DE2823497B2

DE2823497B2 - Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten sowie Vorrichtung hierzu

Info

Publication number: DE2823497B2
Application number: DE19782823497
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Dr. Eberhard Prof. 6600 Saarbrücken Häusler
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: 1981-04-30
Also published as: GB2023825A; GB2023825B; JPS54156670A; DE2823497C3; DE2823497A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten durch Laufzeitmessung von Ultraschall-Impulsen mit in Strömungsrichtung in Abstand liegenden elektro-akustischen Wandlern, bei dem die Laufzeit der Ultraschall-Impulse in einem Meßrohr in und entgegen der Strömungsrichtung voneinander abgezogen und aus der Laufzeitdifferenz in Verbindung mit der durch eine zusätzliche Laufzeitmessung senkrecht zur Strömungsrichtung ermittelten Schallgeschwindigkeit die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird, wobei die elektro-akustischen Wandler Ultraschall-Schwinger sind, die nacheinanderfolgend gemeinsam als Sender und Empfänger geschaltet werden, und bei dem aus den empfangenen Signalen Rechteckimpulse mit der Signallaufzeit proportionaler Dauer erzeugt werden, aus denen mit Hilfe einer Zählvorrichtung die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird.

Zur Durchführung des Verfahrens werden außerdem .in Meßrohr und eine Schaltung für einen Auswerteteil angegeben.

Meßverfahren zur Strömungsmessung von Medien sind in der oben angegebenen Art unter anderem durch die DE-OS 21 07 586 bekannt. Nach dem vorbekannten Verfahren, bei dem in Strömungsrichtung schrägliegen-

de 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 wegen der Besonderheiten der Bildung von de.- Schallgeschwindigkeit entspre- ι ϊ chenden Signalgrößen schaltungstechnisch aufwendig und besitzt eine relativ geringe Ansprechempfindlichkeit gegenüber rasch eintretenden Änderungen der Schallgeschwindigkeit. Außerdem wird für viele Anwendungsfälle kein ausreichendes Auflösungsvermögen erzielt.

Ein anderes vorbekanntes Meßverfahren nach der DE-OS 24 31 346 sieht zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eine Bildung von Kehrwerten der Signallaufzeiten vor, woraus die Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung von durch einen Taktgeber gesteuerten Torschaltungen über einen Reziprokrechner unter Zwischenspeicherung ermittelt werden kann. Durch die Auswertung nach dem Frequenz-DiFerenzverfahren ist keine zusätzliche Meßstrecke zur Messung der Schallgeschwindigkeit erforderlich. Dieser Vorteil wird jedoch durch Schwierigkeiten der Schaltungsa·, Ordnung und für viele Fälle unzureichendes Auflösungsvermögen ausgeglichen. Es ist dabei nötig, hohe Frequenzen zu verwenden, und der dadurch bedingte Ji geringe Störabstand muß durch akustische Abbildung und aufwendige Signalverarbeitung verbessert werden.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch vorteilhaft auszubilden, daß mit relativ geringem w Schaltungsaufwand eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit mit geringer Ansprechträgheit durchgeführt werden kann, wobei außerdem ein gutes Auflösungsvermögen erreicht werden soll.

Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, « daß aus dem ersten zur Zeit ii empfangenen Signal als Maß für die Schallgeschwindigkeit ein Rechteckimpuls konstanter Amplitude mit der Zeitdauer fi —ίο gebildet und in eine dem Quadrat der Zeitdauer proportionale Frequenz umgewandelt wird, daß aus den nacheinander zu den Zeiten fe und i3 empfangenen Signalen, welche der Laufzeit des Ultraschall-Impulses in und entgegen der Strömungsrichtung entsprechen, ein weiterer Rechteckimpuls konstanter Amplitude mit der Zeitdauer f₃— ti 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 6» läßt sich schaltungstechnisch einfach durchführen, wobei auch rasche Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit, wie sie beispielsweise bei der Überwachung von pulmonalen Strömungsverhältnissen Bedeutung besitzen, leicht festgestellt werden können. b5

