DE3331519C2

DE3331519C2 -

Info

Publication number: DE3331519C2
Application number: DE19833331519
Authority: DE
Inventors: Wolf-Juergen Dr. 6701 Fussgoennheim De Becker; Udo Dipl.-Ing. Reese (Fh), 6720 Speyer, De
Original assignee: Spanner Pollux GmbH
Current assignee: Spanner Pollux GmbH
Priority date: 1983-09-01
Filing date: 1983-09-01
Publication date: 1989-11-23
Also published as: DE3331519A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren der Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden mittels Ultraschall gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden sind grundsätzlich zwei Verfahren bekannt, und zwar die Laufzeitdifferenzmessung mit der Phasendifferenzmessung als Spezialfall sowie die direkte Laufzeitmessung mit dem Impulsfolgefrequenzverfahren als Spezialfall. In beiden Fällen wird die Laufzeit eines akustischen Signals längs einer die Fließrichtung des Fluids schneidenden Meßstrecke einmal mit der Fluid-Strömung - Vorwärtsrichtung - und gegen die Fluid-Strömungsrichtung - Rückwärtsrichtung - gemessen. Der Unterschied zwischen den Laufzeiten in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids.

Gemäß der US-Zeitschrift "Ultrasonics", Januar 1969, S. 43-46, oder der DD-Zeitschrift "msr", Berlin 26 (1983), S. 141-146, oder der DE-Zeitschrift "VDI-Berichte 254", VID-Verlag Düsseldorf 1976, S. 115/116, lassen sich die Laufzeiten des Fluids durch folgende beiden Gleichungen angeben:

L = Länge der Meßstrecke,
c = Schallgeschwindigkeit im Fluid,
v = Strömungsgeschwindigkeit,
α = Winkel zwischen Meßstrecke und
Strömungsrichtung.

Bildet man die Differenz der beiden Verzögerungszeiten Δ t* = t _r* - t _v*, so erhält man daraus die Strömungsgeschwindigkeit zu

Die auf diese Weise berechnete Strömungsgeschwindigkeit v* des Fluids ist abhängig von der momentanen Schallgeschwindigkeit c im Fluid. Diese ist jedoch in Abhängigkeit von Temperatur und Druck variabel.

Aus diesem Grund hat sich in der Praxis eine andere Berechnungsart durchgesetzt. Bildet man aus den Verzögerungszeiten zunächst den Kehrwert

f _v* = 1/t _v*; f _r* = 1/t _r*

und bildet die Differenz dieser beiden sogenannten Folgefrequenzen in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung, so erhält man

f* = f _v* - f _r*,

woraus sich die Strömungsgeschwindigkeit errechnet zu

In der oben genannten US-Zeitschrift "Ultrasonics" wird darüber hinaus angedeutet, daß auch die Summe der in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung gemessenen Frequenzen gebildet werden kann. Eine konkrete Lehre wird daraus nicht gezogen. Die Weiterführung des in dieser Literaturstelle gegebenen mathematisch-physikalischen Ansatzes wäre auch nur mit großem technischen Aufwand praktisch zu realisieren.

Die nach dem Folgefrequenzen-Differenz-Verfahren bestimmte Strömungsgeschwindigkeit v* scheint unabhängig von der Schallgeschwindigkeit im Fluid zu sein. Eine genaue Analyse zeigt jedoch, daß dies auf einer unzulässigen Vernachlässigung der Totzeiten beruht, die durch den Meßaufbau und die Meßelektronik bedingt sind. Diese Totzeiten werden im wesentlichen hervorgerufen durch die Laufzeit des Ultraschall-Signals im Totraum vor den Ultraschall-Wandlern, durch die Ansprechverzögerung der Ultraschall-Wandler selbst, durch die Laufzeit der elektrischen Signale in den Kabeln zu den Ultraschall-Wandlern und durch die Verzögerungszeit in der Signalsende- und Signalempfangselektronik.

Berücksichtigt man diese Totzeiten t _t* in den gemessenen Laufzeiten in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung, so erhält man

t _v = t _v* + t _t; t _r = t _r* + t _t

Bildet man die Differenz der Laufzeiten, so erhält man

Δ t = t _r - t _v = t* .

Die Totzeiten t _t kompensieren sich gegenseitig bei der Bildung der Differenz. In die auf diese Weise errechnete Strömungsgeschwindigkeit geht der Momentanwert der Schallgeschwindigkeit weiterhin quadratisch ein.

