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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Schall-
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laufzeiten.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der im
Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
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Bei dieser Methode wird der Schall über die Meßstrecke geschickt und
es wird seine der Schall-Laufzeit entsprechende Verzögerung in elektronischen Schaltungen
gemessen. Daraus lassen sich Aussagen treffen über das in der Schallstrecke befindliche
Medium (z.B. über die Schallgeschwindigkeit), über die Länge der
Meßstrecke
(Entfernungsmeßmethode) oder z.B. über Strömungen des in der Meßstrecke befindlichen
Mediums mit der sogenannten Schallmitführungsmethode, wobei Verzögerungen oder Beschleunigungen
des Schalls gegenüber der Laufzeit in ruhendem Medium gemessen werden. Verfahren
dieser Art lassen sich in sämtlichen Medien, wie z.B. Gasen und Flüssigkeiten, anwenden.
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Der Vorteil bei der Verwendung von Schallbursts (burst= Schwingungsgruppe)
liegt darin, daß Reflexionen in der Schallstrecke bzw. aus dem Umfeld der Schallstrecke,
die sich dem Empfangsignal überlagern und dieses verfälschen, durch zeitliche Unterscheidung
des Bursts von folgenden Reflexionsbursts eliminieren lassen.
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Bekannte Verfahren der eingangs genannten Art bestimmen die Laufzeit
des Bursts durch Zeitbestimmung von Anstiegsflanken am Burstanfang. Diese Methode
ist jedoch mit Fehlern behaftet, da die Burstanfänge ebenso wie die Burstenden stets
in weitgehend unkontrolliert Lrer
Weise verzerrt sind und daher
genaue Zeitbestismungen nicht zulassen. Diese Verzerrungen al Anfang und aa Ende
von Bursts ruhen von unvermeidlichen Fehlern aller bekannter Schallwandler her,
die von deren Ein- bzw. Ausschwingverhalten bestimmt werden. Es hat nicht an Versuchen
gefehlt, diese Fehleddurc ; erwendung sehr breitwandiger Wandler zu vermeiden. Größere
Erhöhungen der Genauigkeit lassen sich dadurch Jedoch nicht erzielen. Vielmehr führt
dies nur zu einer erheblichen Erhöhung der Gerätekosten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei niedrigen
Gerätekosten eine präzisere Bestimmung der Burstlaufzeiten erlauben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Kennzeichnungsteil
des Anspruchs 1 gelöst.
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Die von kontinuierlichen Verfahren (ohne Verwendung einzelner Bursts)
her bekannte Methode zur Bestimmung
von Phasenverschiebungen läßt
sich auch auf Bursts anwenden, wenn erfindungsgemäß nur der mittlere Teil des Bursts
ausgewertet wird, in dem unverzerrte Schwingungen vorliegen. Die verzerrten Anfangs-
und Endteile des Bursts werden beim Empfang abgeschnitten und können daher nicht
zu Fehlern führen. Das erfindungsgemäße Verfahren führt daher auch bei Verwendung
billiger Schallwandler mit großen Einschwing- und Ausschwingverzerrungen zu hochgenauen
Meßergebnissen.
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Weiterhin vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren durch die
Merkmale des Anspruchs 2 gekennzeichnet. Auf diese Weise lassen sich die Laufzeitverzögerungen
eindeutig der Phasenverschiebung zuordnen.
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Weiterhin vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren durch die
Merkmale des Anspruchs 3 gekennzeichnet. Auch bei dieser Methode der Verwendung
von Modulationsbursts läßt sich das erfindungsgemäße
Verfahren mit
großem Erfolg anwenden, wobei gleichzeitig die Vorteile der Trägertechnik benutzbar
sind.
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Weiterhin vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren durch die
Merkmale des Anspruchs 4 gekennzeichnet.
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Hier werden Bursts gleichzeitig gegenläufig über die Schallstrecke
geschickt. Ein direkter Phasenvergleich der im wesentlichen gleichzeitig auftreffenden
Espfangssignale liefert das im wesentlichen verdoppelte Meßsignal. Vom Prinzip her
nachteilige Absolutmessungen werden hier durch eine Relativmessung ersetzt.
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Eine kurze Meßstrecke ist von Vorteil, da sie eine hohe zeitliche
und räumliche Auflösung ergibt. Beim Strömungsmeßverfahren lassen sich beispielsweise
mit kurzen Meßstrecken Strömungsdetails auflösen. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens können Jedoch Schwierigkeiten dadurch auftreten, daß aus meßtechnischen
Gründen der Burst eine gewisse Länge haben muß, damit nach Abwarten der Ein- und
Ausschwingvorgänge noch ein auswertbarer mittlerer Teil verbleibt.
