DE3106530A1

DE3106530A1 - Einrichtung zur ermittlung momentaner stroemungsgeschwindigkeiten

Info

Publication number: DE3106530A1
Application number: DE19813106530
Authority: DE
Inventors: Paul W. Prof. Dr. Baier; Werner Dipl.-Ing. 6750 Kaiserslautern Witte
Original assignee: Baier paul Walter profdr
Current assignee: Baier paul Walter profdr
Priority date: 1981-02-21
Filing date: 1981-02-21
Publication date: 1982-09-09

Description

Beschreibung
EINRICHTUNG ZUR ERMITTLUNG MOMENTANER STRÖMUNGSGESCHWINDIG-KEITEN Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung momentaner Strömungsgeschwindigkeiten vor allem in der Verfahrenstechnik und der chemischen Technik auf der Grundlage der Laufzeitmessung von in das Strömungsmittel eingebrachten Markierungen.
Markierungsverfahren zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung liefern in einem großen Temperaturbereich sehr genaue Meßergebnisse, so daß es wünschenswert ist, diese Meßverfahren unabhängig vom Strömungsmittel und seinem Zustand anzuwenden. Bei der Anwendung sollen der Strömungszustand und das Strömungsmittel möglichst nicht beeinträchtigt werden.
Es ist bekannt, daß zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung Impfverfahren mit deterministischen Markierungen angewendet werden, bei denen die Laufzeit eincr Markierung im Strömungsmittel entlang einer vorgegebenen Wegstrecke ermittelt wird (K.W. Bonfig, Technische Durchflußmessung, Vulkan-Verlag, Essen 1977). Solche Markierungen können Injektionen von Salzlösungen oder radioaktiven Substanzen oder auch im Strömungsmittel erzeugte Wärmewolken sein (VDI-Bericht Nr. 86, 1964, S. 59 ff).
Weiterhin ist bekannt, daß bei Strömungsmitteln mit nicht deterministischen Markierungen, z.B. mehrphasige Strömungsmittel, eine Strömungsgeschwindigkeitsmessung durch eine korrelative Laufzeitmessung vorgenommen werden kann (Zeitschrift Meßtechnik", Jahrgang 1971, Heft 7, S. 152-157 und Jahrgang 1971, Heft 8, S. 163-168). Dabei werden mindestens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Sensoren im Strömungsmittel benötigt, welche aus den nicht deterministischen Markierungen im Strömungsmittel elektrische Signale erzeugen, die einander ähnlich sind, aber zeitlich um die Laufzeit, die das Strömungsmittel zum Zurücklegen der Wegstrecke zwischen den beiden Sensoren benötigt, gegeneinander versetzt sind. Die Ermittlung dieser Laufzeit, aus der die Strömungsgeschwindigkeit berechnet wird, geschieht mit Hilfe des Korrelators. Die korrelative Laufzeitmessung weist eine hohe Störunterdrückung auf, so daß es möglich ist, auch bei scheinbar verschwindender Ähnlichkeit der Korrelationssignale und bei Vorhandensein großer Störsignale am Korrelatoreingang noch brauchbare Meßergebnisse zu erhalten.
Dieses Strömungsgeschwindigkeitsmeßverfahren hat den Nachteil, daß es in allen einphasigen und laminar strömenden Strömungsmitteln nur dann angewendet werden kann, wenn im Strömungsmittel nicht deterministische Markierungen erzeugt werden.
Dazu ist eine zusätzliche Einriçhtung erforderlich.
Ähnlich gravierend ist auch der Nachteil der Einbringung determinis tischer Markierungen zur 5 trömungsge schwindigke its -messung. Sie müssen intensiv sein, um nach Durchlaufen der vorgegebenen Wegstrecke noch sicher erkannt werden zu können.
Dadurch sind beispielsweise Salzlösungsinjektionen ebenso im Einsatz beschränkt wie Injektionen radiokativer Substanzen.
Hinzu kommt der hohe apparative Aufwand zur Bereitstellung der Injektionsmittel sowie die zusätzliche Störung des Strömungszustandes bei laminaren Strömungen kleiner Geschwindigkeit durch die Injektionseinrichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Erzeugung von geringfügigen Markierungen in Form von orts- und zeitabhängigen Zustandsunterschieden gegeneinander abgegrenzter Teilvolumina im Strömungsmittel die Strömungsgeschwindigkeit ohne störende Beeinflussung des Strömungszustandes und des Strömungsmittels selbst, insbesondere bei einphasigen und laminar strömenden Strömungsmitteln, zu messen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit Hilfe eines durch ein elektrisches Signal angesteuerten Gebers orts- und zeitabhängige Zustandsunterschiede gegeneinander abgegrenzter Teilvolumina im Strömungsmittel erzeugt werden, welche von einem oder mehreren stromabwärts vom Geber sich in festem oder variablem Abstand zum Geber befindenden Sensoren in elektrische Signale, die dem den Geber ansteuernden elektrischen Signal entsprechen, zurückgewandelt werden, daß jedes aus den Sensoren abgeleitete elektrische Signal