DE2633003A1

DE2633003A1 - Stroemungsmesser

Info

Publication number: DE2633003A1
Application number: DE19762633003
Authority: DE
Inventors: Jun Herbert Estrada
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1975-07-25
Filing date: 1976-07-22
Publication date: 1977-02-24
Also published as: FR2331002A1; JPS5216261A; GB1554564A; NL7607054A; JPS5948327B2; FR2331002B1; CH611020A5; DE2633003C2; US4024760A; CA1050153A

Description

Dipl.-Ing. Peter-C. ο ro ItCi

Dr.-Ing. Ernst Sfrafmann

Patentanwälte
4 Dusseldorf 1 · Schadowplatz 9 OCO Of) Π Ο

•Düsseldorf, 20. Juli 1976

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

S tr ömung sme s s er

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser, insbesondere handelt es sich dabei um einen akustischen Strömungsmesser für Anwendungsfälle, bei denen starke Echowirkung auftritt.

Strömungsmeßsysteme, die die Fortpflanzung von akustischer Energie durch ein FTuidum (Gas oder Flüssigkeit) nutzen, haben gezeigt, daß die volumetrische Strömung selbst bei stark verzerrter Geschwindigkeitsverteilung mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann. Ein derartiges System, s. z. B. die US-PS 3 564 912, beruht auf Zeitmessungen von akustischen Impulsen, die über das fluide Medium in entgegengesetzten Richtungen sich fortgepflanzt haben. Messungen, die in mehreren akustischen Wegen vorgenommen wurden, werden entsprechend einem numerischen Integrationsverfahren miteinander kombiniert, um die volumetrische Strömungsrate zu berechnen.

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Telefon (Ο211) 32Ο8 58 Telegramme Custopat

Die akustischen. Wandler für derartige Vielwegesysteme sind im allgemeinen in einem Gehäuse eingeschlossen und die akustische Fortpflanzung erfolgt durch ein akustisches Fenster in dem Gehäuse. Bei einigen Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei der Berechnung der volumetrischen Strömungsraten von Flüssigkeiten von hoher Temperatur, ist das akustische Fenster verhältnismäßig dick, wodurch Echo oder Nachhallprobleme auftreten. Als Nachhall wird hier das Nachschwingen bezeichnet, das sich im Wandler aufgrund seiner eigenen Erregung ergibt. Dieser Nachall kann das empfangene Signal von dem hinsichtlich des akustischen Weges gegenüberliegenden Wandler verzerren, so daß die zeitliche Ankunft dieses Signals, die zur Berechnung der volumetrischen Strömungsrate benötigt wird, nur ungenau gemessen ird. Wenn die Größe des Nachhalls groß genug wird, kann das Empfangsgerät es fälschlicherweise sogar für das zu empfangene Signal halten, was zu fehlerhaften Zeitmessungen führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, die das Nachhallproblem der bekannten Anordnung beseitigt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Die Erfindung besteht also, grob gesagt, in einem Strömungsmesser, der zumindest zwei Paare akustischer Wandler zur Anordnung in einem Fluidum besitzt, wobei jedes Paar einen Auf-

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stromwandler und einen Abstromwandler umfaßt, um einen akustischen Signalweg hinsichtlich der Richtung der Fluidströmung zu bilden. Weiterhin sind Impulserzeugungseinrichtungen vorhanden, die mit den Wandlern in Verbindung stehen, um einen in AufStromrichtung laufenden Impuls in einem der Wandlerpaare und einen abstrommäßig laufenden Impuls in einem anderen der Wandlerpaare zu erzeugen. Weiterhin sind Aufnähmeschaltungen vorhanden, die mit den Wandlern verbunden sind, um die Impulse aufzunehmen. Mit den Impuls erzeugenden und Impuls aufnehmenden Schaltungen sind Rechnerschaltungen verbunden, um die Laufzeitunterschiede zwischen zumindest einem aufstrom- und einem abstromlaufenden Impuls und die Laufzeit von zumindest einem der übertragenen Impulse festzustellen und um die Fluidströmung zu bestimmen. Die Impulserζeugungsschaltung enthält Schaltkreise, die gleichzeitig Impulse erzeugen und einen Aufstromwandler in dem einen Paar und einen Abstromwandler in dem anderen Wandlerpaar erregen.

Statt akustische Impulse gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen längs einem einzigen akustischen Weg zu übertragen, wie es bisher bei bekannten Einrichtungen geschieht, liefert der erfindungsgemäße Strömungsmesser ein System, bei dem ein akustischer Impuls in der einen Richtung längs einem Weg und ein akustischer Impuls in eine entgegengesetzte Richtung längs einem zweiten ähnlichen, aber getrennten akustischen Weg übertragen wird. Nachdem der Nachhall- oder Nachklingpegel abgeklungen ist, wird das Verfahren umgekehrt, so daß die Laufzeiten

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und die LaufZeitdifferenzen der akustischen Impulse ermittelt werden können. Dies Verfahren kann mit anderen akustischen Wegen durchgeführt werden und die erhaltenen Messungen können so verarbeitet werden, daß sie Daten für die Fluidumströmung ergeben.

