DE3448533C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Molekulargewichts eines strömenden Gases - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Molekulargewichts eines eine Leitung durchströmenden Gases zur Identifizierung von Leckstellen in einem Fackelrohrsystem.

Auf vielen Gebieten der Fluidströmungen ist es erforder­ lich, Messungen und Analysen der Fluidströmung sowie weite­ rer Fluid-Charakteristiken unter ungünstigen Bedingungen durchzuführen. Als Beispiel sei die Erdölindustrie genannt, wo Schutz gegen Überdruck in Einrichtungen wie Behältern, Rohren und Maschinen durch die Verwendung von Sicherheits­ ventilen an den verschiedenen Aufbereitungsstationen vorge­ sehen ist. Die aus diesen Stationen abströmenden Fluide werden in Sammelleitungen aufgenommen und von diesen in ei­ ne große Hauptabströmleitung gerichtet. Typischerweise neh­ men dabei einzelne Sammelleitungen Abströmfluide von einer kleineren Anzahl Sicherheitsventile, z. B. 10-20, auf. Eine Mehrzahl dieser Einzel-Sammelleitungen kann an eine große Sammelleitung für eine ganze Herstellungseinheit ange­ schlossen sein. Die Gase werden an einem Fackelschacht ab­ gefackelt und von dort risikolos an die Atmosphäre abgege­ ben.

Es kann jederzeit geschehen, daß viele Sicherheitsventile ein Leck aufweisen. Normalerweise ist zwar die Leckrate aus jedem einzelnen Ventil sehr klein und stellt kein großes Problem dar. Manchmal können jedoch die Ventile übermäßige Leckage aufwei­ sen, z. B. wenn der Betrieb unter einem Druck stattfindet, der zu nahe an dem vorgegebenen Sicherheitspegel des Ventils liegt, oder aufgrund einer mechanischen Beschädigung während des Auftretens von Überdruck oder aufgrund von Verschleiß infolge von Korrosion, Erosion, Verschmutzung oder aus anderen Gründen. Die Leckage aus einem Sicherheitsventil kann wegen des Verlusts eines wertvollen Produkts, wegen der Verschlechterung des hergestellten Produkts oder durch das Entstehen von Problemen beim Betrieb des Fackelsystems teuer sein. Wenn keine Über­ wachung erfolgt, kann es ferner geschehen, daß das Leck während einer zu langen Zeit nicht entdeckt und repariert wird.

Es hat bereits viele Versuche gegeben, Leckage in den Sammel­ leitungen zu erfassen. Diese bekannten Verfahren haben sich als unbrauchbar erwiesen. Einer der Hauptgründe dafür ist die aggressive Atmosphäre in den Fackelsystem-Sammelleitungen, denn da dem Fackelschacht von vielen Stellen Materialien zugeführt werden, sind die Prozeßbedingungen für Instrumente äußerst aggressiv. Üblicherweise treten Verschmutzung, Korrosion, Abscheidung von Feststoffen sowie von hochmolekularen Polymeren und im Lauf der Zeit verschiedene Kombinationen dieser Zustände auf. So wurden z. B. Turbinenmeßgeräte verwendet, die sich jedoch infolge Verstopfung ihrer bewegten Teile als unzurei­ chend erwiesen haben. Ferner versagen die meisten üblichen Konstruktionswerkstoffe infolge von Korrosion. Die durch plötzliche Druckstöße, Temperatur-Übergangserscheinungen, Dampf, große Entfernungen zwischen Fühlern und der zugeordneten Elektronik, Schwingungen etc. bedingten Einwirkungen bilden in Kombination eine ungünstige und aggressive Umgebung, in der bekannte Meßsysteme ausfallen. Ferner können Strömungsmeßver­ fahren zur Leckage-Erfassung unter Anwendung von Differenz­ druck-Instrumenten nicht eingesetzt werden aufgrund der Gegendrücke im Sicherheitssystem, die Druckerhöhungen in den Fackelsystem-Sammelleitungen verbieten. Ferner umfassen die Strömungsbedingungen in den Sammelleitungen sowohl positive als auch negative Strömungsrichtungen. Die vorgenannten Instrumen­ tensysteme treffen keine Unterscheidung zwischen den Strömungs­ richtungen und bewirken auch keinen Ausgleich von negativen Strömungen.

Eine weitere Überlegung in Verbindung mit der Messung der Fackelschachtströmung ist die Lage vorhandener Rohre und der beschränkte Zugang zu diesen sowie die Unmöglichkeit, ein bestimmtes Rohr nur zum Einbau eines Durchflußmessers außer Betrieb zu setzen. Das heißt, daß die Möglichkeit eines nach­ träglichen Einbaus von Instrumenten wie Durchflußmessern in eine bestehende Anlage unter Anwendung etwa eines On-line-Warmgewindeschneidverfahrens wichtig ist. Ferner muß das Warmgewinde äußerst präzise positioniert werden, so daß eine spätere Strömungsmessung bzw. -abfragung entlang einer vorbe­ stimmten Bahn, z. B. unter 45° zur Rohrachse, auf einem schrägen Durchmesser oder entlang einem Bogensehnensegment oder in Axialrichtung in einem vorgegebenen Abstand von der Rohr­ wandung etc., stattfindet, so daß der untersuchte Teil des Strömungsprofils eine errechenbare und/oder reproduzierbare Beziehung zu der über die Fläche gemittelten Strömungsge­ schwindigkeit aufweist.

Außer der durch die Fackelschacht-Sammelleitungen gebildeten aggressiven Umgebung gibt es eine weitere Schwierigkeit, selbst wenn man Instrumente vorsehen könnte, die dieser Umgebung standhalten, und zwar können sich die Gasströmungs-Charak­ teristiken in der Sammelleitung über die Zeit aus einer Viel­ zahl von Gründen sehr schnell ändern.

Daher sind Ultraschall-Strömungsmessungen, wie sie z. B. in den US-PS 4 103 551 und 3 575 050 angegeben sind, nicht direkt anwendbar. In diesen Veröffentlichungen wird allgemein davon ausgegangen, daß der Durchfluß über die Zeit relativ konstant ist, daß sich die Fluid-Charakteristiken nicht sprunghaft ändern und daß die Zusammensetzung und/oder die Schallgeschwindigkeit des das Rohr durch­ strömenden Mediums nicht nur bekannt, sondern wenigstens während Inter­ vallen, die der Ansprechzeit des Meßinstruments vergleichbar sind, kon­ stant sind. Ferner wird häufig davon ausgegangen, daß einander benach­ barte Fluidelemente im wesentlichen identische Fluid-Charakteristiken aufweisen, so daß sich kreuzende Abfrage- bzw. Meßwege angewandt werden können.

Ferner wird häufig davon ausgegangen, daß die empfangene Amplitude aus stromauf und stromab durchgeführten Messungen identisch ist. Es wurde jedoch aufgezeigt, daß sich die Amplitude häufig unterscheidet, und zwar in Abhängigkeit davon, ob der Abfrageweg stromauf oder stromab ge­ richtet ist (vgl. z. B. U. Ingard und V.K. Singhal, Journal of the Acoustical Society of America, Bd. 60, S. 1212-1215, 1976).

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Molekulargewichts eines eine Leitung durchströmenden Gases zu schaffen, die in der Lage sind Leckströmungen mit im voraus nicht bekannten Zusammensetzungen zuverlässig und präzise zu identifizieren.

Die Erfindung soll weiterhin dafür geeignet sein, insbesondere unter ungünstigen Bedingungen wie etwa in einer Sammelleitung oder in einer Fackelschacht-Hauptleitung eingesetzt zu werden. Dabei soll ferner die Fluidströmung ungeachtet von Differenzen zwischen der Amplitude und/oder der Form von stromauf bzw. stromab ausgesandten Impulsen sowie ungeachtet von Dichte-, Druck- und Wirbelstromänderungen, Änderungen der Zusammensetzung sowie von sich über die Zeit sehr schnell ändernden Schallgeschwindigkeiten und Durchflußraten präzise meßbar sein. Ferner sollen die Mengenflußrate und die Fluidströmungsgeschwindigkeit be­ stimmbar sein, Leckstellen sollen identifiziert werden können, und Durchflußmeßinstrumente sollen in eine Leitung ungeachtet einer be­ schränkten Zugänglichkeit derselben mit hoher Genauigkeit und Zuverläs­ sigkeit einbaubar sein.

Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche zeigen weitere Ausführungsformen und vorteil­ hafte Weiterentwicklungen der Erfindung auf.

Viele Fluidströme weisen unerwartete schnelle oder mit großer Häufigkeit auftretende Änderungen hinsichtlich der Strömungs­ geschwindigkeit und der Zusammensetzung auf. Durch die Erfin­ dung werden Meßverfahren angegeben, die an sehr schnelle Schwankungen der Fluidströmung oder der Fluidzusammensetzung (im Gegensatz zu gleichbleibenden Zuständen) ohne Genauigkeits­ verlust anpaßbar sind.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Messung von Gasströmen, die geringe Konzentrationen von Schlüsselkomponen­ ten bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten, umfassend den Bereich zwischen Null und 15,2 m/s, aufweisen. Bei sehr niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten, z. B. zwischen Null und 0,3 m/s, sind die Einrichtungen und Verfahren nach der Erfindung ganz besonders geeignet und brauchbar. Bei derart niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten in einer aggressiven Umgebung, etwa einem Fackelschacht, eignet sich die Erfindung ganz besonders, weil es bisher nicht möglich war, derartige Mengen selbst unter gleichbleibenden Bedingungen präzise und in praktikabler Weise mit normalen (nichtakustischen) Durchfluß­ messern zu messen, da solche einen hohen Geschwindigkeits­ bereich aufweisenden Durchflußmesser am unteren Ende ihres Meßbereichs nicht ausreichend empfindlich sind. Bekannte akustische Durchflußmesser können an diesen Anwendungszweck nicht ohne weiteres angepaßt werden. Unter den erheblich ungünstigeren Bedingungen von sehr schnellen Schwankungen sprechen ferner Druckabfall-Vorrichtungen, z. B. Blendenplatten nicht linear an.

Die Erfindung wird speziell in Verbindung mit einer Einrichtung und einem Verfahren zur Erfassung und Untersuchung von Lecks in einem Fackelschachtsystem erläutert. Dabei umfaßt das Fackel­ schachtsystem mehrere Aufbereitungsstationen, deren jeder eine Sicherheits-Abströmleitung und ein Sicherheits-Abströmventil zugeordnet ist. Das Sicherheits-Abströmventil ist jeweils zur Regelung von aus der Aufbereitungsstation zur Abströmleitung strömendem Fluid vorgesehen. Eine Sammelleitung ist an mehrere Abströmleitungen angeschlossen. Die Meßeinrichtung umfaßt einen ersten Wandler, der an einer ersten Stelle in der Sammelleitung angeordnet ist, sowie einen zweiten Wandler, der an einer zwei­ ten Stelle in der Sammelleitung angeordnet ist, wobei beide Wandler zwischen sich einen Abfrage- bzw. Meßweg definieren. Es ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die die beiden Wandler bevorzugt in wechselweiser Folge erregt, so daß sie Schallener­ gie aussenden. Die Schaltungsanordnung mißt ferner eine Auf­ strom- und eine Abstrom-Laufzeit der Energiefortpflanzung zwi­ schen den beiden Wandlern in Aufstrom- bzw. in Abstromrichtung. Die Erregungs- und Meßschritte werden wiederholt zur Bildung von Laufzeit-Meßwerten mit einer Häufigkeit, die größer als we­ nigstens zehnmal je Sekunde ist, und es ist ferner eine Schal­ tung vorgesehen, die aus den Laufzeiten die Schallgeschwindig­ keit im Fluid als Funktion der Zeit sowie die Fluidströmungsge­ schwindigkeit als Funktion der Zeit bestimmt. Dadurch kann ein Gasaustritt aus den Sicherheitsventilen erfaßt werden.

