DE3809189A1

DE3809189A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der flussgeschwindigkeit mit ultraschallwellen

Info

Publication number: DE3809189A1
Application number: DE3809189A
Authority: DE
Inventors: Noriyoshi Chubachi; Ryohei Motegi; Shinichi Takeuchi; Toshio Sato
Original assignee: Tokyo Keiki Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1988-03-18
Publication date: 1988-09-29
Also published as: DE3809189C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Flußgeschwindigkeit eines Fluids unter Verwendung von Ultraschallwellen, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Flußgeschwindigkeit eines Fluids, welches durch ein Rohr fließt, mittels Anbringung von Ultraschallwandlern auf der äußeren Oberfläche eines Abschnitts des Rohres.

In Fig. 15 und 16 ist ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung nach dem Stand der Technik dargestellt. Bei diesem Beispiel gelangt eine Ultraschallwelle, die von einem Ultra schallschwingungselement 51 eines Ultraschallwandlers 50 in Richtung stromabwärts abgegeben wird, zu einem Ultraschall schwingungselement 61 eines weiteren Ultraschallwandlers 60 über Ausbreitungswege l₁, l₂, l₃, l₄ und l₅ im Falle von Fig. 15, oder über Ausbreitungswege l₁, l₂, l₃, l₄, l₅ und l₆ im Falle von Fig. 16. Die Ausbreitungszeit ist gegeben durch t _d.

Eine von dem Ultraschallschwingungselement 61 des Ultraschall wandlers in Richtung stromaufwärts abgegebene Ultraschallwelle gelangt zu dem Ultraschallschwingungselement 51 des Ultraschallwandlers 50 über Ausbreitungswege l₅, l₄, l₃, l₂ und l₁ im Falle von Fig. 15, oder über Ausbreitungswege l₆, l₅, l₄, l₃, l₂ und l₁ im Falle von Fig. 16. Die Ausbreitungszeit ist durch t _u gegeben.

In diesem Fall kann die Flußgeschwindigkeit in einem Rohrabschnitt 3 durch folgende Gleichung erhalten werden:

V = (C²/2D tanR ) · t _u-t _d)

wobei D den Innendurchmesser des Rohrabschnitts 3 bezeichnet, R den Brechungswinkel in dem Fluid, und C die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid.

Demzufolge kann die Geschwindigkeit, mit welcher das Fluid durch den Rohrabschnitt 3 fließt, verhältnismäßig einfach auf der Grundlage der voranstehenden Gleichung erhalten werden, wenn die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid vorher bestimmt wird. Zur selben Zeit kann die Flußrate, mit welcher das Fluid durch den Rohrabschnitt 3 fließt, ebenfalls sehr einfach erhalten werden, da der Innendurchmesser des Rohrabschnitts 3 bekannt ist.

Dieses bekannte Verfahren weist jedoch den inhärenten Fehler auf, daß es nicht die Flußgeschwindigkeit oder die Flußrate zu messen gestattet, mit welchem ein Fluid durch den Rohrabschnitt 3 fließt, wenn die Schallgeschwindigkeit in diesem Fluid unbekannt ist oder es insbesondere nicht möglich ist, eine Probe des verwendeten Fluids zu erhalten, um die Schallgeschwindigkeit zu bestimmen. Zur Überwindung dieses Fehlers haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine neue Vorgehensweise entwickelt, die selbst für den Fall, in welchem die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid, welches durch den Rohrabschnitt 3 fließt, unbekannt ist, die Flußgeschwindigkeit und die Flußrate, mit welcher das Fluid hierdurch fließt, einfach durch Messung der Phasengeschwindigkeit und der Gruppengeschwindigkeit einer Ultraschallwelle in einem Abschnitt der Rohrwandung zu berechnen gestattet, in welcher die Flußrate und die Flußgeschwindigkeit gemessen werden.

Es ist jedoch schwierig oder beinahe unmöglich, insbesondere die Phasengeschwindigkeit einer Ultraschallwelle zu messen, die durch eine Wandung des Rohrs 3 gelangt, mittels Verwendung von den Ultraschallwandlern 50 und 60 bei dem voranstehend beschriebenen konventionellen Verfahren entsprechenden Geräten.

In vorteilhafter Weise wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Flußgeschwindigkeit eines Fluids unter Verwendung von Ultraschall wellen zur Verfügung gestellt, mit welchem mit hoher Genauigkeit und ohne jeglichen Temperaturfehler die Schallgeschwindigkeit in einem Fluid gemessen werden kann, welches durch ein Rohr fließt, selbst wenn die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid vollständig unbekannt ist.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines in dem voranstehend angegebenen Verfahren verwendeten Ultraschallwandlers, mit welchem einfach die Phasengeschwindigkeit einer Ultraschallwelle, die durch eine Wandung des Rohrs gelangt, während der Messung der Flußgeschwindigkeit und der Flußrate, mit welcher das Fluid durch das Rohr fließt, bestimmt werden kann.

Gemäß einer Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Messung der Flußgeschwindigkeit eines Fluids unter Verwendung von Ultraschallwellen zur Verfügung gestellt, bei welchem ein Paar von Ultraschallwandlern fest an einem Abschnitt eines Rohrs in stromaufwärts und stromabwärts angeordneten Lagen entlang einer Ausbreitungslinie einer Ultraschallwelle angebracht ist, und es werden eine Phasengeschwindigkeit V _p und eine Gruppengeschwindigkeit V _g von Ultraschallwellen gemessen, die durch eine Wandung des Rohrabschnitts treten, in welchem die Flußgeschwindigkeit gemessen wird, durch alternierendes Einführen von Ultraschallwellen von äußeren Wandabschnitten des Rohrabschnitts in hierzu senkrechter Richtung. Vor oder nach dieser Messung werden Differenzen Δ t _u und Δ t _d zwischen Zeitabschnitten gemessen, die verstreichen, damit jedes der Paare von Schallwellen, die von der stromaufwärts gelegenen Position in die stromabwärts gelegene Position sowie von der stromabwärts gelegenen Position in die stromaufwärts gelegene Position ausgesendet werden, um über erste Wege durch die Wandung und/oder das Fluid, welches innerhalb des Rohrabschnitts fließt, zu gelangen, bis die Wellen von den Wandlern empfangen werden, und Zeitabschnitte, die verstreichen, während die Ultraschallwellen zweite Pfade durchqueren einschließlich N zusätzlicher Pfade (N=2, 4, 6, . . .), die in dem Fluid gebildet werden. Eine Schallgeschwindigkeit C in dem Fluid wird durch eine vorher festlegbare Funktion berechnet