Bei einer zweiten, nur wenig nachhallenden Anordnung von Wandlern werden akustische Impulse gleichzeitig in der gleichen Richtung längs den zwei Wegen übertragen und danach akustische Impulse in umgekehrter Richtung längs diesen beiden Wegen übertragen. Durch dieses Verfahren können zusätzliche Daten erhalten werden, die die Berechnung der Strömung längs den einzelnen akustischen Wegen gestattet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Teil einer ein Fluidum führenden Leitung mit einer akustischen Vielwegewandleranordnung;

Fig. 1A zeigt die Orientierung eines typischen akustischen Weges hinsichtlich der Fluidumströmung für die Leitung der Fig. 1;

Fig. 2 illustriert einen Abschnitt der Leitung mit dem akustischen Wandlergerät in Stellung;

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Fig. 3 erläutert einen Teil der Wandlerhalterung der Fig. 2;

Fig. 4A stellt eine idealisierte Wellenform für Aussendung und Empfang eines akustischen Impulses dar, der längs dem akustischen Weg durch einen Wandler übertragen wurde, während

Fig. 4B die tatsächlich auftretende Wellenform darstellt;

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung und

Fig. 5A bis 5F

Illustrationen zur Erläuterung der Betriebsweise dieser Ausführungsform;

Fig. 6 ein Blockdiagramm einer anderen Anordnung für eine zweite Betriebsart und

Fig. 6A bis 6 F

Illustrationen zur Erläuterung der Arbeitsweise dieser weiteren Ausführungsform.

In Fig. 1 ist ein Abschnitt einer Leitung 10 zum Übertragen eines Fluidums dargestellt, wobei die Strömungsrichtung (Aufstrom nach Abstrom) durch den Pfeil 12 angedeutet wird. In einem Vielwegesystem sind mehrere Wandlerpaare vorgesehen, wobei ein Wandler eines jeden Wandlerpaares einen Aufstromwandler

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darstellt, während der andere Wandler ein Abstromwandler ist, wobei beide Wandler über das Fluidum in der Leitung miteinander in akustischer Verbindung stehen und zwischen sich einen akustischen Weg definieren.

Z. B. bildet ein Aufstromwandler lü in Verbindung mit dem entgegengesetzt abstrommäßig liegenden Wandler 1D einen akustischen Weg zwischen sich, der die Länge 1.. besitzt. Ein zweites Paar von Wandlern 2ü und 2D definieren einen zweiten Weg mit der Länge I₂- Die sich gegenüberliegenden Wandler 3ü und 3D definieren einen noch anderen akustischen Weg von der Länge I^, während die Wandler 4ü und 4D einen akustischen Weg einer Länge 1. bilden. Gemäß einem System für numerische Integration sind die Wandler an vorbestimmten Stellen genau angeordnet, so daß die akustischen Wege jeweilig vorbestimmte Entfernungen von einem Bezugspunkt besitzen. Für ein Vierwegesystem und für eine kreisförmige Leitung werden die Wandler im allgemeinen so angeordnet, daß I^ gleich I₄ und I₃ gleich I₃ ist.

Fig. 1A erläutert den allgemeinen Fall einer akustischen Übertragung zwischen Wandlern und die Beziehung des akustischen Weges zur Richtung der Fluidumströmung. Der Aufstromwandler ist mit T_n bezeichnet, während der Abstromwandler die Bezeichnung T_D erhalten hat, während der akustische Weg zwischen diesen beiden Wandlern die Länge 1 besitzt. Die sich ergebende Fluidumgeschwindigkeit wird durch den Pfeil V angedeutet, der einen Winkel θ hinsichtlich des akustischen Weges aufweist, so daß

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die Komponente der Strömungsgeschwindigkeit V_p längs dem akustischen Weg gleich Vcos© ist.

Fig. 2 erläutert die Befestigung des Wandlers hinsichtlich der Leitungswand. Ein Vorsprung oder eine Nase 20, die eine Mittelöffnung besitzt, ist an der Leitungswand 10 befestigt, wobei eine genau ausgerichtete Öffnung vorgesehen wird, beispielsweise durch Einbohren an der genau vorbestimmten Wandlerstelle. Der Wandler selbst ist innerhalb eines Wandlerhalters

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angeordnet, der durch die Öffnung in der Nase/in die Leitungswand 10 eingepaßt und danach an Ort und Stelle befestigt ist. Im allgemeinen ist eine Fluidumdichtung vorgesehen, wie beispielsweise ein O-Ring 25, und elektrische Verbindungen werden mit Hilfe einer elektrischen Kupplung 27 hergestellt.

