-
"Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Strömungsge-
-
schwindigkeit von Fluiden mittels Ultraschall" Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden mittels Ultraschall
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie 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 Pulsfolgefrequenzverfahren
als Spezialfall.
-
Die Verfahren nach der Laufzeitdifferenzmessung erfordern zwar einen
relativ geringen Aufwand bei der elektronischen Auswertungsschaltung; sie haben
jedoch den Nachteil, daß die Schallgeschwindigkeit im zu messenden Fluid das Meßergebnis
beeinflußt. Die mit der direkten Laufzeitmessung arbeitenden Verfahren können so
ausgelegt werden, daß die
Schallgeschwindigkeit im Fluid keinen
Einfluß auf das Meßergebnis hat; diese Verfahren erfordern jedoch einen hohen Aufwand,
da das Meßergebnis von der Genauigkeit der Laufzeitmessung abhängt.
-
Bei dem bekannten Impuls-Echo-Verfahren werden pulsförmige Ultraschall-Schwingungsbündel
von einem Geber zu einem Empfänger übertragen. Der Empfänger meldet den Empfang
des Ultraschallpulses durch ein elektrisches Signal an den Empfänger, der den Geber
zum Aussenden des nächsten Ultraschallpulses veranlaßt usw.. Der Abstand der einzelnen
Impulse untereinander ist ein Maß für die Laufzeit der Ultraschallpulse durch das
Fluid; sie wird bestimmt durch Ausmessen der Impulsfolgefrequenz. Um die Auswertung
zu vereinfachen und die Genauigkeit zu erhöhen, wird die Meßstrecke abwechselnd
mit der Strömungsrichtung des Fluids, d.h. in Vorwärtsrichtung,und gegen die Strömungsrichtung
des Fluids, d.h. in Rückwärtsrichtung, durchstrahlt. Dabei stellen sich naturgemäß
unterschiedliche Folgefrequenzen ein. Durch Bilden der Differenz der beiden Folgefrequenzen
eliminiert sich der Einfluß der Schallgeschwindigkeit im Fluid.
-
Nachteilig bei diesen Impuls-Echo-Verfahren ist die Tatsache, daß
der Triggerpunkt, das ist der Zeitpunkt, zu dem der Empfänger einen Impuls als richtig
empfangen erkennt, nicht exakt reproduzierbar ist, da der Impuls durch die Einschwingvorgänge
in den Wandlerelementen und in der elektronischen Schaltung sowie durch den Einfluß
des Strömungsprofils im Fluid verschliffen wird Außerdem spricht der Empfangswandler
unter Umständen auch auf beispielsweise an Dichteunterschieden im Fluid undefiniert
reflektierte Impulse an. Wesentlich ist jedoch, daß Schwebeteilchen im Fluid, beispielsweise
Luftblasen im Wasser, den Ultraschallimpuls derart streuen oder absorbieren können,
daß der Empfangswandler kein Signal mehr aufnimmt.
-
Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit von
Fluiden besteht in der Anwendung des Doppler-Verfahrens. Hierbei ist Voraussetzung,
daß das Fluid streuende Eigenschaften besitzt. Fluide ohne diese Eigenschaften können
nicht gemessen werden.
-
Es sind auch schon Meßverfahren bekannt, die mit mehreren Meßstrecken
gleichzeitig arbeiten. Diese Verfahren benötigen jedoch den doppelten Aufwand bei
den elektronischen Meßmitteln; außerdem ist Voraussetzung, daß die beiden Meßstrecken
untereinander exakt gleich sind und während des Meßvorgangs auch gleich bleiben.
Aus diesem Grund sind diese Meßverfahren nur für homogene Fluide einigermaßen brauchbar.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Art anzugeben, welches die Messung von homogenen und inhomogenen
Fluiden ermöglicht, kurzzeitige Dichtestörungen des Fluids selbsttätig ausmittelt
und eine von der Amplitude des Empfangssignals unabhängige Folgefrequenz ergibt.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man
die Vorteile des Impuls-Echo-Verfahrens, d.h. die einfache Bestimmung der Laufzeit
durch Ausmessen der Folgefrequenz, beibehalten kann, ohne gleichzeitig deren Nachteile
übernehmen zu müssen, wenn das Ultraschall-Signal mit der Folgefrequenz frequenz-
oder phasenmoduliert wird.
-
Da die Folgefrequenz abhängig ist von den Abmessungen der Meßstrecke
und der Schallgeschwindigkeit im Fluid kann der Fall eintreten, daß die Folgefrequenz
so niedrig ist, daß zum Erreichen einer ausreichenden Genauigkeit
bei
der Frequenzmessung lange Meßzeiten erforderlich sind. Zur Behebung dieser Schwierigkeiten
wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, die in
Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung gemessenen Folgefrequenzen mit demselben
Faktor zu multiplizieren, bevor die Differenz gebildet wird.
