DE2651142A1

DE2651142A1 - Akustischer stroemungsmesser

Info

Publication number: DE2651142A1
Application number: DE19762651142
Authority: DE
Inventors: James E Bradshaw; Norman E Pedersen
Original assignee: Panametrics LLC
Current assignee: Panametrics LLC
Priority date: 1976-11-09
Filing date: 1976-11-09
Publication date: 1978-05-11
Also published as: DE2651142C2

Description

Akustischer Strömungsmesser
Die Erfindung betrifft einen akustischen Strömungsmesser, der insbesondere erhöhte Genauigkeit, Empfindlichkeit und Ansprechzeit mittels Schmalband-Signalverarbeitung aufweist.
Es wurden bereits zahlreiche Meßvorrichtungen für die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids entwickelt, bei denen der Einfluß der Fluidgeschwindigkeit auf die Sendezeit eines in Strömungsrichtung übertragenen Schallimpulses ausgenutzt wird. Ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung verwendet eine doppelte Sing-Around-Technik, bei der eine Impulsfolge in einer Richtung übertragen wird, z. B.
stromauf, und eine andere Impulsfolge wird in entgegengesetzter Richtung übertragen, z. B. stromab. Wenn jeder Impuls in einer Folge empfangen wird, so bewirkt er, daß der nächste Impuls in gleicher Richtung gesendet wird. Demgemäß wird die Folgefrequenz der Impulse in jeder Richtung in erster Linie durch die Laufzeit durch das Fluid bestimmt. Da die Laufzeit durch die Strömungsgeschwindigkeit beeinflußt wird, gibt der Frequenzunterschied zwischen zwei Impuls folgen ein Maß für die Fluidgeschwindigkeit.
Die Hauptschwierigkeit bei dieser "Sing-Around"-Vorrichtung liegt darin, daß der Frequenzunterschied vorzugsweise - - - tim Verz:leich sehr kleinvmit der Frequenz selbst ist, so daß jeder "Sing-Around"-Oszillator bis zu einem sehr hohen Genauigkeitsgrad stabil sein muß. Da weiterhin die Sendesignale impulsförmig sind, müssen Breitband-Wandler und eine Elektronik vorgesehen werden, wodurch ein ausreichender Rauschabstand schwieriger zu erzielen ist.
Da weiterhin jeder Oszillator in der Art einer Phase-Lock-Schleife arbeiten muß, verursacht ein Rauschen oder eine Turbulenz im Fluid einen Phase-Lock-Verlust und eine Zeitdauer, während der die Vorrichtung unempfindlich ist, und es kann sogar ein Schleifen-Lock nicht wieder aufzunehmen sein.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen akustischen Strömungsmesser anzugeben, der sehr genau arbeitet, Schmalband-Wandler und eine Signalverarbeitungselektronik verwendet, der eine relativ kurze Ansprechzeit gegenüber Änderungen in der Fluidgeschwindigkeit besitzt, der einen vorteilhaften Rauschabstand aufweist, der zuverlässig arbeitet und einfach sowie ohne großen Aufwand aufgebaut ist.
Hierzu hat der erfindungsgemäße akustische Strömungsmesser zwei Wandler stromauf und stromab zu einer Leitung, in der die Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird. Mit den Wandlern sind Signal-Generator-Modulator- und Schalteinrichtungen verbunden, die ein moduliertes Signal vom einen Wandler zum anderen senden, abwechselnd stromauf und stromab, wobei das in jeder Richtung übertragene Signal einen getasteten Impuls einer sich mit einer Hauptmodulationsfrequenz wiederholenden Meßfrequenz aufweist. Das empfangene Signal ist eine verzögerte Abwandlung des übertragenen Signales, wobei die Verzögerungszeit sich mit der Strömungsgeschwindigkeit ändert. Das stromab empfangene Signal wird einer Schmalbandfilterung unterworfen, um ein erstes kontinuierliches Sinussignal bei der Meßfrequenz auszufiltern, während das stromauf empfangene Signal ähnlich gefiltert wird, um ein zweites kontinuierliches Sinussignal zu erzeugen. Ein Taktmesser mißt die Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten kontinuierlichen Sinus signal. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Phasenmessung durch eine erste Überlagerung der Sinussignale auf eine viel niedrigere Frequenz, wobei die Phaseninformation beibehalten wird. Die Phasendifferenz bewirkt eine Messung proportional zur Strömungsgeschwindigkeit.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das empfangene Signal auch zu einem Detektor gespeist, um das Modulationssignal auszusieben, so daß ein erstes Hüllensignal entsteht, und das stromauf empfangene Signal wird auf ähnliche Weise verarbeitet, um ein zweites Hüllensignal zu erzeugen. Jedes Hüllensignal wird schmalband-gefiltert, um die Hauptmodulationsfrequenzkomponente auszusieben, so daß die jeweiligen Hüllenfrequenz-Sinussignale erhalten werden.
Eine Takteinrichtung mißt die Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Hüllen-Sinussignal. Durch Vergleich der ersten Messungen mit dem Quadrat der zweiten Messungen kann ein Wert proportional zur Strömungsgeschwindigkeit erhalten werden.