Für einige Anwendungen, wie beispielsweise bei der Messung der Strömung von Fluiden mit extrem hoher Temperatur, kann der Halter 22 an der Nase 20 festgeschweißt sein und eine Konstruktion besitzen, die den hohen auftretenden Drücken und Temperaturen standhält. Das akustische Fenster für einen derr artigen Halter wird im allgemeinem aus einem Metall, wie rostfreier Stahl, hergestellt, wobei ein Beispiel in Fig. 3 dargestellt ist. Der Körper des Halters 22 besitzt ein akustisches Fenster 30, das beispielsweise mittels einer Schweißung 31 an dem Halter befestigt ist. Das aktive Element 35 des Wandlers ist sandwichartig zwischen keramischen Isolatoren 37 und 38 angeordnet, wobei die Komponenten mit Hilfe einer Zentrier-

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führungseinheit 40 unter Druck in Stellung gehalten werden. Zur größeren Deutlichkeit sind die Wandlerelektroden und die elektrischen Anschlüsse nicht dargestellt. Für eine solche Konstruktion wie auch für andere Konstruktionen mag die akustische Energie, die von dem aktiven Element abgegeben wird, dazu neigen, innerhalb des akustischen Fensters nachzuklingen, indem sie an den Vorder- und Hinterflächen des Fensters reflektiert wird. Die Wirkung davon kann anhand der Fig. 4A und 4B erläutert werden.

In Fig. 4A stellt die Wellenform 45 einen von dem Wandler zur Zeit t_Q ideal abgesandten Impuls dar. Zur Zeit t_Q wird ein ähnlicher Impuls von dem längs dem akustischen Wegen gegenüberliegenden Wandler ausgesandt und von dem erstgenannten Wandler zur Zeit t- empfangen. Die Wellenform 46 stellt den Ausgang dieses Wandlers aufgrund des Empfangs eines derartigen akustischen Impulses dar. Da die Geschwindigkeitsbestimmungen auf den Laufzeiten von entgegengesetzt gerichteten akustischen Impulsen beruhen, ist die genaue Messung dieser Zeiten von vordringlicher Wichtigkeit.

In Wirklichkeit verursacht jedoch, wie es in Fig. 4B dargestellt ist, der anfängliche Impuls, der zur Zeit t„ ausgesandt wird, ein Nachklingen, wie es von der Wellenform 48 dargestellt wird, wobei das Nachklingen mit der Seit langsam, abnimmt, aber zur Zeit t„, zu der der entgegengesetzt gerietliefce akustische Impuls empfangen wird, immer noch vorhanden sein kann. Die Wellenform

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stellt diesen empfangenen Impuls dar. Bei der Berechnung der Laufzeiten der akustischen Impulse wird die Vorderkante oder die erste Halbwelle des empfangenen Impulses allgemein benutzt. Wenn das Nachklingen 48 zur Zeit t- noch nicht verschwunden ist, kann die genaue Erkennung des empfangenen Impulses behindert sein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden außerordentlich genaue Strömungsmessungen erreicht, selbst wenn das Problem des Nachklingens vorhanden ist. Bevor jedoch eine genauere Beschreibung der Erfindung, wie sie beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist, vorgenommen wird, ist es günstig, zunächst die für die Strömungsmessungen benutzten akustischen Impulslaufzeiten näher zu untersuchen.

Im allgmeinen kann für ein System mit nur einem akustischen Weg, wie es z. B. in Fig. 1A dargestellt ist, die Geschwindigkeit und die volumetrische Strömungsrate dadurch bestimmt werden, daß gleichzeitig die Wandler T„ und T_ß erregt und die Abstromlaufzeit des akustischen Impulses (von T^. nach T_D) die aufstrommäßige Laufzeit des akustischen Impulses (von T nach T„) gemessen wird. Wenn ti die Laufzeit in Abstromrichtung ist und t2 die Laufzeit in AufStromrichtung, kann die volumetrische Strömungsrate Q durch die Beziehung

_K t2 - ti
^K

t1t2

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ermittelt werden, wobei K eine Konstante ist, die von Faktoren wie 1, θ und üinrechnungseinheiten abhängt. Die Differenz der Laufzeitunterschiede der entgegengesetzt gerichteten Impulse längs dem Weg ist At und

= t2 - ti (2)

Da t2 = ti +At ist, gilt

At

^Q ~ ^K

tl(t1

Gleichung 3 kann dadurch verwirklicht werden, daß zwei Zähler vorgesehen werden, wobei ein Zähler ti zur Zeit der akustischen Aussendung eingeschaltet wird und wieder abgeschaltet wird, wenn der abstrommäßig gelegene Wandler den akustischen Impuls empfängt. Ein zweiter Zähler, ein At-Zähler, wird eingeschaltet, wenn der Abstromimpuls empfangen wird und wird wieder abgeschaltet, wenn der Aufstromimpuls empfangen wird, wobei die sich ergebende Zählung die Laufzeitdifferenz anzeigt.

