DE2813754A1

DE2813754A1 - Verfahren und vorrichtung zum erkennen der stroemung eines materials durch wellenenergiestrahlung

Info

Publication number: DE2813754A1
Application number: DE19782813754
Authority: DE
Inventors: Roger Fell
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1977-03-30
Filing date: 1978-03-30
Publication date: 1978-10-05
Also published as: GB1595973A

Description

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION Kingsgate House
66-74 Victoria Street
London SW 1 / England

Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen der Strömung eines Materials durch Wellenenergiestrahlung.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen einer Strömung unter Verwendung von Wellenenergiestrahlung .

Bei den früheren Anordnungen zum Erkennen der Strömung eines Materials durch ein Rohr, beispielsweise die in der britischen Patentschrift Nr. 1 359 151 beschriebene, sind vier Ultraschallwandler vorgesehen, die in zwei Paaren angeordnet sind, von denen jeder durch einen Geberwandler und einen Empfängerwandler auf entgegengesetzten Seiten des Rohres gebildet wird, wobei sich die Paare in axialem Abstand längs des Rohres befinden. Die von jedem Sender abgegebene Energie wird nach dem Durchtritt durch das strömende Material durch den zugeordneten Empfänger aufgenommen. Schwankungen des aufgenommenen Schalls infolge von Schwankungen in den akustischen Eigenschaften des strömenden Materials werden einer Kreuzkorrelation unterzogen, um die Durchlaufzeit des Materials zwischen den Wandlerpaaren zu erhalten. Ähnliche Anordnungen von Wandlern, die andere Arten von Strahlungen aussenden und empfangen, sind ebenfalls bekannt. Nachteile dieser Anordnungen sind jedoch, daß nicht alle Materialien

809840/1060

eine geeignete Strahlung übertragen, daß der axiale Abstand der Wandlerpaare manchmal schwierig genau festzulegen ist und daß der Zugang zum Rohr aus diametral entgegengesetzten Richtungen erforderlich ist.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erkennen der Strömung eines Materials besteht darin, daß ein Wellenenergiestrahl in das Material im wesentlichen senkrecht zur Hauptrichtung der Strömung von jeder von zwei Stellungen gerichtet wird, die sich in der Strömungsrichtung in Abstand voneinander befinden, an jeder der beiden Stellungen Schwankungen in der Impedanz gegen die Energie des strömenden Materials ermittelt werden und durch Kreuzkorrelation der ermittelten Schwankungen die Laufzeit zwischen den beiden Stellen von ünregelmässigkeiten in der Strömung, welche diese Schwankungen verursachen, abgeleitet wird.

Es wird angenommen, daß es nicht bereits früher erkannt worden ist, daß es nicht notwendig ist, einen Wellenenergiestrahl durch das strömende Material zu richten, um Signale zu erhalten, die zur Strömungsmessung durch Kreuzkorrelation geeignet sind, jedoch daß die Impedanz des Materials gegen die Wellenenergie schwanken und ermittelt werden kann, um die erforderlichen Signale zu erhalten.

Wenn die Strömungsgeschwindigkeit erforderlich ist, kann die zusätzliche Maßnahme der Messung der Durchlaufzeit vorgesehen werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erkennen der Strömung eines Materials besitzt zwei Wellenenergie-Sender/ Empfänger im Abstand voneinander in der Strömungsrichtung, eine Fühleinrichtung zum Erkennen von Schwankungen in einer Eigenschaft jedes Sender/Empfängers in Abhängig-

809840/1000

28 I 37b4

keit von der Impedanz der Wellenenergie des strömenden Materials, und eine Schalteinrichtung zur Bestimmung durch Kreuzkorrelation die Durchlaufzeit zwischen den Sender/Empfängern von ünregelmässigkeiten in der Strömung, wdche die erwähnten Schwankungen verursachen.

Jeder Wandler muß sowohl eine Strahlung senden als auch empfangen können. Die Strahlung kann eine akustische Strahlung sein, wenn die Wandler gewöhnlich piezoelektrische Wandler sind, die mit Ultraschallfrequenzen arbeiten, können jedoch gegebenenfalls elektromagnetische, elektrostatische oder magnetostriktive Wandler sein oder die Strahlung kann elektromagnetische Energie, beispielsweise von Mikrowellenfrequenzen, sein.

