DE3029838C2

DE3029838C2 - Pressure measurement method for gas pressure measurement

Info

Publication number: DE3029838C2
Application number: DE19803029838
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. 8034 Germering Thoma
Original assignee: Apparatebau Gauting GmbH
Current assignee: Apparatebau Gauting GmbH
Priority date: 1980-08-06
Filing date: 1980-08-06
Publication date: 1983-04-14
Also published as: DE3029838A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckmeßverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a pressure measuring method according to the preamble of claim 1.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art werden über eine feste Meßstrecke, die das Gas enthält, dessen Druck zu messen ist, Ultraschall-Impulse übertragen. Aus dem Laufzeitunterschied zwischen den Sendeimpulsen und den Empfangsimpulsen wird dann die Schallausbreitungs-Geschwindigkeit bestimmt, die sich mit dem Gasdruck ändert. Somit stellt die Laufzeit ein Maß für den Druck dar. Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß bei Verwendung kurzer Meßstrecken die Laufzeitänderungen für Druckänderungen sehr gering sind, wie sie beispielsweise zur Höhenmessung, Strömungsgeschwindigkeitsmessung, Variometer-Messung ermittelt werden. Aufgrund der kleinen Laufzeitänderungen ist es in Anbetracht von Impulsform-Toleranzen usw. schwierig, eine ausreichend hohe Meßempfindlichkeit zu erzielen.In a known method of this type are a fixed measuring section that contains the gas, the To measure pressure is to transmit ultrasonic pulses. The difference in transit time between the transmit pulses and the receive pulses then becomes the Determines the speed of sound propagation, which changes with the gas pressure. Thus the runtime sets Measure for the pressure. However, this known method has the disadvantage that, when used, short Measurement sections, the changes in transit time for pressure changes are very small, such as those for Height measurement, flow velocity measurement, variometer measurement can be determined. Due to the In view of pulse shape tolerances, etc., it is difficult to achieve a sufficiently high measurement sensitivity for small changes in transit time.

Grundlegend ist es beispielsweise aus dem Lehrbuch »Physik« von Wilhelm Westphal, 12. Auflage, Berlin 1947, Seite 117 bis 181 bekannt, mit Hilfe stehender Wellen die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in Gasen zu messen. Hierzu wird Schall in das Innere einer mit dem Gas gefüllten, einseitig geschlossenen Röhre (Kundt'sches Rohr) übertragen, in dem sich feines Korkpulver befindet. Wenn sich in der Röhre durch Reflexion am geschlossenen Ende stehende Wellen bilden, sammelt sich das Pulver in den Schwingungsknoten. Durch Messen der Abstände der damit sichtbar gemachten Knoten kann die Wellenlänge und daraus bei bekannter Schallfrequenz die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in dem Gas ermittelt werden. Aus der gemessenen Schallgeschwindigkeit kann das Verhältnis CplCv der spezifischen Wärmen bei konstantem Druck bzw. konstantem Volumen berechnet werden. Fundamentally, it is known, for example, from the textbook "Physics" by Wilhelm Westphal, 12th edition, Berlin 1947, pages 117 to 181, to measure the speed of sound propagation in gases with the aid of standing waves. For this purpose, sound is transmitted into the interior of a tube (Kundt's tube) filled with the gas and closed on one side, in which there is fine cork powder. When standing waves are formed in the tube due to reflection at the closed end, the powder collects in the vibration nodes. By measuring the distances between the nodes made visible in this way, the wavelength and, if the sound frequency is known, the speed of sound propagation in the gas can be determined. The ratio CplCv of the specific heats at constant pressure or constant volume can be calculated from the measured speed of sound.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Druckmeßverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, das sich durch hohe Auflösung hinsichtlich Druckänderungen auszeichnet The invention is based on the object of creating a pressure measuring method according to the preamble of claim 1, which is characterized by high resolution with regard to pressure changes

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst.This object is achieved according to the invention with those mentioned in the characterizing part of claim 1 Measures resolved.