Die Leckbestimmungs-Einrichtung bestimmt ferner aus der Schall­ geschwindigkeit im Fluid ein mittleres Molekulargewicht des Fluids als Funktion der Zeit. Dies kann zur Identifizierung der jeweiligen Aufarbeitungsstation, an der ein Leck vorhanden ist, genutzt werden.

In der Leckbestimmungs-Einrichtung werden ferner die Erregungs- und Meß-Schritte mit einer das Nyquist-Kriterium erfüllenden Häufigkeit wiederholt; d. h., mit einer Frequenz, die mehr als die zweifache höchste bedeutsame Frequenz der erwarteten Schallgeschwindigkeits-Schwankung und der erwarteten Fluidge­ schwindigkeits-Schwankung ist. Durch ausreichend häufige Untersuchung des Fluids wird mit der Einrichtung bzw. dem Verfahren ein genaues Maß der zeitlich gemittelten Strömungs­ geschwindigkeit erhalten. Dies steht im Gegensatz zu Blenden­ platten, Venturi-Vorrichtungen und anderen Druckabfall-Fühlern, mit denen üblicherweise der quadratische Mittelwert der Strömung erhalten wird. Dieser letztgenannte Wert kann erheblich höher als der wahre zeitlich gemittelte Wert für Strömungen mit einer bedeutsamen instabilen Komponente sein.

Zum Einbau der Wandler in die Sammelleitungswandungen kann ein Warmgewindeschneidvorgang angewendet werden, ohne die Sammel­ leitungen außer Betrieb zu setzen. Durch eine angebrachte Ver­ tiefung oder einen eingeritzten Schnittpunkt wird eine Stelle an der Leitungsaußenwandung markiert, an der ein Wandler einzu­ bauen ist. Dabei wird die Vertiefung bzw. der Schnittpunkt zur Positionierung einer Startvorrichtung an der Außenwandung und zum Verschweißen derselben mit der Außenwand genutzt. Dann er­ folgt das maschinelle Bearbeiten oder Warmgewindeschneiden, wo­ bei ein Loch in die Seitenwand gebohrt wird unter Verwendung der Startvorrichtung als Führungselement. Dann wird der Wandler an der vorbereiteten Stelle in der Leitungswandung oder entlang der Achse oder dem Weg, der durch die Vertiefungen oder die eingeritzten Schnittpunkte gegeben ist, befestigt.

Die Markierung kann mit einem Zentrierkörner gebildet werden, oder es kann ein Loch in die Leitungsaußenwandung gebohrt und in der Startvorrichtung ein Positionierungsloch vorgesehen werden, durch das die Startvorrichtung relativ zu der Vertie­ fung positionierbar ist. Die Positionierung erfolgt durch Einführen eines spitzen Positionierungsstifts bzw. -bolzens durch das Positionierungsloch in der Startvorrichtung relativ zu der Vertiefung. Bevorzugt ist die Unterseite der Startvor­ richtung durch Bearbeiten an die Kontur der Außenwandung angepaßt.

Zum Markieren der Vertiefungsposition und zum Einritzen von Ausrichtlinien in die Leitungsaußenwand kann eine Deckschablo­ ne, z. B. aus Mylar, verwendet werden. Das Layout der Schablone kann deren Dicke ausgleichen, falls die Markierungen auf der Außenfläche der Deckschablone vorgesehen sind, wenn diese um die Leitung gewickelt wird. Bei dem Verfahren wird ferner die Startvorrichtung unter Anwendung sowohl der Vertiefung als auch der eingeritzten Linien positioniert. Dabei wird eine aus einer Aufspannvorrichtung und einem Rohrstutzen bestehende Einheit mit der verschweißten Startvorrichtung verschraubt, wonach die Einheit mit der Leitung verschweißt wird. Dann wird die Auf­ spannvorrichtung entfernt und ein Ventil mit dem Rohrstutzen verschraubt. Anschließend erfolgt das Warmgewindeschneiden.

In bereits vorhandenen Fackelschacht-Systemen sind die Sammel­ leitungen normalerweise nur sehr beschränkt zugänglich. Die Wandler können durch eine einzige Öffnung in die Leitung einge­ baut werden. Dabei wird durch die Befestigungsvorrichtung eine Schallisolierung zwischen dem Aufstrom- und dem Abstrom-Wandler erzielt. Wenn ferner in einem Abfragesystem mit einer oder mit zwei Öffnungen die Bahn ein schräger Radius ist, ist - ungeach­ tet der störenden Auswirkungen der Wandler und ihrer Halterun­ gen - der Meßfaktor (der im einzelnen noch definiert wird) der gleiche wie für eine Bahn mit schrägem Durchmesser, d. h. er ist 0,7500 für eine laminare Strömung und eine bekannte Funktion der Reynoldszahl für Wirbelströmungen.

Wenn die Aufstrom- und Abstrom-Wandler durch gesonderte Ein­ bauöffnungen in die Leitung eingesetzt werden, kann es die räumlich beschränkte Art der Anlage erfordern, daß ein Bogen­ sehnensegment der Leitung verwendet wird. Das Bogensehnenseg­ ment kann z. B. auch dann verwendet werden, wenn sich ein voller Durchmesser oder eine volle Bogensehne als zu lang erweist und daraus eine übermäßige Dämpfung der gepulsten Signale resul­ tiert. Weiterhin kann in dem Abfrageweg eine Reflexion von der Leitungsinnenwand vorgesehen sein, um zwischen den Wandlern ei­ nen langen Abfrageweg zu erhalten. Dabei sind vorteilhafterwei­ se einer oder mehrere Reflektoren an der Leitungswandung befestigt zur Erzielung verbesserter Reflexionseigenschaften, wodurch die Dämpfung oder die Streuung des reflektierten Impulses verringert und die Diffusion des Signals weiter reduziert wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die Reflektoren in das Innere der Leitung vorspringen, wodurch die Selbstreinigung der Reflektoren günstig beeinflußt wird.

Die vorliegende Beschreibung richtet sich zwar insbesondere auf den Einsatz der Einrichtungen und Verfahren in Fackel­ schacht-Systemen, es gibt jedoch eine Reihe weiterer Anwendungsmöglich­ keiten, für die die Erfindung besonders geeignet ist. Diese können auf so verschiedenen Gebieten wie der Medizin, Biologie, Kraftfahrzeugindustrie, Raumfahrt, dem militärischen Sektor, der Ozeanografie, Meteorologie, Kältetechnik etc. liegen. Ein gemeinsamer Nenner bei allen diesen Anwendungsmöglichkeiten, ob für Gase oder Flüssigkeiten, ist das typische oder potentielle Auftreten von sich sehr schnell ändernder Schallgeschwindig­ keit, Strömungsgeschwindigkeit, Signaldämpfung und/oder charakteristischer akustischer Impedanz des Fluids.

Auf manchen medizinischen oder biologischen Gebieten weisen Erscheinungen wie etwa der Atem eine ungleichmäßige und in zwei Richtungen gehende Strömung bei veränderlichen Temperatur-, Gaszusammensetzungs- und Feuchtewerten auf. Ein Stoß wie etwa Husten oder Schluckauf verdeutlicht die schwankende Strömung, und ein Ansprechen auf körperliche Anstrengung kann Kombina­ tionen von rampenförmiger und schwingender Atem- und Blut­ strömung umfassen. In der Ozeanografie und Meteorologie sind Erscheinungen wie das Ineinanderfließen von Strömen, Windstöße, die Auswirkung von Regen oder Schnee auf Wind etc. Gebiete, auf denen die Erfindung anwendbar ist. Bei manchen Tief­ temperatur-Strömungsprozessen vermischen sich zwei Flüssigkeiten unter­ schiedlicher Dichte und unterschiedlicher Schallgeschwindig­ keit, was zu ungleichmäßiger oder veränderlicher Schallge­ schwindigkeit führt, die von der Strömungsgeschwindigkeit unabhängig ist.

Die Erfindung ist ferner vorteilhaft einsetzbar im Hinblick auf angenommene gleichmäßige Strömungen eines im wesentlichen nichtveränderlichen und milden Fluids, z. B. Wasser bei Raum­ temperatur; dabei besteht die Gefahr einer hin und wieder instabilen Strömung infolge von ungewollten Änderungen etwa einer Ventileinstellung, wegen des Ausfalls eines Regelorgans, einer zufälligen Wärmezufuhr etc. So sind Teile der vorliegen­ den Erfindung auf bestimmte Füllvorgänge anwendbar, bei denen der größte Teil des Füllzyklus mit unveränderlicher Geschwin­ digkeit erfolgt (d. h. der Fluiddurchfluß ist konstant), jedoch das Ende des Füllzyklus langsamer abläuft und etwa Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit umfaßt, wenn der Bediener oder das Steuersystem versucht, den Behälter bis zum Rand zu füllen. Bei niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten ist die Wahrscheinlich­ keit, daß Wärmezufuhr oder Wärmeübertragung die Schallgeschwin­ digkeit beeinflußt, größer als bei der höheren Strömungsge­ schwindigkeit.

