DE3732834A1 - Correlation measurement of the flow velocity of a fluid in a tubular conduit by means of ultrasonic sensors - Google Patents

Correlation measurement of the flow velocity of a fluid in a tubular conduit by means of ultrasonic sensors

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    • G01F1/7082—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using acoustic detecting arrangements

Abstract

A method for the correlation measurement of the flow velocity of a fluid in a tubular conduit by means of ultrasonic sensors, at least two ultrasonic sensors being installed at a predefined mutual separation, preferably flush with the inner wall of the conduit, in a line extending parallel to its long axis and inside it in such a way, that the main emission direction of the sensors is perpendicular to the axis and thus to the direction of flow. Discontinuities occurring in the flowing liquid are detected by using the ultrasonic sensors as distance-selective ultrasonic distance sensors (S1, S2) in a narrowly bounded region at a distance (z) from the distance sensor (S1, S2) involved in such a way, that the maximum of the cross correlation coefficient of the local separation-dependent output signals is detected via the velocity of a "stream filament" at distance (z), for which purpose the ultrasonic distance sensors (S1, S2) are operated according to the pulse-echo method known per se and, in so doing, only such echoes of which the time separation DELTA t corresponds, at the given ultrasonic velocity (c), to the local separation (z) between the ultrasonic distance sensor (S1, S2) and the stream filament to be measured are evaluated. <IMAGE>

Description

Bei der Messung von Strömungsgeschwindigkeiten mit Korrelations­ methoden werden mit der Strömung mitgeführte Fluktuationen von Zustandsgrößen des fließenden Mediums mit zwei Sensoren aufgenommen und auf Korrelation untersucht. Der eine der beiden Sensoren liefert das von den Fluktuationen modulierte Ausgangssignal s₁ (t). Das Ausgangssignal s₂ (t) des zweiten, in einem Abstand d vom ersten stromab plazierten Sensors wird von der Strömungsgeschwindigkeit v entsprechend verzögert von in etwa denselben Fluktuationen moduliert. Wegen der zu erwartenden Ähnlichkeit des Signals s₁ (t) und dem ensprechend Abstand d und Fließgeschwindigkeit v zeitlich versetzten Signal s₂ (t) weist die Kreuzkorrelationsfunktion der beiden SignaleWhen measuring flow velocities using correlation methods, fluctuations in state variables of the flowing medium that are carried along with the flow are recorded with two sensors and examined for correlation. One of the two sensors provides the output signal s ₁ ( t ) modulated by the fluctuations. The output signal s ₂ ( t ) of the second sensor, placed at a distance d from the first sensor downstream, is modulated accordingly by the flow velocity v by approximately the same fluctuations. Because of the expected similarity of the signal s ₁ ( t ) and the corresponding distance d and flow velocity v temporally staggered signal s ₂ ( t ), the cross-correlation function of the two signals

für τ=d/v ein Maximum auf. Durch Bestimmung dieses Maximums wird somit die gesuchte Strömungsgeschwindigkeit v bestimmt.a maximum for τ = d / v . The flow velocity v sought is thus determined by determining this maximum.

Als Sensoren sind Ultraschall-Sensoren, wie die in Fig. 1 gezeigten Transmissionsstrecken vorteilhaft, weil sie die Fluktuationen berührungslos mit von außen an das Rohr ange­ setzten Wandlern erfassen können.Ultrasonic sensors, such as the transmission paths shown in FIG. 1, are advantageous as sensors because they can detect the fluctuations without contact with transducers attached to the outside of the tube.

