DE2823497A1

DE2823497A1 - Verfahren zur messung der stroemungsgeschwindigkeit von gasen und vorrichtung hierzu

Info

Publication number: DE2823497A1
Application number: DE19782823497
Authority: DE
Inventors: Eberhard Prof Dipl Ph Haeusler
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1978-05-30
Filing date: 1978-05-30
Publication date: 1979-12-06
Also published as: GB2023825B; DE2823497B2; GB2023825A; JPS54156670A; DE2823497C3

Description

Anmelder:

Drägerwerk Aktiengesellschaft, Moislinger-Allee 53-55, 2*100 Lübeck

'/erfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen und Vorrichtung hierzu

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der "'trömungsgeschwindigkeit von G-asen durch Laufzeitmessung von Ultraschall-Impulen nach dem Doppler-Prinzip^mit mindestens zwei in Strömungsrichtung in Abstand liegenden elektro-Hkustischen Wandlern, bei dem die Laufzeit der Ultraschall-Impulse in einem Meßrohr in und entgegen der "trömun ^richtung voneinander abgezogen und aus der Lfiufzei td i rferenz in Verbindung mit der durch eine zusätzliche LaufzeitrnesGunsr senkrecht zur Strömungsrichtun-T ermittelten Schallgeschwindigkeit die Strömungsge-

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.■":escH;indi.:r:eit bestimmt wird, wo'cel die elektroakustischen Wandler Ultraschall-Schwinger sind, die nacheinrmderfol^end gemeinsam als Sender und Empfänger geschaltet werden, und bei dem aus den empfangenen Signalen ^echtec^impulse mit der Signallaufseit proportionaler Dauer erzeugt werden, aus denen mit Hilfe einer Zählvorrichtung die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird. Zur Durchführung des Verfahrens werden außerdem vorteilhalfte Torrichtungsmerkmale angegeben.

Meßverfahren zur Strömungsmessung von Medien nach dem Doppler-Prinzip sind in der oben angegebenen Art unter anderem durch die DT-OS 21 37 586 bekannt. Nach dem vorbekannten "/erfahren, bei dem in Strömungsrichtung schrägliegende Schwingerpaare verwendet werden, welche Gleichzeitig auf Senden und Empfang umschaltbar sind, wird ein Rechtecksignal erzeugt, dessen Dauer dem Laufzeitunterschied in und entgegen der Strömungsrichtung proportional ist. Zusätzlich ist ein Schwingerpaar senkrecht zur Strömungsrichtung vorhanden, welches in einer elektrischen Umlaufschleife liegt. Aus dieser Umlaufschleife läßt sich eine Impulsfolge entnehmen, deren frequenz dem Kehrwert der Laufzeit der Schallwellen entspricht. Durch Zählung der Anzahl der in dem aus der Laufzeitdifferenz gebildeten Rechtecksignal enthaltenen Taktimpulse wird die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit durchgeführt. Ein solches Meßverfahren erscheint

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wegen der Besonderheiten der Bildung von der Schallgeschwindigkeit entsprechenden Signalgrößen schaltungstechnisch aufwendig und bsitzt eine relativ geringe Ansprechempfindlichkeit gegenüher rasch eintretenden Änderungen der Schallgeschwindigkeit. Außerdem wird für viele Anwendungsfälle kein ausreichendes Auflösungsvermögen erzielt.

anderes vorbekanntes Meßverfahren nach der DT-OS 2ά 51 346 sieht zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach dem Doppler-Prinzip eine Bildung von Kehrwerten der nignallaufzeiten vor, woraus die Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung von durch einen Taktgeber gesteuerten Torschaltunken über einen Reziprokrechner unter Zwischenspeicherung ermittelt werden kann. Durch die Auswertung nach dem Frequenz-Differenzverfahren ist

keine zusätzliche Meßstrecke zur Messung der Schallgeschwindigkeit erforderlich. Dieser Vorteil wird jedoch durch Schwierigkeiten der Schaltungsanordnung und für viele Fälle unzureichendes Auflösungsvermögen ausgeglichen. ^Tis ist dabei nötig, hohe Frequenzen zu verwenden, und der dadurch bedingte geringe Störabstand "■up. durc'· akustische Abbildung und aufwendige Signalverarbeitung verbessert werden.