f₁(V _p, V _g, Δ t _u, Δ t _d, C)=0

auf der Grundlage von durch die voranstehende Messung erhaltenen Werten. Als nächstens wird die Geschwindigkeit, mit der das Fluid durch den Rohrabschnitt fließt, durch eine weitere Funktion berechnet:

V=f₂ (V _p, V _g, Δ t _u, Δ t _d, C)

auf der Grundlage der in Echtzeit in der voranstehenden Berechnung bestimmten Schallgeschwindigkeit C und der gemessenen Werte V _p, V _g, Δ t _u und Δ t _d.

Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Messung der Flußgeschwindigkeit eines Fluids unter Verwendung von Ultraschallwellen bereitgestellt, welche ein Paar von Ultraschallwandlern auf einem Rohrabschnitt in stromaufwärts und stromabwärts angeordneten Lagen entlang einer Ausbreitungslinie einer Ultraschallwelle aufweist sowie Sende- und Empfangsschaltkreisabschnitte und einen Sende-Empfangs-Wechselabschnitt, wobei der Empfangsschaltkreisabschnitt eine Zeitgebereinrichtung umfaßt zur Messung von Zeitabschnitten, die erforderlich sind, damit von der stromaufwärts gelegenen Lage zur stromabwärts gelegenen Lage sowie von der stromabwärts gelegenen Lage zu der stromaufwärts gelegenen Lage abgegebene Ultraschallwellen über erste Pfade durch die Wandung und/oder das Fluid gelangen, welches innerhalb des Rohrabschnitts fließt, bis die Wellen von den Wandlern empfangen werden, und zur Messung von Zeitabschnitten, die verstreichen, während die Ultraschallwellen über in dem Fluid gebildete zweite Pfade einschließlich N zusätzlicher Pfade (N=2, 4, 6, . . .) gelangen; weiterhin weist der Empfangsschaltkreisabschnitt eine Zeitdifferenz berechnungseinrichtung auf zur Berechnung der Differenz zwischen den Zeitabschnitten, die zwei Wellen brauchen, um in derselben Richtung von dem einen Schallwandler des Paars zum anderen zu gelangen, wobei die Zeitabschnitte durch die Zeitgebereinrichtung gemessen werden; der Empfangsschaltkreisabschnitt weist darüber hinaus eine Speichereinrichtung zur Speicherung einer Ausgangsgröße der Zeitdifferenzberech nungseinrichtung auf und speichert ebenfalls die Phasenge schwindigkeit und die Gruppengeschwindigkeit in dem Rohrwandabschnitt einer zur Messung der Flußgeschwindigkeit verwendeten Ultraschallwelle; der Empfangsschaltkreisabschnitt ist darüber hinaus mit einer Schallgeschwindigkeits-Berechnungseinrichtung zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Fluids mittels Durchführung einer vorher festlegbaren Berechnung auf der Grundlage von Informationen versehen, die von der Speichereinrichtung ausgegeben wird, und mit einer Flußgeschwindig keits-Berechnungseinrichtung zur Bestimmung der Flußgeschwindigkeit, mit welcher das Fluid innerhalb des Rohrabschnitts fließt, mittels Durchführung einer vorher festlegbaren Berechnung auf der Grundlage von Information, die von der Schallge schwindigkeits-Berechnungseinrichtung und von der Speichereinrichtung ausgegeben wird.

Eine weitere Zielrichtung der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Ultraschallwandlers, der mit einem Keilglied versehen ist, welches eine Schrägfläche und eine Ultraschallabstrahlfläche aufweist sowie ein an der Ultraschallabstrahlfläche befestigtes Ultraschallschwingungselement, wobei der Ultraschallwandler so arbeitet, daß er orthogonal eine Ultraschallwelle in ein zu messendes Objekt einführt, welches sich in Kontakt mit der Ultraschallabstrahlfläche befindet, und wobei der Ultraschallwandler eine Ultra schallwellenreflexionsoberfläche umfaßt, die senkrecht zu der Richtung liegt, in welcher sich eine Ultraschallwellen komponente, die durch die Ultraschallabstrahlfläche reflektiert wird, innerhalb des Keilgliedes ausbreitet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm von Signalen, welche in der Schallge schwindigkeitsmessungs-Betriebsart der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung empfangen werden;

Fig. 3 ein Diagramm mit Einzelheiten eines in Fig. 1 dargestellten Ultraschallwandlers;

Fig. 4 bis 6 (1), 6 (2) Diagramme der Betriebsweise der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 7 und 8 Diagramme einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 bis 14 Diagramme abgeänderter Beispiele des Ultraschallwandlers; und

Fig. 15 und 16 Diagramme eines bekannten Geräts.

