DE3036376A1 - Stroemungsgeschwindigkeitsmesser fuer gase und fluessigkeiten - Google Patents

Stroemungsgeschwindigkeitsmesser fuer gase und fluessigkeiten

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DE3036376A1 DE19803036376 DE3036376A DE3036376A1 DE 3036376 A1 DE3036376 A1 DE 3036376A1 DE 19803036376 DE19803036376 DE 19803036376 DE 3036376 A DE3036376 A DE 3036376A DE 3036376 A1 DE3036376 A1 DE 3036376A1
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    • G01P5/24Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave

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Description

  • Strömungsgeschwindigkeitsmesr für Gase und
  • Flüssigkeiten Die Erfindung bezieht sich auf einen Strömungsgeschwindigkeitsmesser für Gase und Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Strömungsgeschwindigkeitsmesser, die mit Ultraschall arbeiten, haben den Vorteil, daß keine-rlei Meßmittel in der Meßstrecke einz Störung der Strömung, einen Druckabfall oder eine Veäderung der Meßmittel bewirken können.
  • Bei Ultraschall-Strömungsgeschwindigkeitsmessern, die nach der Laufzeitmeßmethode arbeiten, sind jedoch im allgemeinen die zu kleine Auflösung (1 °/0 bis 5 %) und der große notwendige Rohrdurchmesser der Meßstrecke nachteilig. Durch die gerade noch mögliche Erfassung der Laufzeit der Ultrachallimpulse bedingt ergeben sich minimale Rohrdurchmusser von etwa 30 mm und hohe nötige Durchflußmengen.
  • Ultraschall-Strömungsgeschwindigkeitsmesser, die nach dem Ultraschall-Dopplerverfahrerl arbeiten, weisen noch einen zusätzlichen Nachteil auf: Einwandfreie Messungen sind nur dann gewährleistet, wenn genügend Schallstrahler (Gaseinschlüsse oder Schmutz- bzw.
  • Festteilchen) in dem strömenden Medium vorhanden sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen StrömunRsgeschwindi gkeitsmcsser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, der ein hohes Auflösungsvermögen auch bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten und geringen Rohrdurchmessern aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird also d;e Erscheinung ausgenutzt, daß die das Interferenzmuter erzeugenden Wellen in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Richtung durch die Strömung des Mediums eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung ihrer Wellenlänge erfahren und dadurch das Interferenzmuster in Strömungsrichtung verändert, beispielsweise verdreht bzw. gekippt wird. Die Veränderung des Interferenzmusters durch die Strömung des Mediums ist bereits bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten ausreichend groß und kann daher leicht mit hoher Genauigkeit erfaßt werden. Aus diesem Grunde kann der Abstand zwischen Geber und Aufnehmer klein gewählt werden, so daß in Rohren kleineren Durchmessers als nach aer Laufzeitmethode gemessen werden kann. Darüberhinaus kan aus der Richtung der Veränderung des Interferenzmusters die Strömungsrichtung bestimmt werden.
  • Der Patentanspruch 2 kennzeichnet eine vorteilhafte Anordnung, bei der die Strömungsgeschwindigkeit aus der Verkippung bzw. Verdrehung eines von zwei Ultraschallsendern erzeugten Interferenzmusters mit Hilfe eines Ultraschallempfängers ermittelt wird.
  • Eine einfache Geschwindigkeitsmessung ergibt sich gemäß Patentanspruch 3 dadurch, daß die am Ort des Ultraschailempfängers gemessene Atiplitude mit der Amplitude bei ruhendem Medium (v=0) verglichen und aus dem Amplitudenverhältnis die Strönungsgeschwindigkeit errechnet wird. Eine Änderung der Intensität der Sender und der Empfindlichkeit des Empfängers beeinträchtigt allerdings die Genauigkeit dieser Messung.
  • Eine höhere Meßgenauigkeit läßt sich gemäß Patentanspruch 4 erzielen. Durch Wahl uriterschiedlicher Frequenzen qe und 4>0 +&? der beiden Ultraschalisender sieht der Ultraschall empfänger eine Ultraschallwelle der Grundfrequenz, deren Amplitude zeitlich moduliert ist. Die Phasenlage dieser Schwebung ändert sich strörnungsgeschwindigkeitsabhangig und kann daher zur Geschwindigkeitsbestimmung herangezogen werden.
  • Dabei besteht naturgemäß keine Abhängigkeit von den Amplituden der Sender und der Empfindlichkeit des Empfängers.
  • Vorteilhaft wird die Phasenlage der Schwebung gemäß Paterltanspruch 5 dadurch erfaßt, daß man der strömurlgsgeschwirldigkeitsbedirlgterl Verdrehung bzw.
