DE4320295A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Durchflusses in teilgefüllten oder vollgefüllten Rohrleitungen und offenen Gerinnen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 24.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Durchflüsse berührungsfrei ohne Beein­ flussung der zu messenden Strömung mit Hilfe von lokalen Geschwindigkeitsmes­ sungen zu messen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

1. Gegenstand der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist das Meßsystem ZSLMA ("Zentrale Simulation - Lokale Messung und Auswertung") zur Bestimmung von Durchflüssen von Fluiden in teil- oder vollgefüllten Rohrleitungen und offenen Gerinnen (im folgenden als Durchfluß bei Teilfüllung abgekürzt). Das System ZSLMA ist in der Abb. 1 schematisch darge­ stellt und besteht aus

• - einem zentralen Simulationssystem ZS mit einem numerischen Modell und einem leistungsfähigen Computer,
• - lokalen Meß- und Auswertesystemen LMA mit Vorrichtungen zur Messung von Fluidspiegel bzw. Druckhöhe und Strömungsgeschwindigkeiten und zur Meß­ wertauswertung sowie
• - Datenträgern als Schnittstelle zwischen den beiden Subsystemen ZS und LMA.

Einzelheiten zur technischen Realisierung dieser Komponenten sind in Kap. 5 ange­ geben. Im folgenden wird vereinfachend anstelle des Begriffs "Fluidspiegel" als Phasengrenzfläche zwischen dem Fluid, dessen Durchfluß bestimmt werden soll, und einem wesentlich leichteren überlagernden Fluid nur noch der anschaulichere Begriff "Wasserspiegel" verwendet. Dies gilt auch dann, wenn der Durchfluß nicht für Wasser bestimmt werden soll.

2. Übersicht existierender Durchflußmeßverfahren und Positionierung der Erfindung

Zur Zeit werden sehr unterschiedliche Verfahren für die Durchflußmessung bei Teilfüllung eingesetzt. Die folgende Übersicht gliedert diese Verfahren grob nach den eingesetzten physikalischen Prinzipien und gibt die jeweiligen Vor- und Nach­ teile an.

2.1. Mechanische Verfahren mit Strömungsumlenkung

Diese Verfahren verursachen gezielt eine Umlenkung der Strömung nach Größe und/oder Richtung. Aus physikalischen Reaktionen auf diese Umlenkung (Wasserspiegeländerung, Kraftänderung, etc.) kann direkt auf den Durchfluß ge­ schlossen werden. Beispiele für diese Verfahren sind Venturi-Kanäle, Wehrüber­ fälle, Rohrkrümmer, Coriolis-Meßsysteme, Strömungsmodulation, Wirbeldurchfluß­ messer, etc. Bei einigen Verfahren werden auch gezielt mechanisch bewegliche Teile in die Strömung eingesetzt. Hierzu zählen Stauscheiben, Klappen, Meßflügel oder -schalen. Diese beweglichen Einbauten ändern ihren Strömungswiderstand oder ihre Umdrehungszahl in Abhängigkeit vom Durchfluß.

Der prinzipielle Vorteil der mechanischen Verfahren besteht darin, daß eine Mes­ sung von Strömungsgeschwindigkeiten nicht erforderlich ist. Als Meßgröße für den Durchfluß dient vielmehr ein gezielt erzeugter Strömungsverlust. Nachteilig ist hin­ gegen der Strömungsverlust selbst: Er erfordert oberstrom einen Aufstau und somit einen Wasserspiegelanstieg. Dieser kann nicht immer hingenommen werden. Enthält das Fluid Feststoffe (z. B. Verunreinigungen), so kommt es im Bereich des Aufstaus verstärkt zu unerwünschten Ablagerungen. Eine Messung mit mechanisch beweglichen Teilen ist bei Fluiden mit Feststofftransport grundsätzlich problematisch und sollte vermieden werden.

2.2. Verfahren ohne Strömungsumlenkung

Die Nachteile der mechanischen Verfahren sind für viele Anwendungen so gravie­ rend, daß Verfahren eingesetzt werden müssen, die ohne Strömungsumlenkung arbeiten. Das gemeinsame Merkmal dieser Verfahren ist, daß sie

• - keine gezielten Strömungsverluste erzeugen,
• - keine mechanisch beweglichen Teile im Bereich der Strömung verwenden und
• - eine Messung von Strömungsgeschwindigkeiten erfordern.

Eine weitere Einteilung ist möglich hinsichtlich der Position, an der die Strömungs­ geschwindigkeiten gemessen werden:

2.2.1. Flächenhafte Geschwindigkeitsmessung

Dies sind integrale Meßverfahren, die als Meßsignal direkt die flächengemittelte Strömungsgeschwindigkeit liefern. Zum Einsatz kommen hier magnetisch-induktive Meßsysteme, bei denen im Abflußquerschnitt ein genau definiertes Magnetfeld erzeugt wird. Aus der hierzu erforderlichen Meßspannung kann direkt auf die flä­ chengemittelte Strömungsgeschwindigkeit und damit den Durchfluß geschlossen werden.

Der Vorteil dieses Meßverfahrens besteht darin, daß die Durchflußmessung weitge­ hend unabhängig von der Geschwindigkeitsverteilung im Querschnitt ist. Das Meß­ verfahren erfordert daher auch nur kurze Vor- und Nachlaufstrecken. Die erzielbare Genauigkeit dieses Durchflußmeßverfahrens ist hoch. Voraussetzung ist eine Min­ destleitfähigkeit des Fluids, die beispielsweise bei Benzin oder Erdöl nicht gegeben ist. Nachteilig ist der hohe meßtechnische Aufwand des Verfahrens. Die Erzeugung des Magnetfeldes ist technisch aufwendig und damit teuer. Außerdem ist die mag­ netisch-induktive Messung stark profilabhängig. Für jede Profilart und jede Profil­ größe ist die Konstruktion und der Bau von eigenen Meßrohren oder Gerinnen not­ wendig. Bei großen Profilen, insbesondere bei offenen Gerinnen, nimmt der techni­ sche Aufwand für die Erzeugung des Magnetfeldes und den Einbau des Meßsy­ stems sehr stark zu.

