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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus der Frequenzdifferenz kann dann nach bekannten Methoden die Strömungsgeschwindigkeit
im Medium als Ausgangswert in verschiedener bekannter Weise erhalten werden.
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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.
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Die Koordinatenrichtung ihrerseits kann z.B. bei der Messung von Wasserströmungen
im Meer aus einer Kompaßmessung gegenüber dem magnet. Erdfeld bestimmt werden.
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Bei der Wahl der Frequenzbereiche kann es von Vorteil sein,von Frequenzteilungen
bezw. Frequenzvervielfachungen für die eine Meßstrecken gegenüber der anderen Gebrauch
zu machen.
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Für Messungen von Geschwindigkeitsprofilen im Meerwasser zwischen
Oberfläche und Meeresgrund läßt sich das dargestellte Verfahren mit folgender Ergänzung
verwenden.
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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.
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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.
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Mit der Anordnung nach Abb. 3 läßt sich auch mit hoher Präzision in
nichtströmenden Medien deren Ultraschallgeschwindigkeit messen.
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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.