  • Verkippung des Interferenzmusters durch eine Änderung der Frequenz des einen der beiden Ultraschallsender entgegenwirkt und die Verkippung rückgängig macht. Aus der hierfür erforderlichen Frequeiizverschiebung S zur kann dann die Strömungsgeschwindigkeit sehr genau ermittelt werden. Es kann mit einer Auflösung von unter 1 kts gemessen werden. Dient der Gebchwindigkeitsmesser zur Bestimmung der Fahrtgeschwindigkeit, ist eine Ansprechempfindlichk.eit von 0,05 m/s bzw. 0,1 kts möglich.
  • Bekanntlich führt eine Temperaturänderung des Strömungsmediums zu einer Änderung der Schallgeschwindigkeit im Medium, die in die sich verändernde Phasenlage der Schwebung der vom Ultrashallempfänger erfaßten Ultraschallwelle eingeht. Um diesen Einfluß zu eliminieren, ist gemäß Patentanspruch 6 ein zweiter Ultraschallempfänger in der Verdrehachse des Interferenzmusters angeordnet, der unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit v stets eine konstante Phasenlage sieht. Durch Verknüpfung des Signals dieses zweiten Uitraschallempfängers mit dem Signal des ersten Ultraschallempfängers läßt sich der Einfluß der Schallgeschwindigkeit auf das Signal des ersten Ultraschallempfängers vollständig eliminieren. Auch diese Maßnahme erhöht die Meßgenauigkeit.
  • Der gemäß Anspruch 9 vorgesehene Taktgeber dient Synchronisationszwecken, da die zu erfassenden Phasenbeziehungen nicht beliebig länge konstant bleiben, vielmehr nach einigen Perioden verlorengehen.
  • Der erfindungsgemäße StrömungsgeschwindigkeitS-messer kann außer zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung von Gasen oder Flüssigkeiten auch zur Durchflußmessung und zur Fahrtgeschwindigkeitsbestimmung herangezogen werden. Besonders günstig wirkt sich hierbei aus, daß mi t dem erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeitsmesser auch niedrige Geschwindigkeiten bestimmt werden.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 den mechanischen und den elektronischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeitsmessers bei Anwendung in der Durchflußmessung und Fig. 2 das interferenzmuster bei ruhendem und bei sich bewegendem Strömungsmedium.
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein Rohr 1 mit einem Durchmesser D , durch das ein Medium, beispielsweise ein Gas, strömt. In dem Rohr 1 ist ein Koordinatensystem eingezeichnet, dessen z-Achse in der Rohrachse liegt und auf das die im folgenden abgeleiteten Gleichungen sowie die Ortsangaben bezogen sind.
  • An der Wand des Rohrs 1 sind zwei Ultraschallsender US1 und US2 an den Punkten (x=-D/2; Y=O; z=+L/2) bzw. (-D/2; 0; -L/2) angebracht. Die Abstrahlrichtungen der beiden Ultraschallsender schließen einen Winkel e ein, d.h. der Sender US1 strahlt Ultraschallwellen unter einem Winkel (900 - /2) entgegen der Strömungsrichtung ab und der Sender US2 Ultraschallwellen unter einem Winkel von (900 + s /2) iri Strömungsrichtung.
  • Ein erster Ultraschallempfänger UE1 ist an der gegenüberliegenden Rohrwand in der Symmetrielinie der beiden Ultraschallsender, d.h. im Punkt (D/2; 0; 0) angebracht. Zwischen dem Abstand L-der beiden Ultra- schallsender US1 und US2, dem zwischen den Abstrahlrichtungen eingeschlossenen Winkel & und dem Abstand D des Ultraschall empfängers UE1 von der Verbindungslinie der beiden Ultraschallsender besteht also folgende Beziehung: tan 0/2= L/D.
  • Wenn der erste Ultraschallsender US1 mit- einer festen Frequenz &> U O angesteuert wird und der zweite Ultraschallsender US2 mit einer Frequenz S O+ #W , so sieht der Ultraschallempfänger UE1 die Welle: Darin sind k der Wellenvektor der von dem Ultraschallsender US1 ausgestrahlten ebenen Wellen und a k die Differenz der Wellenvektoren der von den Ultraschallsendern US1 und US2 ausgestrahlten ebenen Wellen.