2.2.2. Linienhafte oder punktförmige Geschwindigkeitsmessung

Bei diesen Durchflußmeßverfahren wird die Strömungsgeschwindigkeit entweder als Mittel entlang einer Meßstrecke innerhalb des Abflußquerschnitts oder an einem "Punkt" (kleines Kontrollvolumen) gemessen. Aus dieser linien- oder punktförmigen Geschwindigkeitsmessung wird auf die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Quer­ schnitt geschlossen. Somit erfordern diese Meßverfahren im Gegensatz zu den bis­ her genannten prinzipiell ein geeignetes Auswerteverfahren und die Annahme einer bestimmten Geschwindigkeitsverteilung im Querschnitt. Hierbei wird ein annähernd stationär gleichförmiger Abfluß vorausgesetzt. Dieser ist in Bereichen des Rohres bzw. des Gerinnes vorhanden, in denen sich die Geschwindigkeitsverteilung in Fließrichtung nur geringfügig ändert. Insbesondere unmittelbar oberstrom der Meßstelle müssen Störungen der Abflußverhältnisse (beispielsweise Krümmer, Abstürze, seitliche Einleitungen, etc.) vermieden werden.

Nachteilig an diesem Verfahren sind somit die größeren geradlinigen Vor- und Nach­ laufstrecken, die vor und hinter der Meßstelle erforderlich sind. Großen Einfluß auf die Genauigkeit dieser Durchflußmeßverfahren hat die Genauigkeit, mit der der sta­ tionär gleichförmige Abfluß bekannt ist. Der Vorteil des Meßverfahrens besteht darin, daß der meßtechnische Aufwand einer linien- und vor allem einer punktförmi­ gen Geschwindigkeitsmessung geringer ist als der einer flächenhaften Geschwin­ digkeitsmessung. Außerdem nimmt besonders bei der punktförmigen Messung der meßtechnische Aufwand mit der Profilgröße kaum zu und das Meßverfahren ist leichter auf unterschiedliche Profile und Profilgrößen übertragbar.

Die Durchflußmeßverfahren mit linien- und punktförmiger Geschwindigkeitsmessung wurden bisher bei vollgefüllten Rohrleitungen erfolgreich eingesetzt. Bei teilgefüllten Rohrleitungen und Gerinnen konnten bisher vor allem bei punktförmiger Geschwin­ digkeitsmessung keine vergleichbaren Genauigkeiten erzielt werden. Die Erfindung beinhaltet dagegen ein Durchflußmeßverfahren, bei dem auch bei Teilfüllung und punkt- oder linienförmiger Geschwindigkeitsmessung hohe Genauigkeiten der Durchflußmessung erreicht werden.

3. Unterschiede des Systems ZSLMA zu existierenden Durchflußmeßver­ fahren mit linienhafter oder punktförmiger Geschwindigkeitsmessung

Wie in Kap. 2.2.2 erläutert, setzen Durchflußmeßverfahren mit linien- oder punkt­ förmiger Geschwindigkeitsmessung die Kenntnis der stationär gleichförmigen Geschwindigkeitsverteilung voraus (vergl. Abb. 2). Eine ausreichend genaue Kenntnis ist bei den bisherigen Verfahren i.d.R. nur bei Vollfüllung, meist sogar nur bei vollgefüllten Kreisprofilen gegeben. Speziell bei Kreisprofilen unter Vollfüllung ist es möglich, die Meßstrecke für die linienförmige Geschwindigkeitsmessung so zu legen, daß der Meßwert unabhängig vom Durchfluß näherungsweise der über den Rohrquerschnitt gemittelten Strömungsgeschwindigkeit entspricht. Bisherige Ver­ fahren nutzen derartige Effekte aus und verwenden ausgewählte Linien als Meß­ strecken. In diesem speziellen Fall ist ein weiteres Auswerteverfahren entbehrlich. Die bisher eingesetzten Verfahren zeichnen sich daher durch folgende Eigenschaf­ ten aus:

• - Es werden bevorzugt linienförmige Geschwindigkeitsmessungen eingesetzt.
• - Der Ort der Geschwindigkeitsmessung ist genau definiert und liegt vor der Mes­ sung fest.
• - Es wird nur eine minimale Meßwertauswertung vorgenommen.
• - Eine Übertragung dieses Meßprinzips auf teilgefüllte Rohre und Gerinne ist kaum möglich, da die Lage der Meßstrecke, entlang der die mittlere Liniengeschwindig­ keit der mittleren Querschnittsgeschwindigkeit entspricht, nicht mehr konstant ist, sondern sich mit dem Wasserspiegel ändert.

Diese Eigenschaften werden durch das Durchflußmeßsystem ZSLMA grundlegend wie folgt geändert:

• - Es werden lokale Geschwindigkeiten entweder an einem Punkt oder entlang einer Linie gemessen.
• - Der Ort der Geschwindigkeitsmessung muß nicht vordefiniert sondern kann va­ riabel sein. Er braucht vor der Messung nicht bekannt zu sein.
• - Der Ort der Geschwindigkeitsmessung kann zufälligen Schwankungen unterlie­ gen und ist in diesem Fall selbst ein zusätzlicher Meßwert.
• - Die Zuordnung des örtlichen Meßwertes zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit erfolgt durch numerische Simulation.
• - Die numerische Simulation, der Einsatz eines Computers und die digitale Spei­ cherung von berechneten Geschwindigkeitsverteilungen auf einem Datenträger sind zusätzliche Komponenten des Durchflußmeßverfahrens ZSLMA.
• - Die freie Wahl des Meßortes ermöglicht eine einfache Übertragung des Meßver­ fahrens auf teilgefüllte Rohre und Gerinne.
• - Das ZSLMA-Verfahren ist weitgehend querschnittsunabhängig.