In Fig. 1 ist ein Ultraschallwandler 1 dargestellt, welcher sich in einer stromabwärts angeordneten Lage auf einem Rohrabschnitt 3 befindet, während sich ein weiterer Ultraschallwandler 2 auf dem Rohrabschnitt 3 in einer stromabwärts gelegenen Lage befindet. Bei diesem Paar von Ultraschallwandlern weist der Ultraschallwandler 1 ein Keilglied 1 A und ein Schwingungselement 1 B auf, die so ausgebildet sind, daß sie schräg eine Ultraschallwelle in den Rohrabschnitt 3 einführen, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Entsprechend ist der Ultraschallwandler 2 mit einem Keilglied 2 A und einem Schwingungselement 1 B versehen, die jeweils dem entsprechenden Teil des Ultraschallwandlers entsprechen.

Diese Ultraschallwandler 1 und 2 sind mit einem Übertragungs schaltkreisabschnitt 11 und einem Empfangsschaltkreisabschnitt 12 über einen Übertragungs-Empfangs-Wechselabschnitt 10 verbunden. Bei dieser Beschreibung fließt ein Fluid in dem Rohrabschnitt 3 von der linken zur rechten Seite der Fig. 1.

Die Ultraschallwandler 1 und 2 empfangen Wiederholungssignale, beispielsweise die in Fig. 2 dargestellten Signale, die sich in Reaktion auf die Flußgeschwindigkeit ändern.

In Fig. 2 stellt eine Welle, die durch N=0 in Fig. 2-(1) bezeichnet ist, eine Welle dar, die von dem Ultraschallwandler 2 empfangen wird, nachdem sie nacheinander Ausbreitungswege l₁, l₂, l₇, l₅ und l₆ zurückgelegt hat, die in Fig. 1 dargestellt sind, ohne durch das Fluid gelangt zu sein. Eine durch N=0 in Fig. 2-(2) bezeichnete Welle stellt eine Welle dar, welche von dem Ultraschallwandler 1 empfangen wird, nachdem sie von dem Ultraschallwandler 2 abgegeben wurde und sich ausgebreitet hat über Ausbreitungswege l₆, l₅, l₇, l₂ und l₂, wie in Fig. 1 dargestellt, in sequentieller Folge, ohne durch das Fluid gelangt zu sein, also eine Ultraschallsignalwelle, welche durch dieselben Wegabschnitte in Gegenrichtung gelangt ist.

Eine mit N=2 in Fig. 2-(1) bezeichnete Welle stellt eine Welle dar, die von dem Ultraschallwandler 2 empfangen wird und welche auf solche Weise erhalten wird, daß ein Teil der Ultraschallwelle in ein Fluid 4 durch eine obere Wand des Rohrabschnitts 3, wie in Fig. 1 gezeigt, übertritt, sich durch das Fluid 4 ausbreitet, in eine untere Wand des Rohrabschnitts 3 eintritt, um diesen zu durchqueren, wiederum in das Fluid 4 eintritt und dieses durchquert, in eine obere Wand des Rohrabschnitts eintritt, und schließlich den Ultraschallwandler 2 mittels Durchquerung dieser oberen Wand erreicht. Daher stellt die mit N=2 in Fig. 2-(2) bezeichnete Welle eine Welle dar, die empfangen wird, nachdem sie zwei Durchquerungen des Fluids durchgeführt hat. Die mit N=2 in Fig. 2-(2) bezeichnete Welle eine Welle dar, die empfangen wird, nachdem sie zwei Durchquerungen des Fluids in einer Richtung ausgeführt hat, die entgegengesetzt der Ausbreitungsrichtung der Welle ist, welche mit N=2 in Fig. 2(1) bezeichnet ist.

Entsprechend repräsentiert eine durch N=4 bezeichnete Welle eine Welle, die viermal durch das Fluid gelangt.

Wenn von dem stromaufwärts angeordneten Ultraschallwandler 1 eine Ultraschallwelle zum stromabwärts angeorneten Ultraschallwandler 2 abgegeben wird, so ergibt sich die Ausbreitungszeit t _d (d=1, 2, 4, . . .), die jede Welle bis zum Empfang durch den stromabwärts angeordneten Ultraschallwandler 2 benötigt, im Falle von Ausbreitungen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, wie folgt:

T _d = ((L-ND · tanR )/V _g) + ((ND/cosR )/(C + V · sinR)) + τ₁ + τ₂ (1)
R = sin^-1 (C/V _p) (2)

wobei L die Entfernung zwischen den Ultraschallwandlern bezeichnet; N die Anzahl von Durchquerungen der Fluids (im Falle eines Hin- und Rückwegs, N=2); V _g die Gruppengeschwindigkeit der Ultraschallwelle, welche den Rohrabschnitt durchquert; V _p die Phasengeschwindigkeit der Ultraschallwelle, die durch den Rohrabschnitt gelangt; R den Leckfortpflanzungswinkel der in Fig. 1 dargestellten Ultraschallwelle; und τ₁, τ₂ die von der Ultraschallwelle für den Weg durch die Ultraschallwandler benötigte Zeit.

Wenn eine Ultraschallwelle von dem stromabwärts angeordneten Ultraschallwandler 2 zum stromaufwärts angeordneten Ultraschallwandler 1 abgegeben wird, so ist die Ausbreitungszeit t _u (u=1, 3, 5, . . .), die von jeder Welle benötigt wird, bevor sie von dem stromabwärts angeordneten Ultraschallwandler 1 empfangen wird, ähnlich wie im Falle der Ausdrücke (1) und (2) und lautet wie folgt:

t _u = ((L-ND · tanR )/V _g) + ((ND/cosR )/(C + V · sinR)) + τ₁ + τ₂ (3)

wobei L, N, V _g, V _p, R, τ₁ und τ₂ den in den Gleichungen (1) und (2) verwendeten Größen entsprechen.

Die Zeitdauern dieser empfangenen Wellen werden jeweils durch eine Zeitgebereinrichtung 13 über den Empfangsschaltungsabschnitt 12 und eine Signalauswahleinrichtung 13 A in der Reihenfolge von N=0, N=2, N=4 bestimmt, und er so erhaltenen Ausbreitungszeit entsprechende Information wird einem Speicher 14 zugeführt.