Auf dem Gebiet der Raumfahrt und bei Hochleistungsmotoren können hohe Fördergeschwindigkeiten eine solche Erwärmung des Flüssigkraftstoffs bewirken, daß die Schallgeschwindigkeit nicht konstant ist, sondern statt dessen mit einer Rate abnimmt, die von der Zeit und dem Temperaturverlauf der Flüssigkeit abhängt. Da der Temperaturkoeffizient der Schallgeschwindigkeit typischerweise einige m/s/°C ist, ist ersichtlich, daß eine geringe, aber gleichmäßige Änderung der Temperatur zu Fehlern in der Berechnung der Fluidströmungsgeschwindigkeit führen kann, wenn diese Berechnungen fälschlicherweise davon ausgehen, daß die Schallgeschwindigkeit konstant ist. Wenn also die Schallgeschwindigkeit um nur 1 m/s zwischen der Aufstrom- und der Abstrom-Messung abweicht, könnte eine Fehlinterpretation der empfangenen Information erfolgen, d. h. die Änderung der Schallgeschwindigkeit könnte unrichtigerweise als eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit interpretiert werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer typischen Raffinerieanlage, bei der die Erfindung besonders gut einsetzbar ist;

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung der akustischen Aufstrom- und Abstrom-Abfrageeinrich­ tung;

Fig. 3 die Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit in einem Gas und dem Molekulargewicht des Gases;

Fig. 4 die Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit in einem Gas und dem Temperaturkorrekturfaktor für das Gas;

Fig. 5 die Approximation der empirischen Daten mittels einer Geraden, die Gamma und das Molekulargewicht in Beziehung setzen;

Fig. 6 eine grafische Darstellung des Musters einer Deckschablone;

Fig. 7 eine Montageskizze einer Vorrichtung zum genauen Anordnen der Wandler in der Leitungswandung;

Fig. 7A eine detaillierte Ansicht der Startvorrichtung von Fig. 7;

Fig. 8a bis Fig. 8q verschiedene Anordnungen von Wandlern in einer Leitung;

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Mehrfach­ reflexionsweg-Geometrie in einer begrenzten Leitung;

Fig. 9A eine Querschnittsansicht 9A-9A von Fig. 9;

Fig. 10 ein einbaubares Ultraschall-Instrument;

Fig. 11 den Verlauf von ausgesandten, empfangenen und gleichgerichteten Signalen, die zur Erläuterung der Erfindung nützlich sind;

Fig. 12 ein Blockschaltbild, das die Hauptbestandteile gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 13 und Fig. 14 detaillierte elektrische Schaltbilder, die eine besonders vorteilhafte Realisierung der elektri­ schen Schaltung nach der Erfindung erläutern;

Fig. 15 ein schematisches Schaltbild einer automatischen Verstärkungsregelungsschaltung nach der Erfindung;

Fig. 16 die Funktionsweise der AVR-Schaltung von Fig. 15;

Fig. 17 ein schematisches Blockschaltbild einer automati­ schen Mehrwege-Verstärkungsregelungsschaltung nach der Erfindung; und

Fig. 18 ein Schaltbild, das den Verstärker mit Verstär­ kungsautomatik von Fig. 15 in einer Mehr­ wege-Umgebung zeigt.

Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Erdölverarbeitungswerk eine Mehrzahl Prozeßstationen 12a, 12b, . . ., 12n, in denen verschiedene Herstellungsprozesse oder Prozeßstufen ablaufen. Typischerweise sind diese Prozeßstufen miteinander gekoppelt unter Bildung eines vollständigen Herstellungsprozesses, und zwar mittels Rohrleitungen und Steueranschlüssen (nicht gezeigt). Jede Prozeßstufe umfaßt ferner eine einzelne Abströmleitung 14a, 14b, . . ., 14n, der jeweils ein Sicherheitsventil 16a, 16b, 16n zugeordnet ist. Die Abströmfluide aus diesen Stationen werden in einer einzigen Sammelleitung 18 gesammelt, an die typischerweise zwischen zehn und zwanzig Sicherheitsventile und zugeordnete Leitungen angeschlossen sind. Ferner können einzelne Sammelleitungen 20, 22 und 24 von anderen Fertigungs­ stationen ihren Inhalt an immer größere Sammelleitungen abgeben, bis sämtliche Abströmfluide eines vollständigen Herstellungsprozesses schließlich in einer einzigen großen Sammelleitung 26 gesammelt werden. Die Gase aus der Sammellei­ tung 26 werden gezündet und in einem Abfackelungsschacht abgefackelt und können von dort ohne Risiko in die Umgebung abgelassen werden.

Gemäß dem erläuterten Ausführungsbeispiel kann eines bzw. können mehrere der Sicherheitsventile 16a, 16b, . . ., 16n lecken, und im allgemeinen ist die Leckmenge gering und stellt kein Problem dar. Es gibt jedoch vielerlei Gründe, weshalb die Ventile manchmal übermaßig stark lecken können, was eine erhebliche Strömungsmenge durch die verschiedenen Sammellei­ tungen zur Folge hat. Die Strömungsmenge durch die Sammellei­ tung sowie deren Inhalt kann ein wichtiger Parameter zur Bestimmung des Wirkungsgrads des Herstellungsprozesses sowie der Sicherheit und des Wirkungsgrads des Fackelsystems sein. Infolgedessen ist es wünschenswert, daß für jede Sammelleitung die Strömungsmenge und, soweit möglich, die Zusammensetzung der die Leitungen durchströmenden Gase bestimmt wird. Zu diesem Zweck wird eine Gasstrom-Geschwindigkeitsmeß- und -Analyse- Einrichtung angewandt, die die Gasdurchflußgeschwindigkeit durch die Leitungen sowie die Mengenflußrate bestimmt. Daher ist an jeder Sammelleitung eine Strömungsmeßwandler-Einheit 28 befestigt, und diese Einheiten 28 sind über Kabel 30 mit einer mikroprozessorgesteuerten Analyse- und Meßeinrichtung 32 gekoppelt.

Gemäß Fig. 2 verwendet ein akustischer Strömungsmesser 34, der die Analyse- und Meßeinrichtung 32 sowie die Strömungsmeß­ wandler-Einheit 28 umfaßt, einen Aufstrom-Wandler 36 und einen Abstrom-Wandler 38, um unter Steuerung durch die Analyse- und Meßeinrichtung 32 einen Ultraschall-Energieimpuls stromauf und stromab durch ein Fluid 40 in einer Leitung oder Sammelleitung 42 zu übertragen. Es ist bekannt, daß für die Bestimmung der Fluidgeschwindigkeit zwei Messungen erforderlich sind. Für die erste Messung muß ein akustisches Signal (der Ultraschall­ energie-Impuls) vom Wandler 38 aufstrom zum Wandler 36 übertragen werden, und die Laufzeit T1 muß gemessen werden. Dann wird das akustische Signal in die entgegengesetzte, also die Abstromrichtung gesandt, und die Abstrom-Laufzeit T2 für diese Bahn zwischen den Wandlern wird gemessen. Aus diesen beiden Meßwerten und der Schallgeschwindigkeit C des Signals im Medium wird die Strömungsgeschwindigkeit V des Gases in der Leitung und, wie noch erläutert wird, die Mengenflußrate MV bestimmt.

Gemäß den Beschreibungen in der einschlägigen Literatur wird die Geschwindigkeit C des Schalls im Medium entsprechend der Gleichung (1) errechnet:

C = T/D (1)

wobei T = (T1 + T2)/2 die gemittelte Laufzeit und D der Strömungsweg bzw. der Abstand zwischen den Wandlern ist. (Streng genommen gilt T = (T1 + T2 - 2TW)/2, wobei TW sämtli­ chen nicht in dem Fluid selbst vorhandenen Verzögerungen entspricht.)

Es ist ferner allgemein bekannt, daß die Strömungsgeschwindig­ keit V proportional C² dt/2D ist, wobei dt gleich der Differenz der aufgenommenen Laufzeiten ist, d. h., dt = T1 - T2.

Es wurde ferner gefunden, daß bei einer bestimmten Temperatur die Schallgeschwindigkeit C in einem Gas das mittlere Molekulargewicht des Gases anzeigt, und zwar im Fall von Gasen, deren spezifisches Wärmeverhältnis vom Molekulargewicht nicht unabhängig ist. Die Molekulargewichtskorrelation wurde für eine Klasse von im wesentlichen paraffinischen Kohlenwasserstoffen bestätigt, die im Normalbetrieb im Fackelsystem vorhanden sind. Die verfügbaren Daten lassen ferner den Schluß zu, daß eine ähnliche Korrelation für Olefine und Diolefine besteht. Ferner zeigen experimentelle Daten, die sich auf katalytisches Crack­ gas beziehen, daß die Korrelation zwischen der Schallgeschwin­ digkeit und dem Molekulargewicht für aromatische Produkte bei bekannten Temperaturen brauchbar ist. Somit kann eine Bestimmung der Mengenflußrate mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 1%, beruhend auf akustischen Messungen dem Schallgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit eines Fluids sowie auf Temperatur- und Druckinformation, durch die bisher unbekannte Korrelation zwischen der Schallgeschwindigkeit in einem Fluid und dem Molekulargewicht wenigstens für einige Gaszusammensetzungen erhalten werden. Somit ergibt die Messung der Schallgeschwindigkeit in Verbindung mit der Strömungsge­ schwindigkeit eine Messung der Mengenflußrate durch Berechnun­ gen unter Anwendung bekannter Gleichungen.

Nachstehend wird die Messung der Mengenflußrate erläutert.

Aus experimentellen Daten, die die Schallgeschwindigkeit im Gas bei einer bestimmten Temperatur sowie einem bestimmten Druck und für verschiedene Kohlenwasserstoffgasgemische vergleichen, kann die Schallgeschwindigkeit mit dem Molekulargewicht in Be­ ziehung gesetzt werden. Gemäß Fig. 3 ist eine Gleichung, die die dort gezeigte experimentelle Beziehung approximiert (für ein Molekulargewicht im Bereich von ca. 70):

MW = log^-1 (7,012 - 1,836[log C]) (2)

wobei MW das Molekulargewicht des Gases in 1b/mol (1 lb = 0,453 kg) und C die Schallgeschwindigkeit im Gas in ft/s (1 ft/s = 0,3 m/s) ist.

Da sich die Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur ändert, können für ein Gas bei unterschiedlichen Temperaturen unter­ schiedliche Schallgeschwindigkeiten gemessen werden. Fig. 4 enthält einen Datensatz, der für abzufackelnde Kohlenwasser­ stoffgasgemische typisch ist. Um die Molekulargewichts-Kor­ relation von Gleichung (2) verwenden zu können, sollte eine Temperaturkorrektur vorgenommen werden. Eine Approximation an die Grafik von Fig. 4 ist wie folgt

T_c = (2,11 × 10^-8) C_o² + (7,5 × 10^-4) C_o (3)

C₁₀₀ = C_o - T_c (T_o - 100) (4)

mit
T_c = Temperaturkoeffizient der Schallgeschwindigkeit
C_o = beobachtete Schallgeschwindigkeit (ft/s)
T_o = Temperatur des Gases und
C₁₀₀ = Schallgeschwindigkeit bei 37,7°C (100°F) (ft/s).

Dann kann die Mengenflußrate mittels der folgenden Gleichung errechnet werden:

mit
M = Mengenflußrate
V_o = beobachtete Geschwindigkeit (ft/s) und
P_o = beobachteter Druck (psia) (= absoluter Druck).

Durch Kombination der Gleichungen (3) und (4) erhält man (C₁₀₀ ist in C_c umbenannt):

C_c = C_o - [(2,11 × 10^-8)C_o² + (7,5 × 10^-4) C_o](T_o-100) (6)

Durch Vereinfachung und Kombination der Gleichungen (2), (3), (4) und (6) erhält man:

MW = 10^7,012/C_c ^1,836 (7)

Wenn man Gleichung (7) durch eine Potenzreihe approximiert, erhält man:

Dann kann die Gleichung (5) wie folgt neu geschrieben werden:

Die vorstehend angegebenen empirischen Resultate, die den korrigierten Wert von C_o, C_c und die beobachtete Temperatur T_o mit dem Molekulargewicht MW und damit mit der Mengenflußrate M des Gases in der Fackelmast-Sammelleitung in Beziehung set­ zen, beginnen mit der bekannten Gasgleichung, gemäß der PV^γ = konstant und

PV = RT oder P = ρ RT (10)

dabei ist P der Absolutdruck des Gases; V (= 1/ρ) ist das spezifische Gasvolumen; γ = C_p/C_v ist das spezifische Wärme­ verhältnis eines idealen Gases; R ist die universelle Gaskon­ stante; und T ist die absolute Temperatur des Gases.