Somit wird der Umstand genutzt, daß sich bei kontinuierlicher Schall-Beschickung der Meßstrecke in Resonanzbereichen, nämlich in Bereichen nahe von Stellen, die von dem jeweiligen Sender um ganzzahligeThis makes use of the fact that, with continuous sound loading of the measuring section in Resonance areas, namely in areas close to points that are determined by the respective transmitter by integer

ίο Vielfache der halben Wellenlänge entfernt sind, gegenüber der Ursprungswelle Phasendifferenzen ergeben, die schon bei kleinen Druckänderungen große Änderungen zeigen. Derartige Phasenunterschiede der kontinuierlichen Wellenzüge können selbst für kleineίο multiples of half the wavelength are away, phase differences result compared to the original wave, which are large even with small changes in pressure Show changes. Such phase differences of the continuous wave trains can even for small

is Druckänderungen mit hoher Genauigkeit gemessen werden, so daß die Meßempfindlichkeit des Verfahrens hoch istis pressure changes measured with high accuracy so that the measurement sensitivity of the method is high

Eine vorteilhafte Art der Messung der Phasendifferenz besteht darin, die Phasendifferenz durch ÄndernAn advantageous way of measuring the phase difference is to change the phase difference der Erreger-Frequenz auf einen festen Wert zu regeln und dann das Regelungsergebnis, nämlich die Frequenz als Maß für den Druck heranzuziehen. Dies hat den Vorteil, daß an den Sendern und Empfängern jeweils immer die gleichen Arbeitsbedingungen herrschen, soto regulate the excitation frequency to a fixed value and then the control result, namely the frequency to be used as a measure of the pressure. This has the advantage that at the senders and receivers respectively always the same working conditions prevail, so daß inhärente Phasen-Fehler immer selbsttätig kompensiert werden. Durch geeignete Wahl des festen Phasendifferenz-Werts kann auch der Arbeitspunkt an der Phasendifferenz-Kurve optimal festgelegt werden. Die Phasendifferenz zeigt um den Resonanzpunktthat inherent phase errors are always automatically compensated. By appropriate choice of the fixed Phase difference value, the operating point on the phase difference curve can also be optimally determined. The phase difference points around the resonance point herum ein lineares oder nahezu lineares Verhalten, während sie anschließend daran zunehmend stärker von dieser Linearität abweicht Dies kann vorteilhaft dazu genutzt werden, den Zusammenhang zwischen dem Gasdruck und der auf demselben beruhenden gemessearound a linear or almost linear behavior, while it then deviates increasingly more from this linearity. This can be advantageous used, the relationship between the gas pressure and the measured based on the same nen Phasendifferenz in gewünschter Weise zu wählen. Beispielsweise ist es auf diese Weise möglich, bei Höhenmessungen zur Variometer-Messung einen Linear-Bereich mit hohem Auflösungsvermögen heranzuziehen oder aber bei geringen und damit kritischen HöhenNen phase difference to be selected in the desired manner. For example, it is possible in this way to use a linear range with a high resolution for height measurements for the variometer measurement, or at low and therefore critical heights linear mit hoher Auflösung und bei großen Höhen mit geringerer Auflösung zu messen, um damit eine Skalendehnung und -komprimierung herbeizuführen. Ebenso ist möglich, die einer Wurzelfunktion ähnliche Nichtlinearität zur Steigerung der Meßgenauigkeit beilinear with high resolution and at high altitudes with lower resolution to measure a Bring about scale expansion and compression. It is also possible to have a function similar to a root Non-linearity to increase the measurement accuracy zunehmender Höhe zu nutzen.to use increasing height.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. F i g. 1 ist ein Diagramm, das die WellenausbreitungThe invention is explained below on the basis of exemplary embodiments with reference to FIG Drawing explained in more detail. F i g. 1 is a graph showing wave propagation längs einer Meßstrecke veranschaulicht.illustrated along a measuring section.

F i g. 2 ist ein Diagramm, das die Phasendifferenz von Wellen bezüglich einer Erregerwelle im Verlauf längs der Meßstrecke veranschaulicht. F i g. 2 is a diagram illustrating the phase difference of waves with respect to an excitation wave in the course along the measuring path.