Die Ausbreitungszeitdifferenz Δ t _d oder Δ t _u zwischen zwei Wellen, die nach unterschiedlichen Anzahlen von Durchquerungen des Fluids empfangen werden, wobei die Differenz zwischen diesen Anzahlen mit M bezeichnet ist, wird ausgedrückt durch:

Δ t _d = (-MD · tanR )/V _g) + ((MD/cosR )/(C + V · sinR )), (4)
oder
Δ t _u = (-MD · tanR )/V _g) + ((MD/cosR )/(C + V · sinR )), (5)

Für M=2 wird unter Bezug auf die in Fig. 2 dargestellte Beziehung erhalten:

Δ t _d = 2t _d + t₂ - t₁ = t₄ - t₂, und
Δ t _u = 2t _u = t₃ - t₁ = t₅ - t₃.

Die Berechnungen der Gleichungen (4) und (5) werden durch eine Zeitdifferenzberechnungseinrichtung 15 durchgeführt, und die Ergebnisse werden in einem zweiten Speicher 16 gespeichert. Aus den Gleichungen (4) und (5) kann eine Schallgeschwindigkeit C des Fluids als eine Wurzel von Funktionen (6) berechnet werden:
f₁(V _p, V _g, Δ t _u, Δ t _d, C) = (1 + aV²_g)C⁴ - (2V _p V _g + aV²_p V²_g)C² + V²_p = 0. (6)
a = ( Δ t _u + Δ t _d)²/4M²D²

Die Berechnung der Funktion (6) wird durch einen ersten Betriebsabschnitt 13 B durchgeführt, und das Ergebnis wird dem zweiten Speicher 16 zugeführt und wird gleichzeitig durch eine Anzeigeneinrichtung 18 angezeigt.

Wenn dem zweiten Speicher 16 die Daten bezüglich der Schallgeschwindigkeit C zugeführt werden, sendet dieser diese Daten sofort an einen zweiten Betriebsabschnitt 17 zusammen mit sämtlichen in ihm gespeicherten Datensätzen, also der Phasengeschwindigkeit V _p und der Gruppengeschwindigkeit V _g der Ultraschallwelle und den Ausbreitungszeitdifferenzen Δ t _d und Δ t _u. Im zweiten Betriebsabschnitt 17 wird die folgende Berechnung ausgeführt:

f = f₂(V _p, V _g, Δ t _u, Δ t _d, C) = (V _p - (C²/V _g)) · ( Δ t _u - Δ t _d)/( Δ t _u + Δ t _u) (6)′

Auf diese Weise wird die Flußgeschwindigkeit des Fluids 4 in dem Rohrabschnitt 3 direkt berechnet, und das Ergebnis wird der Anzeigeeinrichtung 18 zugeführt. In der Anzeigeeinrichtung werden die Flußgeschwindigkeitsdaten zusammen mit den Flußratendaten angezeigt, die aus den Flußgeschwindigkeitsdaten konvertiert werden.

Es wird also die von jeder der Wellen für N=0, 2 oder N =0, 4 benötigte Zeit, bis sie von dem Ultraschallwandler 1 oder 2 empfangen werden, festgestellt und die Zeitdifferenz dazwischen (beispielsweise unter Bezug auf N=0 und N=2) erhalten. Daher kann die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid in dem Rohrabschnitt 3 direkt berechnet und deswegen die Flußgeschwindigkeit und die Flußrate mit hoher Genauigkeit in Echtzeit erhalten werden, wenn die Phasengeschwindigkeit V _p und die Gruppengeschwindigkeit V _g bekannt sind.

Nachstehend werden die Grundlagen des Verfahrens zum Erhalt der Phasengeschwindigkeit V _p und der Gruppengeschwindigkeit V _g einer Ultraschallwelle beschrieben, welche eine Wand des Rohrabschnitts 3 durchquert.

Fig. 3 zeigt das Keilglied 1 A und das Ultraschallschwingungs element 1 B des Ultraschallwandlers 1. Das Keilglied 1 A weist einen trapezförmigen Querschnitt auf. Das Ultraschallschwingungselement 1 B ist an einer schrägen Oberfläche 1 A des Keilglieds 1 A befestigt, und dessen andere schräge Oberfläche 1 C ist eine Oberfläche, welche orthogonal zum Ausbreitungsweg verläuft, auf welchem eine Ultraschallwelle innerhalb des Keilgliedes 1 A läuft, die von dem Ultraschallschwingungselement 1 B abgegeben und auf einer Einfallsebene 1 b reflektiert wurde. Daher wird die das Keilglied 1 a durchquerende innere Reflexionswelle auf das Ultraschallschwingungselement 1 B zurückgegeben. l₁ und l′-1 geben die Ausbreitungswege und die Entfernungen an, welche die Ultraschallwelle auf diese Weise durch läuft.

Wird daher die Ausbreitungszeit T₀ gemessen, welche die Ultraschallwelle zur Durchquerung des Keilgliedes 1 A entlang dieser Wege benötigt, so kann die Schallgeschwindigkeit C _p in dem Keilglied 1 A durch folgende Gleichung berechnet werden:

C _p = 2(l₁ + l′₁)/T₀ (7)

Es besteht eine Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit C _p in dem Keilglied 1 B und der Phasengeschwindigkeit V _p für den Weg durch den Rohrabschnitt 3. Diese Beziehung wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:

V _p = C _p/sinR _i (8)

wobei R _i der Einfallswinkel ist (vergleiche Fig. 3).