Eine genauere Bestimmung der volumetrischen Strömungsrate in einer Leitung kann mit einem Vielwegesystem erhalten werden, bei dem numerische Integrationsverfahren benutzt werden, wie beispielsweise die Gauss"sehe Technik, bei der gilt:

Q = § Έ. q_± (4)

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Dabei werden folgende Definitionen verwendet:

Q ist die volumetrische Strömungsrate; D ist der Durchmesser der Leitung;

η ist die Anzahl der Wege;

i ist die jeweilige Wegnummer; außerdem gilt

2
q_± = W_±l_± tane_±

W. ist der Gauss'sehe Wichtungsfaktor für den i-ten Weg. Somit ergibt sich für ein Vierwegesystem, wie es in Fig. 1 erläutert ist:

Q = § < ^ + q₂ + q₃ + q₄ > (5>

« ^ + q₂ + q₃ + q₄J>

Untersucht man lediglich die kurzen Wege 1 und 4, ergibt sich?

D Γ 2 / ^At1 Q = § < W.l. tan© ' '

2 \ "i*i "*"^vi ItT₁ItI₂ +

¹ 4^{+ Δ1:}4 y

(6)

In der Gleichung 6 ist^t-i ^^er Laufzeitunterschied der entgegengesetzt gerichteten akustischen Impulse im Weg 1 und 4t^ die Laufzeitdifferenz von entgegengesetzt gerichteten akustischen Impulsen im Weg 4_e In der vorliegenden Anordnung werden die Zeitmessungen des einen Weges mit den Zeitmessungen des anderen Weges kombiniert_o Genauer gesagt,, die Laufzeitdifferenz wird .von den akustischen Impulsen erhalten* die in entgegengesetzten

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Richtungen in zwei unterschiedlichen Wegen auftreten, im Gegensatz zu dem Fall, wo nur ein einziger Weg vorhanden ist. Beispielsweise wird bei einer Gauss'sehen Integrationsanordnung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, ein q-' und ein q,¹ abgeleitet, wobei gilt:

W,l„²tan©,

Obwohl die gleiche Behandlung auch bei den langen Wegen, den Wegen 2 und 3, angewendet werden könnte, werden nur die kurzen Wege, Wege 1 und 4, in Einzelheiten erläutert. Bei Gleichung ist At. die Laufzeitdifferenz zwischen einem akustischen Impuls, der im Weg 4 aufstrommäßig, und einem Impuls der im Weg 1 abstrommäßig abgesandt wurde, während ^t_R die Laufzeitdifferenz zwischen einem akustischer. Impuls, der im Weg 1 auf strommäßig und einem Impuls der im Weg 4 abstrommäßig ausgesendet wurde, darstellt, d. h.:

_ÄSt2₄-t1_l Ο)

= t2₁ - t1₄ (10)

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t2₄ = t1₄ + At₄ und (11)

- ti-, + At₁ (12)

gilt, kann gezeigt werden, daß

(13)

Eine Ausführung dieses Konzeptes ist in Fig. 5 dargestellt, auf die nunmehr Bezug genommen werden soll. Entgegengesetzt angeordnete Wandlerpaare 1U und ID bzw. 4U und 4D stehen in Signalverbindung mit dem Rest der Schaltung über entsprechende Schaltnetzwerke 50 bis 53, wie dem Fachmann bekannt ist,

Sendeeinrichtungen bewirken unter der Steuerung einer zentralen Taktgeberund Steuerungsschaltung 56 eine selektive Erregung vorbestimmter Wandler. Die Sendeeinrichtungen können einen ersten Sender 58 für die gleichzeitige Erregung von Wandler 1U über Leitung 60, Wandler 4D über Leitung 61 umfassen und auch den Zählprozeß im ti.,-Zähler 63 über Leitung 64 einleiten.

In einer ähnlichen Weise und zu einem späteren Zeitpunkt bewirkt der Sender 67 die gleichzeitige Erregung der Wandler 1D über Leitung 69 und 4U über Leitung 70. Der t1₄~Zähler 73 empfängt auch ein Signal vom Sender 67 über Leitung 74, um seine Zählfunktion einzuleiten.

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Um den Empfang der durch ζ. B. das Wassermedium übertragenen akustischen Impulse anzuzeigen, sind mehrere Empfänger vorgesehen, die mit den verschiedenen Wandlern in wirksamer Verbindung stehen. Der Empfänger 80 ist so angeschlossen, daß er das Ausgangssignal von dem Wandler 1D über Leitung 81 erhält. Der Empfänger 83 ist so angeschlossen, daß er das Ausgangssignal vom Wandler 4ü über Leitung 84 erhält, während der Empfänger so geschaltet ist, daß er das Ausgangssignal des Wandlers 1ü über Leitung 87 aufnimmt. Schließlich ist der Empfänger 89 so geschaltet, daß er das Ausgangssignal vom Wandler 4D über Leitung 90 aufnimmt.