Es ist möglich, ein einziges Schwingerpaar zu verwenden, welches vorteilhaft zur Strömungsrichtung schrägliegend angeordnet ist. Die beiden Schwinger dieses Paares senden Ultraschall-Impulse in verschiedene Richtungen aus, wobei im Emptangssignal Komponenten in und entgegen der Strömungsrichtung sowie senkrecht zur Strömungsrichtung 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 bei der Untersuchung von Gasströmungen die Strömungsrichtung nicht in jedem Falle vorher feststeht, erscheint es zweckmäßig, das Verfahren derart auszubilden, daß auch die jeweils vorliegende Strömungsrichtung leicht ermittelt werden kann. Dies läßt sich vorteilhaft dadurch erreichen, daß die Laufstrecken in und entgegen der Strömungsrichtung unterschiedliche Längen aufweisen. Diese unterschiedliche Länge kann bei der Anwendung von zwei Schwingerpaaren durch unterschiedliche mechanische Länge der Laufstrecken verwirklicht werden. Für viele Anwendungsfälle und insbesondere bei Verwendung einer einzigen Laufstrecke erscheint es jedoch zweckmäßig, die unterschiedliche Länge der einen Laufstrecke durch Addition einer konstanten zusätzlichen Laufzeit zu simulieren, welche so groß gewählt ist, daß das zur Zeit h empfangene Signal unabhängig von der Strömungsrichtung stets nacii ti folgt. Aus der Länge des Rechteckimpulses h—ti läßt sich in diesem Falle stets eine Information über die Strömungsrichtung gewinnen.

Die konstante Laufzeitverzögerung kann zweckmäßig durch ein elektronisches Schaltelement hervorgerufen werden.

Ein vorteilhaftes Meßrohr zur Durchführung des Verfahrens, bei dem im Bereich der Wandfläche Ultraschall-Schv/inger im Abstand angeordnet sind, kann so aufgebaut sein, daß die Ultraschall-Schwinger piezoelektrische Folienschwinger sind. Derartige PVF₂-Folien sind als Ultraschall-Erzeuger im Mikrowellenbereich bekannt. Sie besitzen eine Foliendicke unterhalb von 0,1 mm, gegebenenfalls bei ΙΟμίη. Diese Folienschwinger erscheinen wegen ihrer geringen Masse besonders gut an Gasströmungen angepaßt und eignen sich daher für die hier durchzuführenden Meßverfahren.

Eine zweckmäßige Ausbildung kann so gewählt sein, daß in eine Wandausnehmung des Meßrohres Einsatzstücke einsetzbar sind, auf denen die piezoelektrischen Folien mit einer nach dem Innenraum des Meßrohres gerichteten Wölbung in einer Klemmverbindung befestigt sind. Die Abmessungen der eingebauten Folienstücke können dabei etwa in Richtung der Wölbungssymmetrielinie 10 mm und dazu senkrecht 3 mm betragen.

Eine zusätzliche Verbesserung kann gegebenenfalls dadurch erreicht werden, daß der freie Raum unterhalb des gewölbten Abschnittes der Folie gegenüber der Oberfläche des Einsatzstückes mit einer elastischen Masse, beispielsweise einer Gußmasse ausgefüllt ist. Zur Kontaktierung der Folienschichten, an denen im allgemeinen keine Lötanschlüsse hergestellt werden können, erscheint es zweckmäßig, beidseitig des Einsatzstückes Anschlußfahnen einzuklemmen.

Ein weiterer Vorteil kann gegebenenfalls dadurch erreicht wei den, daß die auf dem Einsatzstück befestigte Folie in ihrem gewölbten Abschnitt eine solche Formgestaltung aufweist, welche die gewünschte Sende- bzw. Empfangscharakteristik des elektro-akustischen Wandlers begünstigt. Dadurch kann erreicht

werden, daß die Abstrahlung bzw. der Empfang bevorzugt in bestimmten Schrägrichtungen und senkrecht zur Strömungsrichtung erfolgt. Dies besitzt besondere Bedeutung, wenn nur ein einziges Schwingerpaar mit unter Umständen nebeneinanderliegenden Schwingern verwendet werden soll.

Eine vorteilhafte Schaltung für einen Auswertteil zur Durchführung des Verfahrens, wobei dieser Auswertteil jeweils während des Empfangsabschnittes mit den Ultraschall-Schwingern verbunden ist, kann so aufgebaut sein, daß zur Gewinnung einer Frequenz f, proportional der Laufzeitdifferenz /3-Z₂ ein Integrierglied vorgesehen ist, welches über eine rückstellbare Sample-hold-Stufe die Steuerspannung eines spannungsgesteuerten Oszillators abgibt, welcher die Frequenz /", erzeugt, daß eine Frequenz F₂ entsprechend dem Quadrat der Zeitdauer U-to durch ein weiteres Integrierglied mit einer weiteren rückstellbaren Sample-hold-Stufe erzeugt wird, welche unter Zwischenschaltung eines Multiplizierers mit einem weiteren spannungsgesteuerten Oszillator zur Bildung der Frequenz f₂ verbunden ist, und daß beide Frequenzen /i und /"2 einem Zähler zur Quotientenbildung zugeführt werden. Dieser Aufbau ergibt eine besonders zweckmäßige und einfache Schaltung eines Auswertteiles zur Durchführung des Verfahrens.

