DE2449881A1 - Anordnung und verfahren zur messung von stromgeschwindigkeiten in stroemenden medien - Google Patents

Anordnung und verfahren zur messung von stromgeschwindigkeiten in stroemenden medien

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DE2449881A1
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Werner Prof Dr Kroebel
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KROEBEL WERNER
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KROEBEL WERNER
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H5/00Measuring propagation velocity of ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. of pressure waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/245Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by measuring transit time of acoustical waves
    • G01P5/247Sing-around-systems

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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

  • Anordnung und Verfahren zur Messung von Stromgeschwindigkeiten in strömenden Medien Es gibt akustische Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten z.B. im fließenden Wasser oder Luft. Bei diesen wird eine Anordnung gemäß beiliegender Abb. 1 benutzt. In ihr bedeutet 1 einen Ultraschallimpuls-Sender, 2 einen entsprechenden Empfänger, 3 die Wegstrecke des Schallimpulses im strömenden Medium der Strömungsgeschwindigkeit und Richtung gemäß Pfeil 4. Verläuft dann der Ultraschall impuls in Richtung 5 mit der Geschwindigkeit 2r, die Medienströmung in gleicher Richtung mit der Geschwindigkeit k, dann überlagern sich beide Geschwindigkeiten und sind aus der Zeitdauer #t1, des Schall impulses längs der Wegstrecke 3 bei bekannter Länge zu ermitteln. Werden dann nach erfolgter Messung Sender 1 und Empfänger 2 in ihrer Funktion vertauscht, dann wird 2 zum Sender und der Ultraschall impuls verläuft jetzt in Pfeilrichtung 6, so daß für seine Laufdauer # t2 über den Weg 3 die Differenz der Schallgeschwindigkeit v im Medium und der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums maßgebend wird. Aus der Differenz beider Werte folgt dann die Strömungsgeschwindigkeit und bei den bekannten Verfahren werden lot und nach dem sogen. "sing around" Verfahren über die Frequenz des Schallimpulses bei seiner Rückkopplung vom Empfänger zum Sender bestimmt.
  • Dieses Meßverfahren hat erhebliche Mängel. Sie liegen z.B. darin begründet, daß bei Impulsrückkopplungen sogen. Totzeiten eingehen, die selbst inkonstant sind und erhebliche Meßfehler hervorrufen können. Sie wirken sich auf die Messung von U umsomehr aus, weil im allgemeinen z # LC ist und aus einer Differenz (v) Cv-R) bestimmt werden muß. Aber auch der Schwingungseinsatz des Senders durch den Erregerimpuls unterliegt Schwankungen, die stark in die Bestimmung für Lt eingehen, zumal für dieses Meßverfahren P ><# E E Schwinger verwendet werden müssen, die Driftphänomenen unterliegen.
  • Demgegenüber weist das mit dieser Anmeldung nachfolgend beschriebene Verfahren diese Mängel nicht auf und erlaubt Medienströmungsmessungen z.B. in Seewasser bis in den Millimeter/ Sek. Bereich. Bei diesem Verfahren erfolgt die Messung der Laufzeit von Schallwellen über die Wegstrecke 3 aus der Frequenz eines Oszillators, der durch Rückkopplung von 2 nach 1 über einen breitbandigen Verstärker gebildet wird, so daß die Schallwellenlaufzeit über 3 frequenzbestimmend wird. Hierüber gibt die Auslegeschrift 1210595 des deutschen Patentamtes erschöpfende Auskunft. Dort ist auch ausgeführt, auf welche Weise die Mehrdeutigkeit eines Oszillators hoher Frequenz mit einer Ultraschallmeßstrecke aufgehoben werden kann. Diese Mehrdeutigkeit bewirkt einen Zusammenhang zwischen der Schallgeschwindigkeit bezw. im vorliegenden Fall zum Zwecke einer Medienströmungsmessung zwischen der Schallwellenlaufzeit #* im strömenden Medium und der erregten Oszillatorfrequenz wie er in Abb. 2 wiedergegeben ist. Darin ist die Ordinate Frequenzachse, auf der die Oszillatorfrequenzen als Funktion der gemessenen Schallwellenlaufzeit, #* d.i. bei fixierter Wegstrecke ein Maß für #* = # # #. Gemäß der oben ausgewiesenen Auslegeschrift des Unterzeichners können zur Erzielung einer Eindeutigkeit in der Frequenz des Oszillators z.B. die Frequenzbereiche f1 bis 2 bezw. 3 bis f4 ausgewählt werden. Für eine bestimmte Erregerfrequenz f kann dann das zugehörige V* n einem der Bereiche ##1, ##2 ##3 usf. liegen. Da aber V # # ist, liegt tre q dem wie so benachbart, daß wenn z.B.in 4 liegt, auch g tU in ##1 zu liegen kommt.
  • Erfindungsgemäß wird nun die Meßanordnung nach Abb. 1 mit durchlaufenden Schallwellen betrieben und zwar gemäß einer im Prinzip in Abb. 3 wiedergegebenen Meßanordnung in der Weise, daß für z.B. einen Frequenzbereich f1 bis 2 der Ultraschallwandler 1 als Sender und 2 als Empfänger dient und gleichzeitig z.B. in einem Frequenzbereich 3 bis 4 der Wandler 2 zum Sender und 1 zum Empfänger bestimmt wird. In der Prinzipanordnung bildet u der Wandler 1 den Sender2 den Empfänger beispielsweise in einem Frequenzbereich f1 bis f2 erfolgt die Schwingungserregung über den Breitbandverstärker 9 gemäß der erwähnten Auslegeschrift Die Schallwellen dieses Oszillators laufen dann in Pfeilrichtung 4 über die Wegstrecke 3 und im Beispiel in gleicher Richtung die wie durch 5 gekennzeichnete Stromrichtung des Mediums.