Diese
Schwierigkeiten werden mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 5 vermieden. Die deutliche
Verlängerung der Schall-Laufstrecke durch Vorsehung zusätzlicher Strecken dia im
folgenden als Schallspeicherstrecken bezeichnet werden, gestatten die Verwendung
längerer und somit auch bei schlechten Schallwandlern noch gut auswertbarer Bursts
unter gleichzeitiger Wahrung der Möglichkeit, den direkt auftreffenden Burst zeitlich
von später auftreffenden Reflexionsburst unterscheiden zu können.
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Wird diese Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
eines Mediums nach der Schallmitführungsmethode benutzt, so ist sie vorteilhaft
durch die Merkmale des Anspruchs 6 gekennzeichnet. Auf diese Weise ergibt sich eine
der Strömung entsprechende Phasenverschiebung nur in der eigentlichen Meßstrecke.
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Vorteilhaft ist diese Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs
7 gekennzeichnet. Die strömungsgeschützte
Verlegung der Speicherstrecken
außerhalb des strömenden Mediums sichern einen von der Strömung unbeeinflußten Schallverlauf
in den Speicherstrecken.
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Beispielsweise können die Speicherstrecken gegen die Strömung durch
Rohrleitungen geschützt sein. Soll beispielsweise die Strömung in einem Rohr gemessen
werden, so können die Speicherstrecken in von dem Rohr abzweigenden,mit demselben
Medium gefüllten Rohren vorgesehen sein.
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Alternativ zur Anordnung von Speicherstrecken in ruhendem Medium können
diese gemäß Anspruch 8 vorgesehen sein. In gleichlangen antiparallel angeordneten
Strecken heben sich die von der Strömung erzeugten Effekte auf. Die gesamte Phasenverschiebung
entspricht daher wiederum nur derjenigen in der Meßstrecke. Auf Abschirmung der
Speicherstrecken gegenüber dem strömendem Medium kann bei dieser Ausbildung verzichtet
werden.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zur Strömungsmessung in einem Rohr,
Fig. 2 eine Vorrichtung anderer Ausführungsart zur Strömungsmessung in einem frei
durchströmten Raum und Fig. 3 die Amplituden eines Schallbursts.
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In Figur 1 ist ein von einem Medium - z.B. Wasser - in Achsrichtung
(Pfeil) durchströmtes Hauptrohr 1 dargestellt, in dem die Strömungsgeschwindigkeit
gemessen werden soll.
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Zu diesem Zweck ist eine Schallstrecke (gestrichelte Linie) vorgesehen,
die von einem Schallwandler 2 zu einem
weiteren Schallwandler 3
verläuft, von denen je nach Betriebsverfahren der eine als Sender und der andere
als Empfänger bzw. beide abwechselnd gleichzeitig als Sender und Empfänger betrieben
werden. Den Schallwandlern nachgeschaltete elektronische Sender- und Empfangseinrichtungen
sowie elektronische Auswerteinrichtungen sind in der Figur nicht dargestellt.
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DieSchallstrecke verläuft vom Schal wandler 2 durch ein in das Hauptrohr
1 mündendes Zweigrohr 4, über einen Reflektor 5 an der gegenüberliegenden Rohrwand
und durch ein weiteres Zweigrohr 6 zum Schallwandler 3.
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Die beiden Schallzwecken zwischen dem Reflektor 5 und dem Schallwandler
2 bzw. 3 sind im Winkel zur Achsrichtung des Hauptrohres 1 angeordnet. Die im Hauptrohr
5 zwischen den Mündungen der Zweigrohre 4 und 6 verlaufenden Teile der Schallstrecke
bilden die eigentliche Meßstrecke.
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Diese Teile der Schall strecke verlaufen im strömenden Medium. In
ihnen erfährt der Schall also eine Mitnahme
in Strömungsrichtung,
die zu einer Verzögerung bzw.
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zu einer Beschleunigung führt. Im vorliegenden Falle verlaufen die
Abschnitte der Meßstrecke schräg zur Strömung. Durch geometrische Umrechnung wird
die whre Strömungsgeschwindigkeit ermittelt.
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Die Schall strecken innerhalb der Zweigrohre 4 und 6 verlaufen in
ruhendem Medium. Eine Schallverzögerung findet hier nicht statt. Diese Teile der
Schallstrecke verlängern den Laufweg des Schalles,ohne die im Hauptrohr 1 liegende
durchströmte Meßstrecke zu verlängern.
