DE3809189C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids unter Verwendung von Ultraschallwellen entsprechend den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 2.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung 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 Vor­ richtung 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 Ausbrei­ tungszeit ist durch t_u gegeben.

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

V = (C²/2D tan R) · (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.

Verfahren und Vorrichtungen zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten mit Hilfe von Ultraschallwellen gehen auch aus der DE 29 47 325 A1, der US 40 15 470 und der DE 30 39 272 A1 hervor. Die erstgenannte Druckschrift betrifft einen Ultraschallströmungsmesser mit einem ersten und zweiten auf einer Leitung angeordneten Wandler sowie mit dem ersten und zweiten Wandler verbundene Signalgeneratoren zum Einspeisen elektrischer Signale und Signalsensoren für den Empfang von Signalen. Die Signalsensoren empfangen durch die Wandler abhängig von empfangenen Ultraschallwellen erzeugte elektrische Signale und speisen in den Signalgenerator abhängig von den empfangenen Signalen Eingangssignale ein. Über eine Zeitsteuerschaltung wird die Zeitdauer der Periode zwischen Übertragungen vom jeweiligen Signalgenerator gemessen. Eine Differenzbildungseinrichtung ermittelt den Unterschied zwischen gemessenen Zeitdauern, der sich bei der Ausbreitung von Schallwellen in beiden Richtungen zwischen den Wandler ergibt, und aus dieser Differenz wird auf die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids geschlossen.

Die US 40 15 470 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strömungsmessung, wobei akustische Impulse durch eine Leitungswand und eine Strömung in der Leitung längs eines zu der Strömung senkrechten Ausbreitungsweges und längs eines zu der Strömung unter einem Winkel verlaufenden Ausbreitungsweges geschickt werden. Aus den gemessenen Laufzeiten lassen sich die Strömungsgeschwindigkeit und andere die Strömung betreffende charakteristische Größen ermitteln.

Die DE 30 39 272 A1 beschreibt ein Ultraschallmeßgerät zum Ermitteln der Strömungsgeschwindigkeit oder der Menge eines Strömungsmittels mit mindestens zwei akustischen Wandlern, die bezüglich der Strömung schräg, einander gegenüberliegend angeordnet und derart gesteuert sind, daß sie abwechselnd auf ein elektrisches Signal hin ein Ultraschallsignal in Strömungsrichtung und entgegengesetzt dazu aussenden und empfangen. Auch hier wird aus gemessenen Laufzeiten die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids unter Verwendung von Ultraschallwellen entsprechend den Oberbegriffen des Anspruchs 1 bzw. 2 geht aus der US 39 87 674 hervor. Bei dieser Vorrichtung wird im Prinzip die Laufzeit eines sich stromaufwärts und eines sich stromabwärts fortpflanzenden Schallwellenimpulses ermittelt. Aus den gemessenen Laufzeiten kann mittels vorbestimmter Funktionen die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr bestimmt werden, wobei jedoch die Bedingung erfüllt sein muß, daß die Senderflächen des Schwingungselements eine bestimmte Neigung zur Achse des Rohrabschnitts aufweisen, wobei diese Neigung von der Schallgeschwindigkeit in dem Keilglied und der Scherwellengeschwindigkeit in der Rohrwand und damit von den Materialien von Keilglied und Rohrwand abhängt. Die Anwendbarkeit dieser bekannten Meßanordnung ist daher eingeschränkt. Zur Kalibrierung der Vorrichtung muß die Scherwellengeschwindigkeit in dem Rohrwandmaterial bekannt sein.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung entsprechend den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 zu schaffen, wobei das Verfahren bzw. die Vorrichtung gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht an einschränkende Voraussetzungen, wie die Kenntnis der materialabhängigen Schallgeschwindigkeit in dem Keilglied und der Scherwellengeschwindigkeit in der Rohrwand gebunden, und die Strömungsgeschwindigkeit läßt sich, abgesehen von leicht zugänglichen geometrischen Größen, wie dem Abstand zwischen den Wandlern, allein aus gemessenen Laufzeiten bestimmen. Schallgeschwindigkeitswerte für das Fluid oder die Rohrwand brauchen nicht bekannt zu sein. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne aufwendige Anpassungsmaßnahmen bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen einsetzbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Flußgeschwindigkeit eines Fluids unter Verwendung von Ultraschallwellen erlaubt Messungen der Schallgeschwindigkeit in einem durch ein Rohr fließenden Fluid.