Die Erfindung sieht also einen akustischen Strömungsmesser vor, bei dem wiederholt getastete relativ hochfrequente Schallimpulse zwischen einem stromauf und einem stromab gelegenen Wandler in einer Leitung gesendet werden, in der die Strömung gemessen werden soll, wobei die Übertragung abwechselnd stromauf und stromab erfolgt. Die empfangenen Signale werden verstärkt und einer Schmalbandfilterung unterworfen, um bei der Hochfrequenz eine wesentlich kontinuierliche Komponente auszusieben, wobei Phaseninformation zurückbehalten wird. Durch Messen der relativen Phasenverschiebungen der Übertragungen stromauf und stromab wird ein Maß proportional zur Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsmenge erhalten. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Summe der Laufzeiten gemessen, indem die Phasenverschiebungen der Hauptfolgefrequenz-Modulationskomponente der empfangenen Signale gemessen werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen akustischen Strömungsmessers, Fig. 2 verschiedene Signale, die beim Strömungsmesser der Fig. 1 auftreten, und Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen akustischen Strömungsmessers, bei dem eine von der Meßfrequenz verschiedene Trägerfrequenz verwendet wird.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Beim erfindungsgemäßen Strömungsmesser werden Schallsignale zwischen zwei Wandlern übertragen oder gesendet, die stromauf bzw. stromab zu einer Leitung liegen, in der die Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll. In der Fig. 1 sind derartige Wandler 11 und 13 und eine Leitung 15 für die zu messende Strömung vorgesehen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die verschiedenen angegebenen Zeitwerte und Frequenzen zur Strömungsmessung eines Fluids geeignet, wie z. B. Strahltriebwerk-Kraftstoff in einer Leitung mit einem Durchmesser in der Größenordnung cm (halbes Zoll).
Die Signale werden abwechselnd stromauf und stromab übertragen, wobei gleiche Wandler in beiden Richtungen verwendet werden. In Fig. 1 sind Schalter 17 und 18 vorgesehen, um jeden Wandler abwechselnd an eine Signalquelle und einen Signalempfänger anzuschließen. Obwohl der Schaltvorgang schematisch auf mechanische Weise dargestellt ist, sei darauf hingewiesen, daß tatsächlich ein herkömmlicher elektronischer Schalter verwendet wird.
Ein hochstabiler Quarzoszillator 21 erzeugt ein Schwingungssignal mit einer zum Messen von Fluidgeschwindigkeiten bei bestimmten Anwendungen geeigneten Frequenz. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt diese Frequenz 5 MHz.
Dieses Signal mit 5 MHz bildet die Zeitbasis für die gesamte Vorrichtung. Dieses Signal mit 5 MHz wird digital untersetzt, wie dies durch eine Einrichtung 23 dargestellt ist, um ein Zeitsignal mit 2 kHz zu erhalten, das neben anderen Funktionen zum Steuern der elektronischen Schalter 17 und 18 sowie zum periodischen Umkehren des Betriebs der Wandler 11 und 13 dient.
Das Signal mit 5 MHz wird getastet oder moduliert, um die Impulssignale zu erhalten, die stromauf und stromab gesendet werden. Zum Erzeugen des Stromauf-Signals triggert das 2-kHz-Zeitsignal ein 50-/us-Gatter 25, das seinerseits ein Modulationsgatter 27 steuert, das einen entsprechenden Impuls des 5-MHz-Signales zum Wandler 13 leitet, während der Schalter 18 in der gezeigten Stellung ist. Für das Stromab-Signal wird das 2-kHz-Takt-Zeitsignal invertiert, wie dies durch einen Inverter 29 angedeutet ist, um eine Phasenumkehr von 1800 zu erhalten, d. h. eine Zeitverschiebung um 250 /us.
Dieses invertierte Signal triggert ein 50-/us-Gatter 31> das ein Modulationsgatter 33 steuert, das seinerseits einen entsprechenden Impuls des 5-MHz-Signales zum Wandler 11 leitet, d. h., während einer Periode, in der die Schalter 17 und 18 in der zur gezeichneten Stellung entgegengesetzten Lage sind.
Jeder Wandler empfängt eine verzögerte Abwandlung des durch den anderen Wandler gesendeten Signales, wobei die Verzögerung in erster Linie durch die Laufzeit des Signales durch das Fluid und differentiell durch die Fluidgeschwindigkeit bestimmt ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Gesamtlaufzeit ungefähr 50 /us, eine Verzögerung entsprechend einem Abstand zwischen den Wandlern von ungefähr 7,5 cm (3 Zoll) Das gesendete und empfangene Stromauf- und Stromab-Hüllensignal ist in Fig. 2 zur Erläuterung des Betriebsablaufes dargestellt.