mit dem einen elektrischen Signal, welches den Geber ansteuert und gleichzeitig einem Verzögerungsglied zugeführt wird, nach seiner Verzögerung multipliziert und das Produkt integriert wird, und daß durch Erreichen eines Extremwertes des Ausgangssignals eines oder mehrer Integratoren angezeigt wird, daß die Laufzeit des Strömungsmittelsvom Geber bis zum jeweiligen Sensor einer dem entsprechenden Verzögerungsglied zugeordneten Verzögerungszeit entspricht, woraus sich die Strömungsgeschwindigkeit durch die Quotientenbildung aus der Wegstrecke vom Geber bis zum jeweiligen Sensor und der ermittelten Verzögerungszeit ergibt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch Korrelation des elektrischen Signals, welches einen Geber zur Erzeugung von Markierungen in einem Strömungsmittel ansteuert, mit einem aus den Markierungen gewonnenen Sensorsignal eine sichere und genaue Laufzeit bzw. Strömungsgeschwindigkeitsmessung möglich ist. Dabei wird vorteilhaft die Tatsache ausgenutzt, daß das den Geber ansteuernde Signal störungsfrei ist.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil bei der Strömungsgeschwindigkeitsmessung besteht zunächst darin, daß die Strömungsgeschwindigkeit langsam strömender homogener Strömungsmittel in einer Meßeinrichtung, die in ihrer Minimalkonfiguration nur einen Geber und einen Sensor anstelle von zwei Sensoren und einer zusätzlichen Einrichtung zur Erzeugung von Markierungen im Strömungsmittel benötigt, durch Korrelation ermittelt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die Einfachheit der AusfükrJnysforrr: von Geber und Sensor. Die Er-Erzeugung orts- und zeitabhängiger Zustandsunterschiede gegeneinander abgegrenzter Teilvolumina ist mittels eines in die Strömung eingebrachten Miniaturwiderstandes, der durch ein peri,odisches oder nicht periodisches Signal angesteuert wird, möglich. Ein so aufgebauter Geber erzeugt ein abgegrenztes Teilvolumen höherer Temperatur gegenüber dem übrigen Strömungsmittel, wenn kurzzeitig eine Spannung an ihn gelegt wird. Dieses Teilvolumen höherer Temperatur wird von einem stark temperaturempfindlichen Miniaturwiderstand als Sensor im Strömungsmittel entdeckt. Bei einer Enrichtung zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung nach Anspruch 1 dieser Erfindung, reichen wenige mK Übertemperatur des Gebers bei der Erzeugung solcher Teilvolumina höherer Temperatur zur sicheren Strömungsgeschwindigkeitsmessung aus.
Bei Verwendung von Miniaturwiderständen als Geber und Sensor ist es auch möglich, Strömungsgeschwindigkeiten an einer vom Anwender festgelegten Stelle im Strömungsprofil des Strömungsmittels zu messen und auf diese Weise bei homogenen, laminar strömenden Strömungsmitteln mit bekanntem Strömungsquerschnitt dem Volumenstrom oder Massenstrom anzugeben.
Im Zusammenhang mit der Einfachheit der Ausführungsform von Geber und Sensor ist auch die einfache, insbesondere lagenunabhängige Montage des Gebers und Sensors an dem Ort, an dem die Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll, zu erwähnen.
Die Erzeugung orts- und zeitabhängiger Zustandsunterschiede gegeneinander abgegrenzter Teilvolumina ist nicht von der Strömungsgeschwindigkeit, nicht vom Strömungsmittel selbst und auch nicht von seiner Temperatur abhängig, so daß Strömungsgeschwindigkeiten auch bei kriechenden Strömungsmitteln gemessen werden können. Sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten bei ebenfalls geringen Volumenströmen treten beispielsweise in der Kraftstoffleitung von Vergasermotoren auf, bei denen mit dieser Meßeinrichtung eine die Kraftstoffströmung und damit die Vergaserfunktion nicht beeinflussende und im Hinblick auf die Explosionsgefahr bei Messungen am Kraftstoff ungefährliche Strömungsgeschwindigkeits- bzw. Volumenstrommeßeinrichtung und damit eine Verbrauchsmeßeinrichtung zur Verfügung steht.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 1 dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
Im Meßrohr (1), welches vom Strömungsmittel (2) in Pfeilrichtung durchströmt wird, sind mittig im Rohrquerschnitt und im Abstand a5 voneinander zwei Miniaturwiderstände als Geber (3) und als Sensor (4) angebracht, wobei insbesondere der als Sensor (4) verwendete Miniaturwiderstand eine starke Temperaturabhängigkeit zeigt. Der Geber (3) ist an eine Stromquelle (6) angeschlossen, die ihrerseits durch den Signalgenerator (5) mittels des Signals 1 (t) angesteuert wird.