Durch die Erfindung wird ein Ultraschallwandler bereitgestellt, 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 von Ausführungsbeispielen und sich darauf beziehenden Zeichnungen näher erläutert, woraus sich weitere Vorteile 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 stromaufwärts 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 1A und ein Schwingungselement 1B 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 2A und einem Schwingungselement 2B 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 l₁, 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-(1) 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 stellt 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 angeordneten 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 13A in der Reihenfolge von N=0, N=2, N=4 bestimmt, und der so erhaltenen Ausbreitungszeit entsprechende Information wird einem Speicher 14 zugeführt.

Die Ausbreitungszeitdifferenz Δt_d oder Δt_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:

Δt_d = (-MD · tanR)/V_g) + ((MD/cosR)/(C + V · sinR)), (4)
oder
Δt_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:

Δt_d = 2t_d + t₂ - t₁ = t₄ - t₂, und
Δt_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, Δt_u, Δt_d, C) = (1 + aV²_g)C⁴ - (2V_pV_g + aV²_pV²_g)C² + V²_p = 0. (6)
a = (Δt_u + Δt_d)²/4M²D²

Die Berechnung der Funktion (6) wird durch einen ersten Betriebsabschnitt 13B 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 Δt_d und Δt_u. Im zweiten Betriebsabschnitt 17 wird die folgende Berechnung ausgeführt:

V = f₂(V_p, V_g, Δt_u, Δt_d, C) = (V_p - (C²/V_g)) · (Δt_u - Δt_d)/(Δt_u + Δt_d) (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 1A und das Ultraschallschwingungs­ element 1B des Ultraschallwandlers 1. Das Keilglied 1A weist einen trapezförmigen Querschnitt auf. Das Ultraschallschwingungselement 1B ist an einer schrägen Oberfläche 1a des Keilglieds 1A befestigt, und dessen andere schräge Oberfläche 1C ist eine Oberfläche, welche orthogonal zum Ausbreitungsweg verläuft, auf welchem eine Ultraschallwelle innerhalb des Keilgliedes 1A läuft, die von dem Ultraschallschwingungselement 1B abgegeben und auf einer Einfallsebene 1b reflektiert wurde. Daher wird die das Keilglied 1a durchquerende innere Reflexionswelle auf das Ultraschallschwingungselement 1B 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 1A entlang dieser Wege benötigt, so kann die Schallgeschwindigkeit C_p in dem Keilglied 1A 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 1A 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 1B ausgesandte Ultraschallwelle bis zum Erreichen des Ultraschallschwingungselements 2B 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 13B durchgeführt, der zu einer Signalverarbeitungseinheit 20 gehört.

Ein von dem Empfangsschaltkreisabschnitt 12 empfangenes Signal wird der Zeitgebereinrichtung 13 über eine Signalauswahleinrichtung 13A 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 13B, 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 30A gegeben werden.

Nunmehr wird der Gesamtbetrieb der voranstehend beschriebenen Ausführungsform geschildert.

Zunächst werden die Ultraschallwandler 1 und 2 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 dem Ultraschallwandler 1 und dem Empfangsabschnitt 12 zugeführt, und eine innere Reflexionswelle RE₁ wird ebenfalls dem Empfangsschaltkreisabschnitt 12 zugeführt. Diese Signale TR₁ und RE₁ werden der Zeitgebereinrichtung über die Signalauswahleinrichtung 13A zugeführt, in welcher die Zeitdifferenz T₀ erhalten wird. Die derart erhaltenen Zeitdaten werden dem ersten Betriebsabschnitt 13B zugeliefert. Der erste Betriebsabschnitt 13B 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 13A zugeliefert, wo die Zeitdifferenz zwischen den Wellen TR₁ und RE₁ festgestellt wird, und die hierdurch erhaltenen Zeitdaten werden dem ersten Betriebsabschnitt 13B übergeben. In dem ersten Betriebsabschnitt 13B 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 13A übergeben. Die Signalauswahleinrichtung 13A 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 Δt_d zwischen t₁ und t₂ und speichert sie in dem zweiten Speicher 16.