Für Erläuterungszwecke und zur Erleichterung der Erklärung wurden verschiedene Verzögerungseinrichtungen, die mit den Schaltungen verbunden sind, weggelassen, so daß die von den Empfängern gelieferten Ausgangssignale akustische Impulse darstellen, die an den empfangenen Wandlern ankommen. Die Verwirklichung der Gleichung 7 bedeutet die Bestimmung von nicht nur ti- und t1._fsondern auch von At und Ät_ßf und entsprechend sind Schaltkreiseinrichtungen in der Form von At-Zählern für diesen Zweck vorgesehen, nämlich At -Zähler 93 und Δ t_ß-Zähler 94.

Der Satz von Signalen, der zu den Laufzeiten der akustischen Impulse in Beziehung steht, die von den verschiedenen Zählern 63_ff 93, 73 und 94 geliefert werden, werden den Rechenkreisen 96 und 97 zugeführt, wo die dort angedeuteten mathematischen

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Verfahren durchgeführt werden. Das Ergebnis dieses mathematischen Prozesses wird durch entsprechende Konstanten k in den Schaltkreisen 100 und 101 modifiziert, wobei k nicht nur den geeigneten Skalenfaktor für die darzustellenden Einheiten umfaßt, sondern auch den gemittelten Gauss'sehen Wichtungsfaktor sowie andere Terme der Gleichung 8. Die Ergebnisse der Multiplikation werden auf entsprechenden Leitungen 103 und 104 zu einem Summier- und Mittelungskreis 106 geführt, wo z. B. die Summierung der Gleichung 7 ausgeführt werden kann, und der zusätzlich vergleichbare Signale von den anderen Wegen (von nicht dargestellten Schaltungen) auf Leitungen 108 und 109 empfängt. Der Prozeß kann mehrfach wiederholt werden, so daß eine gemittelte Ablesung für eine Anwendungseinrichtung erhalten und geliefert werden kann, wie beispielsweise Darstellung 110.

Eine typische Operation wird nun hinsichtlich der Fig. 5A bis 5F beschrieben, bei der die jeweils aktiven Komponenten mit dicken Linien illustriert sind. In Fig. 5A wird aufgrund der Erregung von dem Sender 58 ein akustischer Impuls 120 längs dem Weg 1 in Abstromrichtung ausgesandt und ein akustischer Impuls 121 längs Weg 4 in AufStromrichtung. Gleichzeitig mit der Auslösung dieser Impulse wird der ti.. -Zähler 63 eingeschaltet.

Der in Abstromrichtung gerichtete Impuls kommt zuerst bei seinem gegenüberliegenden Wandler an, wie es in Fig. 5B erläutert ist, wodurch der Empfänger 80 veranlaßt wird, ein Ausgangssignal zu liefern^ daß den ti „-Zähler 63 abschaltet und den At₇₁-Zähler 93 einschaltet.

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Nachdem der Impuls 121 vom Wandler 4U empfangen wurde, wie in Fig. 5C erläutert ist, liefert der Empfänger 83 ein Ausgangssignal, um den At_A-Zähler 93 abzuschalten. Die Zählung in dem ti₁Zähler zeigt daher die Laufzeit in Abstromrichtung an, während die Zählung in dem At -Zähler 93 die Differenz der Laufzeiten von entgegengesetzt gerichteten akustischen Impulsen anzeigt, jedoch nicht auf dem gleichen Weg, wie es bei bekannten Systemen der Fall ist, sondern auf zwei getrennten, aber gleichartigen Wegen.

Fig. 5D erläutert eine Übertragung zu einem nachfolgenden Zeitpunkt durch den Sender 67, die bewirkt, daß ein akustischer Impuls 124 längs dem Weg 1 in AufStromrichtung übertragen wird, und daß ein akustischer Impuls 125 längs dem Weg 4 in Abstromrichtung übertragen wird. Zu diesem Zeitpunkt beginnt der ti.-Sahler 89 seine Zählfunktion.

Wie in Fig. 5E erläutert ist, erreicht der abstrommäßig laufende Impuls 125 den Wandler 4D und veranlaßt den Empfänger 89, den ti .-Zähler 73 abzuschalten und den ^t -Zähler 94 einzuschalten.

Wenn der akustische Impuls 124, der in Aufstromrichtung läuft, beim Wandler 1ü ankommt, wie in Fig. 5F erläutert, schaltet der Empfänger 86 den Atg-Zähler 94 ab.

Somit wird mit der dargestellten Anordnir:.·:; ain einzelner Wandler einen akustischen Impuls längs einem bestimmten Weg senden

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und einen akustischen Impuls längs diesem Weg zu einer Zeit empfangen, zu der das Nachklingen abgeklungen ist, so daß eine genaue Erkennung des Signals stattfinden kann.

Eine ähnliche Anordnung könnte für beide Wege 2 und 3 vorgesehen sein. Falls jedoch die Geometrie derartig ist, daß die Weglängen dieser Wege groß genug sind, so daß das Nachklingen zu der Zeit verschwunden ist, zu der ein Impuls empfangen wird, kann für diese Wege eine herkömmliche Anordnung benutzt werden.

