DE3007157A1

DE3007157A1 - Doppler-verfahren zur stroemungsmessung

Info

Publication number: DE3007157A1
Application number: DE19803007157
Authority: DE
Inventors: Robert J Kurtz; Francis Mcleod; Spencer Silverstein
Original assignee: Howmedica Inc
Current assignee: MTG Divestitures LLC
Priority date: 1979-02-26
Filing date: 1980-02-26
Publication date: 1980-09-04
Also published as: ES8100027A1; AU5578780A; FR2449871A1; GB2047404A; JPS55143135A; ES488907A0; US4259870A

Description

DR. JOACH IM STEFFENS

DIPLOM-CHEMIKER UND PATENTANWALT

0-8032 LOCHHAM/MONCHEN MOZARTSTRASSE 24 TELEFON, (089) 87 25 51 TELEXt (05) 29830 staff d

IHR ZEICHEN.

mein zeichen. Kurtz-41H 26. Februar 1980

Howmedica Inc., 235 East 42nd Street New York, New York U.S.A.

Doppler-Verfahren zur Strömungsmessung

Die Erfindung betrifft generell Methoden zur Messung des Strömens von energiestreuenden Grenzflächen innerhalb eines Fließmediums in einer Leitung bzw. Röhre. Im besonderen betrifft die Erfindung Doppler-Ultraschall-Impuls-Methoden zur Messung des Blutstroms im Kreislaufsystem eines Patienten.

Doppler-Ultraschall-Strömungsmesser zur Bestimmung des Strömens von teilchenhaltigen Fließmedien in Leitungen sind bekannt. Beispiele für solche Vorrichtungen, die sich zur Messung des Blutstroms im Kreislaufsystem eines Patienten eignen, sind in den US-PSen 3 430 625, 3 888 238, 3 901 077, 3 554 030, 3 'Hü 014, 3 827 115 und 3 766 517 beschrieben. Wie aus diesen Patentschriften hervorgeht, weist der Strömungsmesser gewöhnlich einen Katheter auf, der in ein Blutgefäß des Patienten eingeführt werden kann.

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Ein Nachteil dieser und anderer herkömmlicher Vorrichtungen besteht darin, daß die Genauigkeit der Messungen der Geschwindigkeit und der (inneren) Querschnittsfläche von der Orientierung des Katheters im Hinblick auf die Blutstromachse abhängt. Sämtliche herkömmlichen Anordnungen erfordern für die Bestimmung der Größe der Gefäßquerschnittsfläche oder der Geschwindigkeit eine fixierte Orientierung oder Position.

Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik besteht darin, daß entweder getrennte Anordnungen von Umwandlern mit spezialisierter Funktion zur Messung der Geschwindigkeit und der Gefäßquerschnittsfläche erforderlich sind oder daß empfindliche und einen hohen apparativen Aufwand erfordernde Meßmethoden zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Gefäßquerschnittsfläche mit Hilfe einer einzelnen, einen Doppelzweck erfüllenden Umwandleranordnung angewendet werden müssen.

Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Katheter ist ihre Kompliziertheit und die dadurch bedingte schwierige Herstellung, welche den herkömmlichen Methoden anhaftet.

Eine andere Methode zur exakten Messung des Blutvolumenstromes ist in einem Aufsatz von Hottinger und Meindl, "An Ultrasonic Technique for Unambiguous Measurement of Blood Volume Flow", veröffentlicht 1974 und vorgelegt am IEEE Ultrasonic Symposium Proceedings, und in der US-PS 4 067 236 beschrieben; auf beide vorgenannten Literaturstellen wird hier ausdrücklich Bezug genommen. Die genannten Veröffentlichungen offenbaren eine Fließmeßmethode, bei.der eine Multiplikation einer auf eine Probenebene senkrechten Geschwindigkeitskomponente mit .der Querschnitts fläche der Probenebene erfolgt. Es werden drei auf diesem Prinzip basierende Methoden beschrieben, und in allen drei