Fig.3 zeigt eine Ausführungsform für den Meßaufbau zur Durchführung des Druckmeßverfahrens.FIG. 3 shows an embodiment for the measuring structure for carrying out the pressure measuring method.

Fig.4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Meßanordnung zur Durchführung des Druckmeßverfahrens. FIG. 4 shows a second embodiment of the measuring arrangement for carrying out the pressure measuring method.

F i g. 5 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen einer variablen Erregerfrequenz und der Phasendifferenz an einer bestimmten Meßstelle zeigt.F i g. 5 shows a diagram showing the relationship between a variable excitation frequency and the Shows phase difference at a certain measuring point.

Fig.6 ist ein Diagramm, das bei dem MeßaufbauFig. 6 is a diagram used in the measurement setup

nach F i g. 4 erzielbare Druck/Frequenz-Kurven zeigt.according to FIG. 4 shows achievable pressure / frequency curves.

Zunächst wird das Prinzip des Druckmeßverfahrens erläutert. Wenn sich in einer Meßstrecke, die homogen mit Gas oder Luft gefüllt ist, eine ebene Welie ausbreitet, für die Voraussetzung ist, daß die Abmessungen des Schallsenders größer als die Wellenlänge ist,First, the principle of the pressure measuring method will be explained. If in a measuring section that is homogeneous is filled with gas or air, a flat Welie spreads out, for the prerequisite is that the dimensions of the sound transmitter is greater than the wavelength,

nimmt die Amplitude A längs des zurückgelegten Wegs χ gemäß der Darstellung in F i g. 1 nach folgendem Exponentialgesetz ab:takes the amplitude A along the distance covered χ as shown in FIG. 1 according to the following exponential law:

A = Aoe-^eC"--" (1) A = Aoe- ^ eC "-" (1)

wobei A₀ die Amplitude an der Sendestelle ist, <x ein Absorptionskoeffizient ist, JS: der Betrag des Wellenvektors ist, ω die Kreisfrequenz ist und t die Zeit istwhere A _{0 is} the amplitude at the transmission point, <x is an absorption coefficient, JS: is the magnitude of the wave vector, ω is the angular frequency and t is the time

Dabei hat die Phasendifferenz <p zwischen der Welle am Ausgangspunkt und der Welle, die einen bestimmten >° Weg χ zurückgelegt hat, den in der F i g. 2 gezeigten Verlauf. In der F i g. 2 stellt die ausgezogene Linie den Verlauf bei einem bestimmten Druck dar, während die gestrichelte Linie den Verlauf bei einem geringeren Druck darstellt Wie daraus ersichtlich ist ergeben sich in den Resonanzbereichen, nämlich in den Bereichen, an denen der zurückgelegte Weg χ gleich ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge λ ist auf einer kurzen Wegstrecke große Phasendifferenz-Änderungen um 180". Die Neigung dieser Phasendiiierenz-Änderungen bezüglich des Wegs ändert sich dabei in Abhängigkeit von Druck. Dieser Umstand wird bei den Druckmeßverfahren in der Weise genutzt daß die sich mit dem Druck ändernde Phasendifferenz gemessen wird.The phase difference <p between the wave at the starting point and the wave that has covered a certain> ° distance χ has the value shown in FIG. 2 course. In FIG. 2, the solid line represents the curve at a particular pressure, while the dashed line represents the profile at a lower pressure, as created, namely in the areas where the distance traveled χ is apparent resulting in the resonance areas equal to integral multiples of half the Wavelength λ is large phase difference changes of 180 "over a short distance. The inclination of these phase difference changes with respect to the path changes as a function of pressure is measured.