Für den Durchschnittsfachmann wird erkennbar, daß dann, wenn erst einmal die entsprechenden Zeitsignale vorliegen, die notwendigen mathematischen Manipulationen auf verschiedene Weise durchgeführt werden können. Obwohl getrennte Sender und Signalverarbeitungskanäle dargestellt wurden, kann die Berechnung auch mit einem einzigen Sender, einem einzigen ti-Zähler, einem einzigen Ät-Zähler und einem zentralen arithmetischen Abschnitt vorgenommen werden, zusammen mit entsprechenden Schalt- und Steuereinrichtungen.

Um eine derartige Anordnung zu verwirklichen, sei auf die US-Patentanmeldung 486 929 vom 9. Juli 1974 der Anmelderin hingewiesen.

In der vorstehend beschriebenen Anordnung sind die kombinierten Messungen q-' und q₄' in direkter Beziehung zu der Summe der Strömungen q- und q. der kurzen Wege, so daß

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q-j^f + q₄* = q-! + q₄ (14)

Somit ist beispielsweise in dem Summier- und Mittelungskreis eine Größe vorhanden, die die Summe der einzelnen Strömungsraten in den Wegen 1 und 4 anzeigt, im Gegensatz zu den einzelnen Strömungsraten im Weg 1 selbst und der einzelnen Strömungsrate im Weg 4. Wenn diese letztgenannte Information gewünscht wird, kann mittels einer abgeänderten Anordnung eine Bestimmung der Differenz in den Wegströmungen erhalten und mit der Summe und der Differenz der Größen können die einzelnen Wegparameter ermittelt werden. Dies sei am folgenden Beispiel verdeutlicht. Die Summe der einzelnen Strömungen in den Wegen 1 und 4 wird durch die Gleichung 14 gegeben, während gezeigt wird, daß die Differenz der folgenden Gleichung 15 genügt:

_qi" + q₄" = q, - q₄ (15)

Durch Kombination der mit einem Strich und der mit zwei Strichen versehenen Größen können die einzelnen Strömungsraten auf die folgende Weise erhalten werden:

Cq₁' *qy) + Cq₁" + q₄") _q =

Cq₁' ₊ q₄') -q₄ = §

Mit dieser Anordnung werden die folgenden Messungen durchge führt:

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, ₄

~ ^k t2^2₄ (18)

ti - ti

Indem die Gleichungen 18 und 19 kombiniert werden, erhält mans

_qi" + q₄" = k t + -ETtT-'r ⁱ²⁰⁾

1 4 Lt_2it2₄ M₄W₁ J

Indem man den in geschweiften Klammern stehenden Ausdruck über einen gemeinsamen Nenner stellt und danach einige Umformungen und Umanordnungen vornimmt, kann gezeigt werden, daß folgendes gilts

t2... - ti

Dieser Ausdruck reduziert sich auf

q/. + q₄" = ^ - q₄ (22)

Die Anordnung zur Ermittlung der Größen q,," und q₄" ist in Fig, 6 dargestellt, in der die einzelnen Schaltkreiskomponenten die gleichen sein können, wie sie bereits hinsichtlich Fig, 5 beschrieben wurden. Es wurden daher die gleichen Bezugszahlen verwendet. Der Unterschied liegt in den Zwischenverbindungen_f die zu einer anderen Betriebsart führt» Statt das auf zwei unterschiedlichen Wegen in entgegengesetzte Richtungen übertragen wirdj, werden akustische Impulse auf zwei unterschiedlichen

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Wegen in der gleichen Richtung übertragen und zu einem späteren Zeitpunkt in entgegengesetzter Richtung. Entsprechend ist der Sender 58 so angeschlossen, daß er gleichzeitig die Abstromsender 1D und 4D über die Leitungen 127 bzw. 128 erregt und gleichzeitig über Leitung 129 den Zähler 63 startet.

Um gleichzeitig akustische Impulse von dem aufstrommäßig liegenden Wandler zu dem abstrommäßig liegenden Wandler auszusenden, ist der Sender 67 mit den Wandlern 1U und 4U über entsprechende Leitungen 131 und 132 verbunden und bewirkt auch die Auslösung des Zählers 73 über Leitung 133.

Die Empfänger 80 und 83 arbeiten nun jeweils in der Weise, daß sie von den Wandlern 4U und 1U über die Leitungen 134 und 135 akustische Impulse empfangen, während die Empfänger 86 und 89 entsprechend so geschaltet sind, daß sie Ausgänge von den Wandlern 4D und 1D über die Leitungen 137 und 138 aufnehmen.

Obwohl die Zähler die gleichen Bezugszahlen besitzen, wie in Fig. 5, erhalten sie grundsätzlich unterschiedliche Eingangssignale für die Erzeugung von Größen zur Ausführung der Gleichungen 18 und 19. Entsprechend ist der Zähler 63 se wirksam, daß er eine Anzeige von t2. liefert, nämlich der Aufstromlaufzeit eines akustischen Impulses längs dem Weg 4, während der Zähler 93 eine Anzeige der Zeitdifferenz liefert- nämlich der Ankunftszeitdifferenz zwischen der Ankunftszeit äs= akustischen Impulses iiu Weg 1 verglichen mit der Ankunftszeit des akustischen Im-

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' ²¹ "

pulses im Weg 4, wobei diese Größe mit der Bezeichnung versehen ist.