Betrachtet man wieder das Folgefrequenzen-Differenz-Verfahren, so erhält man bei Berücksichtigung der Totzeiten t _t

Bildet man wieder die Differenz der beiden Folgefrequenzen

Δ f = f _v - f _r

und löst diese Gleichung nach der Strömungsgeschwindigkeit v auf, so erhält man

Wie man sieht, geht auch beim Folgefrequenz-Differenz-Verfahren die momentane Schallgeschwindigkeit im Fluid quadratisch ein, wobei dieser Einfluß um so größer wird, je größer das Produkt von Totzeiten t _t und Schallgeschwindigkeit c im Verhältnis zur Länge L der Meßstrecke wird.

Die oben genannte US-Zeitschrift "Ultrasonics" schlägt zur Verbesserung der Meßergebnisse lediglich vor, die Totzeiten zu verringern und die Länge der Meßstrecke zu erhöhen. Das ist wenig befriedigend.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches den Einfluß der momentanen Schallgeschwindigkeit auf das Meßergebnis zu kompensieren gestattet, ohne daß die Temperatur des Fluids gemessen werden muß.

Diese Aufgabe wird bei Anwendung des Folgefrequenzen-Differenz-Verfahrens gelöst durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1, bei Anwendung des Laufzeiten-Differenz-Verfahrens durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 2.

Beiden Lösungen liegt gemeinsam die Erkenntnis zugrunde, daß die zur Korrektur nötige Information über die momentane Schallgeschwindigkeit im Fluid in der Summe der beiden Laufzeiten bzw. Folgefrequenzen vorliegt. Die korrigierte Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich durch Multiplikation der unkorrigierten Strömungsgeschwindigkeit mit einem je nach dem angewendeten Berechnungsverfahren unterschiedlichen Korrekturfaktor, in dem als Variable lediglich die Summe der Folgefrequenzen bzw. die Summe der Laufzeiten von Bedeutung ist. Der eigentliche Vorteil der Erfindung liegt in der Möglichkeit, auch mit kurzen Meßstrecken hochgenaue Meßergebnisse zu bekommen.

Die im Korrekturfaktor ebenfalls noch erscheinende Totzeit t _t, deren Wert in der Regel zunächst unbekannt ist, kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bei stillstehendem Fluid und bei bekanntem Wert der Schallgeschwindigkeit bestimmt bzw. eingeeicht werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Korrekturverfahrens ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung für die Anordnung einer Ultraschall-Meßstrecke in einem Strömungskanal und

Fig. 2 ein elektrisches Blockschaltbild für eine Meß- und Korrekturschaltung.

In Fig. 1 erkennt man einen Strömungskanal 1, beispielsweise ein Rohr, in dem ein Fluid 2 mit einer Strömungsgeschwindigkeit v, angedeutet durch den Pfeil 8, fließt. Im Strömungskanal 1 ist eine Ultraschall-Meßstrecke unter einem Winkel α zur Strömungsrichtung des Fluids 2 angeordnet. Die Ultraschall-Meßstrecke besteht aus einem ersten Wandler 4 und einem zweiten Wandler 5, die einen gegenseitigen Abstand L besitzen und in zwei seitlichen Rohrstutzen 3 angeordnet sind.

Über die Ultraschall-Meßstrecke werden Ultraschall-Schwingungen übertragen. Beim Senden in Vorwärtsrichtung entsprechend dem Pfeil 6 ist der Ultraschall-Wandler 4 als Sender, der Ultraschall-Wandler 5 als Empfänger wirksam. Beim Senden in Rückwärtsrichtung entsprechend dem Pfeil 7 ist der Ultraschall-Wandler 5 als Sender und der Ultraschall-Wandler 4 als Empfänger geschaltet.

Fig. 2 zeigt für den Fall des Folgefrequenzen-Differenz-Verfahrens eine elektrische Schaltungsanordnung zum Messen und Korrigieren der Strömungsgeschwindigkeit. Eine Sende- und Empfangselektronik 10 ist über Kabel mit den beiden Ultraschall-Wandlern 4, 5 verbunden. Die Elektronik 10 ist derart ausgelegt, daß beim Eintreffen eines Ultraschall-Signals im empfangenden Wandler 5, 4 unmittelbar die Aussendung eines weiteren Ultraschall-Signals, beispielsweise nach dem bekannten Impuls-Echo-Verfahren, ausgelöst und aus der zeitlichen Folge der Ultraschall-Signale, beispielsweise nach dem bekannten Sing-Around-Verfahren, die Folgefrequenzen f _v, f_r in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung 6, 7 gebildet werden.

Die am Ausgang der Sende- und Empfangselektronik 10 anstehenden Signale für die Folgefrequenzen f _v bzw. f _r gelangen an Multiplizierer 11, 12, wo sie mit demselben Faktor K multipliziert werden. Diese Multiplikation hat den Vorteil, daß der Differenzwert der beiden Folgefrequenzen f _v′, f _r′ um denselben Faktor höher liegt als ohne derartige Multiplikationen. Der Zeitaufwand zum Messen der Differenzfrequenz kann daher entweder bei gleicher Genauigkeit um den genannten Faktor reduziert werden, oder bei Beibehalten der Meßzeit kann die Genauigkeit um denselben Faktor erhöht werden.