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Fällen ist eine einheitliche Beschallung (isonofication) des Probenquerschnitts erforderlich und muß zur Messung der auf den Querschnitt normalen Geschwindigkeitskomponente angewandt werden. Die projizierte oder effektive Querschnittsflache wird nach einer der nachfolgenden drei Methoden bestimmt: (1) eine Doppler-C-Abtastung mit zweidimensionaler Anordnung; (2) eine Doppler-B-Abtastung mit linearer Anordnung; und (3) eine Messung der Fläche anhand der Doppler-Signalleistung. Bei der dritten Methode wird ein innerer Umwandle!¹ zur Kompensierung von Abschwächungsverlusten und Streuungsverlusten eines ringförmigen äußeren Umwandlers angewendet. Vom inneren Umwandler wird ein Signal aus einem Probenbereich erhalten, welcher gänzlich innerhalb des Gefäßes liegt. Dieser Probenbereich liegt zur Gänze innerhalb des Bereichs, welcher durch die Kombination des äußeren und inneren Umwandlers erfaßt wird. Die projizierte Querschnittsfläche ist das Verhältnis der Signalleistungen von den beiden Umwandlern. Leider erfordert diese Methode die Kenntnis der Probendimensionen des inneren Umwandlers und der relativen Verstärkungen der beiden Umwandler und ihres angeschlossenen Stromkreises. Diese dritte Methode ist offensichtlich sehr ähnlich wie jene der US-PS 3 977 2471 auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Die dritte Methode hat die weiteren Nachteile, daß der Stromkreis bzw. die Schaltung komplizierter (und daher kostspieliger) ist, da zwei Umwandler und zwei getrennte elektrische Systeme zur Verarbeitung der Information benötigt werden. Da zwei getrennte elektrische Systeme angewandt werden, müssen die Systeme außerdem elektrisch angepaßt werden, so daß dasselbe Signal durch beide Systeme identisch verarbeitet wird, damit ausgelöste Fehler eliminiert werden, oder die Verstärkungskoeffizienten jedes Systems müssen bekannt sein, so daß ein zusätzlicher Kompensatdonsstromkreis angewendet werden kann.

Außer den vorgenannten US-PSen sind zwei weitere Patente, welche ähnliche Systeme und Methoden umfassen, in den

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• T-

US-PSen 3 498 290 und 3 987 673 offenbart. Auf sämtliche genannten Veröffentlichungen wird hier ausdrücklich Bezug genommen, wobei die Literaturstellen zumindest die herkömmlichen Methoden und die zur Realisierung dieser Methoden angewandten Stromkreise bzw. Schaltungen veranschaulichen.

Diese und weitere Nachteile des Standes der Technik werden mit Hilfe der erfindungsgemäßen Methode überwunden. Das Verfahren der Erfindung ist unabhängig von der Orientierung und Position zur Messung des Volumendurchsatzes bzw. Strömungsvolumens.

Eine erfindungsgemässe Ausführungsform besteht in einem Verfahren zur Messung des Volumendurchsatzes eines in einer Leitung strömenden Fließmediums, wobei das Fließmedium und/oder die Leitung energiestreuende Grenzflächen aufweist (aufweisen). Das Verfahren besteht darin, daß man ein definiertes Ultraschallfeld erzeugt und überträgt, wobei das Schallfeld die gesamte Querschnittsfläche der Leitung ausstrahlt, und die Emissionsimpulslänge und Probennahmeperiode des empfangenen Signals so auswählt, daß das empfangene Signal von einem Probenbereich stammt, welcher normal auf die Fortpflanzungsrichtung des übertragenen Schallfeldes steht, wonach ein Doppler-Signal vom empfangenen Signal erhalten wird. Ein bekanntes Volumen des Fluids, welches gänzlich innerha]b der Leitung liegt, wird erfaßt, und die Leistungswiedergabe eines Doppler-Signals wird von den aus dem bekannten Volumen empfangenen Signal erhalten, wodurch ein Eichfaktor ermittelt wird. Das erste Moment dieses Doppler-Signals, welches von dem normalen erfaßten Bereich empfangen wird, wird berechnet und durch den Eichfaktor dividiert, wodurch der Volumenstrom durch die Leitung erhalten wird.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der Schall-

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·?■

Umwandler in einen Katheter eingebaut, und die Methode besteht ferner darin, daß man den Katheter in die Leitung einführt, bevor man diese einem bekannten, gleichmäßigen Schallfeld aussetzt, welches durch ein vom Umwandler ausgesandtes pulsierendes Ultraschallsignal erzeugt wird. Der Volumenstrom des Fluids kann dann in der vorgenannten Weise berechnet werden.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachstehenden detaillierten Beschreibung erläutert oder sind daraus herleitbar.