Die in jedem Wandler empfangenen Signale werden verarbeitet, um sowohl die Meßfrequenzkomponente, d. h. die 5-MHz-Trägerfrequenz bei diesem Ausführungsbeispiel, als auch die Hauptmodulationsfrequenzkomponente, d. h. bei 2 kHz, wiederzugewinnen, wobei die Signalverarbeitungen in beiden Fällen so erfolgen, daß die in den empfangenen Signalen enthaltene Phaseninformation zurückbehalten wird. Nach dem Durchgang durch jeweilige. Vorverstärker 35 und 37 wird das empfangene Signal von jedem Wandler über jeweilige Pufferverstärker 41 und 43 zu einem hochselektiven Quarzfilter 45 und 46 gespeist, das auf eine 5-MHz-Meßfrequenz abgestimmt ist. In diesem in jedem Fall gesendeten modulierten Signal ist ein getasteter Impuls, wobei das empfangene Signal eine wesentliche Komponente bei der Trägerfrequenz enthält. Demgemäß hat das Ausgangssignal jedes Filters 45 und 47 eine im wesentlichen reine Sinuswelle bei der Trägerfrequenz. Eine andere Möglichkeit zur Analyse dieser Wirkung liegt in der Feststellung, daß das Modulationssignal eine wesentliche Gleichstromkomponente enthält. Demgemäß kann das gesendete Signal durch eine Fourier-Reihe mit einer bedeutenden Komponente nullter Ordnung wiedergegeben werden. Während das Filtern im wesentlichen die durch die Sendeverzögerung erzeugte Modulation ausschließt, behält es die Phaseninformation in der wiedergewonnenen Meßfrequenzkomponente bei.
Das von jedem Filter 45 und 47 erhaltene Sinus signal wird in einem Mischer 49 bzw. 51 mit einem Bezugs frequenzsignal von 5,002 MHz gemischt. Dieses Bezugssignal wird durch Mischen (in einem Mischer 53) des 5,000-MHz-Signales mit einem 2-kHz-Zeitsignal und anschließendes Filtern (in einem 5,002-MHz-Filter 55) erhalten, um ein reines 5,002-MHz-Signal aus der überlagerten Summe zu erzielen, die bei diesem Mischen erzeugt wird.
Das Mischen der 5-MHz-Komponente jedes empfangenen Signales mit dem 5,002-MHz-Bezugssignal erzeugt durch Überlagern ein 2-kHz-Signal, in dem die Phaseninformation im ursprünglichen 5-MHz-Signal zurückbehalten wird. D. h. eine stufenweise oder differentielle Änderung von 100 in der Phase der 5-MHz-Komponente des empfangenen Signales erzeugt eine Phasenänderung um 10 in dem jeweiligen überlagerten 2-kHz-Produkt, obwohl diese Phasenänderung einem wesentlich längeren Zeitintervall entspricht. Damit wird eine Dehnung der Zeitskala erhalten.
Die von jedem Mischer 49 und 51 erhaltene überlagerte Komponente mit 2 kHz wird wahlweise durch 2-kHz-Aktivfilter 57 bzw. 59 ausgesiebt. Diese Sinussignale mit 2 kHz werden ihrerseits zu Nulldurchgangs-Detektoren 61 bzw. 63 gespeist, um genaue Vorgangssignale zu verhalten, die zur Zeitmessung geeignet sind. Diese Zeitsignale steuern ein Gatter 65, das wahlweise das 5-MHz-Taktsignal zu einem Zähler 67 leitet. Die Zeitgatter arbeiten so, daß die Anzahl der durch den Zähler 67 geleiteten Taktimpulse proportional zur Phasendifferenz zwischen den stromauf und stromab gesendeten Signalen ist, wobei lediglich die Meßfrequenzkomponente jedes Signals berücksichtigt wird. Da die Weglänge für das stromauf und das stromab gesendete Signal gleich ist, beruht jede Phasenverschiebung zwischen der stromauf und stromab abgeleiteten Meßfrequenzkomponente auf der Fluidbewegung in der Leitung, die die Signal-Sendezeit stromauf erhöht und stromab verringert. Auf diese Weise ist die Anzahl der durch den Zähler 67 geleiteten Zahlen im wesentlichen proportional zur Fluidgeschwindigkeit. In den Proportionalitäts- oder Skalenfaktor gehen tatsächlich verschiedene Faktoren ein.
Ein Element, das in den Skalenfaktor eingeht, ist die Länge des Sendeweges und die Geschwindigkeit der Schallwelle durch das bestimmte Fluid. Diese Parameter beeinflussen ebenfalls in ähnlicher Weise die gesamte Laufzeit für jedes Signal vom Sender- zum Empfänger-Wandler. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Einrichtung zum Messen der Summe der Laufzeiten vorgesehen, so daß Änderungen in den Umgebungsbedingungen, z. B. der Temperatur, die die Laufzeiten und die differentiellen Phasenverschiebungen beeinflussen, direkt durch den Strömungsmesser selbst berücksichtigt werden können. Hierzu liegt das empfangene Signal von jedem Wandler über Pufferverstärker 71 bzw. 73 an Hüllkurven-Demodulatoren 75 und 77.