Für 1 (t) wird eine zufällige Folge von logischen Null- und Einszuständen jeweils der Dauer T gewählt und die Stromquelle so ausgelegt, daß während der Dauer eines logischen Einszustandes die Stromquelle (6) den Geber (3) mit dem Konstantstrom Io speist, wodurch dieser sich aufheizt und ein abgegrenztes Teilvolumen höherer Temperatur im Strömungsmittel erzeugt. Das Signal 51(t) wird gleichzeitig dem variablen Verzögerungsglied (8) mit der Verzögerung t zugeführt, dessen Ausgangssignal s1(t - t) das eine Eingangssignal des Multiplizierers (11) darstellt. Das andere Eingangssignal s2(t) wird aus den Widerstandsänderungen des Sensors (4), die beim Auftreffen der vom Geber (3) erzeugten und in Pfeilrichtung wandernden Teilvolumina höherer Temperatur auf den Sensor (4) stattfinden, mit Hilfe des Widerstands-Spannungs-Konverters (7) gewonnen.
Das Ausgangssignal s3(t) des Multiplizierers (11)gelangt auf den Tiefpaß (14), an dessen Ausgang das Anzeigegerät (17) zur Ermittlung eines Extremwertes des Signals s4(t) angeschlossen ist.
Wird bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit die Verzögerungszeit f des Verzögerungsglieds (8) durch Veränderung der Steuerspannung us(t) verändert, so stellt sich bei Verwendung eines nichtperiodischen Signals 1 (t) bei einer speziellen Verzögerungszeit t ein Extremwert von s4(t) ein.
Zwischen der gesuchten Strömungsgeschwindigkeit und der bei vorhandenem Extremwert von s4(t) meßbaren Verzögerungszeit lt * besteht ein eindeutiger Zusammenhang.
Zur Ermittlung sich ändernder Strömungsgeschwindigkeiten müssen die Verzögerung t bzw. die ihr entsprechende Steuerspannung u (t) ständig so verändert werden, daß s4(t) einen Extremwert annimmt. Dazu dient die Regeleinrichtung (20). Sie arbeitet im interessierenden Bereich der minimalen Verzögerung min bis zur maximalen Verzögerung rmax derart, daß die Verzögerungszeit nur linear mit der Zeit zu- oder abnehmen kann und daß nach jedem Erreichen eines Extremwertes von s4(t) die Änderungsrichtung der Verzögerungszeit umgeschaltet wird. Auf diese Weise kann durch Ermitteln der Steuerspannung us(t) zum Zeitpunkt des Erreichens des Extremwertes von s4 (t) die eingestellte Verzögerung t und daraus die ihr zugeordnete Strömungsgeschwindigkeit angegeben werden.
Hierzu dient der Extremwertdetektor (21), der die Steuerspannung u (t) nur bei vorhandenem Extremwert von 54 (t) auf das Anzeigegerät (22) durchschaltet, so daß jedem angezeigten Wert auf dem Anzeigegerät eine Strömungsgeschwindigkeit zugeordnet werden kann.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 2 dargestellt.
Im Meßrohr (1), welches vom Strömungsmittel (2) in Pfeilrichtung durchströmt wird, sind mittig im Rohrquerschnitt und im Abstand as voneinander zwei Miniaturwiderstände als Geber (3) und als Sensor (4) angebracht, wobei insbesondere der als Sensor (4) verwendete Miniaturwiderstand eine starke Temperaturabhängigkeit zeigt. Der Geber (3) ist an eine Stromquelle (6) angeschlossen, die ihrerseits durch den Signalgenerator (5) mittels Signals 1 (t) angesteuert wird. Für (t) wird eine zufällige Folge von logischen Null- und Einszuständen jeweils der Dauer T gewählt und die Stromquelle so ausgelegt, daß während der Dauer eines logischen Einszustandes die Stromquelle (6) den Geber (3) mit dem Konstantstrom Io speist, wodurch dieser sich aufheizt und ein abgegrenztes Teilvolumen höherer Temperatur im Strömungsmittel erzeugt.
Das Signal 1 (t) wird gleichzeitig n Verzögerungsgliedern (81,82 bis 8n) mit der jeweils festen Verzögerungszeit zugeführt. Jedes der n verzögerten Signale s1(t- t1) bis s1(t- ?tn) gelangt auf den Eingang eines der n Multiplizierer (11). Das jeweils andere Eingangssignal der n Multiplizierer ist bei allen das gleiche Signal s2(t), welches aus den Widerstandsänderungen des Sensors (4), die beim Auftreffender vom Geber (3) erzeugten und in Pfeilrichtung wandernden Teilvolumina höherer Temperatur auf den Sensor (4) stattfinden, mit Hilfe des Widerstands-Spannungs-Konverters (7) gewonnen wird.
Jedes der n Ausgangssignale s31(t) bis s3n(t) der n 3n Multiplizierer (11) gelangt auf einen der n Tiefpässe (14) , an deren Ausgänge jeweils ein Anzeigegerät (17) zur Ermittlung von Extremwerten cler n Tiefpaßausgan(:J;-signale S41(t) bis s4n(t) angeschlossen ist.
Bei hinreichend kleiner Abstufung der Verzögerungszeiten #1 bis /t n im interessierenden Bereich der minimalen Verzögerung lt min bis zur maximalen Verzögerung #max ist gewährleistet, daß stets eines der n Anzeigegeräte (17) einen Extremwert des entsprechenden Signals s4y(t) t= 1,2,3,...n, anzeigt und damit die der Verzögerung Sry zugeordnete Strömungsgeschwindigkeit angegeben werden kann.