  • Der Wandler 2 ist für einen analogen Verstärker 12 und 1 Empfänger, so daß seine Schallwellen in Richtung des Pfeiles 6 laufen und damit entgegengesetzt zu 5 des Stromes im Medium.
  • Um die Senderspannung von 12 bezw. 9 von den Verstärkereingängen 7 und 10 fernzuhalten wird in 7 bezw. 10 eine der bekannten Symmetrieschaltungen angewendet und außerdem in 8 und 11 die Erregerfrequenzen des Bereiches f1 bis 2 für den Oszillator mit 9 als Verstärker und die Erregerfrequenzen des Bereiches 3 bis f4 für den Oszillator mit 12 als Verstärker noch weiter gedämpft.
  • Aus der Frequenzdifferenz kann dann nach bekannten Methoden die Strömungsgeschwindigkeit im Medium als Ausgangswert in verschiedener bekannter Weise erhalten werden.
  • Durch Verwendung genügend kleiner Abmessungen und strömungsgünstige Verßeidungen von 1 und 2 läßt sich erreichen, daß bei schräg zur Meßstrecke 3 verlaufenden Medienströmungen die cos-Komponente gemessen wird. So ist es möglich in der Ebene mit zwei der beschriebenen Meßanordnungen in einer Koordinatenanordnung außer der Strömung auch ihre Richtung gegen die Koordinatenachsen zu messen, Mit 3 Anordnungen gelingen Richtungsbestimmungen im Raum in analoger Weise.
  • Die Koordinatenrichtung ihrerseits kann z.B. bei der Messung von Wasserströmungen im Meer aus einer Kompaßmessung gegenüber dem magnet. Erdfeld bestimmt werden.
  • Bei der Wahl der Frequenzbereiche kann es von Vorteil sein,von Frequenzteilungen bezw. Frequenzvervielfachungen für die eine Meßstrecken gegenüber der anderen Gebrauch zu machen.
  • Für Messungen von Geschwindigkeitsprofilen im Meerwasser zwischen Oberfläche und Meeresgrund läßt sich das dargestellte Verfahren mit folgender Ergänzung verwenden.
  • Der Sondenkörper, an dem die Meßanordnung der Abb. 3 z.B. in zwei zueinander senkrecht in einer Horizontalebene stehende Ausführungen angebracht ist, wird vorzugsweise freifallend verwendet. Die durchfallenen Wasserschichten werden dabei wie oben dargestellt nach Strömungsgeschwindigkeit und Richtung z.B. gegenüber der Magnetfeldrichtung der Erde über eine entsprechende Kompaßeinrichtung gemessen. Die Meßgeschwindigkeit liegt dabei im Bereich wesentlich unter 1 mzSek. Der Sondenkörper kann daher so ausgebildet werden, daß er möglichst schnell fällt. Beim Fallen wird er teilweise mit den Strömungen des Wassers mitgeschleppt werden. Die beschriebenen Meßstrecken ergeben daher eine Strömungsgeschwindigkeit, welche um den Anteil, um den der Sondenkörper mitgeschleppt wird,korrigiert werdeMUßDiese Korrektur wird nun erfindungsgemäß aus einer Beschleunigungsmessung genommen über einen in den Sondenkörper eingebauten Beschleunigungsmesser.
  • Startpunkt und Auftreffspunkt auf den Meeresgrund geben dabei die Anfangsbedingungen für die erforderliche Korrektur der Strömungsmessung nach einer Anordnung und Schaltung der Abb. 3 aus den Beschleunigungsmessungen. Das Auftreten des Sondenkörpers und Wiederfindens erfolgt nach bekannten Methoden.
  • Mit der Anordnung nach Abb. 3 läßt sich auch mit hoher Präzision in nichtströmenden Medien deren Ultraschallgeschwindigkeit messen.
  • Hierzu kann die Beschränkung der erregten Frequenz der Oszillatoren auf z.B. ein bestimmtes Frequenzintervall f1 bisf2imPrinzip ent-2 fallen. Denn wenn z.B. die Resonanzfrequenz für den'einen Ultraschallwandler auf fO, und die des anderen auf f02 gelegt wird und wenn weiter das Frequenzverhältnis fol rational ist und beispielsweise.+ Se/ = 4 2 mit allgemein f02 -= # gilt sowie #-# ganzzahlig ist, dann sind die beiden sich erregenden Schwingungsfrequenzen synchron zueinander und können sich wechselseitig synchrosnisieren. Dabei bedeutet ,t bezw. -zd die Anzahl der Schallwellen auf der Wegstrecke 3. Für diese wechselseitige Synchronisation ist es nur nötig, daß Restspannungen durch die Bausteine 7 u. 8 bezw. 10 und 11 übrigbleiben. Zur Unterdrückung von Strömungseinflüssen durch das Medium ist es zweckmäßig in bekannterweise die Wandler 1 und 2 z.B. nebeneinander anzuordnen und die Schallwellen über einen Reflexionsspiegel von 1 nach 2 bezw. 2 nach 1 zu führen. Bei der Realisation einer Schallgeschwindigkeitsmessung eines Mediums nach den vorstehenden Darlegungen sind Phasenwinkel korrekturen in bekannter Weise im Verstärker zweckmäßig. Damit sich die Schwingungen leicht erregen können, werden die Eigenfrequenzen der als Kristal lschwinger zu wählende akustischen Wandler so gelegt, daß sie im Bereich der erregten Frequenzen liegen, wenn der Schwinger als Sender wirkt und mehr oder weniger weit außerhalb der Eigenfrequenz in ihrer Funktion als Empfänger. D.h. die beiden Schwinger haben differierende Eigenfrequenzen. Die dadurch bedingten unterschiedlich großen Phasensprünge an der Grenze Wandler-Medium bezw. Wandlerphase gegenüber Wechsel spannungs phase wird zweckmäßig mit bekannten Phasenschebern korrigiert.