Es wird die Annahme gemacht, daß der akustische Impuls des Weges 4 zuerst empfangen wird. Tatsächlich kann es aber auch der zuletzt empfangene Impuls sein. Diese Zweideutigkeit kann jedoch beseitigt werden, indem ein Schaltkreis 139 vorgesehen wird, der auf die von den Empfängern 80 und 83 abgegebenen Ausgangssignale in der Weise reagiert, daß er das Vorzeichen der Größe in dem Λ t -Zähler 93 verändert, wenn die Impulse in umgekehrter Reihenfolge empfangen werden.

Infolge der abstrommaßxgen Übertragung der akustischen Impulse längs der Wege 1 und 4 wird angenommen, daß der Wandler 1D des Weges 1 den Impuls zuerst aufnimmt, so daß der Empfänger den Zähler 73 abschaltet, was eine Anzeige der abstrommaßxgen Laufzeit auf dem Weg 1, ti ^ liefert. Die Differenz in der Übergangszeit zwischen den zwei abstrommäßig ausgesandten akustischen Impulsen wird von einem Zähler 94 erhalten, der als Δ-t^-Zähler bezeichnet ist. Der Schaltkreis 140 ist so ausgeführt, daß er das Vorzeichen der Zählung in dem Zähler 94 ändert, falls die Impulse in umgekehrter Reihenfolge ankommen. Obwohl es vorher nicht dargestellt wurde, können die Schaltkreise 139 und 140 auch in der Anordnung der Fig. 5 vorgesehen werden, um auch eine Strömung in beiden Richtungen messen zu können.

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Die Schaltkreise 96 und 97 führen die angedeutete arithmetische Operation durch, deren Ergebnisse mit vorbestimmten Konstanten der Schaltkreise 100 und 101 multipliziert werden, um die Größen q.j" auf Leitung 103 und q₄" auf Leitung 104 zu liefern. Mit diesen Größen können die Strömungsraten der einzelnen Wege gemäß den Gleichungen 16 und 17 errechnet werden. Diese Berechnung kann durch Handauswertung oder auch, wie in Fig. 6 gezeigt, durch einen arithmetischen Abschnitt 142 durchgeführt werden. Der arithmetische Abschnitt (Rechenwerk) 142 empfängt diese Größen q-" und q." wie auch die Größen q.,' und q₄' aus der vorangegangenen Operation, die mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben wurde, um durch arithmetische Manipulationen, die von den Gleichungen 16 und 17 beschrieben werden, die Ausgänge q.. und q, zu liefern, die die einzelnen Strömungen längs der Wege 1 und 4 anzeigen.

Diese letzte Betriebsart wird in den Fig. 6A - 6F noch weiter erläutert, in denen die jeweils aktiven Komponenten durch starke Striche herausgehoben wurden. In Fig. 6A werden infolge einer Erregung durch den Sender 58 die Abstromwandler 1D und 4D gleichzeitig entsprechende akustische Impulse 150 und 151 längs entsprechenden Wegen 1 und 4 aussenden. Gleichzeitig mit der Erregung wird der t2.-Zähler eingeschaltet. Es sei angenommen, daß der Impuls 151 zuerst eintrifft, so daß der Empfänger 80 ein Ausgangssignal liefert, das den Zähler 63 abschaltet und denAt„-Zähler 93 einschaltet, wie in Fig. 6B dargestellt.

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Fig. 6C zeigt das Auftreffen eines akustischen Impulses 150, der den Empfänger 83 zur Lieferung eines Ausgangssignals veranlaßt, das den Δt -Zähler 93 abschaltet.

Zu einem späteren Zeitpunkt, wie in Fig. 6 dargestellt, erregt der Sender 67 gleichzeitig die Aufstromwandler 1U und 4ü, so daß diese akustische Impulse 154 und 155 in der gleichen Abstromrichtüng längs der Wege 1 und 4 aussenden. Gleichzeitig mit dieser Erregung wird der ti ..-Zähler 73 eingeschaltet.

In Fig. 6E trifft der akustische Impuls 154 zuerst ein, so daß der Empfänger 89 den ti--Zähler 73 sowie auch den Δ tL·- Zähler 94 einschaltet.

In Fig. 6F ist der akustische Impuls 155 am Abstromwandler eingetroffen, so daß der Empfänger 86 den At -Zähler 94 abschaltet.

Diese zweite Betriebsart zur Ermittlung der Größen q-" und q," wird mit der gleichen Ausrüstung erreicht, wie die erste Betriebsart, wobei jedoch die einzelnen Komponenten unterschiedliche Verbindungen aufweisen. Diese Änderung der Zwischenverbindungen kann durch Hand erfolgen, indem die Verbindungskabel manipuliert werden, oder sie kann auch automatisch durch die Anordnung von geeigneten Schaltnetzwerken durchgeführt werden, wenn dies zweckmäßig ist.