Die bisher verwendeten Verfahren haben i.d.R. die linienförmigen Messungen be­ vorzugt, bei denen bei spezieller Anordnung der Meßlinien innerhalb des Quer­ schnitts auf eine Meßwertauswertung verzichtet werden kann. Ohne den Einsatz ei­ ner Meßwertauswertung konnten bei linienförmigen Geschwindigkeitsmessungen höhere Genauigkeiten der Durchflußmessung erzielt werden als bei punktförmigen Geschwindigkeitsmessungen. Eine Messung der mittleren Geschwindigkeit entlang einer Meßlinie erfordert jedoch die Installation eines Senders und eines Empfängers. Diese müssen bei teilgefüllten Rohren und Gerinnen auf verschiedenen Seiten des Querschnitts angeordnet werden, da die Meßstrecke den Wasserspiegel nicht schneiden darf. Besonders bei breiten Gerinnen ist die Meßstrecke dann annähernd parallel zum Wasserspiegel. Bei stark schwankenden Wasserspiegeln ergibt sich hieraus sofort das nächste meßtechnische Problem: Liegt die Meßstrecke zu hoch, so fällt sie bei geringen Wasserständen trocken und wird somit unbrauchbar. Liegt sie jedoch zu tief, so ergeben sich bei hohen Wasserständen große Abweichungen zwischen der mittleren Strömungsgeschwindigkeit entlang dieser Meßstrecke und der mittleren Querschnittsgeschwindigkeit. Diese Geschwindigkeitsdifferenzen führen zu größeren Fehlern bei der Durchflußbestimmung, wenn sie nicht durch ein Auswerteverfahren korrigiert werden. Alternativ wird nicht nur mit einer, sondern mit mehreren Meßstrecken in verschiedenen Höhen gearbeitet. Dies bedeutet jedoch eine weitere Erhöhung des meßtechnischen Aufwands und somit eine Verteuerung des Meßverfahrens.

Beim ZSLMA-Meßverfahren mit punktförmiger Geschwindigkeitsmessung können dagegen Sende- und Empfangssensor in einem Gehäuse integriert werden, das Meßverfahren arbeitet nicht in Transmission sondern rückstreuend. Bei Gerinnen und Rohren brauchen die Sensoren nicht seitlich angeordnet zu werden, sondern können an der Sohle installiert werden. Der Meßstrahl verläuft nicht annähernd parallel, sondern etwa senkrecht zum Wasserspiegel. Damit wird auch bei Teilfül­ lung mit nur einem Meßsensor der gesamte Bereich der Wasserspiegelschwankun­ gen erfaßt. Der meßtechnische Aufwand einer Punktmessung von der Gerinnesohle aus ist also geringer als der von linienförmigen Messungen. Beim ZSLMA-Verfahren führt diese vereinfachte Meßvorrichtung im Gegensatz zu anderen Verfahren jedoch nicht zu einer verringerten Genauigkeit der Durchflußmessung, da aufgrund des auf­ wendigen Auswerteverfahrens mit hoher Genauigkeit von der punktförmigen Ge­ schwindigkeitsmessung auf die mittlere Querschnittsgeschwindigkeit geschlossen werden kann.

Die punktförmige Messung ist allerdings nicht Voraussetzung des ZSLMA-Verfah­ rens. Vielmehr können alternativ oder in Kombination auch linienförmige Geschwin­ digkeitsmessungen entlang definierter Meßstrecken durchgeführt werden. Zu die­ sem Zweck werden in Transmission arbeitende Sender und Empfänger an gegen­ überliegenden Seiten des Querschnitts installiert. Ähnlich wie bei punktuellen Ge­ schwindigkeitsmessungen wird auch von liniengemittelten Geschwindigkeitsmes­ sungen mit hoher Genauigkeit auf die mittlere Querschnittsgeschwindigkeit ge­ schlossen.

4. Grundlagen der Erfindung

Wie in Kap. 3 dargestellt, läßt sich die Genauigkeit der Durchflußmessung bei Teil­ füllung bei reduziertem meßtechnischen Aufwand steigern, wenn die Meßwerter­ fassung ergänzt wird durch ein leistungsfähiges Auswertesystem. Das Auswerte­ system hat dabei die Aufgabe, für einen Meßpunkt oder eine Meßstrecke P das Ver­ hältnis von lokaler und durch Messung bestimmbarer Geschwindigkeit v_p zur mittle­ ren Querschnittsgeschwindigkeit v_m zu bestimmen. Mit Hilfe der im Durchflußmeß­ system ZSLMA integrierten Simulations- und Auswertesysteme (vergl. Abb. 1) kann dieses Verhältnis für beliebige Wasserspiegel und Profile mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Folgende Grundlagen werden dabei ausgenutzt.

4.1. Das numerische Modell

Es ist möglich, stationär gleichförmige turbulente Geschwindigkeitsverteilungen für beliebige Profile bei Teilfüllung (vergl. Abb. 2) für vorgegebene Wasserspiegellagen und Längsgefälle mit hoher Genauigkeit numerisch zu berechnen. Die Simulation basiert auf einer feinen netzartigen Diskretisierung des Abflußquerschnitts mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode oder eines Differenzenverfahrens. Auf der Grundlage dieses numerischen Netzes wird die Geschwindigkeitsverteilung so berechnet, daß die Bilanzen für Kontinuität und Impuls in allen drei Koordinatenrichtungen mit hoher Genauigkeit erfüllt sind. Die hierzu benötigte Verteilung der turbulenten Viskosität wird ebenfalls numerisch mit Hilfe eines geeigneten Turbulenzmodells bestimmt. Bei der Simulation müssen insbesondere die Sekundärströmungen beachtet werden.

4.2. Die Genauigkeit der Durchflußmessung

Das numerische Modell zeichnet sich dadurch aus, daß die Genauigkeit der Simula­ tion durch eine Verfeinerung des numerischen Netzes und damit des Rechenauf­ wands gesteigert werden kann. Bei einer hinreichenden Netzverfeinerung wird die Genauigkeit der Durchflußmessung auch bei Teilfüllung bestimmt durch die Ge­ nauigkeiten, mit denen Wasserspiegel und lokale Geschwindigkeiten gemessen werden können.