Es folgt eine kurze Erläuterung der beigefügten Zeichnungen:

Fig. 1 zeigt ein Blockbild eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers, v/elcher zwei in einen Katheter eingebaute Umwandler aufweist;

Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer schematischen Darstellung eines Katheters mit einem einzigen Umwandler, welche ein Strahlendiagramm eines übertragenen Schall impulses wiedergibt;

Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht der schematischen Darstellung von Fig. 2 längs der Linie 3-3 von Fig. 2;

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung des Signalleistungsniveaus bei verschiedenen Radien vom Umwandler;

Fig. 5 zeigt ein elektrisches schematisches Blockbild gemäß der Erfindung; und .· _:

Fig. 6 zeigt ein elektrisches schematisches Blockbild des in Fig. 5 dargestellten Strömungsablaufs bzw. Strömungsprozessors.

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Es folgt eine Erläuterung der bevorzugten Ausführungsfcrm.

Der mathematische Ausgangspunkt zur Bestimmung des Strömens ist die Dopplerverschiebungsvektor-Gleichung:

— Λ Λ

f V.(T-R)
F —

C
worin bedeuten:

f die Frequenzänderung

f die Grundfrequenz

V die Vektcrgeschwindigkeit des Fluids C die Geschwindigkeit des Schalls in diesem Medium

T den Einheitsvektor, welcher die Richtung des übertragenen Schallstrahls wiedergibt

R den Einheitsvektor, welcher die Richtung des empfangenen Schallstrahls wiedergibt

Cr-'R) den Richtungsvektor des untersuchten Dopplerstrahls.

Der Volumeristrom durch eine beliebige Leitung ist das innere Vektorprodukt des durchschnittlichen Geschwindigkeitsvektors und der Querschnittsfläche, durch welche jene Geschwindigkeit strömt. Die erfindungsgemäße Methode und Vorrichtung wenden Methoden zur Geschwindigkeitsmessung und Querschnittsflächenbestimmung an, welche von der Orientierung und Position der Umwandler unabhängig sind. Um die Orientierung der Umwandler als Faktor zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit zu eliminieren, werden gemäß einer Ausführungsform der in der DE-OS 27 03 486 beschriebenen Erfindung (auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird) zwei Schallstrahlen angewandt- Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung wird jedoch ein bekannter cder definierter Schallstrahl durch einen einzigen Sender übertragen, wie es mit Hilfe der Umwandler der Fall ist, die in der vorgenannten DE-OS beschrieben und in den dortigen

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Zeichnungen dargestellt sind. Jeder umwandler (oder die Umwandler) empfängt (empfangen) Signale vom gesamten Querschnitt der Leitung. Ein Bereichsgatter (range gate) wird rechtzeitig aus den ümwandlern ausgefahren, um einen ausgewählten Bereich der Leitung zu messen. Die Verwendung eines Bereichsgatters ist eine gebräuchliche Reguliermethode zur Errichtung von Bereichen bei festgelegten Ab- . ständen (festgelegte Zeitverzögerungen im Anschluß an die Übertragung eines Energieimpulses) vom Umwandler.

Herkömmliche Vorrichtungen und Methoden zur Übertragung und zum Empfang von pulsierenden (pulsed) Schallwellen und zur Gewinnung von pulsierenden Dopplersignalen einerseits sowie zur Anwendung der Bereichsgatter-Methode zur selektiven Vornahme von Messungen in einer Mehrzahl von Bereichen innerhalb einer Leitung andererseits sind z.B. in den vorgenannten US-PSen 3 554 030 und 4 067 236 und in den folgenden Aufsätzen beschrieben: Hottinger und Meindl, "An Ultrasonic Technique for Unambiguous Measurement of Blood Volume Flow"; 174 Ultrasonic Symposium Proceedings, IEEE Cat. No. 74 CHO 896-ISU (Aufsatz von Hottinger et al.); sowie McLeod, "Multichannel Doppler Techniques", veröffentlicht als Kapitel 7 der Proceedings of the International Symposium on Ultrasonics, Janssen, Beerse, Belgien (1973).