Die Fig.3 zeigt eine erste Meßanordnung zur Messung der Phasendifferenz. Hierbei wird in einer mit dem Meßgas gefüllten Meßstrecke 1 von einem Schallsender 2 eine ebene Welle abgegeben, die im Resonanzbereich mittels eines Schallempfängers 3 empfangen wird. Der Schallsender 2 wird mittels eines Generators 4 gespeist Das Ausgangssignal des Schallempfängers 3 liegt an einem Eingang eines Phasendiskriminators 5 an, der an seinem zweiten Eingang von dem Generator 4 ein Phasenbezugssignal *⁵ erhält und aus seinen beiden Eingangssignalen ein Ausgangssignal abgibt das die Phasendifferenz derselben mittels eines schematisch dargestellten Meßgeräts 7 angezeigt bzw. ausgewertet wird. Sobald sich in der Meßstrecke 1 der Gasdruck ändert, ändert sich auch die Phasendifferenz zwischen dem Erregungssignal und dem Empfangssignal, was von dem Phasendetektor 5 als Ausgangssignal-Änderung erfaßt wird. Der Arbeitspunkt d. h. ein geeigneter Phasenbezugswert wird über die Zuordnung der Frequenz zur Meßstreckenlänge eingestellt3 shows a first measuring arrangement for measuring the phase difference. In this case, a sound transmitter 2 emits a plane wave in a measuring section 1 filled with the measuring gas, which plane wave is received in the resonance range by means of a sound receiver 3. The sound transmitter 2 is fed by means of a generator 4. The output signal of the sound receiver 3 is applied to an input of a phase discriminator 5, which ^{receives a phase reference signal * 5} at its second input from the generator 4 and emits an output signal from its two input signals that shows the phase difference of the same by means of a schematically illustrated measuring device 7 is displayed or evaluated. As soon as the gas pressure changes in the measuring section 1, the phase difference between the excitation signal and the received signal also changes, which is detected by the phase detector 5 as a change in the output signal. The operating point, ie a suitable phase reference value, is set by assigning the frequency to the length of the measuring path

Ein weiterer Meßaufbau zur indirekten Messung der Phasendifferenz ist in der Fig.4 gezeigt. Bei diesem Meßaufbau wird die Phasendifferenz durch Änderung der Erregerfrequenz auf einen festsn Wert geregelt wonach das Ausmaß dieser Regelung dadurch erfaßt wird, daß die Frequenz gemessen wird. Bei diesem Aufbau erzeugt in der Meßstrecke 1 der Schallsender 2 eine stehende Welle, die an dem Schallempfänger 3 immer die gleiche Phasenlage hat, weil mittels des Phasendetektors 5 die Frequenz des Generators 4 nachgeregelt wird. Bei dieser Ausführungsform wird die Regelspannung als Meßwert in dem Meßwerk 7 angezeigt und ausgewertet Die Arbeitspunktfestlegung wird über einen Vorspannungsregler 6 vorgenommen.Another measurement setup for indirect measurement of the phase difference is shown in FIG. In this measurement setup, the phase difference is controlled by changing the excitation frequency to a fixed value, after which the extent of this control is detected by measuring the frequency. In this construction, the sound transmitter 2 generates a standing wave in the measuring section 1, which always has the same phase position at the sound receiver 3 because the frequency of the generator 4 is readjusted by means of the phase detector 5. In this embodiment, the control voltage is displayed and evaluated as a measured value in the measuring unit 7.

Bei diesem Meßaufbau gemäß Fig.4 bestehen an dem Empfänger 3 immer die gleichen Empfangsbedingungen hinsichtlich der Phase. Damit besteht immer ein feststehender Zusammenhang zur Lage eines Resonanzpunkts. Da damit die Amplitude der ebenen Welle im wesentlichen nur noch von dem Absorptionskoeffizienten α abhängt der von der Dichte des Gases abhängig ist kann dieser Umstand vorteilhaft dazu genutzt werden, eine Dichteänderung des Gases zu kompensieren oder anzuzeigen.In this measurement setup according to FIG the receiver 3 always the same reception conditions in terms of phase. So there is always a fixed relationship to the position of a resonance point. Since the amplitude of the plane wave im essentially only depends on the absorption coefficient α, which depends on the density of the gas This fact can be used advantageously to compensate for a change in density of the gas or display.