4.3. Die Messung des Wasserspiegels

Zur Messung des Wasserspiegels y_w (vergl. Abb. 3) werden mindestens ein, im Re­ gelfall jedoch zwei Sensoren SW verwendet. Bei symmetrischen Profilen (Kreis, Ei, Trapez . . . ) sollten auch die Sensoren symmetrisch angeordnet werden. Die Senso­ ren SW sind dadurch gekennzeichnet, daß sie

• - keine Störung der Strömung hervorrufen,
• - eine hohe Meßgenauigkeit aufweisen,
• - eine Meßwerterfassung in sehr kurzer Zeit erlauben (mehrere Meßwerte pro Se­ kunde) und
• - den gesamten Wertebereich zwischen minimaler und maximaler Wasserspiegel­ lage erfassen können.

4.4. Die Messung der lokalen Geschwindigkeiten

Zur Messung der lokalen Geschwindigkeiten werden mindestens ein, im Regelfall je­ doch zwei, bei erhöhten Genauigkeitsanforderungen auch mehr Sensoren SV ver­ wendet. Bei symmetrischen Profilen sollten auch diese Sensoren symmetrisch ange­ ordnet werden. Die Sensoren SV sind dadurch gekennzeichnet, daß sie

• - keine Störung der Strömung hervorrufen,
• - die Geschwindigkeit v_p entweder in einem sehr kleinen Kontrollvolumen (Punktmessung am Punkt P) oder als Linienmittel entlang einer definierten Meß­ strecke (Linienmessung entlang der Linie P) messen,
• - bei punktförmiger Messung zusätzlich zur lokalen Geschwindigkeit v_p am Punkt P bei jeder Messung die Querschnittskoordinaten x_p, y_p des Meßpunktes P (vergl. Abb. 3) messen, sofern nicht das spezielle Verfahren gemäß Kap. 4.5 angewendet wird,
• - bei Punktmessungen bei jeder Messung den Ort der Messung variieren können,
• - eine hohe Meßgenauigkeit aufweisen,
• - eine Meßwerterfassung in sehr kurzer Zeit erlauben (mehrere Meßwerte pro Se­ kunde) und
• - Geschwindigkeiten im gesamten Wertebereich zwischen minimaler und maxima­ ler Wasserspiegellage messen können.

4.5 Sonderverfahren punktueller Geschwindigkeitsmessung mit Messung der Maximalgeschwindigkeit

Bei diesem Sonderverfahren ist eine Messung der Querschnittskoordinaten x_p, y_p des Meßpunktes P der lokalen Geschwindigkeitsmessung nicht erforderlich. Die übrigen Anforderungen gemäß Kap. 4.4 gelten jedoch auch bei diesem Verfahren. Zusätzlich ist bei diesem Sonderverfahren zu fordern, daß die Geschwindigkeitssen­ soren so installiert werden, daß mit ihnen für alle Variationen des Wasserspiegels Geschwindigkeiten in Bereichen des Profils gemessen werden können, in denen die maximale Profilgeschwindigkeit nur sehr geringfügig unterschritten wird. Mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation werden diese Bereiche vor der Installation der Sensoren bestimmt.

Mit Hilfe der Geschwindigkeitssensoren werden sehr viele lokale Geschwindigkeiten gemessen. Von den erhaltenen Signalen wird nur der größte Meßwert verwendet. Dieser entspricht mit hoher Genauigkeit der maximalen Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Querschnitts und wird daher mit v_max bezeichnet. Mit Hilfe des Durch­ flußmeßverfahrens ZSLMA wird durch numerische Strömungssimulation für diese Maximalgeschwindigkeit die mittlere Querschnittsgeschwindigkeit v_m bestimmt.

5. Die technische Ausführung des Durchflußmeßsystem ZSLMA

Das Durchflußmeßsystem ZSLMA (vergl. Abb. 1) besteht aus einem zentralen Simu­ lationssystem ZS und lokalen Meß- und Auswertesystemen LMA. Die Schnittstelle zwischen beiden Subsystemen bilden Datenträger, die vom ZS beschrieben und vom LMA gelesen werden können. Das zentrale Simulationssystem ZS existiert nur einmal und kann örtlich vollkommen getrennt von den lokalen Meß- und Auswerte­ systemen LMA installiert werden. Die LMA werden dagegen an jeder Meßstelle vor Ort eingebaut und existieren daher mehrfach. Im folgenden werden die einzelnen Komponenten des Systems erläutert.

5.1. Das zentrale Simulationssystem ZS

Das ZS ist das Kernstück des Durchflußmeßsystems. Es besteht aus einem äußerst aufwendigen numerischen Modell und einem sehr leistungsfähigen Computer. Es werden stationär gleichförmige Geschwindigkeitsverteilungen simuliert, die durch die folgenden vier Merkmale definiert sind:

1. Profiltyp

Durch den Profiltyp wird die Art der geometrischen Form charakterisiert. Mögliche Profiltypen sind beispielsweise Kreis, Rechteck, Trapez, Ei oder Maul. Es ist auch möglich, ein Profil lediglich durch seinen polygonartigen Umfang zu definieren. Eine solche Anwendung kann beispielsweise für natürliche Flußläufe oder Kanäle interes­ sant sein. Bei hydraulisch rauhen Profilen kann es notwendig sein, für unterschiedli­ che Rauheiten auch unterschiedliche Profiltypen zu definieren.

2. Profilgröße

Für jeden Profiltyp werden die geometrischen Abmessungen variiert. So wird zum Beispiel beim Kreis der Durchmesser oder beim Rechteck die Sohlbreite verändert.

3. Wasserspiegel y_w

Die Geschwindigkeitsverteilungen werden für jeden Profiltyp und die verschiedenen Profilgrößen für unterschiedliche Wasserspiegel y_w berechnet.

4. Längsgefälle I

Das Gefälle der Rohrleitung bzw. des Gerinnes in Fließrichtung ist maßgebend für die Fluidbeschleunigung und damit die Größe der Geschwindigkeiten im Quer­ schnitt. Daher wird auch das Längsgefälle variiert.

