DE3732834C2

DE3732834C2 -

Info

Publication number: DE3732834C2
Application number: DE3732834A
Authority: DE
Inventors: Valentin Dipl.-Phys. 8000 Muenchen De Magori; Helmut Dr.-Ing. 7517 Waldbronn De Kaulfersch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-09-29
Filing date: 1987-09-29
Publication date: 1992-03-26
Also published as: DE3732834A1

Description

Verfahren zur Korrelationsmessung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einem rohrförmigen Strömungskanal mittels Ultraschall-Sensoren.Flow velocity correlation measurement method of a fluid in a tubular flow channel Ultrasonic sensors.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrelationsmessung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einem rohrförmigen Strömungskanal mittels Ultraschall-Sensoren, wobei mindestens zwei Ultraschall-Sensoren in einem vorbestimmten Abstand voneinander vorzugsweise flächenbündig mit der Innenwandung des Strömungskanals in einer parallel zu der Längsachse desselben verlaufenden Linie in diesen derart eingesetzt sind, daß deren Hauptabstrahlungsrichtung senkrecht zu der Achse und damit quer zur Strömungsrichtung verläuft, und wobei auftretende Diskontinuitäten im strömenden Fluid unter Verwendung der Ultraschall-Sensoren als abstandsselektive Ultraschall-Distanzsensoren in einem eng begrenzten örtlichen Bereich in einer Entfernung von dem betreffenden Distanzsensor erfaßt werden.The present invention relates to a method for correlation measurement the flow velocity of a fluid in one tubular flow channel by means of ultrasonic sensors, wherein at least two ultrasonic sensors in a predetermined one Distance from each other preferably flush with the inner wall of the flow channel in a parallel to the longitudinal axis the same running line are inserted in them in such a way that their main radiation direction perpendicular to the axis and thus runs transversely to the direction of flow, and being occurring Discontinuities in the flowing fluid using the Ultrasonic sensors as distance-selective ultrasonic distance sensors in a narrow local area in one Distance from the relevant distance sensor can be detected.

Bei der Messung von Strömungsgeschwindigkeiten mit Korrelationsmethoden 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 of State variables of the flowing medium recorded with two sensors and examined for correlation. The one of the two Sensors provide the output signal modulated by the fluctuations s₁ (t). The output signal s₂ (t) of the second, in one Distance d from the first sensor placed downstream is from Flow velocity v correspondingly delayed by approximately modulated the same fluctuations. Because of the expected Similarity of the signal s₁ (t) and the corresponding distance d and flow velocity v staggered signal s₂ (t) shows 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. By determining this maximum the desired flow velocity v is thus determined.

Als Sensoren sind Ultraschall-Sensoren, wie die in Fig. 1 gezeigten Transmissionsstrecken vorteilhaft, weil sie die Fluktuationen berührungslos mit von außen an das Rohr angesetzten 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 tube from the outside.

Probleme ergeben sich durch die als Strömungsprofil bezeichnete ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung über dem Rohrquerschnitt. Durch sie werden die Fluktuationen, wie in Fig. 2 dargestellt, verformt und die Ähnlichkeit der Signale s₁ (t) und s₂ (t) nimmt mit zunehmendem 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 Geschwindigkeitsanteile nicht mit dem Gewicht bewertet, das ihnen auf Grund 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 velocity distribution over the pipe cross-section, which is called the flow profile. Through them, the fluctuations, as shown in Fig. 2, deformed and the similarity of the signals s₁ (t) and s₂ (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 a pipe is sonicated, the message about the velocity distribution of the airfoil takes place along a line, which does not evaluate the velocity components with the weight that should be assigned to them 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.

Aus Prof. Dr. P. Profos: "Handbuch der industriellen Meßtechnik", 3. Auflage, Vulkan-Verlag Essen, S. 569-572 ist ein Verfahren zur Korrelationsmessung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einem rohrförmigen Strömungskanal mittels Ultraschall-Sensoren bekannt, wobei mindestens zwei Ultraschall-Sensoren in einem vorbestimmten Abstand voneinander vorzugsweise flächenbündig mit der Innenwandung des Strömungskanals in einer parallel zu der Längsachse desselben verlaufenden Linie in diesen derart eingesetzt sind, daß deren Hauptabstrahlungsrichtung senkrecht zu der Achse und damit quer zur Strömungsrichtung verläuft, und wobei auftretende Diskontinuitäten im strömenden Fluid unter Verwendung der Ultraschall-Sensoren als abstandsselektive Ultraschall-Distanzsensoren in einem eng begrenzten örtlichen Bereich in einer Entfernung von dem betreffenden Distanzsensor erfaßt werden.From Prof. Dr. P. Profos: "Handbook of industrial measurement technology", 3rd edition, Vulkan-Verlag Essen, pp. 569-572 is a procedure for correlation measurement of flow velocity of a fluid in a tubular flow channel by means of ultrasonic sensors known, with at least two ultrasonic sensors preferably at a predetermined distance from each other flush with the inner wall of the flow channel in a line parallel to the longitudinal axis of the same are used in such a way that their main radiation direction perpendicular to the axis and thus transverse to the direction of flow runs, and occurring discontinuities in the flowing fluid using the ultrasonic sensors as distance-selective ultrasonic distance sensors in a narrowly limited range local area at a distance from that Distance sensor can be detected.