Wahlweise kann das empfangene Signal entweder nacheinander mit Hilfe eines einzelnen beweglichen Gatters oder aber parallel mit mehreren Gattern bzw. Blenden oder Kombinationen davon ausgewertet werden. Jede Messung ist repräsentativ für die mittlere Geschwindigkeit durch den abgetasteten Bereich. Ferner kann das empfangene Signal unabhängig davon, ob es von einem beschränkten Bereich oder von einem breiten Berexchsxntervall ausgeblendet (gated) wird, in ein Spektrum von Dopplerfrequenzen umgewandelt werden, deren Mittelwert ein Maß für die Durchschnittsgeschwindig-

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• 41-

keit der Streukomponenten (scatterers) in der 'r-fö-Richtung ist. Wenn die Übertragung und der Empfang durch denselben Umwandler erfolgen,
tragungsrichtung.

Λ. Λ

wandler erfolgen, entspricht die Richtung von T-R der Uber-

AlIe einzelnen, unter Bereichs-Abblendung durchgeführten Geschwindigkeitsmessungen werden mit Hilfe einer Bewertungsfunktion zu einer Durchschnittsgeschwir.digkeitsmessung summiert. Die Bewertungsfunktion ist unter Berücksichtigung der Radargleichung berechnet, d.h., sie berücksichtigt das Strahlungsdiagramm bzw. den Strahlungsverlauf des Umwandlers, die Dämpfungsverluste und die Streumerkmale der reflektierenden Grenzfläche. Herkömmliche Vorrichtungen und Methoden zur Berechnung der Geschwindigkeit eines empfangenen, unter Bereichs-Abblendung erzeugten Impuls-Dopplersignals sind beispielsweise in den vorgenannten US-PSen 3 554 030 und 3 430 625 und im Aufsatz von Jorgensen, Campan, Baker, "Physical Characteristics and Mathematical Modelling of the Pulsed Ultrasonic Flowmeter" (JuIi 1973), Medical and Biological Engineering 404 (Aufsatz von Jorgensen), beschrieben. Im Aufsatz von Jorgensen ist auch die herkömmliche Verwendung einer Bewertungsfunktion zur Summierung der Geschwindigkeitsmessungen zu einer Durchschnittsgeschwindigkeitsmessung beschrieben. Die Abtastungsgeschwindigkeit des Umwandlers muß genügend hoch sein, daß keine spürbare Änderung der Geschwindigkeit während der Meßperiode erfolgt.

Die nächste Stufe der Strömungsmessung ist die Bestimmung eines wirksamen Durchmessers oder einer wirksamen Querschnittsfläche. Bei einer Methode wird die von einem Dopplersignal zurückgekehrte Leistung angewandt. Diese Leistung ist direkt proportional der Größe des abgetasteten Volumens. Wenn der gesamte abgetastete Bereich, über welchem diese Messung vorgenommen wird, größer als die Querschnittsfläche der Leitung ist und die fragliche Leitung einschließt, würde

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man die gesamte ungeeichte Querschnittsfläche bestimmen. Diese Messung kann als einzige Messung oder als Summe von getrennten Messungen vorgenommen werden. Eine herkömmliche Vorrichtung und" Methode zur Durchführung einer Leistungsmessung sind beispielsweise im Aufsatz von Hottinger et al. beschrieben. Die ungeeeichte Fläche ist eine Funktion des Sondenwinkels zur Leitungswand. Diese unkalibrierte Fläche variiert ferner bei verschiedenen Ultraschallumwandlerη. Um die effektive Querschnittsfläche der Leitung zu ermitteln, muß man die ungeeichte Fläche eichen, was nach der folgenden Methode stattfinden kann. Die von einem vollständig innerhalb der Leitung befindlichen bekannten Bereich zurückgekehrte Leistung wird gemessen. Bei der bevorzugten Ausfüh— rungsform erfolgt dies unter Verwendung geschlossener (close-in) Bereichs-Abblendmethoden. Diese Methode erlaubt gleichzeitig die Eichung jedes einzelnen Umwandlers auf die Verstärkung und ergibt die von einem bekannten "Bereich des Fluids reflektierte Leistung. Durch Division der vorgenannten ungeeichten Leistungsfläche durch diesen neuen Faktor erhält man die effektive Querschnittsfläche.

Der effektive Geschwindigkeitsvek-tor und die effektive Oberfläche müssen nicht zwangsläufig orthogonal aufeinander stehen. Wenn sie nicht orthogonal sind, muß der Winkel zwischen den beiden Vektoren bekannt sein, damit das innere bzw. Skalarprodukt bestimmen kann.