Claims

Patentansprüche t Einrichtung zur Ermittlung momentaner Strömungsgeschwindigkeiten, bei der in einem Strömungsmittel durch einen von einem .elektrischen Signal angesteuerten Geber zeitabhängige Zustandsänderungen erzeugt werden, die mit dem Strömungsmittel wandern und durch stromabwärts vom Geber befindliche Sensoren wieder in entsprechende elektrische Signale umgewandelt werden, aus deren Verzögerungszeiten gegenüber dem den Geber ansteuernden Signal sich die Laufzeit des Strömungsmittels vom Geber bis zum jeweiligen Sensor und damit die momentane Strömungsgeschwindigkeit ergibt, wobei die Anzahl der Sensoren auch eins sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Ausgangssignal eines jeden Sensors dem einen Eingang je eines Multiplizierers zugeführt wird, dessen anderer Eingang das elektrische Eingangs signal des Gebers über ein Verzögerungsglied erhält, und dessen Ausgangssignal einem Integrator eingegeben wird, dessen Ausgangssignal durch Erreichen eines Extremwertes die Gleichheit der Laufzeit des Strömungsmittels vom Geber bis zum Sensor mit einer dem Verzögerungsglied zugeordneten Verzögerungszeit anzeigt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Geber und den Sensoren einstellbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit der verwendeten Verzögerungsglieder einstellbar ist.
4. Einrichtung nach-Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Sensor, ein Verzögerungsglied und ein Integrator verwendet werden, wobei in einem Regelkreis das Ausgangssignal des Integrators durch Verstellen der Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes und/oder des Abstandes zwischen Geber und Sensor automatisch auf seinen Extremwert eingestellt wird.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Sensor verwendet wird, dessen Ausgangssignal gleichzeitig n >1 Multiplizierern eingegeben wird, deren jeweils anderer Eingang über jeweils ein Verzögerungsglied das Eingangssignal des Gebers erhält und deren Ausgangssignal jeweils einem Integrator eingegeben werden, wobei die n Verzögerungsglieder unterschiedliche Verzögerungszeit haben und auch in Form eines einzigen angezapften Verzögerungsglieds realisiert sein können.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Verzögerungsglied, aber n Sensoren, n Multiplizierer und n Integratoren verwendet werden, wobei jeder Multiplizierer als Einyantssignale das Ausgangssignal des Verzögerungsglieds und das Ausgangssignal je eines Sensors erhält, und mit seinem Ausgangssignal je einen Integrator speist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Integratoren Tiefpässe verwendet werden.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Sender und/oder Empfänger thermische, optische, kapazitive, induktive oder radioaktive Geber bzw. Sensoren verwendet werden.
9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Geber und Sensoren sich in einem Strömungsmittel befinden, das in Rohren oder offenen Gerinnen fließt.
10. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das ansteuernde Signal des Gebers ein nicht periodisches Signal ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das ansteuernde Signal des Gebers ein periodisches Signal ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverzögerung und/oder die Mulitiplikation und/oder die Integration und/oder die Erkennung eines Extremwertes nach der Integration von einem Digitalrechner, insbesondere einem Mikroprozessor übernommen werden.