Nach beendeter Berechnung von Δt_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 Δt_d aus. Es wird die Differenz Δt_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 Δt_d und Δt_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 Δt_d und Δt_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 Δt_d und Δt_u erhalten. Diese Schritte können in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden. Bei der voranstehend geschilderten Ausführungsform werden die erste, zweite und dritte Steuer­ funktion des Hauptsteuerabschnitts 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 1E an der schrägen Oberfläche 1c des bei der ersten Ausführungsform verwendeten Wandlers befestigt. Eine Bezugsziffer 1K 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 1F an der abgeschrägten Oberfläche 1c 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 1R zum Empfang von Ultraschallwellen an der abgeschrägten Oberfläche 1c 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 1A einen längeren Querschnitt in Form eines länglichen Parallelogramms auf, wie in Fig. 12 dargestellt ist. In diesem Fall bezeichnet die Bezugsziffer 1c ebenfalls eine Ultraschallwellen- Reflexionsoberfläche, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer Reflexionswelle liegt, die innerhalb des Keilgliedes 1A wie im Falle der voranstehenden Beispiele reflektiert wird. Eine Bezugsziffer 1E bezeichnet ein Schallabsorptionsteil, welches an der schrägen Oberfläche 1c 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 1b 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 1F an der schrägen Oberfläche 1c 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 1R zum Empfang von Ultraschallwellen an der schrägen Oberfläche 1c 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 (6)

1. Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids durch Verwendung von Ultraschallwellen, mit den Verfahrensschritten:
Befestigen eines Paars von Ultraschallwandlern (1, 2) auf der Rohrwand eines Rohrabschnittes (3) zueinander im Abstand längs der Strömungsrichtung des Fluids in dem Rohabschnitt (3), wobei die Ultraschallwandler (1, 2) ein an die Rohrwand angrenzendes Keilglied (1A, 2A) für die Schallübertragung und ein mit dem Keilglied verbundenes Schwingungselement (1B, 2B) für die Erzeugung von Ultraschallwellen aufweisen und die Ultraschallwandler (1, 2) abwechselnd Ultraschallwellen emittieren und empfangen,
Messen von Laufzeiten zwischen der Aussendung und dem Empfang der Ultraschallwellen für verschiedene, im wesentlichen stromaufwärts und stromabwärts verlaufende Schallwellenausbreitungswege, und
Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit aus den gemessenen Laufzeitwerten auf der Basis vorbestimmter Funktionen, gekennzeichnet durch:
Ermitteln von Zeitdifferenzen Δt_d und Δt_u, von denen sich die Zeitdifferenz Δt_d auf einen Wellenlaufzeitunterschied von zwei sich im wesentlichen stromabwärts auf unterschiedlichen Schallwellenausbreitungswegen und die Zeitdifferenz Δt_u auf einen Wellenlaufzeitunterschied von zwei sich im wesentlichen stromaufwärts auf unterschiedlichen Schallwellenausbreitungswegen fortpflanzenden Ultraschallwellen bezieht, wobei jeweils die Ausbreitung einer Welle auf einem Weg durch die Rohrwand und die Ausbreitung der anderen Welle einem Weg sowohl durch die Rohrwand als auch durch das in dem Rohrabschnitt (3) fließende Fluid unter N-maliger Durchquerung des Rohrabschnittes, mit N=2, 4, 6, . . ., erfolgt, oder sich jeweils beide Wellen auf Wegen durch die Rohrwand und das Fluid mit unterschiedlichen Zahlen N ausbreiten,
Messen der Laufzeit T₀ einer von dem Schwingungselement von einem der Wandler ausgesendeten und empfangenen Ultraschallwelle, die innerhalb des mit diesem Wandler verbundenen Keilgliedes reflektiert wird, und
Messen einer weiteren Laufzeit T einer von einem der Wandler ausgesendeten und von dem anderen Wandler empfangenen, sich auf einem Weg durch die Rohrwand ausbreitenden Ultraschallwelle,
Berechnen der Phasengeschwindigkeit V_p und der Gruppengeschwindigkeit V_g der sich in der Rohrwand ausbreitenden Schallwellen, aus den im vorangehenden Verfahrensschritt ermittelten Werten T₀ und T auf der Grundlage einer vorbestimmten Funktion,
Berechnen einer Schallgeschwindigkeit C in dem Fluid durch eine vorbestimmte Funktion f₁(V_p, V_g, Δt_u, Δt_d, C)=0auf der Basis der Werte, die bei den Berechnungsverfahrensschritten erhalten wurden,
Berechnen der Geschwindigkeit, mit der das Fluid durch den Rohrabschnitt fließt, über eine weitere vorbestimmte FunktionV=f₂ (V_p, V_g, Δt_u, Δt_d, C)aus der Schallgeschwindigkeit C, die im Echtzeitbetrieb bei dem vorherigen Verfahrensschritt bestimmt wird, und den erhaltenen Werten V_p, V_g, Δt_u und Δt_d.

2. Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids mittels Ultraschallwellen,
mit einem Paar von auf der Rohrwand eines Rohrabschnittes (3) zueinander in Strömungsrichtung des Fluids im Abstand angeordneten Ultraschallwandlern (1, 2), die jeweils ein an die Rohrwand angrenzendes Keilglied (1A, 2A) für eine Schallübertragung und ein mit dem Keilglied verbundenes Schwingungselement (1B, 2B) zur Wellenerzeugung aufweisen, wobei durch die Wandler Ultraschallimpulse abwechselnd aussendbar und die ausgesendeten Ultraschallimpulse empfangbar sind,
mit einer Zeitmeßeinrichtung zur Bestimmung von Laufzeiten zwischen den Wandlern von sich im wesentlichen stromaufwärts und sich im wesentlichen stromabwärts zwischen den Wandlern ausbreitenden Ultraschallwellen, und mit einer Berechnungseinrichtung für die Berechnung der Flußgeschwindigkeit aus den ermittelten Laufzeiten auf der Basis vorbestimmter Funktionen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zeitmeßeinrichtung zur Messung von Laufzeiten von Ultraschallwellen, die sich stromaufwärts und stromabwärts jeweils auf zwei verschiedenen, durch die Rohrwand und/oder sowohl durch die Rohrwand als auch durch das Fluid unter N-maliger Durchquerung des Rohrabschnittes, mit N=2, 4, 6, . . ., führenden Ausbreitungswegen fortpflanzen, sowie zur Messung einer Laufzeit T₀ einer innerhalb des Keilgliedes zu dem Schwingungselement reflektierenden Ultraschallwelle und einer Laufzeit T einer sich von Wandler zu Wandler durch die Rohrwand fortpflanzenden Ultraschallwelle vorgesehen ist, und daß die Berechnungseinrichtung eine Zeitdifferenzberechnungseinrichtung (15) zur Berechnung der Differenzen Δt_d und Δt_u zwischen Zeitdauern, welche die zwei Wellen benötigen, um sich in derselben Richtung stromaufwärts bzw. stromabwärts von dem einen der beiden Ultraschallwandler zu dem anderen zu bewegen, eine Geschwindigkeitsberechnungseinrichtung für die Berechnung der Phasengeschwindigkeit V_p und der Gruppengeschwindigkeit V_g in der Rohrwand einer zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit verwendeten Schallwelle auf der Grundlage der gemessenen Laufzeiten T₀ und T, für die Berechnung einer Schallgeschwindigkeit C mit Hilfe einer vorbestimmten Funktion f₁ (V_p, V_g, Δt_u, Δt_d, C)=0, und für die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit V des Fluids in dem Rohrabschnitt mit Hilfe einer vorbestimmten Funktion V=f₂ (V_p, V_g, Δt_u, Δt_d, C), sowie eine Speichereinrichtung (16) zur Zwischenspeicherung gemessener und berechneter Werte umfaßt.

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

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Keilglied (1A) eine schräge Oberfläche (1a) und eine Ultraschallabstrahloberfläche (1b) aufweist und daß das Ultraschallschwingungselement (1B) an der schrägen Oberfläche (1a) befestigt ist, wobei vom Ultraschallwandler (1) orthogonal eine Ultraschallwelle in ein zu messendes Objekt einführbar ist, welches sich in Kontakt mit der Ultraschallabstrahloberfläche (1b) befindet, und daß der Ultraschallwandler eine Ultraschallwellen-Reflexionsoberfläche (1C) aufweist, welche senkrecht zur Richtung angeordnet ist, in welcher sich eine Ultraschallwellenkomponente innerhalb des Keilgliedes (1A) fortpflanzt, die von der Ultraschallabstrahloberfläche (1b) reflektiert wird.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schallabsorptionsteil (1E) an dem Keilglied (1A) auf der Außenseite der Ultraschallwellen-Reflexionsoberfläche (1C) befestigt ist.

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