren wird der Empfänger auf den Sender rückgekoppelt, so daß jeder Empfangssimpuls einen neuen Sendeimpuls auslöst.
• Dazu sind Hilfsschaltungen sehr günstig, die einmal auch einen Sendeimpuls auslösen, wenn kein Empfangssignal angekommen ist, wie es bei jedem Neueinschalten erforderlic-h ist, und zum andern Verhindern, daß mehrere Umlaufimpulse gleichzeitig umlaufen, indem der Empfänger nach jedem Empfangssapuls für eine kurze Zeit verriegelt wird. Ein VorwÄrts-Rückwärts-Zähler zählt die Impulse pro Meßzeit, und zwar zunächst die Impulse der einen Umlaufrichtung vorwärts, dann werden Umlauf-- und Zählrichtung umgeschaltet und die Impulse der anderen Umlaufrichtung rücke5ärts gezählt. Durch Wahl der Meßzeiten läßt sich das Ergebnis in jeder gewünschten Einheit und Genauigkeit erhalten.
• Zu bemerken ist, daß sich das sing-around-Verfahren besonders für kleinere Meßstrecken eignet, die höhere Umlauffrequenzen unb bessere Auflösung bei gleicher Meßzeit gestatten.
• Bei größeren Meßstreckenlängen ist es günstiger, direkt die Laufzeiten der Schallimpulse über die Meßstrecke zu messen und heraus die Strömungsges-chwindigkeit elektronisch zu berechnen.
• Zur Laufzeitmessung wird ein Zeitzahler mit dem Sendesignal gestartet und mit dem Empfangssignal angehalten.
• Der Startimpuls kann auch mit einem Zeitglied verzogert werden, um Laufzeiten in den Wandlern und in den elektronischen Bauteilen zu kompensieren. Der Vorgang läuft mit umgeschaltetcr Meßstreckenrichtung genauso ab und wird periodisch wiederholt. Man kann aber auch die Laufzeit mehrerer Umlaufimpulse messen, wenn man den Empfänger auf den Sender rückkoppelt.
• De Strömungsgeschwindigkeit läßt sich elektronisch nach folgender Beziehung berechnen: v c C (l/t1 - l/t2) In Worten: Die Strömungsgeschwindigkeit v ergibt sich aus der Differenz dc-r Kehrwerte der Laufzeiten tl und t2, multipliziert mit einem konstantem Faktor, der die Länge der Meßstrecke, die gewünschte Einheit des Ergebnisses, die Zahl der Umläufe und einen Eichfaktor berücksicntigt.

Claims (4)

1. Patentansprüche

   Akustisches Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät, insbesondere zur Geschwindigkeits- und Mengenmessung strömender Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit durch die Differenz der Schallgeschwindigkeiten mit und gegen die Strömung festgestellt wird, wobei beide Schallgeschwindigkeitsmessungen mit derselben einen Meßstrecke und einer Meßschaltung durchgeführt werden.
2. 2. Akustisches Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnt, daß die Schallgeschwindigkeiten im sing-around Verfahren gemessen werden und die Differenzfrequenz in einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler ausgezählt wird.
3. 3 Akustisches Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeschwindigkeiten aus der Zeitdauer eines oder einer bestimmten Zahl von Schallimpulsdurchläufen über die Meßstrecke mit einer elektronischen Rechenschaltung berechnet werden
4. 4. Akustisches Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät nach einem der obigen Ansprüche i bis 3,dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßstrecken multiplex mit einer Meßschaltung betrieben werden.