Es ist ferner bekannt, daß die Schallgeschwindigkeit C in ei­ nem Gas aus folgender Gleichung errechnet werden kann:

C = (γ RT/MW)1/2 (11)

dabei ist MW das mittlere Molekulargewicht des Gases. Im all­ gemeinen liegt Gamma im Bereich von ca. 1,0-1,67. Wenn man somit Gamma willkürlich mit 1,33 annimmt, kann das mittlere Molekulargewicht des Gases immer mit einem Genauigkeitsgrad von ca. 33% errechnet werden. Die oben genannte empirische Korrelation ermöglicht die Verbesserung der Genauigkeit der Bestimmung des mittleren Molekulargewichts auf 1 oder 2%.

Mit anderen Worten verlangt die Gleichung (11), daß Gamma bekannt ist, wenn eine größere Genauigkeit gewünscht wird. Andererseits sind die in den Sammelleitungen 18, 20, 22 und 24 vorhandenen Gase unbekannt, und somit ist aus der Gleichung (11) die Berechnung des Molekulargewichts eine Funktion sowohl der Schallgeschwindigkeit im Gas als auch des spezifischen Wärmeverhältnisses des Gases. Im Fall der in der Fackel­ mast-Umgebung interessierenden Gase wurde jedoch gefunden, daß Gamma und das Molekulargewicht nicht voneinander unabhängige Parameter sind, sondern miteinander in Beziehung stehen. So stehen in einigen petrochemischen Raffinerieprozessen sowohl das Molekulargewicht als auch Gamma mit der Schallgeschwindig­ keit und damit miteinander in Beziehung. Insoweit, als MW und Gamma nicht unabhängige Variablen sind, und insoweit, als ihre Beziehung eindeutig ist, kann MW ausschließlich aus C (und T) errechnet werden. Zur besseren Verdeutlichung kann die empirische Beziehung zwischen Gamma und dem Molekulargewicht, die in Fig. 5 dargestellt ist, durch die folgende Gleichung angenähert werden:

γ = aMW + b (12).

Dann ist unter Verwendung der Gleichungen (11) und (12) MW = (aMW + b)RT/C², woraus folgt, daß MW = (bRT/C²)/(1 - aRT/C²). Daher kann bei Verwendung eines Zeitintervallmeßgeräts zur Messung sowohl der Schallgeschwin­ digkeit C im Gas als auch der Strömungsgeschwindigkeit V das Instrument den Wert von MW und dann Gamma bestimmen.

Nachstehend wird der Einbau von akustischen Wandlern durch Warmgewindeschneiden erläutert.

Gemäß Fig. 2 ist ein erster Schritt für den Einbau des akustischen Durchflußmessers die richtige Positionierung der Meßwandler 36 und 38 an genau bestimmten Stellen an der Leitung (d. h. der Sammelleitung), durch die das Gas strömt. Typischer­ weise sind die Leitungen bereits vorhanden und eng nebenein­ ander angeordnet. Der Einbau der Wandler sollte ferner ohne Störung des normalen Gasstroms in der Sammelleitung erfolgen. Infolgedessen wird ein Warmgewindeschneidverfahren angewandt unter Anwendung einer neuen Einbautechnik, bei der der Einbau auf der Grundlage der Ausrichtung der Konstruktionselemente und Schneidelemente, ausgehend von genau festgelegten Mitten­ positionen an der Leitungswandung, erfolgt.

Dabei wird eine Schablone 44 (z. B. eine Mylar-Deckschablone) erstellt, die für die jeweils interessierende Rohrleitungsgröße markiert ist (Fig. 6). Das Oberende des Rohrs wird lokalisiert, und die Schablone wird unter Anwendung von Bezugsmarkierungen um das Rohr gewickelt. Ein Mittelpunkt 46 des Anschlusses (der später zu benutzen ist) kann dann mit einem Körner oder durch den Schnittpunkt von eingeritzten Marken markiert werden. Bei einer alternativen Ausführungsform kann senkrecht zu der Leitungsaußenfläche ein Positionierungs-Blindloch gebohrt werden.

Bevorzugt werden zusätzlich vertikale und horizontale eingeritzte Marken 48, 49 auf dem Rohr unter Verwendung der Schablone angebracht. Diese eingeritzten Marken dienen der Positionierung einer Startvorrichtung bzw. eines Startblocks 50.

Gemäß den Fig. 7 und 7A dient die Startvorrichtung 50 der genauen Positionierung einer Aufspannvorrichtung 52, die dazu dient, einen Rohrstutzen 54 zum Schweißen in seiner Lage zu halten. Startvorrichtungen für jeden Rohrdurchmesser können für jede der verschiedenen Arten von abgewinkelten Warmgewin­ debohrungen, also für Gewindebohrungen unter einem Winkel von 90°, 63° oder 45°, vorbereitet werden. Die Startvorrichtungen werden zuerst mit dem Rohr ausgerichtet und in ihrer Lage eingespannt, während sie durch Haftschweißen an dem Rohr befestigt werden. Die Ausrichtung kann durch wenigstens zwei verschiedene Techniken erfolgen. Im einen Fall wird die Start­ vorrichtung an das Rohr unter Verwendung der eingeritzten Markierungen, die von der Mylar-Deckschablone auf das Rohr übertragen wurden, angepaßt. Im zweiten Fall ist die Start­ vorrichtung so profiliert, daß sie an die Außenfläche des Rohrs angepaßt ist. In beiden Fällen bildet ein Positionierungsloch 53, das senkrecht zu der profilierten Unterseite der Start­ vorrichtung 53 durch diese gebohrt ist, und zwar typischerweise in der Mitte der profilierten Fläche, eine Bezugs-Montage­ position für die Startvorrichtung. So kann ein spitzer Stab, z. B. ein Nagel, durch das Positionierungsloch 53 und in die (mit dem Zentrierkörner hergestellte) Vertiefung am Rohr geschoben werden. Dieser Festlegepunkt bewirkt zusammen mit der profilierten Fläche der Startvorrichtung (im zweiten Fall) eine spezielle Positionierung der Startvorrichtung. In beiden Fällen wird die Startvorrichtung dann entweder durch Haftschweißen oder in anderer Weise fest an dem Rohr befestigt.

Anschließend wird um die Startvorrichtung herum eine Gegen­ kupplung 60 angeordnet. Diese ist typischerweise eine verschweißte Baugruppe, bestehend aus dem Rohrstutzen 54, mit dem ein aufschiebbarer Blindflansch 64 verschweißt ist, der eine für einen Preßsitz geeignete Bohrung aufweist. Eine Schablone wird benutzt, um den Rohrstutzen 66 so abzuschneiden, daß er an die Kontur der Rohrwandung angepaßt ist. Anschließend werden die Enden des Rohrstutzens abgeschrägt.

Dann wird die Aufspannvorrichtung 52 mit dem Rohrstutzen 54 verschraubt, und die verschraubte und verschweißte Kupplung 60 wird dann mit der Startvorrichtung verschraubt. Diese wird langsam mit dem Rohr verschweißt, und zwar erforderlichenfalls auf entgegengesetzten Seiten, um die richtige Orientierung relativ zum Rohr aufrechtzuerhalten. (Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Rohransatz 54 der Gegenkupplung direkt um die Startvorrichtung 50 herum in Kontakt mit dem Rohr angeordnet und z. B. durch Schweißen angeschlossen werden. Eine detaillierte Beschreibung dieser Möglichkeit findet sich bei Warburton und Lynnworth, "Hot Tapped Ultrasonic Flowmeter Ports in Hot Steel Pipe", Advances in Test Measurement, Bd. 20, Instrument Society of America, Mai 1983.) Nach dem Verschweißen wird die Aufspannvorrichtung entfernt, die Schweißnähte werden geprüft, ein Ventil wird eingebaut, und dann erfolgt das Warmgewindeschneiden.

Das Warmgewindeschneiden wird durchgeführt, indem ein Spiral­ bohrer durch ein Ventil und eine Stopfbuchse in eine Warmge­ windebohrmaschine eingesetzt und dann das Rohr durchbohrt wird. Der Spiralbohrer wird dann durch das Ventil und die Stopfbuchse zurückgezogen, wonach eine Langlochsäge oder eine Bohrkrone mit einer geeigneten Vorrichtung zum Auffangen des ausgeschnittenen Materialstücks eingebaut werden. Dann wird ein Schnitt in die Rohrwandung gemacht, das ausgeschnittene Materialstück wird entnommen, und die Gewindebohrung ist zum Einbau der Fühler bereit. Dann werden die Fühler in bekannter Weise eingebaut, wobei die Innengewinde der Kupplung mit Teflonband oder einem anderen geeigneten Dichtungsmaterial abgedichtet werden. Dann wird ein zweiter Wandler an einer entsprechenden "entgegen­ gesetzten" Position eingebaut. Dieser Vorgang kann sowohl an einem im Betrieb befindlichen Rohr als auch an einem leeren Rohr in einer mechanischen Werkstatt oder einem Außendienst­ depot durchgeführt werden. Der Vorteil des Verfahrens ist insbesondere für Rohre ersichtlich, die im Vergleich zu den verfügbaren Werkstatt-Fräs- oder -Bohrmaschinen sehr groß sind.

Nachstehend wird der Einbau und die Positionierung der akustischen Wandler erläutert.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 8a-q werden die akustischen Wandler oder Fühler typischerweise an Leitungen oder Rohren 60 angebracht, die in einem Herstellungsbetrieb bereits vorhanden sind. Typischerweise ist dabei eine Mehrzahl Rohre in engem Abstand voneinander in linearer Anordnung vorgesehen (Fig. 8a), so daß zum Einbau der Wandler wenig Raum verfügbar ist.

Die geometrische Beziehung der Wandler zueinander ist flexibel, und es können verschiedene geometrische Konfigurationen zufriedenstellend angewandt werden. Typische Konfigurationen können charakterisiert werden als (a) 45°-Diagonalbahn durch die Rohrmitte (Fig. 8b-d), (b) 45°-Diagonalbahn entlang dem Mittenradius (Fig. 8e-g), (c) 45-90°-Bahn entlang der Rohrmitte (Fig. 8h-j), (d) 63-90°-Bahn entlang dem Mittenradius (Fig. 8k-m) und (e) eine 90°-Einseitenbahn unter 45° quer zum Rohr (Fig. 8n-q). Die Anwendung dieser verschiedenen Konfigurationen hängt teilweise von der dem Monteur zugänglichen speziellen Geometrie ab. Ferner können weitere Variationen je nach der Rohrgeometrie angewandt werden, z. B. kann die Bahn parallel zur Rohrachse verlaufen.

Die erste Konfiguration, also die konventionelle Schrägdurch­ messer- oder 45°-Diagonalbahn durch die Rohrmitte (Fig. 8b-d), ist möglicherweise am brauchbarsten. Die Wandler befinden sich dabei an oder nahe der Innenwandung des Rohrs und liefern eine Schallgeschwindigkeits-Messung über eine Schrägdurchmesserbahn mit einer axialen Komponente L.