Pie Srfindun* geht von der Aufgabenstellung aus, ein Ver fahren der eingangs angegebenen Art dadurch vorteilhaft

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auszutilgen, daß mit relativ geringen] Schaltungsaufwand eine ^essunr; der Strömungsgeschwindigkeit mit geringer Ansprec^vtrag?eit durchgeführt werden kann, wobei außerdem ein nates Auflösungsvermögen erreicht werden soll. ?az Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, daß aus dein ersten zur Zeit t^ empfangenen Signal als Maß für die ."c^;-allgeschwindigkeit ein Rechteckimpuls konstanter

Amplitude mit der Zeitdauer t₁-t gebildet und in eine ^r ι ο -

dein ,upidrnt der Zeitdauer proportionale Frequenz umgewandelt wird, daß aus den nacheinander zu den Zeiten t_? und t-, empfangenen Signalen, welche der Laufzeit des Ultraschall-Impulses in und entgegen der Strömungsrichtun.7 entsprechen ein weiterer Rechteckimpuls konstanter Amplitude mit der Zeitdauer t^-tp gebildet und in eine seiner Zeitdauer proportionale Frequenz umgewandelt wird, und daß aus den beiden die Schallgeschwindigkeit und die Laufzeitdifferenz repräsentierenden Frequenzwerten die Strömungsgeschwindigkeit mit Hilfe einer Zählvorrichtung als Quotient bestimmt wird. Ein solches Meßverfahren läßt sich schaltungstechnisch einfach durchführen, wobei auch rasche Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit, wie sie beispielsweise bei der Überwachung von pulmonalen "trömuniTsverhältnissen Bedeutung besitzen, leicht festgestellt werden können.

Es ist möglich, ein einziges Schwingerpaar zu verwenden, welches vorteilhaft zur Strömungsrichtung schrägliegend

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angeordnet ist. Die "beiden Schwinger dieses Paares senden Ul trasc!· all-Impulse in verschiedene Richtungen aus, wobei im Snip fangs signal Komponenten in und entgegen der "itrömunrsricrtung sowie senkrecht zur Strömungsrichtun:* unterschieden werden können. In manchen Fällen erscheint es ausreichend, die Schwinger ohne Schräglage parallel zur Strömungsrichtung in Abstand nebeneinander liegend zu verwenden, weil hier ebenfalls durch Reflexionen an der Meßrohrwand entsprechende Signale ausgefiltert werden können.

Da hei der Untersuchung von Gasströmungen die Strömungsriohtung nie' t in jedem Falle vorher feststeht, ersc'^; eint es zweckmäßig, das Verfahren derart auszubilden, daß auch die jeweils vorliegende Strömungsrichtung leicht ermittelt werden kann. Dies läßt sich vorteilhaft dadurc¹' erreichen, daß die Laufstrecken in und entgegen der Strö-nun'-'srichtung unterschiedliche Längen aufweisen. Diese unterschiedliche Länge kann bei der Anwendung von zv/ei 3c^vwingerpaaren durch unterschiedliche mechanische Län:e der Laufstrecken verwirklicht werden. Für viele Anwendun^sfälle und insbesondere bei Verwendung einer ein;-,! 'en Lauf π trecke erscheint es jedoch zweckmäßig, die unterschiedliche Länre der einen Laufstrecke durch VJd it lon einer konstanten zusätzlichen Laufzeit zu simulieren, welche so groß gewählt ist, daß das zur Zeit t-7 empfangene Signal unabhängig von der Ströniun.gsrichtung

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π ie If na··- t-, folgt, '.us uer Lan "e des "!ec^v U-1-, Di't sic' in diese/ -'alle stet: -Her die Hr^un^sric¹ tun.-r .-Tew innen.

t-.-t^ lä't .?Lc" in diese/, "alle stets eine Information

?ie konstante Laufzeitverzögerun.-;* kann zweck^ä.'.iL·:; durc^; ein elektronisches ^c' altelernent hervorgerufen werden.