Wenn die gerichtete Strahlung eine akustische Strahlung ist, lassen sich Schwankungen in der akustischen Impedanz des strömenden Materials dadurch ermitteln, daß jeder Wandler erregt wird, um eine akustische Strahlung von einer konstanten Frequenz auszusenden und Schwankungen in einer elektrischen veränderlichen Größe jedes Wandlers zu ermitteln, die von der akustischen Impedanz abhängt, beispielsweise der elektrische Widerstand oder die elektrische Reaktanz. Gegebenenfalls kann jeder Wandler mit einer Frequenz erregt werden, die sich verändern kann, wenn sich die akustische Impedanz verändert, und Schwankungen in der Frequenz ermittelt werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und zwar zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine physikalische Anordnung einer akustischen Vorrichtung gemäß der Erfindung;

809840/1000

Fig. 2 eine typische Kreuzkorrelationsfunktion;

Fig. 3 den elektrischen Teil der Vorrichtung mit einem Ultraschall-Sender/Empfänger und

Fig. 4 eine andere Anordnung der akustischen Vorrichtung,

In Fig. 1 strömt ein Fluid 10 durch ein Rohr 12, das im Längsschnitt dargestellt ist. Zwei Ultraschall-Sender/ Empfänger 14, 16 je mit einem piezoelektrischen Kristall sind an der Rohrwandung befestigt und befinden sich in der Richtung der Fluidströmung, die durch den Pfeil angegeben ist, in Abstand voneinander. Beide Ultraschallwandler werden durch einen Generator 18 über Widerstände 19, 21 gespeist, von denen jeder über eine Gleichrichterschaltung 20 bzw. 22 mit einem Kreuzkorrelator 24 verbunden ist, beispielsweise wie in der britischen Patentschrift 1 401 009 und in der britischen Patentanmeldung Nr. 4O 266/73 beschrieben ist.

Im Betrieb bewirkt der Generator, daß die Wandler 14, je einen Strahl Ultraschallstrahlung in das Fluid 10 quer zur Strömungsrichtung richten.

Wenn das Fluid 10 die Ultraschallstrahlung nicht ernstlich dämpft, werden Welligkeitskurven durch multiple Reflexionen innerhalb des Rohres erhalten. Eine Strahlung, die zu den Wandlern zurückreflektiert wird, verändert die akustische Impedanz des Fluids, in welches die Wandler strahlen, wodurch wiederum die elektrische Impedanz jedes Wandlers beeinflußt wird. Wenn die Welligkeitskurven durch Schwankungen in den Eigenschaften des strömenden Fluids verändert werden, schwankt die elektrische Impedanz der Wandler entsprechend. In ähnlicher Weise verursacht das

809840/ 1060

Vorhandensein einer diskontinuierlichen Phase eine beträchtliche Verzerrung der Welligkeitskurven und starke Schwankungen in der elektrischen Impedanz jedes Wandlers. Wenn das Fluid 10 von der Art ist, daß es die Ultraschall-Strahlung stark dämpft/ bilden sich keine stehenden Wellen, jedoch sprechen die Wandler auf Schwankungen in der besonderen akustischen Impedanz des Materials benachbart ihren Strahlungsflächen an.

Die elektrischen Impedanzen der Krisballe werden durch die jeweiligen Gleichrichterschaltungen 20, 22 ermittelt und dem Kreuzkorrelator 24 zugeführt.

Da die Schwankungen in den akustischen Eigenschaften durch die Strömung transportiert werden, besteht eine Laufzeit zwischen der Ermittlung jeder Schwankung an den beiden Wandlern infolge des Abstandes zwischen ihnen und diese Durchlaufzeit kann durch Berechnen der Kreuzkorrelationsfunktion bestimmt werden:

R(T) = ψ \ x₁(t)-x₂(t+T)dt

wobei die Wechselstromkomponenten der Ausgänge der Gleichrichterschaltungen 20, 22 X-J (t) bzw. X₂ (t) sind und T die Integrationsperiode ist. Wenn die Funktion für mehrere mögliche Werte der Verzögerungsparameter "ΊΓ berechnet wird, kann der Wert von 'X , für welchen die Funktion einen maximalen Wert hat, bestimmt werden und ergibt die Durchlaufzeit. Eine typische Funktion ist in Fig. 2 dargestellt.

Wenn die Durchlaufzeit gemessen ist und der Abstand der Wandler bekannt ist, kann die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden.

809840/1060

Die dem Wandler 14 zugeordnete Gleichrichterschaltung 20 ist in Fig. 2 gezeigt. Der Generator 18 ist mit dem Wandler 14 über einen Reihenwiderstand 19 verbunden. Der Wandler 14 ist über einen Kondensator 26 mit einer Diode 28 verbunden und der Diodenausgang ist über einen Siebkreis bestehend aus einem Reihenwiderstand 30 und einem Kondensator 32 mit Ausgangsanschlüssen 34 verbunden, die mit dem Kreuzkorrelator verbunden werden können. Im Betrieb liefert der Generator 18 einen konstanten Spannungsausgang. Wenn die elektrische Impedanz des Wandlers sich verändert, verändert sich auch die der Diode zugeführte Spannung. Der Siebkreis entfernt die Hochfrequenzkomponenten aus dem von der Diode durchgelassenen Signal und liefert an den Kreuzkorrelator Schwankungen nur von niedrigeren Frequenzen.