Die Wandler können jedoch auch in anderen Positionen relativ zum Rohrdurchmesser nach Maßgabe der Eigenschaften des Gases angeordnet sein. Wenn z. B. Rohre so groß sind, daß der Schallweg zu lang ist, oder wenn der Zugang zum Rohr beschränkt ist, so daß die 45°-Diagonalbahn durch die Rohrmitte nicht verwendet werden kann, können die Fühler näher zueinander gebracht werden, wobei z. B. der eine zur Rohrmitte (Fig. 8h, 8i, 8j) oder beide einwärts zur Mitte bewegt werden. Auf diese Weise kann ein Bogensehnensegment angewandt werden. Bei kleinen Rohren, bei denen die Schallwege zur kurz für die "übliche" Plazierung an der Rohrinnenwandung sind, können die Fühler zurück in die Rohrstutzen bewegt werden, oder es können Viel­ fachreflexionen (Fig. 9) aus dem Rohrinneren genutzt werden. Ein Aussparen der Wandler ist eine weitere Möglichkeit für die Strömungsmessung in Rohren mit unterschiedlichem Durchmesser bei gleichzeitiger Konstanthaltung der Fluidbahn.

Eine zweite Konfiguration, die in der Praxis häufig anwendbar ist, um sowohl in laminaren als auch Wirbelströmungen Meßgenauigkeit zu erzielen, wenn benachbarte Rohre den Zugang beschränken, ist die Bahn entlang der Radiusmitte (Fig. 8e, 8f, 8g). Die Wandler werden in die Rohrwandungen an oder nahe der Position der Radiusmitte eingebaut. Bei einer Kombination werden die Rohrstutzen unter einem Winkel von ca. 63° zum Rohr so angeordnet, daß der Winkel zwischen der Wandlerachse (die bei der gezeigten Ausführungsform als koaxial mit der Abfrage­ bahn 69 angenommen wird) und der Achse 71 des Wandler-Halte­ rohrs 71a 150° ist. Bei einer anderen Konfiguration verläuft die Achse des Rohrstutzens senkrecht zum Rohr; dies ist zum Warmgewindeschneiden eine einfachere Geometrie. Bei beiden Konfigurationen zeigen die Fühler unter einem Winkel von typischerweise 45° quer zum Rohr. Die Schallmessungen werden bei allen Konfigurationen dann, wie oben erwähnt, dadurch erhalten, daß "wechselweise nacheinander" aufstrom und abstrom abgefragt wird.

Ungeachtet des jeweils angewandten Installationsverfahrens muß darauf geachtet werden, daß die Meßanzeigen in bezug auf den sog. Meßfaktor K richtig kalibriert sind. Dieser Faktor setzt den gemessenen Fluidstrom zu dem über die Fläche gemittelten Strom der Fluide, die das Rohr mit verschiedenen Strömungs­ profilverteilungen durchströmen, in Beziehung. Bei einer Wirbelströmung ist die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids nahe der Rohrmittenachse größer als die Strömungsgeschwindigkeit an oder nahe der Rohrinnenwandung. Somit verlangt eine an der Mittenachse des Rohrs verlaufende axiale Bahn, daß die gemessene Strömung verringert wird, d. h., daß sie mit einem Faktor, der kleiner als Eins ist, multipliziert wird, wogegen eine ähnliche axiale Messung nahe der Rohrinnenwand verlangt, daß die gemessene Strömung erhöht, d. h., mit einem Faktor größer als Eins multipliziert wird. Z. B. ist der Meßfaktor K für die konventionelle 45°-Diagonalbahn in der Rohrmitte bekannt und ist für eine Wirbelströmung:

K = 1/(1,119 - 0,011 log Re), mit Re = Reynoldszahl.

Der vorgenannte Meßfaktor K hängt davon ab, wie der Vergleich der mittleren Geschwindigkeit in der abgetasteten Bahn mit der über die Fläche gemittelten Strömungsgeschwindigkeit ausfällt. Z. B. hängt bei einem schrägen Bogensehnensegment (Fig. 8n, 8p, 8q) der Meßfaktor K von wenigstens drei Faktoren ab: dem Abstand von der Achse zu der die Bahn enthaltenden Ebene, der projizierten Bahnlänge, die symmetrisch um eine vertikale Mittenlinie verteilt werden kann, und der Reynoldszahl. Weitere Faktoren, die das Profil und damit den Meßfaktor beeinflussen, sind die Rauhigkeit des Rohrs, die Wandler selbst, Auf­ strom-Bedingungen etc.

Für die schräge Bogensehnensegment-Bahn nach den Fig. 8n, 8p, 8q und für ein glattwandiges gerades Rohr mit einem Innendurch­ messer von 36,83 cm kann der Meßfaktor unter folgenden Annahmen errechnet werden. Wenn die Bahn in einer horizontalen Radius­ mittenebene symmetrisch um die vertikale Mittenlinie verläuft und in der Endansicht eine projizierte Bahnlänge von 30,48 cm hat und wenn die Profilstörung infolge der Sonden selbst vernachlässigbar ist, dann ist bei einer Reynoldszahl von 10⁵ der Meßfaktor 0,89. Dieser Wert von K ist etwa 11% niedriger, als wenn die Bogensehnenbahn durch die Radiusmitte vollständig zu den Wandungen verlaufen würde; für eine solche Bahn ist in bekannter Weise K im wesentlichen Eins sowohl für laminare als auch für Wirbelströmungsprofile.

Wie Fig. 9 zeigt, kann der Sichtlinien-Abfrageweg durch das Fluid nicht ausreichend lang sein, und daher kann eine Reflexion von der Rohrinnenwand erforderlich sein, um diesen Abfrageweg effektiv zu verlängern. Die gleiche Geometrie kann auch erforderlich sein, wenn der Zugang zum Rohr nur auf einer Seite möglich ist, z. B. bei einem unterirdisch verlegten Rohr, Gemäß Fig. 9 sind spezielle Reflektoren 72, 74, 76 in die "Strömungszelle" eingeführt, um (a) entweder eine bessere Reflexion aufgrund der Reflektoren zu erzielen, die z. B. aus rostfreiem Stahl, Teflon oder Titan bestehen, wobei diese Werkstoffe entweder sauber bleiben oder bei der Wartung leicht zu reinigen sind, oder um (b) die effektive axiale Projektion des Abfragestrahls über die Bahn hinaus, die ohne Reflektoren begrenzt gewesen wäre, zu vergrößern. Bei der gezeigten Ausführungsform sind drei Reflektoren entlang der "gebrochenen" Abfragebahn angeordnet, es können aber auch weniger oder mehr Reflektoren eingesetzt werden. Der Reflektor 72, der z. B. aus rostfreiem Stahl besteht, ist innerhalb der Strömungszelle (z. B. durch eine Öffnung 77) eingebaut und wird von der rückwärtigen Schulterbohrung der Rohrwandung 78 festgehalten. Das Rohr ist typischerweise aus Kohlenstoffstahl, kann aber auch aus Glasfaser oder anderen Werkstoffen bestehen. Das Schweißsymbol 80 bezeichnet ein bevorzugtes Vorgehen, den Reflektor 72 so an der Wandung zu befestigen, daß eine Leckage ausgeschlossen ist.

Der Reflektor 74 kann in ähnlicher Weise festgelegt und gesichert sein, oder er kann in seiner Lage durch Epoxidharz gehalten werden und einen konventionellen O-Dichtring (nicht gezeigt) aufweisen, so daß eine Abdichtung erreicht ist. Ein dritter Reflektor 76 ist eine Verlängerung einer Rohrver­ schraubung 82. Diese ist lösbar in eine Kupplung 84 eingebaut, die mit der Rohrwandung verschweißbar ist. Die Endansicht von Fig. 9A zeigt, daß die Reflektoren geringfügig in den Fluid­ strom vorspringen. Dies ist gewollt und dient der Verstärkung der Reinigungswirkung des strömenden Fluids. Es kann aber in anderen Fällen auch erwünscht oder bevorzugt sein, die Reflektoren entweder bündig mit der Rohrinnenwandung oder relativ dazu geringfügig vertieft anzuordnen.

In der Praxis ist eine bevorzugte Obergrenze des Durchmessers d oder der größten Hauptdimension der ebenen reflektierenden Fläche des Reflektors (wie etwa einer Fläche 86) gleich dem zweifachen Durchmesser der Wandleröffnung, die durch die Wandler-Anschlüsse 88 und 90 gebildet ist.

In Fällen, in denen die Leitung nur von einer Seite zugänglich ist und eine V-förmige Bahn mit einem Reflektor zu lang ist, etwa wegen der Dämpfung im Fluid infolge von Wirbeln oder Absorption, kann eine einführbare Sonde 92, die beide Wandler 36 und 38 trägt, verwendet werden. Die Sonde 92 wird in die Leitung durch eine einzige Öffnung eingebaut. Einführbare Sonden sind zwar in Verbindung mit Turbinendurchflußmessern, Pitotrohren und Momenten-Vorrichtungen etc. bekannt, sie sind jedoch im Ultraschall-Durchflußmesser besonders vorteilhaft, weil sie keine bewegten Teile aufweisen, nicht verstopfen, schnell ansprechen und mit hoher Genauigkeit arbeiten. Ein besonders schwieriges Problem in Verbindung mit der einführ­ baren Ultraschallsonde ist jedoch die akustische Trennung des Sendeelements vom Empfangselement. Da eine mechanisch feste Halterung wegen der auf die Sonde einwirkenden Fluidkräfte sowie auch zur Vermeidung von Ermüdungs- und Ausfallerschei­ nungen infolge von Schwingungen, die durch Wirbelablösung bedingt sind, notwendig ist, ist der Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger nicht groß, wenn nur eine Anschluß­ öffnung mit kleinem Durchmesser für die Vorrichtung vorhanden ist. Infolgedessen ist die gezeigte einführbare Ultraschall­ sonde so aufgebaut, daß eine maximale Schallisolierung zwischen den Wandlern erzielt wird, und verwendet Werkstoffe mit jeweils unterschiedlicher akustischer Impedanz zur Erzielung einer besseren Schallisolierung, Dichtungsmaterialien mit hoher Dämpfung wie etwa Faserwerkstoffe, möglichst kleine Kontakt­ flächen zwischen zu isolierenden Teilen sowie gewundene und, bevorzugt gedämpfte Übertragungswege.

Nach Fig. 10 erhält man durch die Kombination dieser Isolie­ rungsmöglichkeiten einen einsetzbaren Strömungsmesser, bei dem die Wandler 36 und 38 mit Epoxidharz jeweils an einem gestreckten Einbauteil 92, 94 befestigt sind und die Einbau­ teile dicht an zylindrischen Flächen durch Verwendung von Metallzwingen oder - zur besseren Isolierung - Teflonzwingen anliegen. In manchen Fällen kann eine gewundene Bahn 96 um eine Stange oder eine Rohrhalterung 98 herum vorgesehen sein. Die Zwinge dient der Abdichtung gegen die Bahn 96.