Diese Demodulatoren nehmen die Modulations-Hüllkurve heraus, wobei im wesentlichen die 5-MHz-Meß- oder Trägerfrequenz-Komponente ausgeschlossen wird. Die Modulations-Hüllkurve, die wie gesendet im wesentlichen ein Rechtecksignal ist, hat zahlreiche Frequenzkomponenten, aber die Hauptmodulationskomponente ist die 2-kHz-Folgefrequenz. Diese Komponente wird aus jedem Kanal durch ein 2-kHz-Aktivfilter 79 bzw. 81 gewonnen.
Die Sinus-Ausgangssignale der Filter 79 und 81 liegen an Nulldurchgangs-Detektoren 83 bzw. 85, um wieder genau definierte Ereignisse zur Zeitmessung zu haben. Um eine Messung oder Zähleranzeige zu erhalten, die sich mit der Summe der Laufzeiten ändert oder zu dieser proportional ist, wird jedes Zeitsignal zusammen mit einem 2-kHz-Zeitbezugssignal verwendet, um die Leitung der 5-MHz-Taktimpulse zu einem Zähler zu steuern. Um alle Zeitversetzungen möglichst klein zu machen, die beim Filtern der empfangenen Signale auftreten, liegt das vom Taktglied der Anordnung erhaltene 2 kHz-Zeitsignal an einem ähnlichen 2-kHz-Filter 86, und das Sinus-Ausgangssignal vom Filter liegt an einem Nulldurchgangs-Detektor 87.
Ein Zähler 89 ist so angeordnet, daß er durch Taktimpulse vorgestellt werden kann, die durch eine von zwei Folgen von Zeitgattern 91 und 93 verlaufen, wobei die übertragenen Impulse über ein ODER-Gatter 95 am Zähler liegen. Der Durchgang der Taktimpulse durch das Zeitgatter 91 beginnt durch das 2-kHz-Bezugssignal und endet durch das vom Nulldurchgangs-Detektor 85 erhaltene Hüllkurven-Zeitsignal, so daß stromab eine der Laufzeit proportionale Anzahl von Impulsen geleitet wird. Das Zeitbezugssignal wird durch einen Inverter 97 umgekehrt, um eine Zeitversetzung von 250 /us zu verhalten, und das umgekehrte Signal dient zum Einleiten des Durchganges der Taktimpulse durch die Zeitgatter 93. Diese Folge von Taktimpulsen wird dann durch das vom Nulldurchgangs-Detektor erhaltene Rüllkurven-Zeitsignal abgeschlossen, das die Ankunft des empfangenen Impulses beim Wandler stromauf anzeigt. Die Anzahl von Impulsen in dieser Folge ist so proportional zur Stromauf-Laufzeit. Demgemäß ist die Summe der durch den Zähler 89 während jeder Betriebsperiode der Vorrichtung empfangenen Impulse proportional zur Summe der Stromauf- und der Stromab-Laufzeit.
Die in den Zählern 67 und 89 gesammelten Werte werden dann zu einer beliebigen Datenerfassungs- und -Verarbeitungseinrichtung gespeist, die für eine bestimmte Anwendung geeignet ist. Ob die Zähler 67 und 89 am Ende jeder Betriebsperiode des Strömungsmessers gelöscht oder über eine viel längere Zeitdauer die Zähleranzeigen sammeln, hängt von den Anforderungen an die Anordnung ab, in der der Strömungsmesser vorgesehen ist, sowie von dem bei der Strömungsmessung angestrebten Genauigkeitsgrad. Während die Messung der Summe der Laufzeit im Zusammenhang mit der Ermittlung des Skalenfaktors für die Geschwindigkeitsmessung vorteilhaft ist, kann diese Messung selbstverständlich zur Bestimmung anderer Parameter geeignet sein, z. B. der Fluid-Dichte, die außer der Strömungsmessung nützlich sind.
Wie oben erläutert wurde, liegt einer der Hauptvorteile des erfindungsgemäßen Strömungsmessers darin, daß er Schmalbandsignale verwendet, die für einen verbesserten Rauschabstand sorgen. Da weiterhin der Strömungsmesser die Verwendung einer Hauptmeßfrequenz ermöglicht, die eine relativ hohe Frequenz ist und so relativ kurze Wellenlängen aufweist, kann eine relativ niedrige Strömungsgeschwindigkeit eine relativ große und deshalb leicht zu messende Phasenverschiebung hervorrufen. Während die Verwendung einer relativ hohen Frequenz diese relativ empfindliche Änderung der Phasenverschiebung mit der Geschwindigkeit erlaubt, bewirkt das Herabsetzen der Frequenz durch Überlagern des empfangenen Signales ein Zurückbehalten der Phaseninformation in gedehnter Zeitskala, so daß eine digitale und sehr genaue Messung der Phasenverschiebung erfolgen kann. D. h., die Phasenmessung braucht nicht bei höherer Frequenz zu erfolgen, die zur Erzielung der Empfindlichkeit der Phasenverschiebung verwendet wurde. Dieser Vorteil wird wiederum durch den Schmalband- und kohärenten Betrieb der Signalverarbeitungseinrichtung ermöglicht, wobei die Anordnung insoweit kohärent ist, als das 5,002-MHz-Bezugssignal, mit dem die empfangenen Meßfrequenzsignale gemischt werden, aus der gleichen Zeitbasis wie das ursprünglich gesendete Signal abgeleitet ist.