Während bei der in Fig. 2 dargestellten Anwendung des Folgefrequenzen-Differenz-Verfahrens der Faktor K einen Wert wesentlich größer als Eins hat, muß bei Anwendung des Laufzeit-Differenz-Verfahrens der Wert des Faktors K zwischen Null und Eins liegen.

Nach der Multiplikation in den Multiplizierern 11, 12 werden die modifizierten Folgefrequenzen f _v′ und f _r′ einem Subtrahierer 13 und einem Addierer 14 zugeführt, an deren Ausgängen die Differenz Δ f bzw. die Summe Σf anstehen.

Die Summe Σf wird einem weiteren Multiplizierer 15 zugeführt, an dessen zweitem Eingang ein Signal entsprechend den Totzeiten t _t anliegt. Durch einen Trimmwiderstand 16 ist angedeutet, daß die Größe der Totzeiten t _t in das System eingeeicht werden kann, vorzugsweise durch Abgleich der Schaltungsanordnung bei stillstehendem Fluid.

Der Ausgang des Multiplizierers 15 ist auf einen Summierer 17 geführt, wo dem Signal der Faktor K hinzuaddiert wird. Am Ausgang des Summierers 17 steht der Korrekturfaktor cf′. Es handelt sich hierbei um einen vereinfachten Korrekturfaktor, der den Wert

cf′ = 1 + t _t · Σf

hat.

Der korrekte Korrekturfaktor hat den Wert

In einem vierten Multiplizierer 18 wird die Differenz Δ f der Folgefrequenzen mit dem Korrekturfaktor cf′ multipliziert. Das Ergebnis dieser Multiplikation wird mit einem fünften Multiplizierer 19 mit einem von den Abmessungen der Meßstrecke und dem konstanten Faktor K abhängigen Faktor multipliziert, so daß am Ausgang des fünften Multiplizierers 19 ein Signal abgenommen werden kann, daß der Fließgeschwindigkeit v des Fluids 2 im Rohr 1 entspricht, wobei die momentane Schallgeschwindigkeit im Fluid 2 keinen Einfluß auf das Meßergebnis mehr hat.

Der Vollständigkeit halber soll noch erwähnt werden, daß der Faktor K jeden Wert zwischen +1 und +∞ annehmen kann. In der Praxis dürften sich Werte in der Größenordnung zwischen 100 und 1000 als optimal erweisen.

Für den Fall, daß das Laufzeiten-Differenz-Verfahren angewendet werden soll, ergibt sich der formale Korrekturfaktor kf, mit dem der eingangs erwähnte Wert der Strömungsgeschwindigkeit

multipliziert werden muß, zu

Bei der Multiplikation von kf mit v* kürzt sich die Schallgeschwindigkeit c ² heraus und als Variable bleiben lediglich Σt und Δ t.

Der korrigierte Wert v für die Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich dann zu

Anhand der in der Figurenbeschreibung zu Fig. 2 gegebenen Hinweise dürfte es einem Durchschnittsfachmann keine Schwierigkeiten machen, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die aus den von der Sende- und Empfangselektronik 10 gemessenen Laufzeiten t _v, t_r in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung die korrigierte Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids errechnet. Auch hier kann durch Multiplikation der Verzögerungszeiten mit einem geeigneten konstanten Faktor K, dessen Wert zwischen 0 und 1 liegen muß, die Genauigkeit bei der Bestimmung der Differenz Δ t der Laufzeiten t _v, t_r erhöht werden.

Wie oben anhand der Fig. 2 beschrieben wurde, wird im fünften Multiplizierer 19 das Signal mit einem von den Abmessungen der Meßstrecke abhängigen, konstanten Faktor multipliziert. Dieser Umstand kann zu einer Rohrerkennung erweitert werden. Ist die Sende- und Empfangselektronik 10 mit einer Meßstrecke verbunden, deren Abmessungen nicht mit dem im Multiplizierer 19 eingegebenen Faktor übereinstimmen, so ergeben sich offensichtlich falsche Werte für die Strömungsgeschwindigkeit v. Eine dem Multiplizierer 19 nachgeschaltete Plausibilitätskontrollschaltung kann in einem solchen Fall ein Alarmsignal abgeben, welches den Betreiber der Meßanlage auf die Fehlanpassung von Meßstrecke und Meßelektronik aufmerksam macht.