Demnach wird das Eingangssignal der Meßstrecke 1 mit dem Ausgangssignal derselben in einem Wandler verglichen, der ihren Amplitudenunterschied erfaßt und daraus ein Signal ableitet, das als Maß für den Absorptionskoeffizienten und damit die Gasdichte dient Dieses Signal kann dann an dem Meßwerk 7 angezeigt oder zu einer Kompensation bzw. Korrektur verwendet werden.Accordingly, the input signal of the measuring section 1 is combined with the output signal of the same in a converter compared, which detects their amplitude difference and derives a signal from it that is used as a measure of the The absorption coefficient and thus the gas density is used. This signal can then be transmitted to the measuring mechanism 7 displayed or used for a compensation or correction.

Die F i g. 5 zeigt schematisch die Phasendifferenz ais Funktion der Erregerfrequenz / bei verschiedenen Gasdrücken, für die die Kurven jeweils als ausgezogene Linie, gestrichelte Linie und strichpunktierte Linie aufgetragen sind. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, besteht bei einer bestimmten festgelegten Phasendifferenz φ₀ ein Zusammenhang zwischen dem Druck und der Erregerfrequenz f, so daß daher durch Messen der Frequenz der Druck bestimmt werden kann. Dabei sind je nach Wahl der Grundphasendifferenz qp₀ die in F i g. 6 gezeigten Funktionsbeziehungen zwischen der Erregerfrequenz fund dem Gasdruck ρ erzielbar. Somit können je nach dem Anwendungsfall bzw. der beabsichtigten Auswertung der Meßergebnisse die erwünschten Kennlinien gewählt werden, also beispielsweise Wurzelfunktion-Kennlinien oder lineare Kennlinien. Ferner kann damit auch, wie es durch die gestrichelten Linien dargestellt ist, die Empfindlichkeit bzw. das Auflösungsvermögen bei dem Druckmeßverfahren gewählt werden. The F i g. 5 shows schematically the phase difference as a function of the excitation frequency / at different gas pressures, for which the curves are each plotted as a solid line, dashed line and dash-dotted line. As can be seen from this figure, at a certain fixed phase difference φ _{0 there is} a relationship between the pressure and the excitation frequency f, so that the pressure can therefore be determined by measuring the frequency. Depending on the choice of the basic phase difference qp _0, those in FIG. 6 shown functional relationships between the excitation frequency and the gas pressure ρ can be achieved. Thus, depending on the application or the intended evaluation of the measurement results, the desired characteristics can be selected, for example, root function characteristics or linear characteristics. Furthermore, as shown by the dashed lines, the sensitivity or the resolving power can be selected in the pressure measuring method.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Druckmeßverfahren zur Ermittlung von Gasdruck über die Druckabhängigkeit der Schallausbreitung in einer Meßstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßstrecke im Resonanzbereich von durch Reflektion einer ebenen Schallwelle erzeugten stehenden Welle die Phasendifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangssignal gemessen wird1. Pressure measuring method for determining gas pressure on the pressure dependence of the sound propagation in a measuring section, characterized in that in the measuring section im Resonance range of a standing wave generated by reflecting a plane sound wave, the phase difference between the input and output signal is measured

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch^ gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz durch Änderung der Frequenz auf einen festen Wert geregelt wird und die Frequenz als Maß für den Druck genommen wird.2. The method according to claim 1, characterized ^ characterized in that the phase difference by change the frequency is regulated to a fixed value and the frequency is taken as a measure of the pressure will.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz in dem unmittelbar um den Resonanzpunkt liegenden linearen oder im wesentlichen linearen Phasenänderungsbereich als Maß für den Druck genommen wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the phase difference in the Linear or essentially linear phase change range immediately around the resonance point is taken as a measure of the pressure will.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz in dem sich an dem linearen oder im wesentlichen linearen Phasenänderungsbereich nahe des Resonanzpunkts anschließenden nicht linearen Bereich als Maß für den Druck genommen wird.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the phase difference in which at the linear or substantially linear phase change region near the resonance point subsequent non-linear area is taken as a measure of the pressure.