In Situationen, in denen ein höchster Genauigkeitsgrad angestrebt wird, ist es vorteilhaft, im erfindungsgemäßen Strömungsmesser einen Schalter vorzusehen, um periodisch die Verbindungen zwischen den Wandlern und dem Analog-Empfänger umzukehren und dann Mittelwerte aus den Ergebnissen zu bilden, die mit den beiden verschiedenen Verbindungen erhalten werden.
Diese periodische Umkehr und Mittelwertbildung kann die Genauigkeit des Strömungsmessers verbessern, da jeder Zähler aufgrund verschiedener Phasenverschiebungen ausgelöscht wird, die zwischen den hochempfindlichen Quarzfiltern 45 und 47 auftreten, wobei die Phasenverschiebungen sonst in die Gesamtgenauigkeit des Strömungsmessers eingehen und diese beeinflussen. Diese periodische Umkehr und Mittelwertbildung ist eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strömungsmessers.
Im folgenden wird der Betrieb des erfindungsgemäßen Strömungsmessers näher erläutert.
Die Phasenverschiebungen #1 und #2 der Stromauf- bzw.
Stromab-Welle betragen: 2#foD 1 #1 = 2#fo T1 = (1) sin # c - V cos # 2#foD 1 #2 = 2#foT2 = (2) sin # c + v cos # mit fo = 5 MHz (Meßfrequenzkomponente), e = Winkel des Sendeweges zur Leitung, D = Ubertragungs- oder Sendeweglänge, c = Schallgeschwindigkeit, v = Fluidgeschwindigkeit, und T1 und T2 = Stromauf- bzw. Stromab-Laufzeit.
Die Phasendifferenz (#1 - #2) beträgt: 4#foD v cos # #1 - #2 = (3).
sin # c² - v² cos²# Die Frequenz fo ist so gewählt, daß die Phasendifferenz höchstens 1800 beträgt, wenn v = vmax vorliegt. Die HF-(fO)-Trägerwelle wird tatsächlich durch einen Rechteckimpuls mit einer Breite von 50 µs und einer Folgefrequenz von 2 kHz (fm) moduliert. Die Phasenverschiebungen der Grundfrequenz (2 kHz) der Modulationswellen sind auf ähnliche Weise gegeben durch: 2#fmD 1 #1 = 2#fmT1 = (4) sin # c - v cos # 2#fmD 1 #2 = 2#fmT2 = (5).
sin # c + v cos # Die Summe dieser Phasenverschiebungen ( #1 + #2) ist gegeben durch: #1 + #2 = 4#fm c = (6).
sin # c2 - v2 cos2 # Durch Dividieren der Gleichung (3) durch Gleichung (6) folgt: #1 - #2 f0 = v/c cos (7).
#1 + #2 fm Wenn Gleichung (7) durch (#1 + #2) geteilt wird, ergibt sich: #1 - #2 f0 sin # cos # = v [1-# [1 - #v/c#² cos² #] (8).
(#1 + #2)² fm² 4#D Selbst unter extremsten Strömungsbedingungen (v/c) < <<< 1 kann Gleichung (8) vereinfacht werden zu: #1 - #2 = v fo sin # cos # (9).
(#1 + #2)² (fm²) 4#D Auf diese Weise kann ein Ausgangssignal proportional zur Strömungsgeschwindigkeit v erzielt werden, d. h., indem der im Zähler 67 gespeicherte Wert durch das Quadrat des im Zähler 89 gespeicherten Wertes dividiert wird, wobei die Strömungsgeschwindigkeit im wesentlichen proportional zu -#2 ist.
Die Bezeichnungen "stromauf" und stromab sind willkürlich, und der erfindungsgemäße Strömungsmesser kann für eine Strömung in jeder Richtung eingesetzt werden. Dies gilt selbstverständlich auch für umgekehrte Strömungsbedingungen.
Wie oben erläutert wurde, ist die Meßfrequenz vorzugsweise so gewählt, daß eine merkliche Phasenverschiebung über dem für eine bestimmte Anwendung erwarteten Bereich der Strömungsgeschwindigkeiten erzielt wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Frequenz für die Trägerfrequenz geeignet, d. h. für die Frequenz, die sich durch das flüssige Medium fortpflanzt, das in der Leitung angenommen wird. Bei anderen Anwendungen können die Abmessungen der Leitung und'die Art des Fluids so sein, daß die gewünschte Meßfrequenz nicht direkt zur Fortpflanzung geeignet ist. Z. B. kann die bevorzugte Meßfrequenz einem zu großen Nachhall in der erwarteten Umgebung ausgesetzt sein. In diesem Fall kann die Meßfrequenz selbst auf eine Trägerfrequenz moduliert werden, die für deren gewünschten Fortpflanzungseigenschaften gewählt ist. Z. B. kann die Strömung eines natürlichen Gases in einer Rohrleitung von 50 cm Durchmesser (18 Zoll) eine Meßfrequenz von 5 kHz nahelegen. Als Trägerfrequenz können jedoch 5 kHz einen zu großen Nachhall erzeugen. Um geeignet gerichtete Fortpflanzungseigenschaften zu erzielen, ist es vorteilhaft, die Meßfrequenz auf eine 100-kHz-Trägerfrequènz zu modulieren. Eine auf diese Weise arbeitende Vorrichtung ist in Fig. 3 gezeigt.