  • r ist der Radiusvektor am Ort des Ultrnschallempfängers UE1, während ßein Dämpfungsmaß ist. Die Gleichung (1) stellt eine ebene Welle der abgestrahlten Frequenz Wo dar1 deren Amplitude zeitlich moduliert ist (Schwebung). Man erkennt ohne weiteres, daß bei #W =o keine Amplitudenmodulation stattfindet. In Fig. 2 sind die Ultraschallwellen der beiden Ultraschallsender im Fall der Einspeisung beider Sender mit übereinstimmender Frequenz und bei ruhendem Medium gestrichelt dargestellt. Aus den Schnittpunkten der gestrichelten Linien ergibt sich das strichpunktiert gezeichnete Interferenzmuster A. Der Abstand der Interferenzlinierl ist durch die benützte Wellenlänge A gegeben durch: Df= #/2sin#/2 . Durch das Fließen des Mediums durch die Meßstrecke mit der Geschwindigkeit v wird aufgrund des Dopplereffekts das Interfererizmuster um den Winkel o( verdrt, wie dies in Fig. 2 mit durchgehenden Linien B dargestellt ist und zwar entsteht dieses aufgrund der mit durchgehenden Linien gezeichneten Ultraschallwellen, deren Wellenirnge durch das Fließen des Mediums verändert wird. Während die- Wellenlänge der Ultraschallwellen des Senders US1 verringert wird, wird die Wellenlänge der Ultraschallwellen des Senders US2 vergrößert.
  • Es besteht also eine erste Möglichkeit der Messung der Geschwindigkeit v darin, daß bei Einspeisung beider Ultraschallsender US1 und US2 mit der Frequenz (d.h. #W =0) eine Amplitudenmessurlg stattfindet und die bei ruhendem Medium gemessene Amplitude mit der bei bewegtem Medium gemessenen Amplitude verglichen wird. Aus dem Verhältnis beider Amplitudenwerte läßt sich die Geschwindigkeit ohne weiteres ermitteln.
  • Die Gieichung<1) zeigt weiter, daß dann, wenn der eine der beiden Ultraschallserider mit einer abweichenden Frequenz S0 +»O arbeitet, die vom Ultraschallempfänger erfaßte Amplitude zeitlich moduliert wird Jund daß diese Schwebung ihre Phasenlage ändert, wenn das Medium strömt, da dann ein u K auftritt. Das strömungsgeschwindigkeitsabhängige Drehen des Interferenzmuster wird am Empfänger UE1 also als Phasenverschiebung registriert, deren Größe sich zu ergibt. Eine zweite Möglichkeit der Messung der Strömungsgeschwindigkeit besteht also darin, eine Frequenzabweichung der Ultraschallwellen der beiden Sender vorzusehen, so daß eine Schwebung auftritt, die Phasenlage dieser Schwebung bei ruhendem Medium (v - O) und bei strömendem Medium zu erfassen und die Phasendifferenz zu ermitteln, die proportional der Geschwindigkeit v ist.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird nachstehend eine Schaltung erläutert, mit der eine Phasenmessung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit durchführbar ist.
  • Ein Oszillator 2 steuert den ersten Ultraschallsender US1 mit einer festen Frequenz Wo an. Der zweite Ultraschallsender US2 wird von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCo) 3 mit einer variablen Frequenz w0 + a ç angesteuert. Der Ultraschallempfänger UE1 beaufschlagt den einen Eingang eines Multiplizierers 4, an dessenariderem Eingang der Oszillator 2 angeschlossen ist. Dem Multiplizierer 4 ist ein Tiefpaß 5 nachgeschaltet, der seinerseits mit dem einen Eingang eines Phasendetektors 6 in Verbindung steht. An diesem Eingang des Phasendetektors 6 wird also ein Signal mit der Schwebefrequenz »4o erhalteii, dessen Phasenlage sich mit der Geschwindigkeit v ändert. An den andern Eingang des Phasendetektors 6 ist über einen Tiefpaß 7 das Ausgangssignal eines Multiplizierers 8 gelegt, dessen Eingänge von den beiden Oszillatoren 2 und 3 gespeist werden. An dem andern Eingang des Phasendetektors 6 liegt also ein Bezugssignal ebenfalls mit der Schwebefrequenz aS an, dessen Phasenlage nicht durch die Meßstrecke beeinflußt wird.
  • Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist folgende: Bei ruhendem Medium stellt der Phasendetektor 6 eine bestimmte Phasendifferenz zwischen dem Signal vom Ultraschallempfänger UE1 und dem Bezugssignal fest, die beide die Schwebefrequenz dk/ U aufweisen. Der Phasendetektor 6 ist so Justiert, daß sein Ausgangssignal bei dieser Phasendifferenz für v = 0 ebenfalls 0 ist. Setzt nunmehr eine Strömung des, Mediums mit der Geschwindigkeit v ein, so erfaßt der Phasendetektor 6 eine entsprechend höhere Phasendifferenz f 1(v), wodurch sein Ausgangssignal, das das Eingangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 3 darstellt, erhöht wird. Entsprechend der Erhöhung seines Eingangssignals erhöht der spannungsgesteuerte Oszillator 3 seine Ausgangsfrequenz W O+ as (v), so daß die Schwebungsfrequenz bzw es erhöht wird Infolge der Erhöhung der Schwebungsfrequenz A) sinkt die vom Phasendetektor 6 gesehene Phasendifferenz. Dieser Phasendetektor 6 erhöht nun solange sein Ausgangssignal mit der damit verbundenen Erhöhung der Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 3, bis die Schwebefrequenz #W W einen Wert erreicht hat, bei dem der Phasendetektor 6 wider die bei v = 0 gesehene Phasendi fferenz seiner beiden Eingangssignale sieht.
  • Ist dieser Gleichgewichtszustand~erreicht, sind sowohl das Ausgangssignal des Ph;.-eneetektors 6 als auch die Schwebefrequenz o # ein Maß für die Geschwindigkeit v.
  • Aus diesem Grunde kann das Ausgangssignal des Phasendetektors 6 als Arialogausgang 17 der Schaltung verwendet werden, während die Verbindung zwischen dem Tiefpaß 7 und dem anderen Eingang des Phasendetektors 6, an der das Bezugssignal mit der Frequenz #W ansteht, als Digitalausgang 16 der Schaltung benutz.t w.erden kann.
  • Hieraus wird deutlich, daß der Phasendetektor 6 der spannungsgesteuerte Oszillator 3 und die Meßstrecke einen Phasenregelkreis bilden, der sicherstellt, daß die Schwebefrequenz d stets so eingeht stellt wird, daß der Phasendetektor 6 dieselben Phasen- differenz seiner Eingangssignale sieht. Es kann praktisch davon gesprochen werden, daß der spannungsgesteuerte Oszillator 3 eine zur Strömungsgeschwindigkeit proportional erhöhte Frequenz wg+Ow (v) für den zweiten Ultraschallsender US2 erzeugt, welche der Verdrehung der Interferenzilnien entgegenwirkt. Daher kann auch aus dem Vorzeichen des Ausgangssignals des Phasendetektors 6 bzw. daraus, ob die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 3 mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit steigt oder sinkt auf die Strömungsrichtung geschlossen werden.
  • Ein Taktgeber 14 öffnet und schließt mit einer Periodendauer in einer Größenordnung von Millisekunden einen Schalter 15, der den Oszil1(1tor 2 mit der restlichen Schaltung verbindet. Ferner triggert der Taktgeber 14 eine Abfrage/Halte-Schaltung 13, die in die Verbindung -zwischen Phasendetektor 6 und spannungsgesteuerten Oszillator 3 eingeschaltet ist. Diese Maßnahme dient der Aufrechterhaltun der zu erfassenden Phasenbeziehungen, , die andernfalls nach einigen Perioden verlorengehen.
  • Außerdem zeigt Fig. 1 einen zweiten Ultraschallempfänger UE2 im Punkt (O; D/2; D/2), der ebenfalls im Punkt (O; D/2; -D/2) angeordnet werden könnte, und der darnit in einer Drehachse des Interferenzmusters angeordnet ist. Aus diesem Grunde sieht dieser zweite Ultraschallempfänger UE eine konstante Phasenlage Aus der von dem Ultraschallempfänger UE2 registrierten konstanten Phasenlage rz läßt sich daher die Schallgeschwindigkeit ermitteln, die in der Gleichung (2) steht. Das Ausgangssignal des zweiten Ultraschallempfänges UE2 wird von einem Multiplizierer 9 mit dem Ausgangssignal des Oszillators 2 multipliziert. Das Ausgangsslgna dieses t4ultiplizierers 9 wiederum wird über einen Tiefpaß 10 an den einen Eingang eines zweiten Phasondetektors 11 gelegt, an desserl zweiten Eingang das Bezugssignal vom Tiefpaß 7 ansteht. Die Ausgangssignale der beiden Phasendetektoren 6 und 11, die den jeweiligerl Phasenlagen bzw.
  • Phasendiffererizen am Ort der Ultraschallempfänger UE1 und UE2 entsprechen werden von elriem Multiplizierer 12 miteinander multipliziert. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß die wahre Schallgeschwindigkeit in das Eingangssignal des Oszillators 3 eingeht und nicht eine konstante Größe, so daß keine Verfälschung des Meßergebnisses durch eine Änderung der Schallgeschwin digkeit c des Mediums aufgrund von Temperaturänderungen auftreten kann. An dem Digitalausgang 16 bzw. dem Analogausgang 17 kann die Strömungsgeschwindigkeit v daher mit hoher Genauigkeit entnonmen werden.