Patentansprüche s

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Claims

Patentansprüche ;

/ 1.J Strömungsmesser, gekennzeichnet durch zumindest zwei Paare akustischer Wandler (iU_f 1D; 4U, 4D) zur Anordnung in einem fluiden Medium, wobei jedes Wandlerpaar aus einem aufstrommäßig angeordneten Wandler (1ü bzw. 4U) und einem abstrommäßig angeordneten Wandler (1D bzw. 4D) zur Bildung eines akustischen Signalweges hinsichtlich der Richtung des Fluidumstromes (12) besteht, Impulserzeugungsschaltungen (58, 67), die mit den Wandlern verbunden sind, um in dem einen Wandlerpaar einen in Aufstromrichtung laufenden Impuls und in dem anderen Wandlerpaar einen in Abstromrichtung laufenden Impuls zu erzeugen; Empfangsschaltungen (80, 83, 86, 89), die mit den Wandlern zum Empfang der Impulse verbunden sind; Rechnerschaltungen (93, 94; 63, 73; 96, 97), die mit der Impuls erzeugenden und empfangenden Schaltung verbunden sind, um die Differenz der Laufzeit (At, bzw. At_ß) zwischen zumindest einem Auf strom- und einem Abstromimpuls und die Laufzeit (ti ^ oder ti.) von zumindest einem der übertragenen Impulse zu bestimmen und um die Fluidumströmung festzustellen, wobei die Impulserzeugungsschaltung eins Einrichtung zur simultanen Impulserzeugung (56) umfaßt, um in dem einen Wandlerpaar einen Aufstromwandler und in dem anderen Wandlerpaar einen Abstromwandler simultan zu erregen.

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2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Austauschschaltungen (50 - 53) zum Austauschen der Verbindungen der Impuls erzeugenden und empfangenden Schaltung und der entsprechenden Wandler nach einer vorbestimmten Zeitperiode, so daß die empfangenen Wandler zu sendenden Wandlern und die aussendenden Wandler zu empfangenden Wandlern werden.
3. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung Schaltkreise zur Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen einem zweiten Aufstrom- und einem zweiten Abstromimpuls, wenn die Austauschschaltung (50 53) die entsprechenden Wandler umgeschaltet hat, aufweist.
4. Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die empfangende Schaltung einen Schaltkreis für einen konstanten Faktor (100; 101) zur Modifikation der Signale enthält, wobei der konstante Faktor eine Funktion von zumindest der quadrierten Länge der akustischen Signalwege und eine Funktion des mittleren Winkels zwischen den Wegen und der Strömungsrichtung ist.
5. Strömungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der konstante Faktor der Konstantfaktorschaltung einen

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Term W₀I₀ tan9 umfaßt, wobei 1 das Mittel der quadrier-

SSS S

ten ersten Weglänge und der quadrierten zweiten Weglänge darstellt, θ das Mittel des entsprechenden Winkels zwischen

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dem ersten und dem zweiten Weg zur Strömungsrichtung und W ein entsprechender Gauss'scher Wichtungsfaktor ist.
6. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerpaare so angeordnet sind, daß sie zwei Endwege (I-, 1^) und zwei Mittelwege (1„, I₃) bilden, und zwar in der Weise, daß die zwei Endwege (I₁, 1.) gleiche Länge aufweisen und kürzer als die Mittelwege (1-, I₃) sind.
7. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschaltungen Schaltkreise enthalten, um die Wandler gleichzeitig so zu verbinden, das akustische Impulse in der gleichen ersten Richtung hinsichtlich der Fluidumströmung abgegeben werden, und danach gleichzeitig akustische Impulse in einer zweiten und entgegengesetzten Richtung.
8. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung Zeitschaltungen umfaßt, die auf Signale reagieren, die die folgende Beziehung verwirklichen:

Q ?= k

wobei die Größen folgende Bedeutung haben

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+ B

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Q ist die volumetrische Strömungsrate; k ist eine Konstante;

ti. ist die Laufzeit eines akustischen Impulses von einem aufstrommäßig gelegenen Wandler zu einem abstrommäßig gelegenen Wandler im Weg i;

ti. ist die Laufzeit eines akustischen Impulses von einem Aufstromwandler zu einem Abstromwandler im Weg j; ^t. ist die Differenz der Laufzeit zwischen einem in Richtung Aufstrom abgesendeten akustischen Impuls im Weg i gegenüber einem in Abstromrichtung ausgesendeten Impuls im Weg j;

At_n ist die Laufzeitdifferenz zwischen einem in Aufstrom= richtung abgeschickten akustischen Impuls im Weg j gegenüber einem in Abstromrichtung abgesendeten Impuls im Weg i;
und
B eine Funktion zusätzlicher Wege.

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