In Fig. 3 ist ein 100-kHz-Oszillator 101 vorgesehen.
Die 1OO-kHz-Zeitbasis wird durch ein Glied 103 geteilt, um eine 5-kHz-Meßfrequenz zu erzielen. Die 5-kHz-Meßfrequenz wird dann auf die 100-kHz-Trägerfrequenz in einem Modulator 105 moduliert, und dieses gemischte Signal wird dann zu Modulationsgattern 127 und 133 gespeist, die die an den Wandlern liegenden getasteten Impulse zeitlich verarbeiten. Die Modulationsgatter 127 und 133 entsprechen im wesentlichen den Modulationsgattern 27 und 33 des Ausführungsbeispiels der Fig. 1.
Die 5-kHz-Meßfrequenz wird dann in einem Glied 123 weiter abwärts geteilt, um ein 20-Hz-Signal zu erhalten, das die Folge-oder Primärhüllmodulationsfrequenzkomponente festlegt, d. h.
eine Impulstastung entsprechend der Modulation beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Dieses 20-Hz-Signal steuert Zeitgatter 125 und 131, die im wesentlichen gleich arbeiten wie die Zeitgatter 25 und 31 beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1, obwohl die Zeitperioden entsprechend der Meßskala und den Trägerfrequenzen für die verschiedene Umgebung gestreckt sind.
Vor dem zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ähnlichen Empfänger werden die empfangenen Signale zu Detektoren oder Demodulatoren 132 und 134 gespeist, die die 5-kHz-Meßfrequenzkomponente, wiedergewinnen, so daß die Phaseninformation und Grundhüllkurvenmodulationswelle zurückbehalten werden. Nach einer Filterung in Filtern 136 und 138 werden diese Meßfrequenzkomponenten zu einem Empfänger gespeist, der im wesentlichen dem Empfänger der Fig. 1 entspricht, obwohl die verschiedenen verwendeten Frequenzen umgesetzt wurden, wie dies oben erläutert wurde.
Der erfindungsgemäße Strömungsmesser ermöglicht eine genaue Messung mittels einer Meßfrequenz, die im wesentlichen allein zur Erleichterung der Messung gewählt ist, während die Trägerfrequenz und die Folgefrequenzen im wesentlichen unabhängig davon gewählt werden können.

Claims

Patentansprüche Akustischer Strömungsmesser mit zwei Schall-Wandlern stromauf und stromab zu einer Leitung, in der die StrömungsZgeschwindigkeit zu messen ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h mit den Wandlern (11, 13) verbundene Signal-, Generator-, -Modulator- und -Schalteinrichtungen (21; 31, 33; 17, 18) zum Senden eines modulierten Signales vom einen Wandler (11, 13) zum anderen, abwechselnd stromauf und stromab, wobei das in jeder Richtung gesendete Signal einen getasteten Impuls einer periodisch wiederholten Meßfrequenz hat, und wobei das am jeweils nicht sendenden Wandler empfangene Signal eine verzögerte Form des gesendeten Signales ist, dessen Verzögerungszeit von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, Schmalbandfilter (45; 47) zum Aussieben der Meßfrequenz-Komponente aus dem stromab bzw. stromauf empfangenen modulierten Signal, um ein erstes bzw. zweites kontinuierliches Sinussignal zu erzeugen, und Zeitgatter (65) zum Messen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten kontinuierlichen Sinussignal, wobei die Strömungsgeschwindigkeit proportional zur Phasendifferenz ist.
2. Akustischer Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfrequenz mit einer Hauptmodulationsfrequenz wiederholt ist, und daß zusätzlich vorgesehen sind: ein Demodulator (75; 76) zum Aussieben des Modulationssignales des stromab bzw. stromauf empfangenen Signales, um ein erstes bzw. zweites Hüllkurvensignal zu erzeugen, Schmalbandfilter (81; 79) zum Aussieben der Hauptmodulationsfrequenzkomponente aus dem ersten bzw. zweiten üllkurvensignal, um ein erstes bzw, zweites Hüllkurven-Sinussignal zu erzeugen, und Zeitgatter (91, 93) zum Messen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Sinussignal, wobei die Strömungsgeschwindigkeit proportional zum Verhältnis der ersten Messung zum Quadrat der zweiten Messung ist.