Die mit dem Wandler 16 verbundene Gleichrichterschaltung 22 ist mit der Schaltung 20 identisch.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen darin, daß nur zwei Wandler im Vergleich zu vier Wandlern bei den bisher verwendeten Anordnungen erforderlich sind. Zugang ist nur von der einen Seite des Rohres erforderlich. Die axiale Bewegung der Wandler läßt sich leichter messen, als wenn Wandler auf entgegengesetzten Seiten des Rohres verwendet werden und kann das System dazu benutzt werden, die Strömung von Fluiden zu prüfen, durch welche Strahlung, wie eine ültraschallstrahlung, sich nicht leicht fortpflanzen kann.

Bei der vorangehend beschriebenen elektrischen Anordnung wurden die piezoelektrischen Wandler mit einer festen Frequenz betrieben und wurde die elektrische Impedanz jedes Kristalls gemessen. Bei einer anderen Anordnung, die in Fig. 4 gezeigt ist, ist ein gesonderter Oszillator 17,18

809840/1060

für jeden Kristall 14, 16 vorgesehen, wobei sich die Quarzfrequenz bei Schwankungen in den akustischen Eigenschaften des Fluids verändern kann. Die Veränderungen in der Frequenz werden durch Frequenzfühler 34, 36 ermittelt und wie vor dem Kreuzkorrelator 24 zugeführt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dazu verwendet werden, die Strömung eines Gases oder einer Flüssigkeit zu erkennen oder zu messen oder es kann die Strömung einer zweiten diskontinuierlichen Phase festgestellt werden, d.h. Feststoffteilchen oder Flüssigkeitströpfchen, die von einem Gasstrom mitgeführt werden, Gasblasen oder Feststoffteilchen, die in einer Flüssigkeitsströmung mitgeführt werden usw..

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sind natürlich nicht auf die Untersuchung der Strömung durch ein Rohr beschränkt und es kann beispielsweise auch die Strömung längs eines offenen Kanals usw. ermittelt werden.

Her Pa/tontanwalt

809840/1060

Claims

Ansprüche ;

1.j Verfahren zum Erkennen der Strömung eines Materials, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellenenergiestrahl in das Material im wesentlichen senkrecht zur Hauptrichtung der Strömung von jeder von zwei in der Strömungsrichtung in Abstand befindlichen Stellen gerichtet wird, an jeder der zwei Stellen die Schwankungen in der Impedanz gegen die Energie des strömenden Materials ermittelt werden und durch Kreuzkorrelation der ermittelten Schwankungen die Durchlaufzeit zwischen den beiden Stellen von Unregelmässigkeiten in der Strömung, welche die erwähnten Schwankungen verursachen, abgeleitet werden.

Vorrichtung zum Erkennen der Strömung eines Materials, gekennzeichnet durch zwei Sender/Empfänger (14, 16) von Wellenenergie in Abstand voneinander in der Strömungsrichtung, Fühlorgane (20, 22) zum Erkennen von Schwankungen in einer Eigenschaft jedes Sender/Empfängers in Abhängigkeit von der Impedanz der Wellenenergie des strömenden Materials, und eine Schaltung (24) zur Bestimmung der Kreuzkorrelation der Durchlaufzeit zwischen den Sender/Empfängern von ünregelmässigkeiten in der Strömung,

8O984Ö/1Ö80

ORIGINAL INSPECTED

welche diese Schwankungen verursachen.

3. Vorrichtung zum Erkennen der Strömung eines Materials, gekennzeichnet durch zwei Ultraschallwandler (14, 16), die sich in der Strömungsrichtung in Abstand voneinander befinden, Fühlorgane (20, 22) zur Ermittlung von Schwankungen in einer Eigenschaft jedes Ultraschallwandlers in Abhängigkeit von der akustischen Impedanz des strömenden Materials, und eine Schaltung (24) zur Bestimmung durch Kreuzkorrelation der Durchlaufzeit zwischen den Wandlern von Ünregelmässigkeiten in der Strömung, welche diese Schwankungen verursachen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (18) zum Erregen beider Ultraschallwandler mit einer konstanten Frequenz und Fühlorgane (20, 22) zur Ermittlung von Schwankungen in einer elektrischen Eigenschaft jedes Wandlers.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (17, 18) zum Erregen jedes Ultraschallwandlers unabhängig mit einer Frequenz, welche sich entsprechend den Schwankungen in der akustischen Impedanz des strömenden Materials verändern kann, und eine Fühleinrichtung (34, 36), zur Ermittlung der Schwankungen in der Betriebsfrequenz jedes Wandlers.

809S40/1ÖS0