'•!ine Torteil^; afte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens '-ann so aufretaut sein, daß die 3chwina-er piezoelektrische rolienscr v;in?:er sind, welche im Bereic'- der '.vandfläche eines f'ießro)" res i^i Abstand angeordnet liegen, "'■erarti.^e PV?₉-?olien sind als Ultraschall-Srzeujer in "ükr-jwellentereich bekannt. Sie besitzen eine Foliendicke unterhalb von 0,1 mm, gegebenenfalls bei 10/um. Diese ⁷oliensc'winder ersc!"einen wegen ihrer geringen Masse besonders gut an Gasströmungen angepaßt und eignen sich cipher fn.r die hier durchzuführenden Meßverfahren.

"iine ζ\^rec^vTiäßige Ausbildung kann so gewählt sein, daß in eine '//andausnehmung des Meßrohres Kinsatzstücke einsetzbar sind, auf denen die piezoelektrischen Folien mit einer nach dem Innenraum des Meßrohres gerichteten Wölbung in einer Klemmverbindung befestigt sind. Die Ab-.71 es sun -en der eingebauten Folienstücke können dabei etwa in rtich tun? der 'iölbungssymrnetrielinie 10 "im und dazu senkrecht 3 mm betrafen.

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^v.ine zusätzliche Verbesserung kann gegebenenfalls dadurch erreicht werden, daß der freie Raum unterhalb des ■revölcten 4bschnittes der Folie gegenüber der Oberfläche des Einsatz stücke s ie it einer elastischen Masse, beispielsweise einer Gußmasse ausgefüllt ist. Zur Kontaktierung der Folienschichten,an denen im allgemeinen keine Lct&nsc¹· lüsse hergestellt werden können, erscheint es zweckmäßig, beidseitig des Einsatzstückes Anschlußfahnen einzuklemmen.

3in weiterer Vorteil kann gegebenenfalls dadurch erreicht werden, daß die auf dein Einsatzstück befestigte 7olie in ihrem gewölbten Abschnitt eine solche Formgestaltung aufweist, welche die gewünschte Sende- bzw. "impfangscharakteristik des elektro-akustischen Wandlers begünstigt. Dadurch kann erreicht werden, daß die Abstr^hlung bzw. der Empfang bevorzugt in bestimmten Sc^rägrichtungen und senkrecht zur Strömungsrichtung erfolgt. Dies besitzt besondere Bedeutung, wenn nur ein einziges 3c^vwingerpaar mit unter Umständen nebeneinanderliegenden Schwingern verwendet werden soll.

Durch die Anwendung der beschriebenen Merkmale wird die Me s sun-τ der Strömungsgeschwindigkeit und die Feststellung der Strömungsrichtung, insbesondere von Gasströmungen, bei geringer Ansprechträgheit ermöglicht. Die beschriebenen Merkmale können jedoch gegebenenfalls auch bei

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der ntrö^rnun,~snessun.~ anderer Medien, beispielsweise i'Lr Flüssigkeiten bzw. "lüssigkeitsgasiTemische, zweckmäßig sein.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes eier Erfindung schenjatisch dargestellt; es zeigen:

Fi-". 1 ein Prinzipschaltbild des Meßverfahrens,

Fi^:r. ι eine Ausschnittsdarstellung eines Folienschwingers,

⁷⁷I-". 3 ein Meßrohr mit kreisförmigem Querschnitt und eingesetztem Folienschwinger,

Fi.'f.'i ein Meßrohr τ.it eckigem Querschnitt und eingesetzten Folienschwingern,

^i].ρ ein Blockschaltbild der in Fig.1 verwendeten Auswertungsschaltung.