Probleme ergeben sich durch die als Strömungsprofil bezeichnete ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung über dem Rohrquer­ schnitt. Durch sie werden die Fluktuationen, wie in Fig. 2 dargestellt, verformt und die Ähnlichkeit der Signale s₁ (t) und s₂ (t) nimmt mit zunehmenden Abstand zwischen beiden Sensoren ab. Das hat eine Verbreiterung des Maximums der Korrelationsfunktion zur Folge, die mindestens linear mit dem Abstand der beiden Sensoren zunimmt. Die so verursachte Unschärfe kann auch durch Verkleinerung des Abstandes zwischen beiden Sensoren nicht verkleinert werden, weil dann bei kleinerer Laufzeitverzögerung der Fehler bei der Bestimmung des Maximums der Korrelationsfunktion entsprechend stärker zur Wirkung kommt. Zudem findet bei der Durchschallung eines Rohres die Mitteilung über die Geschwindigkeitsverteilung des Strömungsprofils längs einer Linie statt, die die Geschwindig­ keitsanteile nicht mit dem Gewicht bewertet, das ihnen aufgrund der durch sie repräsentierten Querschnittsfläche zukommen müßte. Deshalb ist die so ermittelte mittlere Geschwindigkeit in einer von der jeweiligen Form des Strömungsprofils abhängigen Weise von der, in praktisch allen Anwendungsfällen interessierenden, mittleren Geschwindigkeit verschieden, die sich durch flächenhafte Mittelung des Strömungsprofils ergibt.Problems arise from the uneven speed distribution over the pipe cross-section, referred to as the flow profile. Through them, the fluctuations, as shown in Fig. 2, deformed and the similarity of the signals s ₁ ( t ) and s ₂ ( t ) decreases with increasing distance between the two sensors. This results in a broadening of the maximum of the correlation function, which increases at least linearly with the distance between the two sensors. The blurring caused in this way cannot be reduced even by reducing the distance between the two sensors, because the error in determining the maximum of the correlation function then has a correspondingly greater effect with a smaller delay time. In addition, when passing through a pipe, the message about the speed distribution of the airfoil takes place along a line that does not evaluate the speed components with the weight that they would have to have due to the cross-sectional area they represent. Therefore, the average speed determined in this way depends in a manner dependent on the particular shape of the flow profile from the average speed which is of interest in practically all applications and which results from area-wide averaging of the flow profile.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Korrelationsmessung der eingangs genannten Art zu schaffen, das auf einfache und zuverlässige Weise die Nachteile bekannter Verfahren vermeidet.The present invention is based on the object Method for correlation measurement of the aforementioned Kind of creating that in a simple and reliable way Avoids disadvantages of known methods.

Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein Korrelationsmeßverfahren wie eingangs bezeichnet und gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen, das durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist.To solve the problem on which the invention is based a correlation measurement method as initially mentioned and proposed according to the preamble of claim 1, by the in the characterizing part of claim 1 specified features is characterized.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.Advantageous developments of the invention are the Characteristics indicated in the subclaims.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Figuren im einzelnen beschrieben. In the following, the present invention is based on several Figures described in detail.  

Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung zur Durchführung eines bekannten Korrelationsmeßverfahrens zum Messen von Strömungsgeschwindigkeiten, Fig. 1 shows schematically an arrangement for performing a known Korrelationsmeßverfahrens for measuring flow rates,

Fig. 2 zeigt schematisch eine eintretende Verformung f′ von Fluktuationen f durch ein sich ergebendes Strömungs­ profil v (r) in einem Strömungskanal, Fig. 2 shows schematically an entering deformation f 'f fluctuations by a resulting flow profile v (r) in a flow channel,

Fig. 3 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Prinzip einer abstandsselektiven Erfassung von mit der Strömung mitgeführten Störkörpern, Fig. 3 principle of the invention schematically shows a distance-selective detection of entrained with the flow disruptive bodies,

Fig. 4 zeigt schließlich eine schematische Darstellung der Zuordnung von Meßvolumen V (Z K) und Querschnitts­ anteil (F, K) in dem Strömungskanal. Fig. 4 shows a schematic representation of the assignment of the measurement volume V ( Z K ) and cross-sectional portion ( F, K ) in the flow channel.

Die zuvor angeführten Nachteile sollen erfindungsgemäß dadurch vermieden werden, daß die Diskontinuitäten im strömenden Fluid unter Verwendung von abstandselektiven Ultraschall-Distanzsensoren S 1, S 2 in einem eng begrenzten örtlichen Bereich in der Entfernung z vom Distanzsensor erfaßt werden, vergleiche Fig. 3. Somit wird durch das Maximum der Kreuzkorrelation der entsprechenden abstandsabhängigen AusgangssignaleThe above-mentioned disadvantages are to be avoided according to the invention in that the discontinuities in the flowing fluid are detected using distance-selective ultrasonic distance sensors S 1, S 2 in a narrowly limited local area at the distance z from the distance sensor, see FIG. 3 by the maximum of the cross correlation of the corresponding distance-dependent output signals

die Geschwindigkeit eines "Stromfadens" im Abstand z bestimmt.determines the speed of a "current thread" at a distance z .