3. Akustischer Strömungsmesser mit zwei Schall-Wandlern stromauf und stromab zu einer Leitung, in der die Strömungsgeschwindigkeit zu messen ist, gekennzeichnet durch eine stabile Frequenzquelle (21), mit den Wandlern (11, 13) verbundene Signal-, Generator-, -Modulator- und -Schalteinrichtungen (27, 33; 17, 18) zum Senden eines modulierten Signales vom einen Wandler (11, 13) zum anderen, abwechselnd stromauf und stromab, wobei das in jeder Richtung gesendete Signal einen getasteten Impuls einer einzigen, von der Frequenzquelle (21) abgeleiteten Meßfrequenz hat, die periodisch wiederholt ist, und wobei das jeweils am nicht sendenden Wandler (11, 13) empfangene Signal eine verzögerte Form des gesendeten Signales ist, dessen Verzögerungszeit von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, Schmalbandfilter (45; 47) zum Aussieben der Meßfrequenz-Komponente aus dem stromab bzw. stromauf empfangenen modulierten Signal, um ein erstes bzw. zweites kontinuierliches Sinussignal zu erzeugen, eine Einrichtung (55) zum Ableiten eines Bezugssignales aus der Frequenzquelle (21) mit einer sich um einen kleinen Prozentsatz von der gesendeten Meßfrequenz unterscheidenden Frequenz, einen Mischer (51, 53) zum Mischen aller kontinuierlicher Sinussignale mit dem Bezugssignal, um ein überlagertes Signal einer jeweils unterschiedlichen Frequenz zu erzeugen, das die Phaseninformation im jeweiligen Sinussignal zurückbehält, und eine Einrichtung zum Messen der Phasendifferenz zwischen den überlagerten Signalen, wobei die Strömungsgeschwindigkeit proportional zur Phasendifferenz ist.
4. Akustischer Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfrequenz mit einer Hauptmodulationsfrequenz wiederholt ist, und daß zusätzlich vorgesehen sind: eine Einrichtung zum Messen der Phasendifferenz zwischen den überlagerten Signalen, einen Demodulator (75; 77) zum Aussieben der Modulationswelle des stromab bzw. stromauf empfangenen Signales, um ein erstes bzw. zweites Hüllkurvensignal zu erzeugen, Schmalbandfilter (81; 79) zum Aussieben der Hauptmodulationsfrequenzkomponente aus dem ersten bzw. zweiten Hüllkurvensignal, um ein erstes bzw. zweites Hüllkurven-Sinussignal zu erzeugen, und ein Zeitglied (91, 93) zum Messen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Hüllkurven-Sinussignal, wobei die Strömungsgeschwindigkeit proportional zum Verhältnis der ersten Messung zum Quadrat der zweiten Messung ist.
5. Akustischer Strömungsmesser mit zwei Schall-Wandlern stromauf und stromab zu einer Leitung, in der die Strömungsgeschwindigkeit zu messen ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine stabile Frequenzquelle (21), die ein Signal einer relativ hohen Frequenz F erzeugt, 0 einen Abwärtszähler von der Frequenz Fo, um ein Rechteckwellen-Zeitsignal einer relativ niedrigen Frequenz Fm zu erzeugen, mit den Wandlern (11, 13) verbundene Signal-, Generator-, -Modulator- und -Schalteinrichtungen zum Senden eines modulierten Signales vom einen Wandler (11, 13) zum anderen, abwechselnd stromauf und stromab, wobei das in jeder Richtung gesendete Signal einen getasteten Impuls einer Frequenz F 0 hat, der mit einer Hauptmodulationsfrequenz gleich F wiederm holt ist, und wobei das am jeweils nicht sendenden Wandler empfangene Signal eine verzögerte Form des gesendeten Signales ist, dessen Verzögerungszeit von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, Schmalbandfilter (45 bzw. 47) zum Aussieben der Meßfrequenz-Komponente aus dem stromab bzw. stromauf empfangenen modulierten Signal, um ein erstes bzw. zweites kontinuierliches Sinussignal zu erzeugen, eine Einrichtung (53, 55) zum Mischen und Filtern der Signale der Frequenzen F und Fm, um ein Bezugssignal einer 0 Frequenz Fo und F zu erhalten, die um einen kleinen Prozentm satz von der gesendeten Frequenz Fo abweicht, eine Einrichtung (49) zum Mischen jedes kontinuierlichen Sinussignales mit dem Bezugssignal und zum Filtern des jejeweiligen Produktes, um jeweils ein Sinus-Differenzfrequenzüberlagerungssignal einer Frequenz F zu erzeugen, das die m Phaseninformation im jeweiligen Sinussignal der Frequenz F 0 zurückbehält, jeweils einen Nulldurchgangs-Detektor (83, 85) für jedes überlagerte Sinussignal, durch die Nulldurchgangs-Detektoren (83, 85) gesteuerte Digital-Zeitglieder (91, 93) zum Messen der Phasenverschiebung zwischen den überlagerten Signalen, einen Demodulator (75; 77) zum Aussieben der Modulationswelle des stromab bzw. stromauf empfangenen Signales, um ein erstes bzw. zweites Hüllkurvensignal zu erzeugen, Schmalbandfilter (79, 81) zum Aussieben der F -Frequenzkomponente aus dem ersten bzw. zweiten Hüllkurvensignal, um ein erstes bzw. zweites Hüllkurven-Sinussignal zu erzeugen, Zeitglieder (93> 91) zum Messen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Hüllkurven-Sinussignal, wobei die Strömungsgeschwindigkeit proportional zum Verhältnis der ersten Messung zum Quadrat der zweiten Messung ist, jeweils einen Nulldurchgangs-Detektor (85, 87) für jedes Hüllkurven-Sinussignal, Schmalbandfilter zum Aussieben der F -Frequenzkomponente aus dem Rechteck-Zeitsignal der Frequenz Fm, um ein niederfrequentes Sinus-Bezugssignal zu erzeugen, einen Nulldurchgangs-Detektor für das Sinus-Bezugssignal, und ein durch die Hüllkurven-Nulldurchgangs-Detektoren (85, 87) und den Bezugssignal-Nulldurchgangs-Detektor gesteuertes Zeitglied, um die Phasenverschiebung zwischen jedem Hüllkurvensignal und dem niederfrequenten Bezugs signal zu messen.