Dämpfungsmaterial 100 kann in Kontakt mit dem größtmöglichen Teil des Aufbaus eingeführt sein. Die gewundene Bahn 96 bietet ferner eine Möglichkeit, die Metallzwinge um ein entsprechend gestrecktes dünnes Rohr dicht anzuordnen, wobei das Bauelement 98 in der Bahn 96 so dickwandig sein kann, daß beim üblichen Festziehen die Erzielung der Einschnürverformung, die für eine sichere Dichtung erwünscht ist, verhindert wird. Für die genaue Bestimmung der über die Fläche gemittelten Strömungsgeschwin­ digkeit aus der Abfragung über die akustischen Bahnen 102 ist dann die übliche Kalibrierung, die Wahl des geeigneten Meßfaktors und die genaue Kenntnis der Geometrie der Abfrage­ bahn erforderlich.

Nachstehend werden die elektrischen Funktionen erläutert.

Dabei wird wiederum zur Verdeutlichung auf das Fackelmastsystem Bezug genommen. Die Analyse- und Meßeinrichtung 32 empfängt Signalinformation von einer Mehrzahl von Fackelmast-Sammel­ leitungen und erzeugt Ausgangsinformation hinsichtlich der volumetrischen Strömungsrate und der Mengenflußrate als eine Funktion der Zeit für jede Sammelleitung. Um eine genaue Messung sowohl der Schallgeschwindigkeit im Fluid wie auch der Fluidgeschwindigkeit zu erreichen, wenn sich die das Fluid beschreibenden Parameter sehr schnell ändern (z. B. mit einer Geschwindigkeit von 10 Hz), mißt die elektrische Einrichtung die Aufstrom- und Abstrom-Laufzeiten sehr schnell und mehrfach.

Infolgedessen erfolgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die akustische Abfragung unter Verwendung der Wandler 36 und 38 etwa 80mal je Sekunde, und zwar bevorzugt wechselweise nacheinander. Die Abfragerichtung ändert sich dadurch etwa 80mal je Sekunde, so daß eine genaue Strömungsmessung ungeachtet sehr schneller Druck- und Zusammensetzungsänderungen des Mediums erhalten wird. Bei diesem Beispiel ist somit die akustische Signalumkehr erheblich schneller als die zweifache Änderungsgeschwindigkeit der höchsten bedeutsamen Frequenz sowohl der Schallgeschwindigkeit als auch der Fluidgeschwin­ digkeit. Dadurch ergibt sich eine Abfragegeschwindigkeit, die das Nyquist-Kriterium erfüllt. Es könnten auch andere schnelle Abfrageverläufe, die das Nyquist-Kriterium erfüllen, angewandt werden.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Ausdruck "wechselweise" dazu verwendet, die Richtungsänderung der Bahnabfragung von Aufstrom zu Abstrom zu bezeichnen. Es ist jedoch zu beachten, daß "wechselnde Richtung" auch sich ändernde Richtungen umfaßt, nachdem eine endliche (und üblicherweise kleine) Zahl "n" von Abfragevorgängen in einer bestimmten Richtung versucht oder beendet wurde. Wenn die Wandler so gut gedämpft sind, daß innerhalb der wenigen Milli­ sekunden, die ein Impuls braucht, um eine Bahn von 0,3-1 m in einer typischen gasgefüllten Leitung zurückzulegen, der erregte Wandler sich hinreichend beruhigt, um als ruhiger Empfangswandler zu wirken, so kann "wechselweise" auch die gleichzeitige Erregung beider Wandler umfassen, und die empfangenen Impulse haben dann jeweils im wesentlichen den gleichen Fluidteil in der Leitung abgetastet. (Mit Beruhigen ist die Beruhigung auf einen Pegel von wenigstens 20 dB unter dem Pegel gemeint, der bei Empfang eines vom Fluid beförderten akustischen Druckimpulses erzeugt wird.) Im Extremfall kann "wechselnde Richtungen" also die gleichzeitige Erregung eines Aufstrom-Abstrom-Wandlerpaars umfassen. Wie bereits erwähnt, ist das Ergebnis in jedem Fall, daß die erhaltene Information eine Abtastrate ergibt, die dem Nyquist-Kriterium genügt.

Ferner sollte erkannt werden, daß der Ausdruck "Impuls" im vorliegenden Fall ein Ultraschallenergiepaket umfaßt, das hinsichtlich Amplitude, Phase oder Frequenz codiert oder moduliert sein kann und von dem gesagt werden kann, daß es wiederholt, jedoch nicht kontinuierlich, einen bestimmten Raum in der Leitung während eines bestimmten Zeitintervalls einnimmt. Im Extremfall kann also der "Impuls" ein Signal mit kontinuierlichem Verlauf sein, das periodisch moduliert und empfangen wird unter Anwendung eines Anpassungsfilter-Ver­ fahrens.

Die mikroprozessorgesteuerte Analyse- und Meßeinrichtung 32 ist also zum genauen, zuverlässigen und schnellen Erfassen des Zeitintervalls zwischen der Aussendung eines Impulses von einem Wandler und dessen Empfang an einem - im allgemeinen, jedoch nicht unbedingt - davon verschiedenen Wandler ausgelegt. Das gezeigte elektrische Erregungssignal ist ein zeitlich begrenz­ ter Impuls 104 entsprechend Fig. 11(a). Der ausgesandte akustische Impuls hat jedoch ein relativ schmaleres Frequenz­ band infolge von Wandler- und Wandlergehäuse-Resonanzen, und der empfangene Impuls, der infolge der dämpfenden Filterung durch das Fluid weiter beeinflußt ist, hat den Verlauf des Impulses 106 entsprechend Fig. 11(b). Dieser Impuls hat häufig eine relativ langsam steigende Amplitude, d. h., die Amplitu­ dendifferenz von Spitze zu Spitze ist relativ klein, und zwar entweder, weil es nicht möglich ist, einen geeigneten Breit­ band-Wandler zu bauen, oder wegen gewollter Bandbegrenzung zur Verringerung von Störsignalen oder infolge der Filterung durch das strömende Medium oder infolge einer Kombination dieser Gründe. (Bei anderen Ausführungsformen könnten andere akustische Erregungen angewandt werden, z. B. modulierte ungedämpfte Signale, ein Rechtecksignalstoß, eine Sinuswelle, die durch eine verkürzte Gaußsche Kurve oder cosⁿ moduliert ist, wobei n eine ganze positive Zahl ist, etc. In diesen anderen Fällen muß natürlich der elektrische Schaltungsaufbau anders sein, um die unterschiedlichen Erregungssignale ver­ arbeiten zu können.)

Bei dem Impuls (b) in Fig. 11, der einen Q-Wert von etwa 10 hat, kann die Amplitudendifferenz von Amplitudenspitze zu Amplitudenspitze nahe dem Beginn des Impulses nur 10% betragen, d. h etwa 1 dB. Infolgedessen können geringe Stör­ signale oder andere Störungen einen Amplitudenschwellen­ wert-Scharfabstimmungsvorgang beeinträchtigen, wobei nach dieser Scharfabstimmung der erste Nulldurchgang die Ankunftszeit des Signalimpulses bestimmt. Wie vorstehend erwähnt, tritt die Form des Impulses (b) in Fig. 11 hauptsächlich wegen der Resonanz­ auswirkungen des Aufbaus von z. B. Rohrwandungen, der Medien­ schichten, durch die der Impuls hindurchgeht, oder wegen Eigenresonanzen in den für die Ultraschallimpuls-Aussendung bzw. den -Empfang verwendeten Wandlern auf. Für den Werkstoff charakteristische Resonanzen können ebenfalls die Form des Empfangsimpulses beeinflussen.

Somit sind also die üblichen Scharfabstimmverfahren, die ausschließlich auf der Amplitude des Empfangssignals basieren, nicht hinreichend zuverlässig für ein Schmalbandsignal. Wie bereits erwähnt, überschreitet die Amplitudendifferenz zwischen zwei Perioden im Fall eines Signals mit einem Q-Wert von etwa 10 nicht ca. 10% oder 1 dB. Wenn daher ein Zittern im Empfangssignal 1 dB übersteigt, ist der Nulldurchgangs-Detektor häufig in der falschen Periode unrichtigerweise scharfabge­ stimmt, wenn die konventionelle, auf der Amplitude basierende Scharfabstimm-Methode angewandt wird.

Daher wird im vorliegenden Fall eine andere Scharfab­ stimm-Methode bzw. -Einrichtung angewandt. Gemäß Fig. 12 liefert ein Wandler 114 ein empfangenes Ausgangssignal auf einer Leitung 118. Der Wandler 114 steht für die Mehrzahl Wandler, die in den Sammelleitungen angeordnet sind. Dabei wird in Verbindung mit jedem solchen Wandler eine elektrische Schaltung verwendet, die der nachstehend beschriebenen Schaltung entspricht (bzw. die gleiche Schaltung ist umschaltbar an jeden Wandler angeschlos­ sen). Das empfangene Signal wird bei der gezeigten Ausführungs­ form durch eine automatische Verstärkungsregelung bzw. AVR 119 verarbeitet und von einem Gleichrichter 120 einweggleichge­ richtet (oder bei weiteren Ausführungsformen auch vollweg­ gleichgerichtet). Das gleichgerichtete Ausgangssignal auf Leitung 122 wird dann in einem Integrierer 124 integriert. Ein Vergleicher 126 vergleicht das Ausgangssignal 128 des Integrierers für jeden Impuls mit einem vorgegebenen Schwellen­ wert. Wenn das Ausgangssignal des Integrierers den Schwellen­ wert kreuzt, ist die Einrichtung scharfabgestimmt, und ein Ereignis-Detektor 130, der hier ein Nulldurchgangs-Detektor ist, erfaßt das nächste Ereignis (den nächsten Nulldurchgang) in dem empfangenen Eingangssignal auf Leitung 131. Die Gleich­ richtung kann entweder Einweg- oder Vollweggleichrichtung sein; gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Einweg­ gleichrichtung durchgeführt. Die spezielle Scharfabstimmungs­ methode und -einrichtung, die hier angewandt wird, ist besonders zuverlässig und gegenüber Störsignalen und Zittern im wesentlichen unempfindlich.

Gemäß der integrierten Schwellenwert-Scharfabstimmungsmethode bzw. -einrichtung und unter Bezugnahme auf Fig. 11(c) ist das Ergebnis der Gleichrichtung des empfangenen Signals eine Mehrzahl von (etwa) Halbperioden-Sinuswellen 134, deren Amplitude zuerst ansteigt und dann abnimmt. Gemäß dem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel wird die Gesamtsumme der Bereiche unter z. B. jeder (positiven) Halbperiode des empfangenen Signals dazu genutzt, einen Nulldurchgang (oder ein anderes Ereignis) (also die Scharfabstimmungs-Bedingung) zu markieren, was wiederum dazu genutzt wird, die tatsächliche Ankunftszeit des Energieimpulses zu bestimmen.

Gemäß Fig. 13, die eine besonders bevorzugte Ausführungsform zeigt, verwendet der Integrierer 124 einen Rechenverstärker 152, der in seinem Rückkopplungskreis mit einem negativen Verstärkereingang 155 an einen Kondensator 154 angeschlossen ist. Der positive Eingang 156 des Verstärkers 152 ist geerdet. Eine Offset-Einstellung mit einem Potentiometer 157 und einem Reihenwiderstand 158 erlaubt die Nulleinstellung des Verstär­ kers 152.