Beträgt die Entfernung zwischen Einfallspunkten für die Welle für das Paar von Schallwandlern 1 und 2, wie in Fig. 1 dargestellt ist, L, und ist die Ausbreitungszeit für eine von dem Ultraschallschwingungselement 1 B ausgesandte Ultraschallwelle bis zum Erreichen des Ultraschallschwingungselements 2 B durch die Wand des Rohrabschnitts 3 gleich T, so wird die Gruppengeschwindigkeit V _g der die Wand des Rohrabschnitts 3 durchquerenden Ultraschallwelle ausgedrückt durch:

V _g = L/(T-T₀(l₁/l₁ + l′₁)) (9)

Da L, l₁ und l′₁ in dieser Formel Werte sind, die auf geometrische Weise erhalten werden können, kann die benötigte Gruppengeschwindigkeit in der Wand des Rohrabschnitts 3 sehr einfach aus der Gleichung (9) berechnet werden, nachdem die Ausbreitungszeiten T und T₀ in der Gleichung (9) gemessen wurden. Die Berechnungen der Gruppengeschwindigkeit und der Phasengeschwindigkeit werden durch den ersten Betriebsabschnitt 13 B durchgeführt, der zu einer Signalverarbeitungseinheit 20 gehört.

Ein von dem Empfangsschaltkreisabschnitt 12 empfangenes Signal wird der Zeitgebereinrichtung 12 über eine Signalauswahleinrichtung 13 zugeführt. Nachdem in der Einrichtung 13 die Ausbreitungszeit vorliegt, wird eine vorher festlegbare Signalverarbeitung in der Signalverarbeitungseinrichtung 20 vorgenommen. Die Signalverarbeitungseinrichtung 20 besteht aus dem ersten Speicher 14, der Zeitdifferenzberechnungseinrichtung 15, dem zweiten Speicher 16 und dem zweiten Betriebsabschnitt 17 zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit und der Flußgeschwindigkeit, sowie dem ersten Betriebsabschnitt 13 B, welcher zwischen der Zeitgebereinrichtung 13 und dem zweiten Speicher 16 angeordnet ist. Die Signalverarbeitungseinrichtung 20 führt die Berechnungen der Phasengeschwindigkeit V _p und der Gruppengeschwindigkeit V _g in dem Rohrabschnitt 3 durch, der Schallgeschwindigkeit C in dem durch den Rohrabschnitt 3 fließenden Fluid, und der Flußgeschwindigkeit V des Fluids, welche nachstehend beschrieben wird. Die Ergebnisse der in der Signalverarbeitungseinheit 20 durchgeführten Berechnung werden durch die Anzeigeeinrichtung 18 angezeigt.

Während das elektrische System der Signalverarbeitungseinheit 20, der Zeitgebereinrichtung 13 usw. betrieben wird, erfolgt gleichzeitig eine Steuerung durch einen Hauptsteuerabschnitt 30.

Der Hauptsteuerabschnitt 30 gibt Steuertreibersignale für die Gesamtsteuerung ab, um die Zeivorgaben sämtlicher Betriebsabläufe der Schaltkreise durchzuführen. Weiterhin weist die Hauptsteuereinheit 30 eine erste Steuerfunktion für den Vorgang zum Erhalten der Ultraschallwellen-Phasengeschwindigkeit eines Rohrabschnitts auf sowie eine zweite Steuerfunktion für den Vorgang zum Erhalten der Gruppengeschwindigkeit dieses Abschnitts, und eine dritte Steuerfunktion für den Vorgang des Erhaltens der Schallgeschwindigkeit in dem innerhalb des Rohrabschnitts fließenden Fluids. Diese Funktionen des Hauptsteuerabschnitts 30 können durch externe Befehle gewechselt werden, die durch den Betreiber unter Verwendung eines Meßbedingungs-Setzabschnitts 30 A gegeben werden.

Nunmehr wird der Gesamtbetrieb der voranstehend beschriebenen Ausführungsform geschildert.

Zunächst werden die Ultraschallwandler 1 und 2 fest auf dem Rohrabschnitt 3 entlang dessen Zentralachse in Lagen stromaufwärts und stromabwärts fest angeordnet. Als nächstes wird die erste Steuerfunktion des Hauptsteuerabschnitts 30 aktiviert, um die Gesamtschaltung dafür in Bereitschaft zu versetzen, daß die Phasengeschwindigkeit V _p in einer Wand des Rohrabschnitts 3 gemessen wird (in der Phasengeschwindigkeits-Meßart). Nachdem die Gesamtschaltung in den Phasengeschwindigkeits- Meßartmodus versetzt wurde, wird der Ultraschallwandler 2 elektrisch von dem Übertragungs-Empfangs-Überwechselabschnitt 10 getrennt, wodurch nur dem Ultraschallwandler 1 gestattet wird, den Übertragungsvorgang und den Empfangsvorgang durchzuführen (der Ultraschallwandler 2 kann anstelle des Wandlers 1 verwendet werden). Fig. 4 zeigt einen Zustand, in welchem Übertragungs- und Empfangssignale zugeführt werden. Ein Übertragungssignal TR₁, welches von dem Übertragungsschaltkreisabschnitt 11 ausgegeben wird, wird gleichzeitig den Ultraschallwandlern 1 und 2 zugeführt, und eine innere Reflexionswelle RE₁ wird ebenfalls dem Empfangsschaltkreisabschnitt 12 zugeführt. Diese Signale TR₁ und RE₁ werden der Zeitgebereinrichtung über die Signalauswahleinrichtung 13 A zugeführt, in welcher die Zeitdifferenz T₀ erhalten wird. Die derart erhaltenen Zeitdaten werden dem ersten Betriebsabschnitt 13 B zugeliefert. Der erste Betriebsabschnitt 13 B führt die Berechnungen der Gleichungen (7) und (8) durch, und die erhaltenen Ergebnisse werden in dem Speicher 16 gespeichert und zur selben Zeit durch die Anzeigeeinheit 18 angezeigt.