Für die sehr große Zahl möglicher Kombinationen der vier genannten Merkmale wer­ den die Geschwindigkeitsverteilungen mit Hilfe des numerischen Strömungs- und Turbulenzmodells je einmal simuliert. Anschließend sind sie flächendeckend an jedem Punkt eines Querschnitts bekannt und werden gemeinsam mit dem daraus bestimmbaren Durchfluß und den vier Merkmalen auf Datenträgern gespeichert. Dabei kann für jeden Profiltyp oder sogar für jeden Profiltyp und jede Profilgröße ein eigener Datenträger beschrieben werden. Der Inhalt der Datenträger ist in diesem Fall profilabhängig. Als Datenträger kann beispielsweise ein Magnetband, eine Diskette oder eine Compakt-Disk verwendet werden.

Aufgrund des aufwendigen Simulationssystems, das einen sehr leistungsfähigen Computer erfordert, ergeben sich folgende Vorteile:

• - Der meßtechnische Aufwand in den lokalen Meß- und Auswertesystemen LMA kann erheblich reduziert werden und
• - die LMA sind im Gegensatz zu den Datenträgern weitgehend profilunabhängig.

5.2. Die lokale Meßwerterfassung des Systems LMA

Das lokale Meß- und Auswertesystem LMA (vergl. Abb. 1) besteht aus

• - Sensoren SV zu Messung lokaler Geschwindigkeiten,
• - Sensoren SW zur Messung des Wasserspiegels (bzw. der Druckhöhe bei Vollfül­ lung) und
• - einem Mikroprozessor, der die Meßsignale der Sensoren SV und SW unter Aus­ nutzung der auf dem Datenträger gespeicherten Geschwindigkeitsverteilungen in das gesuchte Meßsignal Durchfluß Q umformt.

Die Abb. 3 zeigt am Beispiel eines Kreisprofils eine mögliche Sensoranordnung für punktuelle Geschwindigkeitsmessungen, die den Anforderungen des Kap. 4 gerecht wird. Je ein Sensor SV und ein Sensor SW wird in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dieser Kombisensor kann einschraubbar ausgeführt werden und erfordert in diesem Fall bauseits nur eine geeignete Profilbohrung. Die beiden Kombisensoren werden in symmetrischer Anordnung an der Profilsohle installiert. Dabei ist darauf zu achten, daß die Sensoren einerseits möglichst tief eingebaut werden sollten, um auch bei geringen Wasserständen noch Durchflußmessungen durchführen zu können. Andererseits sollten sie so hoch angeordnet sein, daß sie nicht verschlammen können.

5.2.1. Sensoren SV zur Messung der lokalen Geschwindigkeiten

Die lokalen Geschwindigkeiten können vorteilhaft mit Ultraschallsensoren gemessen werden. Bei punktförmiger Geschwindigkeitsmessung werden Sensoren verwendet, die nach dem Impuls-Doppler-Verfahren arbeiten. Dieses Verfahren setzt die Mit­ führung kleinster schallstreuender Teilchen im Fluid voraus. Diese Voraussetzung ist in der Regel erfüllt. Die Sensoren SV arbeiten in Rückstreuung, d. h. Sende- und Empfangsschwinger können im selben Gehäuse angeordnet werden. Der Sende­ schwinger sendet Ultraschallstrahlen aus, die von den Streuteilchen empfangen und an den Empfangsschwinger der Sonde zurückgestreut werden. Der dabei meßbare Frequenzunterschied (Doppler-Frequenz) zwischen Sende- und Empfangsfrequenz ist ein Maß für die lokale Geschwindigkeit v_p. Beim Verfahren gemäß Kap. 4.4 ist zusätzlich die Messung des Ortes P der Geschwindigkeitsmessung erforderlich. Dazu werden beim Impuls-Doppler-Verfahren die Impulslaufzeiten vom Sensor zum Streuteilchen und zurück gemessen, die ein Maß für den Abstand des Streuteilchens vom Sensor sind. Bei bekannter Richtung des Ultraschallstrahls wird daraus die Lage des Meßpunktes P(x_p, y_p) bestimmt (vergl. Abb. 3).

Da die vom Sendeschwinger gesendeten Ultraschallimpulse auf ihrem Weg in Rich­ tung Wasserspiegel in der Regel auf sehr viele schallstreuende Teilchen treffen, die diesen Strahl teilweise rückstreuen, treffen am Empfangsschwinger auch wieder mehrere Ultraschallsignale ein. Da diese Signale jedoch zeitversetzt empfangen werden, können jedem dieser Signale eine lokale Strömungsgeschwindigkeit v_p und auch ein Abstand des Meßpunktes P vom Ultraschallsensor und damit die Quer­ schnittskoordinaten x_p, y_p des Punktes P zugeordnet werden. Mit der Aussendung nur eines Ultraschallimpulses können daher an vielen Positionen P auf dem Strahl die lokalen Geschwindigkeiten gemessen und unterschieden werden.

Dennoch ist das Impuls-Doppler-Verfahren prinzipiell ein Verfahren zur punktförmi­ gen Geschwindigkeitsmessung, denn aus einer Impulsauswertung erhält man viele diskrete Meßwerttripel x_p, y,_p v_p entlang einer Linie und nicht nur eine mittlere Ge­ schwindigkeit entlang dieser Linie, wie das bei linienförmigen Geschwindigkeits­ messungen der Fall ist. Da die gesamte Impulsauswertung mit Schallgeschwindig­ keit erfolgt ist es möglich, die Impuls-Doppler-Messung in kürzester Zeit sehr häufig zu wiederholen. Als Ergebnis erhält man ein gemessenes Geschwindigkeitsprofil entlang des Ultraschallstrahls zwischen Sensor SV und Wasserspiegel in hoher örtlicher Auflösung.