Das Eingangssignal zum negativen Eingang 155 des Rechenver­ stärkers 152 ist am Gleichrichter 120 verfügbar. Dieser weist einen Umformer 162 auf, der ein Eingangssignal an den Eingängen 164, 166 (der Eingang 166 ist geerdet) empfängt und über Leitung 170 ein einweggleichgerichtetes Ausgangssignal von einem Gleichrichter 168 liefert. Ein Widerstand 172 liefert eine Vorspannung für einen Vorspannungskreis 173, wenn sich der Verstärker 152 nicht in seinem linearen Operationsbereich befindet. Der Vorspannungskreis 173 weist eine Gleichrichter­ diode 173a auf, die für einen Temperaturausgleich für die Diode 168 sorgt. Beide Dioden 168 und 173a sind Schottky-Dioden.

Der Integrierer 124 integriert die Halbperioden eines empfan­ genen Signalimpulses. Um Störsignalprobleme zu verringern und den Ausgang des Integrierers zu Beginn eines empfangenen Impulses auf Null zu stellen, befindet sich der Integrierer bis unmittelbar vor dem erwarteten Empfang des Eingangssignals in einem "Rücksetz"-Zustand. Die Rücksetzfunktion wird durch einen Transistor 174 erhalten, dessen Emitter und Kollektor zu dem Kondensator 154 parallelgeschaltet sind. Beim Einschalten (d. h. Rücksetzen) fällt der Ausgang des Integrierers auf ca. -0,1 V ab. Dies dauert ca. 0,1-0,2 ms, wobei die Zeit durch das Potentiometer 157 vorgegeben ist. Der Zustand des Transistors 174 wird durch das Signal an seiner Basis gesteuert, die beim Abschalten des Transistors auf ein Empfangsfenster anspricht, in dem erwartet wird, daß ein Energieimpuls verfügbar ist. Beim Abschalten des Transistors 174 integriert der Integrierer 124 das gleichgerichtete Signal auf Leitung 170.

Die Störsignal-Unempfindlichkeit wird weiter durch Vorsehen einer toten Zone, d. h. einer Schwellenspannung, unterhalb welcher das Eingangssignal nicht integriert wird, verbessert. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die tote Zone durch die für die Diode 168 erforderliche Einschaltspannung gegeben, die für eine Schottky-Diode typischerweise 0,4-0,5 V beträgt. Diese Spannung wird durch den Vorspannungskreis 173 weiter effektiv verringert.

Ein Empfangs-Steuersignal liegt auf Leitung 180 an. Das Steuer­ signal wird in einem Nichtglied 182 invertiert und dem Transistor 174 zugeführt. Der Ausgang des Integrierers 124, der an einem Teilungswiderstand über Leitung 184 verfügbar ist, ist mit dem Vergleicher 126 gekoppelt. Der Vergleicher 126 umfaßt ein integriertes Vergleichsglied 186, dessen einer Eingang mit dem Integriererausgang über Leitung 184 und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang eines Potentiometers 188 verbunden ist. Das Potentiometer 188 ist zwischen eine Bezugsspannung und Erde geschaltet. Der Vergleicherausgang ist das Scharfabstimmungs­ signal und geht durch ein Torglied 190 und erscheint auf Leitung 192. Dieses Signal ändert seinen Zustand, wenn das integrierte Signal des Integrierers 124 den vom Potentiometer 188 bestimmten Schwellenwert kreuzt.

Nach Fig. 14 bezeichnet das Ausgangssignal des integrierten Schwellenwertkreises auf Leitung 192, also das Scharfabstim­ mungssignal, einen Scharfabstimmungszustand, wenn der integrierte Wert den Schwellenwert kreuzt, wodurch der Zustand des Ausgangssignals geändert wird. Diese "Zustandsänderung" aktiviert ein Ereigniserfassungsglied, im vorliegenden Fall den Nulldurchgangs-Detektor 130. Dieser verwendet ein Flipflop 200, das bei der ersten Aktivierung sich im Rücksetzzustand befindet. Das Flipflop 200 wurde vorher durch das Steuerfen­ stersignal über Leitung 180 (durch ein Nichtglied 202) rück­ gesetzt. Wenn auf Leitung 204 ein Taktsignal zugeführt wird, bezeichnet das Flipflop 200 einen Nulldurchgang in dem vom Wandler erzeugten Empfangssignal, und dieses Nulldurch­ gangs-Ausgangssignal des Flipflops 200 auf Leitung 206 wird einer weiteren Schaltung zugeführt, die eine Mikroprozessor-Steuer­ einheit 220 umfaßt, um die Ankunftszeit des Empfangsimpulses einzustellen.

Der Nulldurchgangs-Detektor 130 verwendet ferner einen gesteuerten Vergleicher 230 mit einem Integrierglied 232, dessen eine Seite das Empfangssignal in Form eines elektrischen Impulses vom Wandler auf Leitung 234 empfängt. Ein Logikglied 235 wird durch das Steuersignal auf Leitung 180 freigegeben. Das Impulssignal auf Leitung 234 hat einen AVR-Kreis passiert zur Bildung eines im wesentlichen konstanten Eingangs­ signal-Amplitudenpegels, wobei allerdings Änderungen in den überwach­ ten physikalischen Medien auftreten können.

Der Nulldurchgangs-Detektor verwendet einen änderbaren Schwellenpegel, um die Genauigkeit der Nulldurchgangserfassung zu verbessern. Wenn kein Signal anliegt, hält im Betrieb der Ausgang des Nulldurchgangs-Vergleichers 230 auf Leitung 236 einen MOSFET 238 im Einschaltzustand. Dadurch wird der Schwellenpegel durch ein Scharfabstimmungspegel-Potentiometer 240 gesetzt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist dieser Ruhepegel eine von Null verschiedene positive Spannung. Wenn anschließend ein Signalimpuls empfangen wird, ändert der Vergleicher 230 den Zustand seines Ausgangssignals, wenn der Ruheschwellenwert überschritten wird. Dadurch wird der MOSFET 238 gesperrt, wodurch ein Regelwiderstand 242 in Reihe mit dem Potentiometer 240 geschaltet wird. Dadurch wird der Schwellen­ pegel effektiv gesenkt, da der Widerstandswert des Regelwider­ stands 242 erheblich größer ist als derjenige des Potentio­ meters 240. Während also das Eingangssignal nach Null geht und von einer positiven zu einer negativen Spannung übergeht (für die Stellung eines Schalters 244), wird der Durchgang durch den unteren Schwellenwert durch die Zustandsänderung des Signals auf Leitung 236 markiert. Diese Zustandsänderung taktet das Flipflop 200, wodurch mittels eines Signals auf Leitung 206 das Auftreten des ersten negativ werdenden Nulldurchgangs nach Empfang des Scharfabstimmungssignals auf Leitung 192 markiert wird. (In seiner anderen Stellung bringt der Schalter 244 ein Nichtglied 248 in Reihe mit dem Ausgang des Vergleichers 230, wodurch die Erfassung eines von Negativ nach Positiv gehenden Nulldurchgangs an dem vom Potentiometer 140 eingestellten Schwellenwert erfolgt.)

Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf einen Nulldurch­ gangs-Detektor erläutert; selbstverständlich kann der tatsäch­ liche Punkt, zu dem die Zeit bei oder nach der Scharfabstimmung gemessen wird, jeder einer Vielzahl von Signal-Schwellenwerten sein. Z. B. kann der Pegel, an dem die Ankunftszeit auftreten soll, auf jedem geeigneten absoluten Signalpegel, einem ausgewählten Bruchteil des Spitzensignalpegels oder sogar auf einem Wert liegen, der größer als der Höchstwert einer bestimmten Periode ist, z. B. auf einem Pegel, der um 50% größer als der Spitzenwert der ersten Periode nach der Scharf­ abstimmung ist. Diese letztgenannte Alternative kann zur Messung der Zeit an einem Punkt gewählt werden, an dem der Rauschabstand ausreichend groß ist, um die Erzielung einer besonders hohen Genauigkeit zu gestatten.

Auf diese Weise wird mit Scharfabstimmungsverfahren mit integriertem Schwellenwert der Ereignis-Detektor genau, zuver­ lässig und wiederkehrend in der gleichen Periode jedes auf Leitung 118 empfangenen Signalimpulses scharfabgestimmt.

Bei solchen Ausführungsbeispielen, wo die Wandler, das Medium und/oder die Abfragevorrichtungen den Empfang eines akustischen Breitband-Impulses erlauben, kann eine konventionellere Scharf­ abstimmungsmethode angewandt werden, z. B. mit unveränderlichem Amplitudenschwellenwert oder einem unveränderlichen Prozentsatz der Spitzenamplitude etc.

Nachstehend wird die automatische Verstärkungsregelung erläutert. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die automa­ tische Verstärkungsregelungs-Schaltung bzw. AVR 119 in der Lage, sowohl bei schnell steigenden als auch bei schnell fallenden Signalamplituden die Umhüllenden von Signalen zu erfassen. Nach Fig. 15 weist die AVR-Schaltung 119 einen tor­ gesteuerten rücksetzbaren Spitzendetektor 302, ein Speicher­ element 304, das typischerweise ein Kondensator ist, Schalter 306 und 308, einen "ladungsgepumpten" Differentialintegrierer 310 mit einem Integrationskondensator 311 im Rückkopplungskreis sowie einen Regelverstärker 312, dessen Verstärkung durch den AVR-Signalpegel auf Leitung 314 steuerbar ist, auf. Der Eingang zum Regelverstärker 312 ist das "rohe" bzw. nichtstabilisierte Eingangssignal, etwa vom Wandler 114, der die Ultra­ schall-Impulsenergie im Fluid empfängt. Das Ausgangssignal des Wandlers wird der AVR 119 über die Leitung 118 zugeführt. Das Ausgangssignal des Regelverstärkers auf Leitung 131 ist somit ein stabilisiertes Ausgangssignal, das u. a. dem Gleichrichter 120 und dem Nulldurchgangs-Detektor 130 zugeführt wird. Ferner wird das stabilisierte Signal auch dem torgesteuerten rück­ setzbaren Spitzendetektor 302 zugeführt, wobei der AVR-Verstärker in einer Rückkopplungskonfiguration wirksam ist.

Im Betrieb ist unter Bezugnahme auf die Fig. 15 und 16 zu Beginn eines Impulses zum Zeitpunkt "A" der Spitzendetektor 302 auf Null rückgesetzt. Der Spitzendetektor kann auf Null rückgesetzt werden, indem z. B. der Empfangsfensterimpuls auf Leitung 180 (Fig. 13 und 14) genutzt wird. Bei Empfang des erwünschten Signals lädt der Spitzendetektor das Speicher­ element 304 auf eine Spannung entsprechend dem Spitzenwert des empfangenen Signals auf. Während dieser Zeit war der Schalter 306 geschlossen und der Schalter 308 geöffnet. Nachdem der Energieimpuls empfangen wurde, wird der Schalter 306 geöffnet und dann der Schalter 308 geschlossen. Dies erfolgt zum Zeit­ punkt "B" nach Empfang des Energieimpulses, jedoch vor Empfang des nächsten Energieimpulssignals.