Da die effektive Querschnittsfläche bei der bevorzugten Ausführungsform bekannt und orthogonal zu den Umwandlern geeicht ist und der effektive Geschwindigkeitsvektor bekanntlich parallel zu der Achse der Umwandler verlauft, ist die Strömung in der Leitung das Produkt dieser Faktoren, ohne daß irgendwelche anderen Faktoren bekannt sein oder geeicht werden müßten.

Eine zweite Methode zur Bestimmung der Querschnittsfläche

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besteht in der Untersuchung der Wand mit Hilfe mehrerer Sätze von Umwandlern. Herkömmliche Vorrichtungen und Methoden zur Untersuchung (ranging) der Wand sind in den vorgenannten'US-PSen 3 542 014 und 3 554 030 beschrieben. Bei dieser Arbeitsweise können die von der Wand zurückkehrenden Niederfrequenz-Dopplersignale zur Bestimmung der Wandposition verwendet werden. Aus diesen Vektoren kann eine Oberflächenebene mit bekannten Dimensionen gebildet werden. Herkömmliche Vorrichtungen und Methoden zur Bildung einer Oberflächenebene, welche orthogonal auf den Strahlungsverlauf steht, sind in der vorgenannten US-PS 3 888 238 beschrieben. Wenn diese effektive Querschnittsfläche einmal bekannt ist, kann man si'e mit dem effektiven Geschwindigkeitsvektor multiplizieren, wobei man den VoIumendurchsatz bzw. das Strömungsvolumen durch die Leitung erhält. Zur Abtastung der Wand muß eine genügend große Zähl von Umwandlersätzen verwendet werden, wenn es gewünscht ist, irgendwelche ausgeprägte Unregelmäßigkeiten sowie den Abstand der Wand von den Umwandlersätzen zu bestimmen. Sodann kann die Errichtung einer oder mehrerer Ebene(n) aus den Umwandlersätzen erfolgen. Die Winkel, mit welchen die Strahlen ausgesendet und empfangen werden, sind aus der Geometrie der Sonden bekannt. Da die Wand genügend ausgestrahlt wurde, lassen sich die Gefäßform, die Position des Katheters sowie der Querschnitt sämtlich nach bekannten algebraischen und geometrischen Methoden bestimmen, wie es beispielsweise in den vorgenannten US-PSen 3 542 014 und 3 554 030 erläutert wird.

Eine Phasenreihe (phased array) ist ein Mehrfachsatz von Umwandlern, die im Rahmen einer festgelegten Zeitbeziehung derart arbeiten,· daß ein komplexer Umwandler oder Reflektor, eine komplexe Linse oder ein komplexes Feld simuliert wird. Herkömmliche Vorrichtungen und Methoden zur Erzeugung und Anwendung einer Phasenreihe sind in der vorgenannten US-PS 3 827 115 beschrieben. Nach Errichtung des

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Feldes können die Messung der effektiven Geschwindigkeit und der Querschnittsflache sowie die Eichungen in der vorstehend beschriebenen Weise stattfinden.

Eine bevorzugte Ausführungsform zum Einbau des Umwandlers in einen Katheter oder eine Sonde 20 ist in den Fig. 1 , 2 und 3 wiedergegeben. Es sei festgestellt, daß die hier beschriebenen Methoden es nicht erfordern, daß eine der beispielhaften Umwandleranordnungen angewendet wird. Die einzige Anforderung für das Schallfeld besteht darin, daß die Richtungsvektoren nicht parallel verlaufen dürfen. Der Richtungsvektor ist- als die Vektorgröße (T-R) definiert.

Natürlich können alle erwähnten Konzepte außerhalb des Hohlraums (lumens) verwirklicht werden. Man kann Reihen bzw. Sätze von zwei oder mehr Sendern und einem oder mehreren Empfängern oder aber von zwei und mehr Empfängern und einem oder mehreren Sendern verwenden.

