-
-
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