Bei den bisher eingesetzten punkt- und linienförmigen Meßverfahren konnten die umfangreichen Meßdaten, die das Impuls-Doppler-Verfahren innerhalb sehr kurzer Zeit liefern kann, jedoch nur zu einem geringen Bruchteil genutzt werden, da eine ausreichend genaue Zuordnung von lokaler Geschwindigkeit v_p an einem beliebigen Punkt des Querschnitts zur mittleren Geschwindigkeit v_m bei Teilfüllung nicht möglich war. Für das Durchflußmeßverfahren ZSLMA ist dieser Sensor dagegen ideal, da aufgrund der simulierten Geschwindigkeitsverteilungen die vielen Meßda­ ten in vollem Umfang genutzt werden können und bei gleichem Meßaufwand eine wesentlich genauere Bestimmung des Durchflusses ermöglichen.

Eine alternative Möglichkeit zur Ultraschallmessung bietet das Laser-Doppler-Ane­ mometer (LDA) in Rückstreuung. Auch mit Hilfe dieses optischen Verfahrens können die Voraussetzungen des Kap. 4 erfüllt werden. Besonders vorteilhaft sind bei die­ sem Verfahren die sehr hohe Meßgenauigkeit, eine hohe räumliche Auflösung und die Meßwerterfassung in sehr kurzer Zeit. Das LDA-Verfahren erfordert Beimengun­ gen lichtstreuender Teilchen im Fluid und setzt eine optische Transparenz des Fluids voraus. Nachteile sind zur Zeit noch ein hoher Preis für Anschaffung und Betrieb dieses Meßsystems.

Bei linienförmigen Geschwindigkeitsmessungen wird der Mittelwert der Geschwin­ digkeit entlang einer definierten Meßstrecke gemessen. Auch hierzu werden vorteil­ haft Ultraschallsensoren eingesetzt, die jedoch nach dem Laufzeit-Verfahren arbei­ ten und als Sende- und Empfangssensoren an den gegenüberliegenden Enden der Meßstrecke installiert werden.

5.2.2. Sensoren SW zur Messung des Wasserspiegels bzw. der Druckhöhe

Als Sensoren SW zur Messung des Wasserspiegels oder der Druckhöhe können so­ wohl bei Teil- als auch bei Vollfüllung Druckmeßdosen eingesetzt werden, die nach einem piezoresistiven, einem kapazitiven oder einem induktiven Verfahren arbeiten. Druckmeßdosen sind technisch ausgereifte Sensoren, die sich in vielfältigem Praxis­ einsatz als genaue, schnelle und robuste Meßwertaufnehmer bewährt haben und keine Störung der Strömung verursachen.

Für offene Gerinne oder ausschließlich teilgefüllte Rohre kann die Messung des Wasserspiegels alternativ auch mit Hilfe von Ultraschallsensoren erfolgen. Prinzi­ piell ist hierbei eine Montage des Sensors oberhalb des maximal möglichen Was­ serspiegels oder an der Profilsohle möglich.

Die Abb. 4 zeigt beispielhaft eine Sensoranordnung für ein Trapezgerinne, bei wel­ cher der Wasserspiegel mit Hilfe von Ultraschallsensoren SW gemessen wird. Die Sensoren SW werden an einer Meßbrücke trocken montiert und messen den Was­ serspiegel von oben. Somit arbeiten diese Sensoren berührungslos und können nicht durch die Fluidströmung beschädigt werden. Die lokalen Geschwindigkeiten werden von getrennten Geschwindigkeitssensoren SV gemessen, die wie bei der Abb. 3 an der Gerinnesohle installiert werden. Diese Anordnung der Ultraschallsen­ soren bietet sich vor allem dann an, wenn keine eigenständige Meßbrücke errichtet werden muß, sondern wenn bauseits Anlagenteile ohnehin vorhanden sind, an denen die Sensoren SW befestigt werden können.

Eine Wasserspiegelmessung mit Hilfe von Ultraschall kann besonders einfach durchgeführt werden, wenn, wie in Kap. 5.2.1 empfohlen, die lokalen Geschwindig­ keiten v_p mit Hilfe des Impuls-Doppler-Verfahrens gemessen werden. Werden die Geschwindigkeitssensoren SV an der Profilsohle installiert und deren Ultraschall­ strahlen annähernd senkrecht zum Wasserspiegel gerichtet, so kann auf einen eigenständigen Sensor SW zur Messung des Wasserspiegels vollständig verzichtet werden. Vielmehr wird der Wasserspiegel bei der Messung der lokalen Geschwin­ digkeiten beim Impuls-Doppler-Verfahren "nebenbei" mitgemessen. Dies ist ein weiterer Vorteil des Durchflußmeßsystems ZSLMA, das erst eine wirkungsvolle Auswertung der Meßsignale des Impuls-Doppler-Verfahrens zur Bestimmung des Durchflusses ermöglicht (vergl. Kap. 5.3).

Wie in Kap. 5.2.1. erläutert wird, basiert die Geschwindigkeitsmessung des Impuls- Doppler-Verfahrens auf der Rückstreuung von Ultraschallimpulsen an schallstreuen­ den Teilchen, die in der Fluidströmung enthalten sein müssen. Eine solche Rück­ streuung erfolgt jedoch auch in extremer Weise am freien Wasserspiegel aufgrund des großen Dichteunterschiedes der Fluide an der Phasengrenzfläche. Der Wasser­ spiegel bewirkt daher eine besonders deutliche Rückstreuung der Ultraschallwellen. Die Entfernung des Wasserspiegels vom Geschwindigkeitssensor SV und damit die Höhe des Wasserspiegels ergibt sich aus den gemessenen Impulslaufzeiten vom Sensor SV zum Wasserspiegel und wieder zurück.