Aus der DE 33 33 409 A1 ist ein Verfahren zur Ultraschall-Durchflußmessung nach dem Dopplerprinzip mit verbesserter Ortsauflösung bekannt, für das in einer Meßanordnung Ultraschall-Distanzsensoren vorgesehen sind, die im sog. Impulsecho-Verfahren betrieben werden.DE 33 33 409 A1 describes a method for ultrasonic flow measurement according to the Doppler principle with improved spatial resolution known for the ultrasonic distance sensors in a measuring arrangement are provided, which are operated in the so-called impulse echo process.

Aus der DE 21 33 393 C2 ist eine Vorrichtung zum Messen der mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels bekannt, zu deren Betrieb ein Verfahren der eingangs genannten Art und im wesentlichen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 benutzt wird.DE 21 33 393 C2 describes a device for measuring the average flow velocity of a fluid is known, to operate a method of the aforementioned Type and essentially according to the preamble of claim 1 is used.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Korrelationsmessung der eingangs genannten Art zu schaffen, das auf einfache und zuverlässige Weise Diskontinuitäten des Strömungsverlaufs erfassen kann.The object of the present invention is a method for correlation measurement of the type mentioned at the beginning create discontinuities in a simple and reliable way the flow pattern can capture.

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 according to the preamble of claim 1 proposed by that specified in the characterizing part of claim 1 Characteristics 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 Δt bei gegebener Schallgeschwindigkeit c dem örtlichen Abstand z zwischen Ultra schallwandler und dem zu vermessenden Stromfaden entspricht. For this purpose, ultrasonic distance sensors according to the known pulse-echo method used and only such Echoes evaluated, their time interval Δt for a given Speed of sound c the local distance z between Ultra sound converter and the current thread to be measured.

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 Δt₁ des ersten Distanzsensors der Auswertezeitpunkt Δt_j des zweiten variiert werden und das jeweilige Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion k_1,2 (τ, Δt₁, Δt_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 Δt _{j of} the second can be varied and the respective maximum of the cross-correlation function k _1,2 (τ, Δt₁, Δt _j ) determined at a fixed evaluation time Δt₁ of the first distance sensor:

Derjenige Auswertezeitpunkt Δt_j, bei dem das Maximum der Kreuz korrelationsfunktion k_1,2 (τ, Δt₁, Δt_j) den größten Wert erreicht, kennzeichnet die Richtung des Stromfadens, der durch das durch Δt₁ gegebene Meßvolumen geht. In entsprechender Weise ist evtl. auch mit der Variation der lateralen Grenzen zu verfahren.The evaluation time Δt _j , at which the maximum of the cross correlation function k _1,2 (τ, Δt₁, Δt _j ) reaches the greatest value, indicates the direction of the current filament that goes through the measurement volume given by Δt₁. 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

1. A 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 are inserted at a predetermined distance from one another, preferably flush with the inner wall of the flow channel in a line running parallel to the longitudinal axis thereof that the main radiation direction perpendicular to the axis and thus transverse to the flow direction, and wherein occur discontinuities in the flowing fluid using the ultrasonic sensors are detected as distance selective ultrasonic distance sensors in a narrow local area at a distance from the respective distance sensor, characterized characterized in that by the maximum of the cross-correlation of the corresponding distance-dependent output signals according to the relationship the speed of a "current thread" is determined at a distance (z), 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 Δt 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. 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. The method according to claim 2, characterized in that the definition of the so-called "time window" by a Counting is carried out.

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. 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. 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. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized that a desired change of the measurement volume in the lateral direction by moving the Ultrasonic distance sensors (S 1, S 2) along the inner wall of the tubular flow channel is made.

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. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that non-parallel to the axis of the tubular streamers running through it be detected that the time of evaluation of the echoes in the two Ultrasonic distance sensors (S 1, S 2) differently fixed is laid.

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. Arrangement for performing the method according to one of the Claims 1 to 10, characterized in that the ultrasonic distance sensors alternate as Ultra sound transmitter or ultrasound receiver operated Ultra sound transducers are executed.