In .·^Λϊ-".1 ist ein Meßrohr 1 dargestellt, in das in Abstand gegenüberliegende Ultraschall-Schwinger 2,3 eingesetzt sind. Die leitfähigen Oberflächenbeläge sind parallel geschaltet and mit eine^rn elektronischem Umsc'-nlter 4 verbunden, welcher eine Verbindung zu einern Hoohfrequenar^enerator '> und zu einem Auswertteil 6 mit

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n^r'C;':esc: altetem Anzei^einstrument 7 herstellen kann.

"ie vergrößerte Aussc^v-nittsdarstellung der ?ig.2 zeigt zur -^festigun? einer piezoelektrischen Folie 3 des Ultraschall-'' ''.winders einen Einsatzteil 9. Dieser Hünsatzteil ? ist als Klemmstück in eine entsprechende Ausne-Tiun^ ¹ '■ des Keßrohres 1 eingesetzt und trägt an ^e ~erü'erliegenden Seiten Anschlußfahnen 11,12. Der "auüi unterhalt des ?ev;ölbten Abschnitts der Folie 0 ist :"it einer elastischen Gießmasse 13 ausgefüllt.

"i^.3 und 4 zeilen verschiedene Anordnungen von Ultrasc¹ all-"chwintern 14,1-, und 16, die jeweils mit piezoelektrischen ^olienstücken ausgebildet sind.

In ⁷I-T."- soll nunmehr in Verbindung mit Fig.1 der Auswertteil β näher erläutert werden.

Der Hochfreauenz-uenerator ^r^ erzeugt eine ' Hoch-Frequenz von 90 kHz , die über einen Signalgenerator am ⁷Ang9n~ eines Tonirppulsgenerators liegt. Der Tonimpulsrenemtor lief ert Hochfrequena-Impulse von jeweils •1 rif-.liv,in;ain "on mit einer Impulsfolgefrequenz von 100 Kz. ■ ',s ereilt sich ein Tastverhältnis von ca. 25.

In dem Auswertteil werden die gemessenen Laufzeitdifferenzen in und entgegen der Strömungsrichtung bzw.

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!/-".uiz-'-i* en senkrecht zur 'trcmunrsrie^tun^ in die ^evrinsc: te "f?.;-rr:3e {~tr^vTmngsrreschv.'Lndi£?\eit) uin.-re^

"·-·?■ .>:■?". lotion ("est"iodulation 1') und Verstärkung :ie/ -!."ΐρΓ^η.-'ΡΞΪ'ΓχΓ-Ιε in und entgegen der Strömungsrichtung v/erden :r<\s deren Füllkurven durch zwei präzise .lchnitt-Trigger cv;ei Impulse abgeleitet, aus denen ein dritter !"ipuls .-ev/ormen wird, der konstante Amplitude besitzt, und dessen Länge der Laufzeitdifferenz t^-t₉ entspricht. .";urc"" eine "ample-hold-^chaltung wird daraus die Steuerspannurv;· eines spannungsgesteuerten Oszillators gev/onnen. iiierdurch wird eine frequenz proportional der Lauizeiudi.'ferenz t_z-t_o erzeugt.

Die Ver^rt.-eitun.? der Meßwerte senkrecht zur .Strömungsrio'-tun - erfolgt in gleicher V/eise, nur wird hier zwischen der Harnple-hold-otufe und dem spannungs^esteuerten oszillator ein Multiplizierer geschaltet, der die Aus- ^an-TsspMiriun^ der Sample-hold quadriert. Dnmit ergibt sie¹ sin* ^requenz, die den '-.usdrat der Zeitdauer t.-t entspricht.