5.3. Die lokale Meßwertauswertung des Systems LMA

Mit Hilfe der lokalen Meßwertauswertung des Systems LMA wird aus den Meßsigna­ len der Sensoren SV und SW (vergl. Kap. 5.2) der Durchfluß Q gebildet. Zu diesem Zweck werden die vom System ZS beschriebenen Datenträger und ein Mikroprozes­ sor eingesetzt (vergl. Abb. 1). Die Auswertung erfolgt je nach der Art der verwendeten lokalen Geschwindigkeitsmessung gemäß einem der folgenden Verfahren oder einer Kombination hiervon:

5.3.1. punktuelle Geschwindigkeitsmessung mit Ortsmessung x_p, y_p

1. Jedem Sensor SV wird mindestens ein Sensor SW derart zugeordnet, daß bei je­ der punktförmigen lokalen Geschwindigkeitsmessung am Meßpunkt P die vier Meßwerte y_p, x_p, y_p und v_p für die weitere Meßwertumformung zur Verfügung stehen.

2. Die Durchflußmeßstelle und damit auch das LMA ist durch einen bestimmten Profiltyp und eine Profilgröße definiert. Zusammen mit dem gemessenen Was­ serspiegel (bzw. der Druckhöhe bei Vollfüllung) y_w sind somit drei der vier in Kap. 5.1 erläuterten Merkmale der Geschwindigkeitsverteilung bekannt. Das vierte Merkmal ist das Längsgefälle I. Dieses kann jedoch mit vertretbarem Aufwand und ausreichender Genauigkeit nicht gemessen werden. Es wird daher ersetzt durch die wesentlich einfacher und genauer meßbare lokale Geschwindigkeit v_p am Meßpunkt P. Aus den auf dem Datenträger gespeicherten Geschwindigkeits­ verteilungen wird daher mit Hilfe des Mikroprozessors diejenige ausgewählt, wel­ che die drei ersten Merkmale erfüllt und deren Geschwindigkeit am Meßpunkt x_p, y_p mit dem Meßwert v_p übereinstimmt. Der dieser Geschwindigkeitsverteilung zugeordnete und ebenfalls auf dem Datenträger gespeicherte Durchfluß Q kann somit der lokalen Geschwindigkeitsmessung am Meßpunkt P zugeordnet werden und wird mit Q_p bezeichnet. Der hier etwas verkürzt dargestellte Suchalgorithmus kann durch einen geeigneten Interpolationsalgorithmus verfeinert werden. Die Bestimmung von Q_p erfordert nur eine geringe Rechenleistung des Mi­ kroprozessors und kann in sehr kurzer Zeit durchgeführt werden.

3. Jeder punktförmigen lokalen Geschwindigkeitsmessung am Meßpunkt P wird mit Hilfe des Datenträgers und des Mikroprozessors in der dargestellten Weise ein Durchfluß Q_p zugeordnet. Diese Meßwertumformung wird für jeden Meßpunkt P und jeden Geschwindigkeitssensor wiederholt. Der gesuchte Durchfluß Q ergibt sich letztlich als Mittelwert der Einzeldurchflüsse Q_p wobei eine geeignete Wichtung der Einzeldurchflüsse berücksichtigt werden kann. Da sich durch Erhö­ hung der Meßpunktanzahl die Genauigkeit der Durchflußmessung steigern läßt, sollten beim Verfahren ZSLMA möglichst schnelle Sensoren SV eingesetzt wer­ den. Diese Voraussetzung ist bei akustischen oder optischen Sensoren erfüllt.

5.3.2. punktuelle Geschwindigkeitsmessung mit Messung der Maximalgeschwindigkeit gemäß Sonderverfahren nach Kap. 4.5

1. Die Meßsignale der Sensoren SW werden gemittelt und ergeben den mittleren gemessenen Wasserspiegel y_w (bzw. die Druckhöhe bei Vollfüllung). y_w und die gemessene Maximalgeschwindigkeit v_max bilden bei diesem Sonderverfahren die Grundlage für die Bestimmung des Durchflusses Q.

2. Analog zu Kap. 5.3.1 wird aus den auf dem Datenträger gespeicherten Ge­ schwindigkeitsverteilungen mit Hilfe des Mikroprozessors diejenige ausgewählt, welche in Bezug auf Profiltyp und Profilgröße der aktuellen Durchflußmeßstelle entspricht und deren Wasserspiegel (bzw. Druckhöhe bei Vollfüllung) y_w und Maximalgeschwindigkeit v_max mit den Meßwerten am besten übereinstimmt. Der dieser Geschwindigkeitsverteilung zugeordnete und ebenfalls auf dem Daten­ träger gespeicherte Durchfluß Q ist gleichzeitig der gesuchte Durchfluß. Bei die­ sem Sonderverfahren wird daher gegenüber dem Verfahren gemäß Kap. 5.3.1 die mehrfache Messung des Ortes der Geschwindigkeitsmessung durch die cha­ rakteristische Eigenschaft des Geschwindigkeitsmaximums ersetzt, die in analo­ ger Weise eine eindeutige Identifizierung des maßgeblichen Geschwindigkeits­ profils der numerischen Simulation ermöglicht.

5.3.3. linienförmige Geschwindigkeitsmessung

1. Erfolgt die lokale Geschwindigkeitsmessung entlang einer oder mehrerer Meß­ strecken, so liegt im Gegensatz zum Verfahren gemäß 5.3.1 der Ort der Messung durch die Positionen der Sensoren fest und braucht daher nicht mehr gemessen zu werden. Jedem Sensor SV wird mindestens ein Sensor SW derart zugeordnet, daß bei jeder linienförmigen lokalen Geschwindigkeitsmessung entlang der Meßstrecke P die beiden Meßwerte y_w und v_p für die weitere Meßwertumformung zur Verfügung stehen.

2. Analog zu den Kap. 5.3.1 und 5.3.2 wird aus den auf dem Datenträger gespei­ cherten Geschwindigkeitsverteilungen mit Hilfe des Mikroprozessors diejenige ausgewählt, welche in Bezug auf Profiltyp und Profilgröße der aktuellen Durch­ flußmeßstelle entspricht und deren Wasserspiegel (bzw. Druckhöhe bei Vollfül­ lung) und mittlere Liniengeschwindigkeit entlang derselben Meßstrecke P mit den Meßwerten am besten übereinstimmt. Der dieser Geschwindigkeitsverteilung zugeordnete und ebenfalls auf dem Datenträger gespeicherte Durchfluß Q kann somit der lokalen Geschwindigkeitsmessung entlang der Meßstrecke P zuge­ ordnet werden und wird mit Q_p bezeichnet.