Dann wird durch die Bedienungsperson die zweite Steuerfunktion des Hauptsteuerabschnitts 30 aktiviert, und die Gesamtschaltung wird in den Modus der Messung der Gruppengeschwindigkeit in dem Rohrabschnitt 3 versetzt.

In diesem Falle führt der Ultraschallwandler 1 den Übertragungsbetriebsablauf durch, während der Ultraschallwandler 2 den Empfangsbetrieb durchführt. Dies bedeutet, daß das Übertragungssignal TR₁ und das Empfangssignal RE₁ so zuge führt werden, wie in Fig. 5 angegeben ist. Die Signale TR₁ und RE₁ werden der Zeitgebereinrichtung 13 über die Signal auswahleinrichtung 13 A zugeliefert, wo die Zeitdifferenz zwischen den Wellen TR₁ und RE₁ festgestellt wird, und die hierdurch erhaltenen Zeitdaten werden dem ersten Betriebsabschnitt 13 B übergeben. In dem ersten Betriebsabschnitt 13 B wird die Berechnung der Gleichung (9) durchgeführt auf der Grundlage der gemessenen Zeit T₀. Die derart erhaltene Gruppen geschwindigkeit wird in dem Speicher 16 gespeichert und ebenfalls durch die Anzeigeeinrichtung 18 angezeigt.

Dann wird die dritte Steuerfunktion des Hauptsteuerabschnitts 30 durch einen per Hand von der Bedienungsperson eingegebenen Befehl aktiviert, und die Gesamtschaltung wird in den Modus zur Messung der Schallgeschwindigkeit in dem Fluid versetzt, welches innerhalb des Rohrabschnitts 3 fließt. In diesem Schallgeschwindigkeits-Meßmodus werden Werte für t _d und t _u in den Gleichungen (1) und (2) beim Verlauf der Zeit t₁ gemessen, t₂, t₃ . . ., wie in Fig. 2 gezeigt ist. Bei dem in Fig. 6-(1) dargestellten Meßfall wird t _d gemessen. Beispielsweise werden die Empfangszeiten t₁, t₂ und t₄ gemessen, in welchen das Empfangssignal RE₂ im Falle von N=0, N=2 oder N=4 empfangen wird, werden in dem Empfangsschaltkreis abschnitt 12 verstärkt und daraufhin an die Signalauswahleinrichtung 13 A übergeben. Die Signalauswahleinrichtung 13 A selektiert beispielsweise Empfangssignale für N=0 und N =2 aus den Eingangssignalen unter Steuerung des Hauptsteuerabschnitts 30 und übergibt die ausgewählten Signale an die Zeitgebereinrichtung 13. Die Zeitgebereinrichtung mißt die Zeiten t₁ und t₂ und gibt die hierdurch erhaltenen Zeitdaten an die Zeitdifferenzberechnungseinrichtung 15 ab. Die Zeitdif ferenzberechnungseinrichtung 15 berechnet sofort die Zeitdifferenz Δ t _d zwischen t₁ und t₂ und speichert sie in dem zweiten Speicher 16.

Nach beendeter Berechnung von Δ t _d (Gleichung (4)) und des Spei chervorgangs wählt der Übertragungs-Empfangs-Überwechselabschnitt 10 sofort den Ultraschallwandler 2 als einen Übertrager und den Ultraschallwandler 1 als einen Empfänger aus, wie in Fig. 6-(2) gezeigt ist, und führt hierdurch eine Messung ähnlich dem voranstehend beschriebenen Fall für Δ t _d aus. Es wird die Differenz Δ t _u zwischen Ausbreitungszeiten zweier empfangener Wellen (bei spielsweise t₁ und t₃) erhalten und ebenfalls in dem Speicher 16 gespeichert.

Wird der zweite Speicher 16 mit den derart erhaltenen Werten für Δ t _d und Δ t _u versorgt, so gibt er zusammen mit diesen Werten die vorher gespeicherten Daten für Phasengeschwindigkeit V _p und Gruppengeschwindigkeit V _g der Ultraschallwelle in dem Rohrabschnitt 3 an den zweiten Betriebsabschnitt 17 ab. Der zweite Betriebsabschnitt 17 berechnet die Gleichung (6) auf der Grundlage dieser Datensätze und gibt in Echtzeit die derart erhaltene Schallgeschwindigkeit C in dem durch den Rohrabschnitt 3 fließenden Fluid an die Anzeigeeinrichtung 18 ab. Wie voranstehend beschrieben berechnet der Betriebsabschnitt 17 sofort die Gleichung (6)′, um die Flußgeschwindigkeit zu erhalten, und gibt die Flußgeschwindigkeitsdaten an die Anzeigeeinrichtung 18 ab.

Bei der Beschreibung der voranstehend angegebenen Ausführungsform wurde der Fall erläutert, in welchem Δ t _d und Δ t _u unter Bezug auf Wellen für N=0 und N=2 berechnet werden. Das Verfahren arbeitet jedoch ebenso im Falle von N=2 und N=4. Bei der voranstehend beschriebenen Ausführungsform werden die Phasengeschwindigkeit V _p und die Gruppengeschwindigkeit V _g einer Ultraschallwelle in dem Rohrabschnitt 3 vor der Berechnung von Δ t _d und Δ t _u erhalten. Diese Schritte können in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden. Bei der voranstehend geschilderten Ausführungsform werden die erste, zweite und dritte Steuer funktion des Hauptsteuerabschnittes 3 aktiviert durch von der Bedienungsperson eingegebene Befehle. Diese Funktionen können allerdings auch automatisch sequentiell aktiviert werden. Ist die Beziehung zwischen der Temperatur eines Fluids und der Schallgeschwindigkeit in diesem im einzelnen bekannt wie im Falle von Wasser, so kann die vorliegende Erfindung ebenfalls auf die Messung der zugehörigen Änderung der Temperatur des Fluids angewandt werden, da es die vorliegende Erfindung gestattet, die Schallgeschwindigkeit in dem durch einen Rohrabschnitt fließenden Fluid mit hoher Genauigkeit zu messen.