Bei Verwendung eines einzelnen umwandlers wird ein bekanntes, einheitliches Ultraschallfeld zur Ausstrahlung des Gesamtquerschnitts der Leitung errichtet. Herkömmliche Vorrichtungen und Methoden zur Erzeugung und Verwendung eines bekannten einheitlichen Ultraschallfeldes sind beispielsweise in den vorgenannten US-PSen 3 888 238 und 4 067 236 sowie im Aufsatz von Hottinger et al. beschrieben. Da der Feldverlauf definiert ist, können Geschwindigkeitsmessungen vorgenommen werden. Die Impulslänge und Abtastperiode werden so gewählt, daß ein auf die Fortpflanzungsrichtung des Schallstrahls senkrechter Abtastbereich gebildet wird. Unter diesen Bedingungen steht die gemessene Geschwindigkeitskomponente überall normal auf die Abtastoberfläche. Die von dieser Oberfläche zurückkehrende Dopplersignalleistung ergibt ein Signal, dessen erstes Moment proportional zur Strömung ist. Herkömmliche Vorrichtungen und Methoden zur Be-

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rechnung des Integrals und des Moments sind beispielsweise in der US-PS 4 067 236 und im Aufsatz von Hottinger et al. beschrieben. Die Eichung wird nach derselben Methode wie vorstehend beschrieben durchgeführt. Vie erwähnt, bezieht sich die "Verwendung eines einzelnen Umwandlers" auf die Erzeugung eines Schallstrahls und nicht zwangsläufig auf nur einen Kristallsender/Empfänger. Offensichtlich verwendet eine Phasenreihe von Umwandlern mehr als einen Umwandler, jedoch wird nur ein einziger Schallstrahl von sämtlichen Umwandlern', die in einer zeitlich abgestimmten Beziehung gemeinsam arbeiten, erzeugt.

Zur Erläuterung wird nun eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß konstruierten Strömungsmessers, welcher die Messung des Blutstroms im Kreislaufsystem eines Patienten unter Verwendung eines intravenösen Katheters gemäß der bevorzugten Ausführungsform gestattet, beschrieben.

Gemäß Fig. 1 beinhaltet der generell das Bezugszeichen 10 aufweisende Strömungsmesser den Katheter 20, in welchem sich der erste und zweite Umwandler 22A bzw. 22B (kollektiv als "Umwandler 22" bezeichnet) zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen befinden, den Generator 30 zur Impulsgabe an die Umwandler 22, den Empfänger 40 zum Empfangen der von den Umwandlern 22 ausgesendeten Signale und den Datenanalysator 50 zur Bestimmung der Blutstromgeschwindigkeit und einer effektiven Querschnittsfläche des Gefäßhohlraums im Meßbereich.

Der Schallwellenverlauf, der von einer mit einem Einkristallumwandler arbeitenden Ausführungsform der Erfindung ausgeht, ist in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht. Der Katheter 20·, welcher einen Einkristallumwandler 22' aufweist, wird innerhalb einer Leitung (wie eines Blutgefäßes) 60 wiedergegeben. Zur beispielhaften Darstellung ist der Katheter 20' in der

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Mitte des Blutgefäßes 60 wiedergegeben und axial mit dem Gefäß ausgerichtet, und der Blutstrom ist in der Richtung des Pfeils 62 dargestellt. Offensichtlich ist die Orientierung des Katheters 20' im Hinblick auf das Blutgefäß und im Hinblick auf den Blutstrom nicht relevant und für die vorliegende Erfindung nicht maßgeblich. Ein bekannter Strahlenverlauf bei der Messung einer. Bezugs-Oberfläche 64, welche ein gänzlich innerhalb des Blutgefäßes 60 angeordnetes bekanntes Volumen und einen Probenbereich 66 einschließt, ist schematisch in Fig. 2 zusammen mit der räumlichen Anordnung der entsprechenden Schallimpulse oder Bereichsgatter an einer Zeitlinie oder einem Zeitkontinuum für den Emissionsimpuls bei 63, für das Bezugsgatter bei 65 und für das Meßgatter bei 67 wiedergegeben. Der effektive Querschnitt, wie vorstehend erläutert, ist bei 68 wiedergegeben.