Wenn der Schalter 308 geschlossen wird, wird ein Teil der im Speicherelement 304 gespeicherten Ladung in den Differential­ integrierer 310 entladen. Die Größe der in den Integrierer 310 injizierten Ladungsmenge ist der Differenz zwischen der Signal­ amplituden-Regelspannung, die durch ein Potentiometer 320 bestimmt ist, und der tatsächlich empfangenen Spitzensignal­ amplitude proportional. Die abgegebene Ladung bewirkt, daß der Ausgang des Integrierers 310, nämlich die AVR-Signalspannung, eine Korrekturspannung zur Regelung der Verstärkung des Verstärkers 312 anlegt. Der Spitzendetektor 304 wird anschlie­ ßend durch das Steuersignal auf Leitung 180 rückgesetzt, die Stellungen der Schalter 306 und 308 werden umgekehrt, so daß das Speicherelement entladen und der Zyklus für den nächsten empfangenen Impuls wiederholt wird.

Gemäß Fig. 17 kann in Verbindung mit Mehrfach-Meßwegen entsprechend Messungen in einer Mehrzahl Sammelleitungen ein einziger Verstärker mit Verstärkungsautomatik eingesetzt werden, indem eine synchronisierte Schaltanordnung in Verbin­ dung mit Speicherelementen, die jedem Meßweg zugeordnet sind, angewandt wird. Dabei umfaßt die Schaltanordnung Mehrstellungs­ schalter 400, 402, die synchron den Verstärker 404 mit Ver­ stärkungsautomatik und einen AVR-Spitzenwertdetektor 406, der in Verbindung mit einem Verstärker 408 arbeitet, an verschiedene Meßwege (1, 2, . . ., n-1, n) und verschiedene Speicherelemente 410a, 410b, . . ., 410n-1, 410n anschalten. Somit wird gemäß der Erfindung jedes Speicherelement dazu verwendet, genaue AVR-Pegelinformation für einen zugeordneten Übertragungsweg zu speichern. Unter Verwendung eines vorher gespeicherten AVR-Pegels für jeden Meßweg kann die AVR-Schal­ tungsanordnung einen korrekten Ausgleich für jeden Meßweg unmittelbar bei Ansteuerung dieses Meßwegs bilden.

Somit arbeiten die Schalter 400 und 402 synchron, so daß die Bewegung des Schalters 400 zu einem Meßweg "m" automatisch von der Bewegung des Schalters 402 zum Anschalten des Speicher­ elements 410(m) an die Schaltung begleitet ist. Die Speicher­ elemente können auch jedesmal aktualisiert werden, wenn ein Meßweg angesteuert wird, so daß der AVR-Kreis einen Ausgleich von Änderungen in der meßwegabhängigen Signalstärke liefern kann.

Wenn ferner eine Vielzahl Meßwege unter Verwendung eines einzigen AVR-Empfängers abgefragt werden, wird bevorzugt die in Verbindung mit Fig. 15 erläuterte AVR-Schaltung angewandt. Diese Schaltung kann so modifiziert werden, daß die Verwendung einer Vielzahl Speicherelemente entsprechend denjenigen von Fig. 17 möglich ist. Die resultierende AVR-Schaltung entspre­ chend Fig. 18 arbeitet gleich derjenigen von Fig. 15, wobei jedoch synchron arbeitende Schalter 306, 308 verwendet werden, die den erforderlichen Umschaltkreis bilden, um synchron die AVR-Signale in Kondensatoren 311(a), 311(b), . . ., 311(n) zu halten und zu speichern und den Verstärker 312 an die richtige Eingangsleitung anzuschalten.

Gemäß Fig. 12 hat die Mikroprozessor-Steuereinheit 220 die Funktion, wiederholt und abwechselnd nacheinander die Wandler 36 und 38 periodisch zur Abfragung der Sammelleitungen zu aktivieren, um so als eine Funktion der Zeit die Fluidgeschwin­ digkeit und die Schallgeschwindigkeit zu bestimmen. Die Mikro­ prozessor-Steuereinheit aktiviert und synchronisiert ferner die AVR-Schaltung nach Maßgabe des jeweils abgefragten Meßwegs. Dementsprechend empfängt der Mikroprozessor Information vom Nulldurchgangs-Detektor und synchronisiert diese mit dem jeweils abgefragten Meßweg.

Der angegebene Mikroprozessor kann ferner unter Anwendung der AVR-Schaltung von Fig. 18 eine zuverlässige und schnelle Umschaltung zwischen den verschiedenen Wandlerpaaren der Sammelleitungen vornehmen und ein Ausgangssignal über die Zeit erzeugen, das die Strömungsgeschwindigkeit und die Mengenfluß rate in der Sammelleitung wiedergibt. Die Vielfachmeß­ weg-AVR-Schaltung von Fig. 18 ermöglicht somit eine sehr schnelle Umschaltung, obgleich sich die Signaldämpfung in den verschie­ denen Meßwegen oder in entgegengesetzten Richtungen entlang demselben Abfrageweg ändern kann. Außerdem wird jedoch, um fehlerhafte Ausgangsanzeigen zu vermeiden, eine Mittelung mit einem Speicherschwundverfahren vorgenommen. Dieses kann als eine Form von Impulsspitzen-Mittelung betrachtet werden, wobei durch Gewichtung Informationsbeiträge von alten "Impulsspitzen" weniger einflußreich als die neuere Information sind. Das bedeutet, daß die Mittelung einstellbar auf Übergangserschei­ nungen anspricht. Ein typischer Gewichtungsvorgang, eine verkürzte binäre Gewichtungsmethode, ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

Impulsspitze Nr.
Gewicht
1
8
2	4
3	2
4	1
größer als 4	0

Es ist zu beachten, daß zur Erzielung eines glatteren Ausgangs­ signals, das weniger auf Übergangserscheinungen anspricht, ein Speicher mit größerem Gedächtnis, also ein Speicher, der Daten aus wesentlich früher durchgeführten Messungen enthält, verwendet werden kann. Die resultierende Strömungsmeßeinrich­ tung schaltet dadurch schnell zwischen verschiedenen Meßwegen um, stellt sich schnell auf jeden Meßweg ein unter Nutzung der Mehrweg-AVR-Schaltung und bestimmt präzise die Ankunftszeit der ankommenden Impulse, um so die Meßwerte der absoluten Laufzeit (zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Energieimpulses im Fluid und damit der Mengenflußrate) und den zeitlichen Unterschied zwischen Aufstrom- und Abstrom-Laufzeiten zur Bestimmung der volumetrischen Strömungsrate präzise zu liefern.

Die Mikroprozessor-Steuereinheit kann auch dazu verwendet werden, die Temperatur des Fluids zu erfassen, ohne daß eigent­ lich ein zusätzlicher Temperaturfühler eingesetzt wird. Wenn die Auslegung des Impulsgebers, mit dem die Wandler erregt werden, die Regelung der Mittenfrequenz des ausgesandten Impulses durch die Resonanzfrequenz des Wandlers oder durch ein Hauptbauelement der Wandlereinheit erlaubt, und wenn die Resonanzfrequenz eine bekannte Funktion der Temperatur ist, dann kann die Mittenfrequenz des Impulses als ein Maß für die Fluidtemperatur verwendet werden. Daher kann die Bestimmung der Mengenflußrate, die eingangs in Verbindung mit den Gleichungen (2) bis (11) erläutert wurde, ohne einen zusätzlichen Tempera­ tur-Meßwertgeber erfolgen. In diesem Fall würde dem Mikropro­ zessor ein weiteres Eingangssignal zugeführt werden, das die Resonanzfrequenz des empfangenen Impulses bezeichnet. Schaltungsmittel zur Erzielung dieser Funktion sind dem Fachmann hinreichend bekannt.

Es ist ferner allgemein bekannt, daß der empfangene Schall­ signalpegel für ruhige Strömungen mit dem Druck im Fluid in Beziehung gesetzt werden kann. Somit kann der Mikroprozessor einen Fluiddruck- und Fluidtemperaturwert aus den Schallmes­ sungen bestimmen. So kann die Mengenflußrate entsprechend Gleichung (9) ausschließlich unter Verwendung der akustischen Wandler bestimmt werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Molekulargewichts ei­ nes eine Leitung (42) durchströmenden Gases, mit

• - einem akustischen Generator (36, 38) zum Erzeugen eines den Gasstrom durchsetzenden akustischen Si­ gnals,
• - einem akustischen Detektor (36, 38) zum Aufnehmen des erzeugten akustischen Signals und
• - einer Auswerteeinrichtung (32), welche aus den Aus­ gangssignalen des Detektors (36, 38) die Laufzeit der akustischen Signale ermittelt, basierend auf der Laufzeit und einer Gastemperatur ein mittleres Molekulargewicht des strömenden Gases bestimmt, wo­ bei das Gas ein unbekanntes spezifisches Wärmever­ hältnis γ aufweist, das mit dem Molekulargewicht in einer vorbestimmten Beziehung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (32) eine empirische Bezie­ hung zwischen dem Molekulargewicht und dem, spezifi­ schen Wärmeverhältnis y des Gases zur Bestimmung des mittleren Molekulargewichts nutzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die empirische Beziehung durch eine Gerade approxi­ miert werden kann.

4. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß eine Einrichtung zum wechselweisen und wiederholten Messen der Laufzeit in Aufstrom- und in Ab­ strom-Richtung vorgesehen ist und die Auswerteeinrichtung (32) die Laufzeitmessungen mittelt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (32) Mittel zum temporären Filtern der Laufzeitmessungen aufweist, wobei die ge­ mittelten Laufzeitmessungen derart gefiltert werden, daß aktuelle Messungen ein größeres Gewicht erhalten als länger zurückliegende.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine Einrichtung für eine verkürzte binäre Gewichtung der Laufzeitmeßwerte aufweisen, die die Gewichtung ab einer bestimmten Messung auf Null setzt.

7. Verfahren zur Bestimmung eines mittleren Molekularge­ wichts eines eine Leitung (42) durchströmenden Gases, bei dem ein den Gasstrom durchsetzendes akustisches Signal erzeugt wird, das erzeugte akustische Signal aufgenommen wird und die Laufzeit des akustischen Si­ gnals ermittelt und basierend auf der Laufzeit sowie auf der Gastemperatur ein mittleres Molekulargewicht des Gases bestimmt wird, wobei das Gas ein unbekann­ tes spezifisches Wärmeverhältnis γ aufweist, das mit dem Molekulargewicht in einer vorbestimmten Beziehung steht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Verwendung einer empirischen Beziehung zwischen Molekulargewicht und spezifischem Wärmeverhältnis γ des Gases zwecks Bestimmung des mittleren Molekular­ gewichts.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch ein wechselweises und wiederholtes Messen der Lauf­ zeit in Aufstrom- und in Abstrom-Richtung, und eine Mittelung der erhaltenen Laufzeit-Meßwerte zur Glättung der Laufzeit-Information.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Mittelungsschritt eine verkürzte binäre Gewichtung der Laufzeitinformation angewandt wird, die die Gewichtung ab einer bestimmten Messung auf Null setzt.