DE2823497C3 - Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten sowie Vorrichtung hierzu - Google Patents
Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten sowie Vorrichtung hierzuInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der
4ri 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 ein Meßrohr und eine Schaltung für einen Auswerteteil
angegeben.
fc>5 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 der Schallgeschwindigkeit entsprechenden 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 vorbekanntss 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-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. Es ist dabei nötig, hohe
Frequenzen zu verwenden, und der dadurch bedingte 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 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 f| empfangenen Signal als
Maß für die Schallgeschwindigkeit ein Rechteckimpuls konstanter Amplitude mit der Zeitdauer u —10 gebildet
und in eine dem Quadrat der Zeitdauer proportionale Frequenz umgewandelt wird, daß aus den nacheinander
zu den Zeiten ^ und t) empfangenen Signalen, welche
der Laufzeit des Ultraschall-Impulses in und entgegen der Strömungsrichtung entsprechen, ein weiterer
Rechteckimpuls konstanter Amplitude mit der Zeitdauer h—t2 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 Strömungsverhältnissen Bedeutung besitzen, leicht festgestellt werden können.
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 Empfangssignai Komponenten in und entgegen der Strömungsrichtung sowie
senkrecht zur Strömungsrichtung unterschieden werden r>
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 Stroll
mungsrichtung 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 nach f2 folgt. Aus der Länge des
Rechteckimpulies ti—,'2 läßt sich in diesem Falle stets
so eine Information über die Strömungsrichtung gewinnen.
Die konstante Laufzeitverzögerung kann zweckmäßig durch ein elektronisches Schaltelement hervorgerufen
werden.
Ein vorteilhaftes Meßrohr zur Durchführung des
r> Verfahrens, bei dem im Bereich der Wandfläche Ultraschall-Schwinger im Abstand angeordnet sind,
kann so aufgebaut sein, daß die Ultraschall-Schwinger piezoelektrische Folienschwinger sind. Derartige PVF2-Folien
sind als Ultraschall-Erzeuger im Mikrowellenbe-
-4fi reich bekannt. Sie besitzen eine Foliendicke unterhalb
von 0,1 mm, gegebenenfalls bei ΙΟμιη. Diese Foiienschwinger
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
v> 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 ;'rmtaktierung der Folienschichten, an denen im
w allgemeinen keine Lötanschlüsse hergestellt werden
können, erscheint es zweckmäßig, beidseitig des Einsatzstückes Anschlußfahnen einzuklemmen.
tlin weiterer Vorteil kann gegebenenfalls dadurch
erreicht werden, daß die auf dem Einsatzstück befestigte
b5 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 /i proportional der Laufzeitdifferenz /3— /2 ein Integrierglied
vorgesehen ist, welches über eine rückstellbare Sample-hold-Stufe die Steuerspannung eines spannungsgesteuerten
Oszillators abgibt, welcher die Frequenz /, erzeugt, daß eine Frequenz /2 entsprechend dem
Quadrat der Zeitdauer u — fo 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 /2 verbunden ist, und daß beide Frequenzen (\
und h 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. Fiüssigkeitsgasgemische, 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,
Fig. 3 ein Meßrohr mit kreisförmigem Querschnitt
und eingesetztem Folienschwinger,
F i g. 4 ein Meßrohr mit eckigem Querschnitt und eingesetzten Folienschwingern,
F i g. 5 ein Blockschaltbild der in F i g. 1 verwendeten Auswertungsschaltung.
In F1 g. 1 ist ein Meßrohr 1 dargestei!'. 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 mn nachgeschaltetem Anzeigeinstrument
7 herstellen kann.
Die vergrößerte Ausschnittsdarstellung der F i g. 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 trägt an gegenüberliegenden Seilen Anschlußfahnen 12,
12. Der Raum unterhalb des gewölbten Abschnitts der Folie 8 ist mit einer elastischen Gußmasse 13 ausgefüllt.
F i g. 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 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 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— f2
entspricht. Durch eine rückstellbare Sample-hold-Stufe 18 wird daraus die Steuerspannung eines spannungsgesteuerten
Oszillators 19 gewonnen. Hierdurch wird eine Frequenz /i proportional der Laufzeitdifferenz und der
Impulslänge U— ti(0—50 μβ) erzeugt.
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 23 geschaltet, der die Ausgangsspannung der Samplehold-Stufe
21 quadriert. Damit ergibt sich eine Frequenz /2. die dem Quadrat der Zeitdauer des Impulses t\ — ta
(100— 160 μ5) entspricht.
Aus beiden Frequenzen wird mit einem Universalzähler 24 deren Quotient ermittelt, welcher der Strömungsgeschwindigkeit,
d. h. über den Querschnitt des Meßrohres auch der Durchfiußmenge proportional ist. hin 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 (12)
1. Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten durch
Laufzeitmessung von Ultraschall-Impulsen mit in Strömungsrichtung in Abstand liegenden elektroakustischer!
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 fi empfangenen Signal als Maß für die Schallgeschwindigkeit
ein Rechteckimpuls konstanter Amplitude mit der Zeitdauer fi —/o gebildet und in eine dem
Quadrat dieser Zeitdauer proportionale Frequenz umgewandelt wird, daß aus den nacheinander zu den
Zeiten ft und h empfangenen Signalen, welche der
Laufzeit des Ultraschall-Impulses in und entgegen der Strömungsrichtung entsprechen, ein weiterer
Rechteckimpuls konstanter Amplitude mit der Zeitdauer ti— 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.
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 tj
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 MeSrohres (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 der 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. Empfangscharakteristik 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 f\ proportional der
Laufzeitdifferenz i3— r2 ein Integrierglied (17) vorgesehen
ist, welches über eine rückstelibare Samplehold-Saife
(18) die Steuerspannung eines spannungsgesteuerten Oszillators (19) abgibt, welcher die
Frequenz f\ erzeugt, daß eine Frequenz h entsprechend
dem Quadrat der Zeitdauer t\ — f0 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 f2
verbunden ist, und daß beide Frequenzen f\ und /j
einem Zähler (24) zur Quotientenbildung zugeführt werden.
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