Die vorgenannte, mit einem einzigen Umwandler arbeitende Methode kann als Spezialfall der vorgenannten allgemeineren Mehrfachumwandlermessung angesehen werden, bei der einer der Umwandler so angeordnet ist, daß er einen Strahl um seine eigene Achse erzeugt. Das resultierende Bereichsabgeblendete Signal variiert mit dem Bereich, wie aus Fig. ersichtlich ist. Das empfangene Signalniveau erhöht sich mit dem Bereich von einem Abstand beginnend bei 0 am Rand des Umwandlers bis "r", dem Abstand zur Leitungswand längs des äußeren Randes des sich ausdehnenden Strahlverlaufs, wenn der divergierende Strahl mehr Strahlkomponenten (scatterers) einschließt. Beim Abstand "r" ist die Leitung gefüllt, und es wird kein weiterer Anstieg festgestellt. Die Kurve ist ein Maß der Strahlfläche innerhalb der Leitung und ergibt bei Multiplikation mit einer Konstante die Fläche an einer auf die Achse der Umwandler senkrechten Ebene. Die effektive Querschnittsfläche für "r" kann da- . durch festgestellt werden, daß man die Fläche unter der Kurve von r bis r_K, wo die Querschnittsfläche des Strahls

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bekannt ist (Strahldivergenzwinkel θ und der Abstand vom

et
Umwandler r = -p- , wobei c = die Geschwindigkeit des Schalls im Medium und t = Zeit von der Emission des Strahls bis zu seinem Empfang), mit der Kurve bei r vergleicht, welche die als bekannt gesuchte Fläche darstellt.

Indem man das Leistungsdichte-Spektrum der empfangenen Leistung im Bereich größer als r ermittelt, kann man den Durchschnittswert der Geschwindigkeit als Durchschnittsfrequenz des Spektrums multipliziert mit einer Eichkonstante (wie in dem vorgenannten allgemeineren Fall) erhalten. Ein zweiter Strahl ist im Falle des Einkristalls nicht erforderlich, da die gemessene Geschwindigkeit überall senkrecht auf die gemessene Querschnittsflache steht.

In den Fig. 5 und 6 ist ein elektrisches Blockbild einer Schaltung dargestellt, welche aus herkömmlichen Komponenten besteht, die die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines Einkristalls ermöglichen. Ein Oszillator 70 erzeugt ein elektrisches Bezugsfrequenzsignal, welches zum Kristall 22' durch einen Sender/ Empfänger-Schalter 72 und einen Impulsformschalter 74 gesandt wird, der durch ein Impulssignal T (vgl. auch Fig.2) von einem Zeitkreis 76 geregelt wird. Der Sender/Empfänger-Schalter 72 ist ein herkömmlicher Schalter, welcher den Kristall 22' alternativ mit dem Senderkreis oder dem Empfängerkreis verbindet. Der Empfängerkreis besteht aus einem Verstärker 78, der mit einem Demodulator 80 verbunden ist, welcher auch als Eingabe das Bezugsfrequenzsignal vom Oszillator 70 empfängt. Die Abgabe vom Demodulator 80 ist das Dopplersignal, welches an zwei parallele Blend-Schalter (gating switches) 82 und 84 gekoppelt ist, die durch die Impulse G₁ und G₂ vom Zeitkreis 76 (vgl. neuerlich Fig. 2) betätigt werden. Der Schalter dient zur Bereichs-Abblendung des wiederkehrenden Signals

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zur Informationsgewinnung von einer Bezugsoberfläche (wie der Oberfläche 64), während der Schalter 84 zur Bereichs-Abblendung des wiederkehrenden Signals zur Informationsgewinnung von einer Meßoberfläche (wie der Oberfläche 66) dient. Die Abgaben beider Schalter 82 und 84 werden durch Tiefpassfilter 86 bzw. 88 mit einem Fließprozessor 90 verbunden. Die Tiefpassfilter 86 und 88 dienen dem herkömmlichen Zweck der Beseitigung des Effekts gesonderter Proben, welche aus der Anwendung von Zeitimpulsen gemäß dem Abtasttheorem (sampling theorem) resultieren.

Ein funktionelles Blockbild des Fließ- bzw. Strömungsprozessors 90 ist in Fig. 6 dargestellt. Die Abgabe des Filters 86, ein Signal S₂» wird einem herkömmlichen Leistungsmesser oder Wattmesser 92 zugeführt. Die Abgabe des Filters 88, ein Signal S₁, wird einem Rechner 94 zur Berechnung des ersten Moments des Signals zugeführt. Die Abgabe des Rechners 94, welcher vorzugsweise ein Analogrechner ist, ist ein Signal, welches proportional ist der Durchschnittsgeschwindigkeit des Fluidstroms mal der Leistung des zurückgekehrten Dopplersignals vom Abtastbereich 66, und wird in einem Teiler 96 durch die Abgabe des Leistungsmessers 92 geteilt. Die Abgabe vom Teiler 96 ist offensichtlich ein Signal, welches dem Volumenstrom des Fluids proportional ist.