-
Soll die Messung der Strömungsgeschwindigkeit nicht über eine Frequenzmessung,
sondern über eine Periodendauermessung erfolgen, so werden die in Vorwärts- und
Rückwärtsrichtung gemessenen Folgefrequenzen durch einen gemeinsamen Faktor geteilt.
Dadurch werden die Abstände zweier Null-Durchgänge der Folgefrequenzen so groß,
daß mit ausreichender Genauigkeit eine Zeitmessung durchgeführt werden kann.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung anzugeben, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Da dieses
Verfahren mit einer oberen und einer unteren Frequenz des Ultraschall-Signals arbeitet,
müssen spezielle Wandler verwendet werden, die auf beide Frequenzen gleich gut ansprechen.
Herkömmliche Wandler sind nur auf eine einzige Frequenz optimal abgestimmt.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 6.
-
Da beim vorliegenden Meßverfahren die Folgefrequenzen in Vorwärts-
und Rückwärtsrichtung nacheinander gemessen werden, müssen die jeweiligen Meßwerte
zwischengespeichert werden. Diese Zwischenspeicherung ist mit Hilfe von elektronischen
Vorwärts-Rückwärts-Zählern oder Digitalspeichern möglich. Gemäß einer bevorzugten
Ausbildung der Erfindung wird jedoch die Verwendung eines PLL-Schaltkreises vorgeschlagen.
PLL-Schaltkreise haben unter anderem die Eigenschaft,
eine der Eingangsfrequenz
entsprechende Ausgangsfrequenz auch dann abzugeben, wenn die Eingangsfrequenz kurz-Zeitig
ausfällt.
-
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie deren Vorteile ergeben
sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Es zeigen Fig. 1 eine schematische
Darstellung für die Anordnung einer Ultraschall-Meßstrecke in einem Strömungskanal
und Fig. 2 einen Schnitt durch einen Ultraschall-Wandler.
-
In Fig. 1 erkennt man einen Strömungskanal 1, beispielsweise ein
Rohr, in dem ein Fluid 2 mit einer Fließgeschwindigkeit v, angedeutet durch den
Pfeil 8, fließt. Im Strömungskanal 1 ist eine Ultraschall-Meßstrecke unter einem
Winkel CQ 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 als'
Dauersignal 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 gltraschall-Wandler
5 als Sender und der Ultraschall-Wandler 4 als Empfänger geschaltet.
-
Das von dem jeweiligen Sende-Wandler 4, 5 ausgestahlte Ultraschall-Siinal
6, 7 wird jeweils zwischen einer oberen
und einer unteren Frequenz
fot fu umgeschaltet. Die Umschaltung von der oberen Frequenz f0 zur unteren Frequenz
zu u und umgekehrt erfolgt immer dann, wenn der als Empfänger geschaltete Wandler
5, 4 eine Umschaltung von der unteren Frequenz fu zur oberen Frequenz f0 bzw. umgekehrt
erkennt. Die Zeitspanne, über die eine der beiden festen Frequenzen fo, u ausgesendet
wird, entspricht damit genau der Laufzeit der Ultraschall-Schwingungen durch die
Meßstrecke der Länge L.
-
Die Häufigkeit der Umschaltungen pro Zeiteinheit entspricht der Folgefrequenz,
wobei sich bei der Messung in Vorwärtsrichtung eine Folgefrequenz fv und bei Messung
in Rückwärtsrichtung eine kleinere Folgefrequenz fr einstellt.
-
Zur Trennung der niederfrequenten Folgefrequenz von der hochfrequenten
Ultraschall-Trägerfrequenz kennt der Stand der Technik eine Vielzahl von geeigneten
Demodulationsschaltungen.
-
Im Folgenden soll ein Zahlenbeispiel die Erfindung näher erläutern.
Bei einem Strömungskanal 1, der als kreisrundes Rohr mit einem Durchmesser von 200
mm ausgeführt ist und bei einem Anstellwinkel oc = 450 ergibt sich eine Länge L
der Meßstrecke von 282,8 mm. Wird Wasser mit einem Temperatur von 15° C und einer
Schallgeschwindigkeit von 1470 m/s als Fluid 2 verwendet, so beträgt die Folgefrequenz
ohne Strömung (v=O) 5,2 kHz. Bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Wassers
von v=1 m/s erhält man eine Differenz der beiden Folgefrequenzen fVt zur von 5 Hz.
Um eine gute Meßgenauigkeit zu erhalten, wählt man für das U3traschall-Signal eine
obere Frequenz fO = 2,1 MHz, und eine untere Frequenz f = 1,9 MHz.