Dazu werden Ultraschall-Distanzsensoren nach dem an sich bekannten Impuls-Echo-Verfahren eingesetzt und dabei nur solche Echos ausgewertet, deren zeitlicher Abstand Δ t bei gegebener Schallgeschwindigkeit c dem örtlichen Abstand z zwischen Ultra­ schallwandler und dem zu vermessenden Stromfaden entspricht. By ultrasonic distance sensors are used method pulse-echo according to the known per se and thereby evaluated only those echoes that their time interval Δ t at a given speed of sound c the local distance z between ultra sound transducer and corresponds to measured current thread.

Die laterale Begrenzung des Meßvolumens ergibt sich durch das Richtdiagramm des Ultraschall-Sende-Empfangswandlers bzw. bei Verwendung separater Sende-Empfangswandler durch das Überschneidungs­ gebiet der Richtdiagramme von Sende- und Empfangswandler. Die Veränderung des Meßortes in Schallrichtung erfolgt durch Ändern des zeitlichen Abstandes zwischen Sendezeitpunkt und dem Zeitpunkt, zu dem Echos ausgewertet werden. Durch Definition von sog. "Zeitfenstern" können (z. B. durch Zählen) auch Abstands­ bereiche festgelegt werden. Die simultane Auswertung mehrerer Empfangszeitpunkte ergibt die Meßwerte für verschiedene Strom­ fäden. Dies erlaubt die Festlegung eines Stromfadens, der für das pro Zeiteinheit transportierte Volumen besonders repräsentativ ist, oder auch eine Mittelung über mehrere Stromfäden unter Berücksichtigung des durch sie vertretenen Anteils an der Querschnittsfläche, vergleiche Fig. 4. Falls die Schallgeschwindigkeit für die Messung von Bedeutung ist, ist sie leicht durch das Echo der gegenüberliegenden Rohrwand zu ermitteln. Die Änderung des Meßvolumens in lateraler Richtung kann durch Verschieben der Wandler an der Rohrwandung oder durch Einsatz von sog. Wandler-Arrays mit steuerbarer Richtkeule vorgenommen werden.The lateral limitation of the measurement volume results from the directional diagram of the ultrasound transceiver or, if separate transmit / receive converters are used, from the overlapping area of the directional diagrams of the transmit and receive converters. The measurement location in the sound direction is changed by changing the time interval between the transmission time and the time at which echoes are evaluated. By defining so-called "time windows" (e.g. by counting), distance ranges can also be defined. The simultaneous evaluation of several times of reception results in the measured values for different current threads. This allows the definition of a current thread, which is particularly representative of the volume transported per unit of time, or an averaging over several current threads, taking into account the proportion of the cross-sectional area they represent, see FIG. 4. If the speed of sound is important for the measurement , it can be easily determined by the echo of the opposite pipe wall. The measurement volume can be changed in the lateral direction by moving the transducers on the tube wall or by using so-called transducer arrays with a controllable directional lobe.

Nichtparallel zur Rohrachse verlaufende Stromfäden sind dadurch zu erfassen, daß der Auswertezeitpunkt der Echos in den beiden Distanzsensoren unterschiedlich festgelegt wird. Bei unbekannter Richtung des Stromfadens können bei festem Auswertezeit­ punkt Δ t₁ des ersten Distanzsensors der Auswertezeitpunkt Δ t j des zweiten variiert werden und das jeweilige Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion k 1,2 (τ, Δ t₁, Δ t j) bestimmt werden:Current threads that are not parallel to the tube axis can be detected in that the time at which the echoes are evaluated is defined differently in the two distance sensors. If the direction of the current thread is unknown, the evaluation time Δ t j of the second distance sensor can be varied and the respective maximum of the cross-correlation function k 1,2 ( τ , Δ t ₁, Δ t j ) determined at a fixed evaluation time Δ t ₁ of the first distance sensor:

Derjenige Auswertezeitpunkt Δ t j, bei dem das Maximum der Kreuz­ korrelationsfunktion k 1,1 (τ, Δ t₁, Δ t j) den größten Wert erreicht, kennzeichnet die Richtung des Stromfadens, der durch das durch Δ t₁ gegebene Meßvolumen geht. In entsprechender Weise ist evtl. auch mit der Variation der lateralen Grenzen zu verfahren.The evaluation time Δ t j , at which the maximum of the cross correlation function k 1.1 ( τ , Δ t ₁, Δ t j ) reaches the greatest value, indicates the direction of the filament that goes through the measurement volume given by Δ t ₁. The variation of the lateral boundaries may also have to be dealt with in a corresponding manner.

Die Wiederholfrequenz der Impulsecho-Erfassung kann so hoch gewählt werden, daß jede Diskontinuität auf ihrem Weg durch das Meßvolumen mehrere Male erfaßt wird. Damit ist eine quasikon­ tinuierliche Erfassung zu verwirklichen. Als Diskontinuitäten kommen natürliche Verunreinigungen oder auch künstlich erzeugte Störkörper, wie z. B. Gasbläschen, in Frage.The repetition frequency of the pulse echo detection can be so high be chosen so that any discontinuity on its way through the Measuring volume is recorded several times. This is a quasi-icon to realize continuous registration. As discontinuities come natural impurities or artificial generated disruptive bodies, such as. B. gas bubbles in question.

Das erfindungsgemäße Meßprinzip ist für intelligente Durchflußsensoren ("smart" sensors) einsetzbar. Je nach Aufbau und Komplexität der Auswertung ist die Anwendung als einfacher, genauer Durchflußsensor für industrielle Meßtechnik bis hin zu anspruchsvollen Meßaufgabn, die bislang dem Laser-Doppler- Strömungsmesser vorbehalten waren, denkbar.The measuring principle according to the invention is for intelligent Flow sensors ("smart" sensors) can be used. Depending on the structure and complexity of the evaluation, the application is easier than accurate flow sensor for industrial measuring technology up to demanding measuring tasks that were previously the laser Doppler Flow meters were reserved, conceivable.

Claims (11)