Claims

1. Verfahren zum Korrigieren der Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden (2) mittels Ultraschall, bei dem wenigstens eine Ultraschall-Meßstrecke im Fluid (2) mit zwei Ultraschall-Wandlern (4, 5) in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung durchstrahlt wird, bei dem die Laufzeiten der Ultraschall-Strahlung vom jeweils sendenden zum jeweils empfangenden Wandler (4, 5) gemessen werden und bei dem aus der Differenz der Laufzeiten (t _v, t_r) bzw. der Differenz der Kehrwerte (f _v, f_r) der Laufzeiten die Strömungsgeschwindigkeit (v) des Fluids (2) bestimmt wird und bei dem außer der Differenz ( Δ f) der Kehrwerte (f _v, f_r) der Laufzeiten (t _v, t_r) in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung (6, 7) auch die Summe (Σf) der Kehrwerte (f _v, f_r) der Laufzeiten (t _v, t_r) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit (v) des Fluids (2) nach der Formel mit
L = Länge der Ultraschall-Meßstrecke,
α = Winkel zwischen Ultraschall-Meßstrecke und Strömungsrichtung,
t _t = systembedingte, von der Strömungsgeschwindigkeit unabhängige Totzeit
bestimmt wird.

2. Verfahren zum Korrigieren der Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden (2) mittels Ultraschall, bei dem wenigstens eine Ultraschall-Meßstrecke im Fluid (2) mit zwei Ultraschall-Wandlern (4, 5) in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung durchstrahlt wird, bei dem die Laufzeiten der Ultraschall-Strahlung vom jeweils sendenden zum jeweils empfangenden Wandler (4, 5) gemessen werden und bei dem aus der Differenz der Laufzeiten (t _v, t_r) bzw. der Differenz der Kehrwerte (f _v, f_r) der Laufzeiten (t _v, t_r) die Strömungsgeschwindigkeit (v) des Fluids (2) bestimmt wird und bei dem außer der Differenz ( Δ t) der der Laufzeiten (t _v, t_r) in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung (6, 7) auch die Summe (Δ t) der Laufzeiten (t _v, t_r) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit (v) des Fluids (2) nach der Formel mit
L = Länge der Ultraschall-Meßstrecke,
α = Winkel zwischen Ultraschall-Meßstrecke und Strömungsrichtung,
t _t = systembedingte, von der Strömungsgeschwindigkeit unabhängige Totzeit
bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit (v) nach der vereinfachten Formel bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kehrwerte (f _v, f_r) der Laufzeiten (t _v, t_r) mit demselben Faktor (K) multipliziert werden, bevor ihre Differenz ( Δ f) und ihre Summe (Σf) gebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kehrwerte (f _v, f_r) der Laufzeiten (t _v, t_r) mit demselben Faktor (K) multipliziert werden, bevor ihre Differenz ( Δ f) gebildet wird, und daß die Differenz ( Δ f) durch denselben Faktor (K) dividiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeiten (t _v, t_r) durch denselben Faktor (K) dividiert werden, bevor ihre Differenz ( Δ t) und ihre Summe (Σt) gebildet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit (v) nach der vereinfachten Formel bestimmt wird.

8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Totzeit (t _t) bei stillstehendem (v = 0) Fluid (2) und bekanntem Wert der Schallgeschwindigkeit (c) im Fluid (2) bestimmt wird.

9. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1, 3, 4, 5 oder 8 unter Verwendung wenigstens einer Ultraschall-Meßstrecke mit zwei Ultraschall-Wandlern (4, 5), wobei eine Sende- und Empfangselektronik (10) vorgesehen ist, die beim Eintreffen eines Ultraschall-Signals im empfangenden Wandler (4, 5) unmittelbar die Aussendung eines weiteren Ultraschall-Signals beim sendenden Wandler (5, 4) auslöst und aus der Folge der Ultraschall-Signale die Folgefrequenzen (f _v, f_r) in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung (6, 7) als Kehrwerte der Laufzeiten (t _v, t_r) ableitet, dadurch gekennzeichnet, daß den Ausgängen mit den Folgefrequenzen (f _v, f_r) ein Summierer (14) und ein Subtrahierer (13) nachgeschaltet sind, daß der Ausgang des Subtrahierers (13) direkt, der Ausgang des Summierers (14) über einen ersten Multiplizierer (15) und einen weiteren Summierer (17) an einen zweiten Multiplizierer (18) geschaltet sind, dessen Ausgang an einen dritten Multiplizierer (19) geschaltet ist, dem auch ein meßstreckenabhängiger Faktor (L/2 · cos α ) zugeführt wird und an dessen Ausgang das der Strömungsgeschwindigkeit (v) des Fluids (2) entsprechende Signal ansteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine einzige Ultraschall-Meßstrecke (L) vorgesehen ist, deren Ultraschall-Wandler (4, 5) abwechselnd als Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger geschaltet sind.