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Die Meßstrecke kann daher sehr kurz sein, wenn beispielsweise das
Hauptrohr 1 von engem Querschnitt ist.
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Da die in den Zweigrohren 4 bzw. 6 angeordneten Schallspeicherstrecken
keinen Strömungseffekt ergeben, können sie je nach den Erfordernissen in beliebiger
Länge vorgesehen sein, z.B. unterschiedlich lang wie im dargestellten Beispiel.
Abweichend von der gezeigten Ausführungsform können die Zweigrohre auch miteinander
fluchtend
vorgesehen sein. Dann wird das Rohr nur einmal durchstrahlt. Der Reflektor 5, an
dessen Stelle auch die Rohrwand als Reflektor verwendet werden kann, kann dann entfallen.
An Stelle zweier Speicherstrecken an beiden Enden der Meßstrecke kann beispielsweise
auch nur eine Speicherstrecke an einem Ende der Meßstrecke vorgesehen sein.
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Figur 2 zeigt die Wand 7 eines in Pfeilrichtung frei durchströmten
Raumes, in dem die Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll. Hier findet eine
zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung Anwendung.
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Die Meßstrecke 8 ist hier parallel zur Wand 7 in größerem Abstand
durch Reflektoren 9 an den Enden der Meßstrecke vorgegeben. Die Reflektoren sind
über ein schematisch dargestelltes Traggerüst 12 mit der Wand 7 verbunden.
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Die Teile des Traggerüstes sind vorzugsweise außerhalb
der
Meßstrecke und somit diese nicht störend vorgesehen.
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Schallspeicherstrecken 10 verlaufen zwischen den Reflektoren 9 und
an der Wand 10 vorgesehenen Schallwandlern 11.
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Die Speicherstrecken 10 sind parallel zueinander angeordnet und werden
beim Durchlaufen der gesamten Schallstrecke 10, 8, 10 antiparallel durchlaufen.
Bei beliebiger Richtung der Strömung, z.B. auch in Richtung auf die Wand 7, heben
sich die Mitnahmeeffekte in den parallelen Speicherstrecken 10 gegenseitig auf,
da sie Jeweils in der einen Speicherstrecke eine Verzögerung und in der anderen
Speicherstrecke eine Beschleunigung, jedoch gleichen Betrages, ergeben. Strömungsempfindlich
ist daher nur die eigentliche Meßstrecke 8. Bei relativ großer Gesamtschall strecke
kann diese daher sehr kurz sein und das Strömungsfeld mit großer örtlicher Auflösung
ausmessen.
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Die Anordnung der Figur 2 kann durch andere Reflektoranordnungen variiert
werden. So kann die Meßstrecke 8
beispielsweise abgeknickt über
mehrere Reflektoren verlaufen.
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Die Ausführungsform der Figur 2 kann beispielsweise in größeren durchströmten
Rohren verwendet werden, wenn ausgehend von deren Wand 7 die Strömungsgeschwindigkeit
an einer bestimmten Stelle gemessen werden soll. Diese Ausführungsform ist aber
beispielsweise auch zur Messung der Luftgeschwindigkeit in einer bestimmten Höhe
über dem Erdboden 7 geeignet.
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In Fällen, in denen auch die Strömungsrichtung interessiert, sind
in entsprechender Anordnung mehrere orthogonal zueinander stehende Meßstrecken vorzusehen.
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Der wesentliche Vorteil der Ausführungsform der Figur 2 besteht darin,
daß die Schallspeicherstrecken im durchströmten Medium selbst vorgesehen sein können,
ohne daß für die Speicherstrecken Abschirmungen beispielsweise durch Rohre oder
dergleichen zur Ausschaltung von Strömungseffekten notwendig wären.
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Das erfindungsgemäße Verfahren setzt den Schallweg und die Meßstrecke
durchlaufende Bursts ein. Ein typischer Burst in Figur 3 dargestellt. In der Darstellung
ist die Amplitude über dem Weg aufgetragen. Wie aus der Darstellung ersichtlich,
sind der Anfangs- und der Endteil des Bursts stark verzerrt. Lediglich der mittlere
Teil M weist die ungestörte Schall schwingung auf. Die Verzerrungen am Anfang und
Ende eines solchen Bursts sind bedingt durch die Schallwandler, die als Sender und
Empfänger verwendet werden. Werden solche Schallwandler mit einem exakt einsetzenden
und endenden elektrischen Burst beaufschlagt, so können sie diesem nur in seinem
mittleren Teil exakt folgen, während sie aufgrund ihres Eigenschwingungsverhaltens
am Anfang und Ende die in Figur 3 in einem typischen Fall dargestellten Verzerrungen
ergeben. Dies gilt für sämtliche bekannten Schallwandler.