Nachstehend wird eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf Fig. 7 und 8 beschrieben.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist der Ultra schallwandler 2 an dem Rohrabschnitt 3 in einer dem Ultraschall wandler 1 gegenüberliegenden Lage befestigt. Fig. 8 zeigt in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform empfangene Wellen.

In diesem Fall können dieselben Wirkungen und Vorteile erhalten werden wie im Falle der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, in dem zunächst auf die in Fig. 1 dargestellten Weise die Gruppen geschwindigkeit V _g gemessen wird.

Der Ultraschallwandler gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf den voranstehend geschilderten Typ beschränkt und kann auf die in Fig. 9 bis 14 dargestellten Weisen ausgebildet sein.

Bei dem in Fig. 9 dargestellten Beispiel ist ein schallabsorbierender Teil 1 E an der schrägen Oberfläche 1 c des bei der ersten Ausführungsform verwendeten Wandlers befestigt. Eine Bezugsziffer 1 K bezeichnet ein Gehäuse. Abgesehen von diesen Punkten ist die Konstruktion dieselbe wie beim Wandler gemäß der ersten Ausführungsform.

Dieser Wandler weist dieselben Funktionen auf wie im Falle der ersten Ausführungsform und hat darüber hinaus den Vorteil, daß wiederholte innere Reflexionen innerhalb des Ultraschall wandlers bemerkenswert verringert sind, so daß der diffus an den zugehörigen Rohrabschnitt abgegebene Störpegel gesenkt wird. Damit verbessert sich die Anwendbarkeit dieses Gerätes.

Fig. 10 und 11 zeigen weitere Beispiele, die sich auf das in Fig. 9 dargestellte Beispiel beziehen. Die in Fig. 10 dargestellte Vorrichtung wird durch Befestigung eines Ultra schallreflexionsteils 1 F an der abgeschrägten Oberfläche 1 c des in Fig. 9 dargestellten Geräts hergestellt.

Dieser Aufbau führt zu einer definierteren ursprünglich innen reflektierten Welle und ermöglicht so eine genauere Messung der Phasengeschwindigkeit.

Die in Fig. 11 dargestellte Vorrichtung wird durch Befestigung eines Vibrationselements 1 R zum Empfang von Ultraschallwellen an der abgeschrägten Oberfläche 1 c des in Fig. 9 dargestellten Geräts hergestellt. Diese Anordnung sorgt auch dafür, daß die Phasengeschwindigkeit einer Ultraschallwelle in einem Rohrabschnitt wirksam gemessen werden kann.

Bei einem in Fig. 12 dargestellten Beispiel weist das Keilglied 1 A einen längeren Querschnitt in Form eines länglichen Parallelogramms auf, wie in Fig. 12 dargestellt ist. In diesem Fall bezeichnet die Bezugsziffer 1 c ebenfalls eine Ultraschallwellen- Reflexionsoberfläche, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer Reflexionswelle liegt, die innerhalb des Keilgliedes 1 A wie im Falle der voranstehenden Beispiele reflektiert wird. Eine Bezugsziffer 1 E bezeichnet ein Schallabsorptionsteil, welches an der schrägen Oberfläche 1 C und an der oberen Oberfläche (oben in Fig. 12) befestigt ist, so daß es diese Oberflächen vollständig bedeckt. Abgesehen von diesen Punkten ist der Aufbau der gleiche wie bei den voranstehenden Beispielen.

Diese Anordnung ermöglicht dieselben Funktionen wie bei den voranstehend geschilderten Beispielen. Zum selben Zeitpunkt verbessert eine Erhöhung der Abmessungen der Ultraschallabstrahlfläche 1 b in Richtung der Wellenausbreitung die Genauigkeit der Messung der Phasengeschwindigkeit.

Fig. 13 und 14 zeigen Beispiele, bei welchen das in Fig. 12 dargestellte Gerät verwendet wird.

Das in Fig. 13 gezeigte Beispiel ergibt sich durch Befestigung eines Ultraschallwellen-Reflexionsteils 1 F an der schrägen Oberfläche 1 c des in Fig. 12 dargestellten Geräts. Hierdurch ergibt sich eine definiertere Ausbildung der anfänglichen inneren Reflexionswelle, so daß die Phasengeschwindigkeit genauer gemessen werden kann.

Bei dem in Fig. 14 gezeigten Beispiel wird ein Schwingungselement 1 R zum Empfang von Ultraschallwellen an der schrägen Oberfläche 1 c des in Fig. 12 dargestellten Geräts befestigt. Diese Anordnung ermöglicht ebenfalls die wirksame Messung der Phasen geschwindigkeit einer Ultraschallwelle in einem Rohrabschnitt.