Claims (4)

  1. Patentansprüche
    Anordnung und Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigketten von Medien mit Ultraschallwellen unter Verwendung einer bekannten Rückkopplungsschaltung, bei der eine von Schallwandlern in einem strömenden Medium begrenzte Wegstrecke als Meßstrecke dient dadurch gekennzeichnet, daß beide Wandler gleichzeitig aber in zwei verschiedenen Frequenzbereichen sowohl als Sender wie als Empfänger kontinuierlicher Schallwellen verwendet werden, wobei sich Erregerfrequenzen für gegensinnig in der Meßstrecke laufende Schallwellen ergeben, die in der einen Laufrichtung die Schallgeschwindigkeit des Mediums plus der in gleicher Richtung liegenden Komponente der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und in der entgegengesetzten Richtung die Schallgeschwindigkeit des Mediums minus der Komponente der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ergeben, so daß die zu messende Strömungsgeschwindigkeit aus einer Differenzbildung ermittelt werden kann.
  2. 2. Anordnung und VerFahren ................... nach Anspruch 1 für Profilmessungeeer Strömungsgeschwindigkeiten in Medien vorzugsweise durch einen freifal lenden Sondenkörper dadurch gekennzeichnet, daß die durch eine teilweise Mitschleppung des Sondenkörpers infolge von Strömungen im durchfallenen Medium nach Anspruch 1 gemessenen aber verfälschen Strömungsgeschwindigkeiten über bekannte Beschleunigungsmessungen des Sondenkörpers korrigiert werden, wobei die Sondenkörpergeschwindigkeiten aus den erhaltenen Beschleunigungswerten gewonnen werden unter Verwendung des Start- und Auftreffpunktes an der Meeresoberfläche bezw. dem Meeresgrunde als Anfangsbedingungen.
  3. 3. Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1 zur Präzisionsmessung der Schallgeschwindigkeit in Medien dadurch gekennzeichnet, daß mit der Schal tungs- und Meßano-rdnung nach Anspruch eine wechselseitige Synchronisation der über die verwendeten Rückkopplungsverstärker erregten Oszillatorschwingungungen durch eine möglichst schwach bemessene Kopplung erzwungen wird.
  4. 4. Anordnung und Verfahren .................... nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenzen der vorzugsweise als Kristallschwinger (Quarz) ausgewählten Ultraschallwandler so festgelegt werden, daß sie jeweils in dem Frequenzbereich der erregten Schwingungen liegen, für die sie als Sender wirken,während der Frequenzbereich, für die die Schwinger als Empfänger dienen mehr oder weniger weit außerhalb ihrer Eigenfrequenzen liegen.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0145170A1 (de) * 1983-11-07 1985-06-19 General Motors Corporation Verfahren und Vorrichtung zum akustischen Messen einer Durchflussmenge mit zwei Frequenzen

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0145170A1 (de) * 1983-11-07 1985-06-19 General Motors Corporation Verfahren und Vorrichtung zum akustischen Messen einer Durchflussmenge mit zwei Frequenzen

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