Es sei festgestellt, daß die hier beschriebenen Methoden nicht die Verwendung einer der beispielhaften, in der DE-OS 27 03 486 beschriebenen Umwandleranordnungen erfordern.

Aus den vorstehenden Erläuterungen, welche beispielhafte Ausführungsformen betreffen, werden sich dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen und weitere Ausführungsformen erschliessen, welche ebenfalls innerhalb des erfindungsgemäßen Rahjnens liegen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

' 1.) Verfahren zur Bestimmung des Volumenstroms eines Fluids, ~/ welches durch eine Leitung fließt, mit Hilfe eines einzigen Senders/Empfängers, wobei das Fluid energiezerstreuende Grenzflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß man

a) ein definiertes pulsierendes Ultraschallfeld mit einem einzigen sendenden/empfangenden Umwandler erzeugt und überträgt, wobei das Schallfeld einen gesamten Querschnitt der Leitung ausstrahlt,

b) mit Hilfe einer Empfängervorrichtung ein vom übertragenen Schallfeld resultierendes reflektiertes Signal empfängt,

c) die Impulslänge und Abtastperiode (sampling period) des empfangenen Signals so wählt, daß ein Signal von einem abgetasteten Bereich erhalten wird, welcher normal auf die Fortpflanzungsrichtung des übertragenen Schallfeldes steht,

d) ein Dopplersignal vom empfangenen Signal gewinnt,

e) ein bekanntes Volumen des Fluids, welches sich zur Gänze innerhalb der Leitung befindet, mit dem einzigen Sender/Empfänger abtastet und die Leistungsrückgabe eines Dopplersignals von dem Signal erhält, welches vom bekannten Volumen empfangen wird, um einen Eichfaktor zu ermitteln,

f) das erste Moment des vom normalen abgetasteten Bereich empfangenen Dcpplersignals berechnet, und

g) das erste Moment durch den Eichfaktor dividiert und dadurch den Volumenstrom durch die Leitung erhält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ■ sich der Umwandler in der Leitung befindet.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlstufe (c) und die Abtaststufe (e) dasselbe empfangene reflektierte Signal verwenden, jedoch unterschiedliche Bereichs-Gatter verwenden, um das Signal vom abgetasteten Bereich und vom bekannten Volumen zu erhalten.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtaststufe (e) die Abtastung eines bekannten Fluidvolumens durch Bereichs-Abblendung des empfangenen Signals umfaßt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umwandler in eine Kathetersonde eingebaut ist, welche in die Leitung eingeführt wird, und daß das pulsierende Schallfeld in einer auf die Achse der Sonde senkrechten Ebene übertragen wird.
6. Verfahren zur Bestimmung des Volumenstroms eines durch eine Leitung strömenden Fluids unter Verwendung einer Ultraschall-Sender-Empfänger-Einrichtung, wobei das Fluid energiezerstreuende Grenzflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) ein definiertes pulsierendes Ultraschallfeld mit . dem Sender/Empfänger erzeugt und überträgt, wobei das Schallfeld einen gesamten Querschnitt der Leitung ausstrahlt,

b) mit Hilfe einer Empfängervorrichtung ein vom übertragenen Schallfeld resultierendes reflektiertes Signal empfängt,

c) die Impulslänge und Abtastperiode (sampling period) des empfangenen Signals so wählt, daß ein Signal von einem abgetasteten Bereich erhalten wird, welcher normal auf die Fortpflanzungsrichtung des übertragenen

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Schallfeldes steht,

d) ein Dopplersignal vom empfangenen Signal gewinnt,

e) einen zweiten, gesonderten Bereich des Fluids, der sich zur Gänze innerhalb der Leitung, jedoch außerhalb des ersten abgetasteten Bereichs befindet, mit der Sender/Empfänger-Einrichtung abtastet und die Leistungsrückgabe eines Dopplersignals von dem Signal erhält, welches vom zweiten Bereich empfangen wird, um einen Eichfaktor zu ermitteln,

f) das erste Moment des vom ersten abgetasteten Bereich empfangenen Dopplersignals berechnet und

g) das erste Moment durch den Eichfaktor dividiert und dadurch ein Signal erhält, welches dem Volumenstrom durch die Leitung proportional ist.

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