Aus beiden i-'reauenzen wird mit einem Universalzähler deren ,u^tient ermittelt, welcher der Strömungsgeschwindigkeit, d.h. über den Querschnitt des Meßrohres, auch der Durc^; flüßmenge proportional ist. Sin DA-Wandler ermöglic¹ t die analoge Darstellung der Meßwerte und deren Anzeige durch das Anzeisreninstrument 7.

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Claims

Ansprüche

' 1.) Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen durch Laufzeitmessung von Ultraschall-Impulsen nach dem Doppler-Prinzip mit mindestens zwei in Strömungsrichtung in Abstand liegenden elektroakustischen Wandlern, bei dem die Laufzeit der Ultraschall-Impulse in einen Meßrohr in und entgegen der Strömungsrichtung voneinander abgesogen und aus der Laufzeitdifferenz in Verbindung mit der durch eine zusätzliche Laufzeitmessung senkrecht zur Strömungsrichtung ermittelten Schallgeschwindigkeit die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird, wobei die elektroakustischen Wandler Ultraschall-Schwinger sind, die nacheinanderfolgend gemeinsam als Sender und Empfänger geschaltet werden, und bei dem aus den empfangenen Signalen Hechteckimpulse mit der Signallaufzeit proportionaler Dauer erzeugt werden, aus denen mit Hilfe einer Zählvorrichtung die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem ersten zur Zeit t.. empfangenen Signal als Maß für die Schallgeschwindigkeit ein Sechteckimpuls konstanter Amplitude mit der Zeitdauer t^-t gebildet und in eine dem Quadrat dieser Zeitdauer proportionale Frequenz umgewandelt wird, daß aus den nacheinander zu den Zeiten t_o und I, empfangenen Sig-

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nalen, welche der Laufzeit des Ultraschall-Impulses in und entgegen der Strömungsrichtung entsprechen ein weiterer Fiechteckimpuls konstanter Amplitude mit der Zeitdauer t, - t gebildet und in eine seiner Zeitdauer proportionalen Frequenz umgewandelt wird, und daß aus den beiden die Schallgeschwindigkeit und die Laufzeitdifferenz repräsentierenden Frequenzwerten die Strömungsgeschwindigkeit mit Hilfe einer Zählvorrichtung als Quotient bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Schv.lngerpaar zur Erzeugung und zum Empfang der Meßsignale vorgesehen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufstrecken in und entgegen der Strömungsrichtung unterschiedliche Längen aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedliche Länge der einen Laufstrecke durch Addition einer konstanten zusätzlichen Laufzeit simuliert wird, welche so groß gewählt ist, daß das zur Zeit t empfangene Signal unabhängig von der Strömungsrichtung stets nach t„ folgt.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Laufzeitverzögerung durch ein elektronisches Schaltelement hervorgerufen wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Schwinger (2,3) piezoelektrische Folienschwinger sind, welche im Bereich der Wandfläche eines Meörohres (1) im Abstand angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die- Foliendicke unterhalb von 0,1 mm liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Wandausnehmung (10) des Meßrohres (1) Einsatzstücke (9) einsetzbar sind, auf denen die piezoelektrischen Folien (8) mit einer nach dem Innenraum des Meßrohrs gerichteten Wölbung in einer Klemmverbindung befestigt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Raum unterhalb des gewölbten Abschnittes der Folie (8) gegen-

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über der Oberfläche des ?insatzstückes (9) mit einer elastischen Gußmasse (13) ausgefüllt ist.

ΙΟ. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß zur Kontaktierung der Folienschicht (8) Anschlußfahnen (11,12) beidseitig des Einsatzstückes eingeklemmt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Einsatzstück (9) befestigte Folie (8) in ihrem gewölbten Abschnitt eine solche Formgestaltung aufweist, welche die gewünschte Sende- bzw. Empfangscharakteristik des elektroakustischen Wandlers begünstigt.

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