6. Akustischer Strömungsmesser mit zwei Schall-Wandlern stromauf und stromab zu einer Leitung, in der die Strömungsgeschwindigkeit zu messen ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r e h einen Signalgenerator für ein Signal einer Trägerfrequenz, die für ihre Sendeeigenschaften in dem Medium ausgewählt ist, dessen Strömung gemessen wird, einen Signalgenerator für ein Signal einer Meßfrequenz kleiner als die Trägerfrequenz, die zum Erleichtern der Messung der Phasenverschiebung während des Sendens durch das strömende Medium ausgewählt ist, einen Modulator zum Modulieren der Trägerfrequenz mit der Meßfrequenz, um ein gemischtes Signal zu erzeugen, mit den Wandlern (11, 13) verbundene Signal-, Modulator- und -Schalteinrichtungen zum Senden eines modulierten Signales vom einen Wandler zum anderen, abwechselnd stromauf und stromab, wobei das in jeder Richtung gesendete Signal einen getasteten Impuls des gemischten Signales hat, periodisch wiederholt, und wobei das am jeweils nicht sendenden Wandler empfangene Signal eine verzögerte Form des gesendeten Signales ist, dessen Verzögerungszeit von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, einen Detektor zum Aus sieben der Meßfrequenzkomponente aus dem stromab bzw. stromauf empfangenen modulierten Signal, um ein erstes bzw. zweites kontinuierliches Sinussignal zu erzeugen, und ein Zeitglied zum Messen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten kontinuierlichen Sinussignal, wobei die Strömungsgeschwindigkeit proportional zu dieser Zeitdifferenz ist.
7. Akustischer Strömungsmesser mit zwei Schall-Wandlern stromauf und stromab zu einer Leitung, in der die Strömungsgeschwindigkeit zu messen ist, gekennzeichnet durch einen Signalgenerator für ein Signal einer Trägerfrequenz, die für ihre Sendeeigenschaften in dem Medium ausgewählt ist, dessen Strömung gemessen wird, einen Signalgenerator für ein Signal einer Meßfrequenz kleiner als die Trägerfrequenz, die zum Erleichtern der Messung der Phasenverschiebung während des Sendens durch das strömende Medium ausgewählt ist, einen Modulator zum Modulieren der Träger frequenz mit der Meßfrequenz, um ein gemischtes Signal zu erzeugen, mit den Wandlern (11, 13) verbundene Signal-, Modulator- und -Schalteinrichtungen zum Senden eines modulierten Signales vom einen Wandler zum anderen, abwechselnd stromauf und stromab, wobei das in jeder Richtung gesendete Signal einen getasteten Impuls des gemischten Signales hat, wiederholt mit einer Hauptmodulationsfrequenz, und wobei das am jeweils nicht sendenden Wandler empfangene Signal eine verzögerte Form des gesendeten Signales ist, dessen Verzögerungszeit von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, einen Demodulator zum Aussieben der Meßfrequenzkomponente aus dem stromab bzw. stromauf empfangenen modulierten Signal, ein auf die Meßfrequenz-Komponente des stromab bzw. stromauf empfangenen Signales einwirkendes Filter, um ein erstes bzw.

zweites kontinuierliches Sinus signal bei der Meßfrequenz zu erzeugen, ein Zeitglied zum Messen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten kontinuierlichen Sinussignal, einen Demodulator zum Aussieben der Modulationswelle des stromab bzw. stromauf empfangenen Signales, um ein erstes bzw. zweites Hüllkurvensignal zu erzeugen, ein Schmalbandfilter zum Aus sieben der Hauptmodulationsfrequenzkomponente aus dem ersten bzw. zweiten Hüllkurvensignal, um ein erstes bzw. zweites Hüllkurven-Sinussignal zu erzeugen, und ein Zeit glied zum Messen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Hüllkurven-Sinussignal, wobei die Strömungsgeschwindigkeit proportional zum Verhältnis der ersten Messung zum Quadrat der zweiten Messung ist.
8. Akustischer Strömungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten kontinuierlichen Sinus signal aufweist: ein Glied zum Überlagern jedes Sinussignales auf eine wesentlich niedrigere Frequenz, wobei die Phaseninformation zurückbehalten wird, einen Nulldurchgangs-Detektor für die Signale der jeweils niedrigeren Frequenz, und ein Zeitglied für das Intervall zwischen den jeweiligen Nulldurchgängen.