1. Verfahren zur Korrelationsmessung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einem rohrförmigen Strömungskanal mittels Ultraschall-Sensoren, wobei mindestens zwei Ultraschall- Sensoren in einem vorbestimmten Abstand voneinander vorzugs­ weise flächenbündig mit der Innenwand des Strömungskanals in einer parallel zu der Längsachse desselben verlaufenden Linie in diesen derart eingesetzt sind, daß deren Hauptabstrahlungs­ richtung senkrecht zu der Achse und damit quer zur Strömungs­ richtung verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß auftretende Diskontinuitäten im strömenden Fluid unter Verwendung der Ultraschall-Sensoren als abstandsselektive Ultraschall-Distanzsensoren (S 1, S 2) in einem eng begrenzten örtlichen Bereich in einer Entfernung (z) von dem betreffenden Distanzsensor (S 1, S 2) erfaßt werden derart, daß durch das Maximum der Kreuzkorrelation der entsprechenden abstandsab­ hängig Ausgangssignale gemäß der Beziehung die Geschwindigkeit eines "Stromfadens" im Abstand (z) bestimmt wird, wozu die Ultraschall-Distanzsensoren (S 1, S 2) nach dem an sich bekannten Impulsecho-Verfahren betrieben werden und dabei nur solche Echos ausgewertet werden, deren zeitlicher Abstand Δ t bei der gegebenen Schallgeschwindigkeit (c) dem örtlichen Abstand (z) zwischen dem Ultraschall-Distanzsensor (S 1, S 2) und dem zu vermessenden Stromfaden entspricht.1. Method for correlation measurement of the flow velocity of a fluid in a tubular flow channel by means of ultrasound sensors, wherein at least two ultrasound sensors at a predetermined distance from one another are preferably flush with the inner wall of the flow channel in a line running parallel to the longitudinal axis thereof in this way are that their main radiation direction is perpendicular to the axis and thus transverse to the flow direction, characterized in that occurring discontinuities in the flowing fluid using the ultrasonic sensors as distance-selective ultrasonic distance sensors ( S 1, S 2) in a narrowly limited local Area at a distance ( z ) from the relevant distance sensor ( S 1, S 2) can be detected such that the maximum of the cross correlation of the corresponding distance-dependent output signals according to the relationship the speed of a "current thread" at a distance ( z ) is determined, for which purpose the ultrasonic distance sensors ( S 1, S 2) are operated according to the pulse-echo method known per se and only those echoes are evaluated whose time interval Δ t at the given speed of sound ( c ) corresponds to the local distance ( z ) between the ultrasonic distance sensor ( S 1, S 2) and the current filament to be measured. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Definition von sog. "Zeitfenstern" Abstandsbereiche festgelegt werden, wodurch ermöglicht ist, Meßwerte für verschiedene Stromfäden zu erhalten. 2. The method according to claim 1, characterized in that that by defining so-called "time windows" Distance ranges are defined, which enables Obtain measured values for different current threads.   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Definition der sog. "Zeitfenster" durch einen Zählvorgang durchgeführt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the definition of the so-called "time window" by a Counting is carried out. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine simultane Auswertung mehrerer Punkte zum Bestimmen der Meßwerte für verschiedene Stromfäden durchgeführt wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized that a simultaneous evaluation several points for determining the measured values for different Current threads is carried out. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mittelung der Meß­ werte über mehrere Stromfäden unter Berücksichtigung des durch sie vertretenen Anteils an der Querschnittsfläche des rohr­ förmigen Strömungskörpers durchgeführt wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that averaging the meas values over several current threads taking into account the through they represent a share of the cross-sectional area of the pipe shaped flow body is performed. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß der Wert der Schallgeschwindigkeit für den Meßvorgang von Bedeutung ist, dieser mittels des Echos der gegenüberliegenden Innenwandung des rohrförmigen Strömungskörpers ermittelt wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized that in the event that the value the speed of sound is important for the measuring process, this by means of the echo of the opposite inner wall of the tubular flow body is determined. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine gewünschte Änderung des Meßvolumens in lateraler Richtung durch Verschieben der Ultraschall-Distanzsensoren (S 1, S 2) längs der Innenwandung des rohrförmigen Strömungskanals vorgenommen wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a desired change in the measurement volume in the lateral direction is carried out by moving the ultrasonic distance sensors ( S 1, S 2) along the inner wall of the tubular flow channel. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für eine gewünschte Änderung des Meßvolumens in lateraler Richtung ein sog. Wandler-Array mit steuerbarer Richtkeule verwendet wird.8. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized characterized that for a desired Change of the measuring volume in the lateral direction a so-called. Converter array with controllable directional lobe is used. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nichtparallel zur Achse des rohrförmigen Strömungskörpers verlaufende Stromfäden dadurch erfaßt werden, daß der Auswertzeitpunkt der Echos in den beiden Ultraschall-Distanzsensoren (S 1, S 2) unterschiedlich festge­ legt wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that non-parallel to the axis of the tubular flow body current filaments are detected by the fact that the time of evaluation of the echoes in the two ultrasonic distance sensors ( S 1, S 2) is defined differently. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholfrequenz der Impulsecho-Erfassung so hoch gewählt ist, daß jede Diskontinuität auf ihrem Weg durch das Meßvolumen mehrmals erfaßt wird.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the repetition frequency of the Pulse echo detection is chosen so high that each Discontinuity recorded on its way through the measurement volume several times becomes. 11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Distanzsensoren als alternierend als Ultra­ schallsender oder Ultraschallempfänger betreibbare Ultra­ schallwandler ausgeführt sind.11. Arrangement for performing the method according to one of the Claims 1 to 10, characterized in that the ultrasonic distance sensors as alternating as ultra sound transmitter or ultrasound receiver operated Ultra sound transducers are executed.
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