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Ist das zu beschallende Medium eine Flüssigkeit, so sind diese Probleme
etwas geringer, da die Schallwandler durch die Flüssigkeit besser bedämpft werden.
Ist das Medium
ein Gas, z.B. Luft, so ergeben sich wegen der geringeren
Bedämpfung stärkere Ein- und Ausschwingeffekte. Die Schallmitführungsmethode unter
Verwendung von Bursts ließ sich daher bisher nur in Flüssigkeiten anwenden.
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Die eingangs beschriebenen bekannten Verfahren bestimmen die Laufzeit
des Bursts durch die Meßstrecke de an Hand einer vorderen Anstiegsflanken des Bursts.
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Wie die Darstellung zeigt, sind diese aber stark verzerrt, woraus
sich Meßfehler ergeben. Erfindungsgemäß wird zur Auswertung nur der mittlere Teil
M benutzt.
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Dort sind die Schwingungen exakt. Ein Phasenvergleich mit einer Referenzschwingung
ergibt die durch die Strömung verursachte Verzögerung.
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In bekannter Technik wird die Schall strecke vorteilhaft gleichzeitig
in beiden Richtungen durchlaufen. Die an den Enden der Schall strecke sitzenden
Schallwandler müssen dann gleichzeitig zum Aussenden der Bursts auf
Sendung
und sofort anschließend auf Esping umgeschaltet werden. Die empfangenen Bursts werden
in ihrem mittleren Teil M phasenverglichen. Die Phasenverschiebung entspricht: dann
der doppelten Laufzeit.
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Der in Figur 3 dargestellte Burst ist aus zeichnerischen Gründen nur
mit wenigen Schwingungen dargestellt. Die durch Ein- und Ausschwingvorgänge verzerrten
Anfangs-und Endteile des Bursts sind erheblich länger. Auch der mittlere unverzerrte
Teil M muß zu Auswertzwecken erheblich mehr Schwingungen aufweisen. Ferner muß -soll
nicht zu anderen Hilfsmitteln gegriffen werden -ztr eindeutigen Zuordnung der Phasenverschiebung
zur Lav4tett dieWellenlänge größer sein als die maximale Phasenverschiebung. Die
im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Bursts erfordern daher eine gewisse Länge,
die beispielsweise in der Größenordnung 1 Meter liegt. Bei einer zu kurzen Schallstrecke
könnte dann der erste beim Empfänger auftreffende Burst nicht meh einwandfrei von
auf Umwegen auftreffenden Reflexionssignalen getrennt werden. Die in Figuren 1 und
2
dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vermeiden diesen Effekt Jedoch durch Vorsehen längerer Schall-Laufstrecken, die
durch die Schallspeicherstrecken verlängert sind, ohne die eigentliche Meßstrecke
zu verlängern. Die Meßstrecke bleibt daher klein und kann das auszumessende Geschwindigkeitsfeld
mit hoher Auflösung vermessen, dennoch ist die gesamte Schall-Laufstrecke derart
lang, daß auch längere Bursts verwendet werden können. Längere Bursts haben wiederum
den Vorteil, daß genügend Zeit zur Auswertung von deren mittleren Teil M zur Verfügung
steht. Ein weiterer Vorteil ist der, daß kostengünstige Schallwandler mit starken
Ein- und Ausschwingeffekten verwendet werden können.
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In den Figuren 1 und 2 wurde das erfindungsgemäße Verfahren und die
vorteilhafte Vorsehung von Schallspeicherstrecken am Beispiel von Strömungsmeßeinrichtungen
beschrieben.
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Diese Prinzipien lassen sich Jedoch in sinngemäßer %ertragung auch
auf andere Meßverfahren anwenden, in denen die Schall-Laufzeit bestimmt wird. Hierfür
kommen in erster Linie akustische Entfernungsaeßverfahren in Frage, bei denen der
Abstand zwischen Schallwandlern und einer Reflexionsfläche bestimmt wird. Insbesondere
ist die Erfindung wertvoll beim Ausmessen kleiner Abstände, bei denen also die Meßstrecke
kurz im Verhältnis zur Burstlänge wird. Dann schafft die Verlängerung der Gesamtlaufstrecke
durch das Vorsehen von richallspeicherstrecken im Gegensatz zur Erwartung des Fachmannes
eine Erhöhung der Meßgenauigkeit.
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