  • Leerseite

Claims (1)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Strömungsgeschwindigkeitsmesser für Gase und Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Interferenzmustergeber (US1, US2) ein Interferenzmuster in dern strömenden :ledium erzeugt, und daß ein Interferenzmusteraufnehmer (UE1) die Veränderung des Interferenzmusters aufgrur.d der Strömungsgeschwindigkeit v erfaßt.
    2, Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichret, daß der Interferenzmustergeber aus zwei in Strömungsrchtung auf Abstand hinereinander angeordneten Ultrasch@llsendern (US1, US2) besteht, von denen der erste (US1) Uitraschallweilen unter einem Winkel (900 -0/2) entgegen der Strömungsrichtung und der zweite (US2) Ultraschallwelle unter einem Winkel von (900 + /2) i:i Strömungsrichtung abstrahlt, und daß der Interfezenzmusteraufnehmer ein auf der Symmetrielinie der beizen Ultraschallsender angebrachter Ultraschallempfänger (UE1) ist, der die durch die Strömungsgeschwindigkeit v verursachte Verdrehung des Interferenzmusters der beiden Ultraschallwellenfelder um den Winkel α erfaßt.
    3. strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ultraschallsender Ultraschailwellen derselben Frequenz aussenden und die geschwindigkeitsbedingte Verdrehung des Interferenzmusters durch Erfassen der Änderung der vom Ultraschallempfänger gemessenen Uitraschallamplitude ermittelt wird.
    4. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (wo +Aw) eines Ultraschallsenders (US2 von der Frequenz (wo) des anderen (US1) abweichr und eine dem Ultraschallempfänger (UE1) nachgeschaltete Signalverarbeitungsschaltung die Phasenverschiebung #1 (V) der auf diese Weise erzeugten Schwebung des Interferenzmusters am Ort des Uitraschallempfängers als Maß für die strömungsgeschwindigkeitsbedingte Verdrehung des Interfererizmusters erfaßt.
    5. Strömurlgsgeschwirldigkeitsmesserrlach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein von Ultraschallempfänger (UE1) beaufschlagte r, die strömungsgeschwindigkeitsabhängige Phasenverschieburig 1(v) der Schwebung erfassender erster Phasendetektor-(6) einen spaririurigsgesteuerten Oszillator (3), der den einen Ultraschallsender (US2) mit der Frequenz wo+#W speist, derart ansteuert, daß die Anderurig der Schwebefrequenz bzw durch den Oszillator (3) die strömurigsgeschwiridigkeitsabhärigige Phasenverschiebung rückgärigig macht, wobei das Ausgangssignal des Phasendetektors (6) als Analogausgang (17) und das Signal einer die Schwebefrequenz # fUhrenden Leitung als Digitalausgarig (16) verwertbar ist.
    6. StrömurlgsgeschwindigkeitElilesser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Ultraschailempfänger (UE2) in Strömungsrichtung hinter oder vor dem Ultraschallempfänger (UE1) in der Verdrehachse des Interferenzmusters angebracht ist und einen zweiten Phasendetektor (11) beaufschlagt, der die strömungsgeschwirldigkeitsurlabhärlgige Phasenlage Y 2 der Schwebung am Ort dieses Ultraschallempfängers (UE2) ermittelt, und daß das Ausgangssignal des zweiten Phaserdetektors (11) zum Ellminieren des Einflusses der Schallgeschwindigkeit Uber eine Rechenschaltung (12) mit dem Ausgangssignal des ersten Phasendetektors (6) verknüpft ist.
    7. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach einem der vorhergehenden AnsprUche1 dadurch gekennzeichnet, daß die von den Ultraschallsendern (US1, US2) ausgestrahlten Ultraschallwellen ebene Wellen sind.
    8. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Abstand L der beiden Ultraschallsender (US1, US2), dem zwischen den Abstrahlrichtungen eingeschlossenen Winkel 9 und dem Abstand D des Ultraschall-Empfängers (UE1) von der Verbindungslinie der beiden Ultraschallsender folgende Beziehung besteht: tan 92 = b 9. Strömungsgeschwiridigkeitsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgeber (14) zum periodischen Ein- und Ausschalten der die Sender speisenden Oszillatoren (2, 3) vorgesehen ist.
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WO2012123673A1 (fr) * 2011-03-14 2012-09-20 Institut Polytechnique De Grenoble Systeme d'inspection par emission-reception d'ondes acoustiques

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