-
u Da bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren Ultraschall-Signale mit
zwei voneinander abweichenden Frequenzen verwendet werden, müssen auch die Ultraschall-Wandler
daran angepaßt
werden. Herkömmliche Ultraschall-Wandler haben
eine maximale Sende- und Empfangsempfindlichkeit nur bei einer Frequenz; von dieser
Resonanzfrequenz abliegende Frequenzen werden nur mit verminderter Amplitude abgestrahlt.
-
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform für einen Ultraschall-Wandler,
der bei zwei voneinander abweichenden Frequenzen maximale Empfindlichkeit besitzt.
Man erkennt zunächst ein zylindrisches Gehäuse 10, in dessen Innerem ein Ultraschall-Wandlerelement
11 aus piezoelektrischem Material zentrisch gelagert ist. Zur Dämpfung der unerwünschten
Materialschwingungen des Wandlerelementes 11 ist ein umlaufender Ring 13 aus einem
elastisch dämpfenden Material, zum Beispiel Gummi, vorgesehen. Die Rückseite des
Wandlerelements ist mit einer den Schall absorbierenden Vergußmasse 16 ausgegossen.
Als Vergußmasse 16 eignet sich beispielsweise ein mit Mikroglashohlkugeln gefülltes
Epoxiharz.
-
Auf die Vorderseite des Wandlerelements 11 und des Dämpfungsrings
13 ist eine Glasplatte 14 als Ä/4-Anpassungsschicht aufgeklebt. Ein Dichtungsring
15 zwischen der Vorderseite der Glasplatte 14 und dem Gehäuse 10 verhindert das
Eindringen des Fluids in den Ultraschall-Wandler.
-
Die Dicke d der Anpassungsschicht 14 kann unter der Voraussetzung,
daß eine schallharte Ankopplung an das zu messende Fluid erfolgt, errechnet werden.
Die Anpassungsschicht 14 muß sowohl bei der oberen Frequenz f0, als auch bei der
unteren Frequenz fu als > /4-Transformator wirken.
-
Die Dicke d der Anpassungsschicht läßt sich allgemein schreiben als
d=N-X/4
Mit der bekannten Beziehung A =c/f erhält man d=N 4 f N=
1,2,3.....
-
4.f N= 1,2,3 Setzt man in dieser Gleichung für die Zahl N den Ausdruck
No = 2n + 1 bzw. Nu = 2n - 1 ein und setzt die Frequenz f jeweils mit f0 bzw. fu
an, so erhält man c c do = f bzw. du = Nu 4-f o 4.f Setzt man d = du und löstdie
Gleichung nach n auf, so erhält man
Aus der letzten Gleichung kann man ersehen, daß für das Verhältnis von f0 und fu
zueinander nur ganz bestimmte Werte zulässig sind.
-
Eine weitere Bedingung ist, daß die Schallgeschwindigkeit c des Materials
der Anpassungsschicht zwischen den Schallgeschwindigkeiten des piezoelektrischen
Wandlerelements einerseits und des zu messenden Fluids andererseits liegen muß.
-
Wie oben schon erwähnt, liegen die Folgefrequenzen für typische Meßstrecken
im Bereich bis ca. 5 kHz, die Differenzen der Folgefrequenzen im Bereich von einigen
Hz.
-
Multipliziert man die beiden Folgefrequenzen vor der Differenzbildung
mit demselben Faktor, beispielsweise mit 100, so liegt ch die Differenzfrequenz
um denselben Faktor höher. Der Zeitaufwand zum Messen der Differenzfrequenz kann
daher entweder bei gleicher Genauigkeit um den genannten
Faktor
reduziert werden oder bei Beibehaltung der Meßzeit kann die Genauigkeit um denselben
Faktor erhöht werden.
-
Falls die Folgefrequenzen niedrig sind, kann es unter Umständen einfacher
sein, nicht die Frequenz, sondern die Periodendauer zu messen. Hierbei kann man
die beiden Folaefrequenzen zusätzlich durch denselben Faktor, zum Beispiel wieder
100, dividieren. Die Periodendauer erhöht sich dabei um den Faktor 100, so daß eine
ausreichend lange Meßzeit zur Verfügung steht.
-
Schließlich soll noch darauf hingewiesen werden, daß das erfindungsgemäße
Verfahren nicht nur für die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Ultraschall-Meßstrecke
geeignet ist. Auch Meßstrecken, bei denen das Ultraschall-Signal an einer Wand des
Strömungskanals reflektiert wird, oder Meßstrecken, deren Strömungskanal U-förmig
gebogen ist, sind brauchbar.