Durch die Anwendung der beschriebenen Merkmale wird die Messung der Strömungsgeschwindigkeit und die Feststellung der Strömungsrichtung, insbesondere von Gasströmungen, bei geringer Ansprechträgheit ermöglicht. Die beschriebenen Merkmale können jedoch gegebenenfalls auch bei der Strömungsmessung anderer Medien, beispielsweise für Flüssigkeiten bzw. Flüssigkeitsgasgemische, zweckmäßig sein.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung schematisch dargestellt; es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild,

F i g. 2 eine Ausschnittsdarstellung eines Folienschwingers.

F i g. 3 ein ivießrohr mit kreisförmigem Querschnitt und eingesetztem Folienschwinger,

Fig.4 ein Meßrohr mit eckigem Querschnitt und eingesetzten Folienschwingern,

F i g. 5 ein Blockschaltbild der in F i g. 1 verwendeten Auswertungsschaltung.

In F i g. 1 ist ein Meßrohr 1 dargestellt, in das in Abstand gegenüberliegende Ultraschall-Schwinger 2, 3 eingesetzt sind. Die leitfähigen Oberflächenbeläge sind parallel geschaltet und mit einem elektronischen Umschalter 4 verbunden, welcher eine Verbindung zu einem Hochfrequenz-Generator 5 und zu einem Auswertteil 6 mit nachgciclialtetem Anzeigeinstrument 7 herstellen kann.

Die vergrößerte Ausschnittsdarstellung der Fig.2 zeigt zur Befestigung einer piezoelektrischen Folie 8 des Ultraschall-Schwingers ein Einsatzstück 9. Dieses Einsatzstück 9 ist als Klemmstück in eine entsprechende Wandausnehmung 10 des Meßrohres 1 eingesetzt und ■5 trägt an gegenüberliegenden Seiten Anschlußfahnen 12, 12. Der Raum unterhalb des gewölbten Abschnitts der Folie 8 ist mit einer elastischen Gußmasse 13 ausgefüllt.

Fig. 3 und 4 zeigen verschiedene Anordnungen von Ultraschall-Schwingern 14, 15 und 16, die jeweils mit piezoelektrischen Folienstücken ausgebildet sind.

In F i g. 5 soll nunmehr in Verbindung mit F i g. 1 der Auswertteil 6 näher erläutert werden.

Der Hochfrequenz-Generator 5 erzeugt eine Hochfrequenz von 90 kHz, wobei ein Signalgenerator am

'<*. Eingang eines Tonimpulsgenerators liegt. Der Tonimpulsgenerator liefert an die Ultraschall-Schwinger 2, 3 Hochfrequenz-Impulse von jeweils 4 Schwingungen mit einer Impulsfolgefrequenz von 100 Hz. Es ergibt sich ein Tastverhältnis von ca. 25. Die Ultraschall-Schwinger 2,3

2« in der Wandfläche des Meßrohres 1 strahlen die Impulse im 180°-Bereich ab und empfangen direkt zugestrahlte bzw. an der Wandfläche reflektierte Signale.

In dem Auswertteil 6 werden die beim Empfangsvorgang gemessenen Laufzeitdifferenzen in und entgegen

2s der Strömungsrichtung bzw. Laufzeiten senkrecht zur Strömungsrichtung in die gewünschte Meßgröße (Strömungsgeschwindigkeit) umgewandelt.

Nach Demodulation (Restmodulation 1%) und Verstärkung der Empfangssignale in und entgegen der Strömungsrichtung werden aus deren Hüllkurven durch zwei präzise Schmitt-Trigger zwei Impulse abgeleitet, aus denen mit einem schnellen Integrierglied 17 ein dritter Impuls gewonnen wird, der konstante Amplitude besitzt, und dessen Länge der Laufzeitdifferenz i₃— r₂

jo entspricht. Durch eine rückstellbare Sample-hold-Stufe 18 wird daraus die Steuerspannung eines spannungsgesteuerten Oszillators 19 gewonnen. Hierdurch wird eine Frequenz /j proportional der Laufzeitdifferenz und der Impulslänge ti— T₂(O-50 μs)eΓzeugt.