Die vorliegende Erfindung verwendet die voranstehend angegebenen Aufbauten und Funktionen und gestattet so die Messung der Flußgeschwindigkeit eines Fluids, beispielsweise eines durch einen Rohrabschnitt fließenden Fluids, mit hoher Genauigkeit ohne jeglichen direkten Kontakt mit dem Fluid, selbst wenn die Schall geschwindigkeit in dem Fluid vollständig unbekannt ist.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Flußgeschwindigkeit eines Fluids unter Verwendung von Ultraschallwellen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Befestigung eines Paars von Ultraschallwandlern (1, 2) auf einem Abschnitt (3) eines Rohrs in einer stromaufwärts beziehungsweise stromabwärts befindlichen Position entlang einer Ausbreitungslinie einer Ultraschallwelle, Messung einer Phasengeschwindigkeit V _p und einer Gruppengeschwindigkeit V _g von Ultraschallwellen, welche durch eine Wandung des Rohrabschnitts (3) gelangen, der zur Messung der Flußgeschwindigkeit verwendet wird, mittels alternierender Einführung von Ultraschallwellen von äußeren Wandabschnitten des Rohrabschnitts und orthogonal dazu;
Messung, vor oder nach der genannten Messung, einer Differenz Δ t _u und Δ t _d zwischen Zeitdauern (t _u, t _d), die jedes von Paaren von Ultraschallwellen benötigt, die von der Lage stromaufwärts zur Lage stromabwärts und von der Lage stromabwärts zur Lage stromaufwärts ausgesandt werden, um sich über erste Wege auszubreiten durch die Wandung und/oder das in dem Rohrabschnitt (3) fließende Fluid (4), bis die Wellen von den Wandlern (1, 2) empfangen werden, und Messung von Zeitdauern, welche die Ultraschallwellen benötigen, um sich über in dem Fluid (4) gebildete zweite Pfade einschließlich N zusätzlicher Pfade (N=2, 4, 6, . . .) auszu breiten;
Berechnung einer Schallgeschwindigkeit C in dem Fluid durch eine vorher festlegbare Funktion f₁(V _p, V _g, Δ t _u, Δ t _d, C)=0auf der Grundlage von durch die Meßschritte erhaltenen Werten;
Berechnung der Geschwindigkeit, mit welcher das Fluid (4) durch den Rohrabschnitt (3) fließt, durch eine weitere Funk tionV=f₂ (V _p, V _g, Δ t _u, Δ t _d, C)auf der Grundlage der in Echtzeit in dem vorhergehenden Schritt bestimmten Schallgeschwindigkeit C und der gemessenen Werte V _p, V _g, Δ t _u und Δ t _d.

2. Vorrichtung zur Flußgeschwindigkeit eines Fluids mittels Ultraschallwellen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Ultraschallwandlern (1, 2) auf einem Abschnitt (3) eines Rohrs in einer stromaufwärts beziehungsweise stromabwärts befindlichen Position entlang einer Ausbreitungslinie einer Ultraschallwelle vorgesehen ist sowie Übertragungs- und Empfangsschaltkreisabschnitte (11, 12) und ein Übertragungs- Empfangs-Überwechselabschntt (10), und daß der Empfangsschaltkreisabschnitt (12) eine Zeitgebeeinrichtung (13) aufweist zur Messung von Zeitdauern, welche abgegebene Ultraschallwellen benötigen, um von der stromaufwärts befindlichen Lage zur stromabwärts befindlichen Lage und von der stromabwärts befindlichen Lage zu der stromaufwärts befindlichen Lage zu gelangen entlang erster Pfade durch die Wandung und/oder das innerhalb des Rohrabschnitts (3) fließende Fluid (4), bis die Wellen von den Wandlern (1, 2) empfangen werden, und zur Messung von Zeitdauern, welche die Ultraschallwellen benötigen, um entlang zweiter Pfade einschließlich N zusätzlicher Pfade, (N=2, 4, 6, . . .) welche in dem Fluid (4) gebildet werden, sich auszubreiten; eine Zeitdifferenzberechnungseinrichtung (15) zur Berechnung der Differenz zwischen den Zeitdauern, welche zwei Wellen benötigen, um sich in derselben Richtung von dem einen der beiden Ultraschallwandler zum anderen zu bewegen, wobei die Zeitdauer durch die Zeitgebevorrichtung (13) gemessen wird; eine Speichereinrichtung (16) zum Speichern eines Ausgangswertes von der Zeitdifferenzberechnungseinrichtung (15), wobei die Speichereinrichtung (16) ebenfalls die Phasenge schwindigkeit und die Gruppengeschwindigkeit einer zur Messung der Flußgeschwindigkeit verwendeten Ultraschallwelle in dem Rohrabschnitt (3) speichert; eine Schallgeschwindigkeitsbe rechnungseinrichtung (13 B) zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Fluids (4) mittels Durchführung einer vorher festlegbaren Berechnung auf der Grundlage von Informationen, welche von der Speichereinrichtung (16) ausgegeben wird; und eine Flußgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung (17) zur Bestimmung der Flußgeschwindigkeit, mit welcher das Fluid (4) innerhalb des Rohrabschnitts (3) fließt, mittels Durchführung einer vorher festlegbaren Berechnung auf der Grundlage von Information, welche von der Schallgeschwindig keitsberechnungseinrichtung (13 B) und von der Speicherein richtung (16) abgegeben wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (1, 2) auf dem Rohr (3) in einer stromaufwärts befindlichen Lage und einer stromabwärts befindlichen Lage auf demselben Pegel angeordnet sind.

4. Ultraschallwandler, dadurch gekennzeichnet, daß ein Keilglied (1 A) vorgesehen ist, welches mit einer schrägen Oberfläche (1 b) und einer Ultraschallabstrahl oberfläche (1 a) versehen ist, und daß ein an der Ultraschallab strahloberfläche (1 a) befestigtes Ultraschallschwingungs element (1 B) vorgesehen ist, wobei vom Ultraschallwandler (1) orthogonal eine Ultraschallwelle in ein zu messendes Objekt einführbar ist, welches sich in Kontakt mit der Ultra schallabstrahloberfläche (1 a) befindet, und daß der Ultraschall wandler eine Ultraschallwellen-Reflexionsoberfläche (1 c) aufweist, welche senkrecht zur Richtung angeordnet ist, in welcher sich eine Ultraschallwellenkomponente innerhalb des Keilgliedes (1 A) bewegt, die von der Ultraschallabstrahl fläche (1 a) reflektiert wird.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schallabsorptionsteil (1 E) an dem Keilglied (1 A) auf der Außenseite der Ultraschall wellenreflexionsoberfläche (1 c) befestigt ist.

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Keilglied (1 A) einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.