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 sensorsInfo
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Abstract
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19873732834 DE3732834A1 (en) | 1987-09-29 | 1987-09-29 | Correlation measurement of the flow velocity of a fluid in a tubular conduit by means of ultrasonic sensors |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19873732834 DE3732834A1 (en) | 1987-09-29 | 1987-09-29 | Correlation measurement of the flow velocity of a fluid in a tubular conduit by means of ultrasonic sensors |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3732834A1 true DE3732834A1 (en) | 1989-04-13 |
DE3732834C2 DE3732834C2 (en) | 1992-03-26 |
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ID=6337144
Family Applications (1)
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DE19873732834 Granted DE3732834A1 (en) | 1987-09-29 | 1987-09-29 | Correlation measurement of the flow velocity of a fluid in a tubular conduit by means of ultrasonic sensors |
Country Status (1)
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DE (1) | DE3732834A1 (en) |
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-
1987
- 1987-09-29 DE DE19873732834 patent/DE3732834A1/en active Granted
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3732834C2 (en) | 1992-03-26 |
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