4(1 Die Verarbeitung der Meßwerte senkrecht zur Strömungsrichtung erfolgt in gleicher Weise, nur wird hier zwischen eine einem weiteren Integrierglied 20 folgende, rückstellbare Sample-hold-Stufe 21 und einen spannungsgesteuerten Oszillator 22 ein Multiplizierer

ί^γ> 23 geschaltet, der die Ausgangsspannung der Samplehold-Stufe 21 quadriert. Damit ergibt sich eine Frequenz /2, die dem Quadrat der Zeitdauer des Impulses fj — fo (100— 160 μβ) entspricht.

Aus beiden Frequenzen wird mit einem Universalzähler 24 deren Quotient ermittelt, welcher der Strömungsgeschwindigkeit, d. h. über den Querschnitt des Meßrohres auch der Durchflußmenge proportional ist. Ein in der Zeichnung nicht gezeigter Digital-Analog-Wandler ermöglicht die analoge Darstellung der Meßwerte und deren Anzeige durch das Anzeigeinstrument 7.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten durch Laufzeitmessung von Ultraschall-Impulsen mit in Strömungsrichtung in Abstand liegenden elektroakustischen Wandlern, bei dem die Laufzeit der Ultraschall-Impulse in einem Meßrohr in und entgegen der Strömungsrichtung voneinander abgezogen und aus der Laufzeitdifferenz in Verbindung mit der durch eine zusätzliche Laufzeitmessung senkrecht zur Strömungsrichtung ermittelten Schallgeschwindigkeit die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird, wobei die elektro-akustischen Wandler Ultraschall-Schwinger sind, die nacheinanderfolgend gemeinsam als Sender und Empfänger geschaltet werden, und bei dem aus den empfangenen Signalen Rechteckimpulse 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 ais Maß für die Schallgeschwindigkeit ein Rechteckimpuls konstanter Amplitude mit der Zeitdauer fi — to gebildet und in eine dem Quadrat dieser Zeitdauer proportionale Frequenz umgewandelt wird, daß aus den nacheinander zu den Zeiten *2 und f3 empfangenen Signalen, welche der Laufzeit des Ultraschall-Impuises in und entgegen der Strömungsrichtung entsprechen, ein weiterer Rechteckimpuls konstanter Amplitude mit der Zeitdauer i3— fe 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.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Schwingerpaar zur Erzeugung und zum Empfang der .Meßsignale verwendet wird.

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 h empfangene Signal unabhängig von der Strömungsrichtung stets nach i2 folgt.

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

6. Meßrohr zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem im Bereich der Wandfläche Ultraschall-Schwinger im Abstand angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Schwinger piezoelektrische Folienschwinger (2,3) sind.

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

8. Meßrohr 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 Meßrohres (1) gerichteten Wölbung in einer Klemmverbindung befestigt sind.

9. Meßrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Raum unterhalb des gewölbten Abschnittes der Folie (8) gegenüber de," Oberfläche des Einsatzstückes (9) mit einer elastischen Gußmasse (13) ausgefüllt ist.

10. Meßrohr nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontaktierung der Folienschicht (8) Anschlußfahnen (11, 12) beidseitig des Einsatzstückes (1) eingeklemmt sind.

11. Meßrohr 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. Empfangpcharakteristik des elektroakustischen Wandlers begünstigt.

12. Schaltung für einen Auswertteil zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei dieser Auswertteil jeweils während des Empfangsabschnittes mit den Ultraschall-Schwingern verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung einer Frequenz /i proportional der Laufzeitdifferenz fj— f2 ein Integrierglied (17) vorgesehen ist, welches über eine rückstellbare Samplehold-Stufe (18) die Steuerspannung eines apannungsgesteuerien Oszillators (19) abgibt, welcher die Frequenz f\ erzeugt, daß eine Frequenz /₂ entsprechend dem Quadrat der Zeitdauer f| — r₀ durch ein weiteres Integrierglied (20) mit einer weiteren rückstellbaren Sample-hold-Stufe (21) erzeugt wird, welche unter Zwischenschaltung eines Multiplizierers (23) mit einem weiteren spannungsgesteuerten Oszillator (22) zur Bildung der Frequenz /·> verbunden ist, und daß beide Frequenzen /i und /2 einem Zähler (24) zur Quotientenbildung zugeführt werden.