3. Jeder linienförmigen lokalen Geschwindigkeitsmessung entlang der Meßstrecke P wird mit Hilfe des Datenträgers und des Mikroprozessors in der dargestellten Weise ein Durchfluß Q_p zugeordnet. Diese Meßwertumformung wird für jede lo­ kale Messung und jede Meßstrecke wiederholt. Der gesuchte Durchfluß Q ergibt sich analog zu Kap. 5.3.1 als Mittelwert der Einzeldurchflüsse Q_p, wobei eine geeignete Wichtung der Einzeldurchflüsse berücksichtigt werden kann.

6. Wesentliche Merkmale und bevorzugte Anwendungsmöglichkeiten des Durchflußmeßsystems ZSLMA

Abschließend werden kurz die wesentlichen Merkmale der Erfindung wiederholt und bevorzugte Anwendungsmöglichkeiten genannt. Das Durchflußmeßsystem ZSLMA verwendet Verfahren der numerischen Strömungsmechanik zur Simulation von Fluidströmungen und Vorrichtungen zur Messung von Wasserspiegeln (bzw. Druckhöhen) und lokalen Geschwindigkeiten. Diese Verfahren und Vorrichtungen sind isoliert betrachtet und für den genannten Anwendungszweck bekannt. Das ZSLMA kombiniert sie jedoch in der dargestellten Weise zum Zweck der Durchfluß­ bestimmung bei Teilfüllung. In dieser Kombination stellt es ein neues Verfahren zur Durchflußmessung dar. Die entscheidenden Merkmale des ZSLMA sind:

• - Dreiteilung in ein zentrales Simulationssystem (ZS), lokale Meß- und Auswerte­ systeme (LMA) und Datenträger
• - Verlustfreie Durchflußmessung ohne Strömungseinbauten oder mechanisch be­ wegliche Teile.
• - Lokale Geschwindigkeitsmessungen mit Hilfe von schnellen Sensoren, die an der Rohr- bzw. Gerinnewandung installiert werden können.
• - Zuordnungsmöglichkeit von lokaler Strömungsgeschwindigkeit an einer beliebi­ gen Position innerhalb des Querschnitts und über den Querschnitt gemittelter Strömungsgeschwindigkeit durch den Einsatz der numerischen Strömungsme­ chanik.
• - Zuordnungsmöglichkeit von maximaler Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Querschnitts und über den Querschnitt gemittelter Strömungsgeschwindigkeit durch den Einsatz der numerischen Strömungsmechanik.
• - Reduzierung von (ständigem) Meßaufwand in den LMA durch Erhöhung von (einmaligem) Simulationsaufwand im ZS.
• - Speziell beim Einsatz des Impuls-Doppler-Verfahrens zur Messung der lokalen Geschwindigkeiten kann trotz deutlich reduziertem Meßaufwand eine wesentliche Genauigkeitssteigerung gegenüber anderen Verfahren erzielt werden.
• - Sehr weitgehende Profilunabhängigkeit und damit Standardisierbarkeit des LMA.

Das Durchflußmeßsystems ZSLMA kann für viele Anwendungen eingesetzt werden. Aufgrund der genannten Verfahrensmerkmale ergeben sich unter folgenden Bedin­ gungen besondere Vorteile gegenüber anderen Verfahren der Durchflußmessung bei Teilfüllung:

• - bei nichtkreisförmigen Profilen und Gerinnen,
• - bei großen Profilen (beispielsweise bei natürlichen Gewässern und Kanälen),
• - als temporäres oder mobiles Meßsystem (beispielsweise für Kontrollmessungen),
• - bei schwer zugänglichen oder abgelegenen Meßstellen (beispielsweise beste­ hende Kanalsysteme, Fernleitungen, Pipelines),
• - bei Fluiden geringer elektrischer Leitfähigkeit (beispielsweise Benzin, Erdöl),
• - bei Fluiden mit Feststofführung (beispielsweise Abwasser, Bäche und Flüsse bei Hochwasser).

Claims (37)

1. Verfahren zur sehr genauen Bestimmung des Durchflusses von Fluiden in teil- oder vollgefüllten Rohrleitungen und offenen Gerinnen für beliebige Profile, bei reduziertem meßtechnischen Aufwand, dadurch gekennzeichnet, daß zur verlust­ freien und die Strömung nicht beeinflussenden Bestimmung des Durchflusses wie folgt vorgegangen wird:

• a) auf der Basis eines numerischen Netzes werden turbulente Geschwindigkeitsver­ teilungen unter Berücksichtigung der Sekundärströmungen so simuliert, daß an jedem Punkt (P) eines teil- oder vollgefüllten Abflußquerschnittes die Strömungsge­ schwindigkeit (v_p) und somit auch der Durchfluß bekannt sind;
• b) innerhalb des Abflußquerschnittes werden mit Hilfe genauer und schneller Sen­ soren lokale Strömungsgeschwindigkeiten (v_p) an Positionen (P) gemessen; und
• c) diese Meßwerte (v_p) werden unter Ausnutzung der numerisch simulierten Strö­ mungsprofile in einen Durchfluß (Q_p) umgeformt (Fig. 1), wobei Messung und Auswertung in kurzer Zeit häufig wiederholt werden und der Durchfluß (Q) als ge­ wichtetes Mittel der Einzeldurchflüsse (Q_p) bestimmt wird, wobei die Positionen (P) für jede Einzelmessung verschieden und zufällig gewählt sein können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verlustfreie Messung ohne Strömungseinbauten oder mechanisch bewegliche Teile mit Hilfe zentraler Simulation/lokaler Messung und Auswertung (ZSLMA) sowie Datenträgern zur Informationsspeicherung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Durchfluß mittels eines lediglich aus einem zentralen Simulations­ system (ZS), lokalen Meß- und Auswertesystemen (LMA) und Datenträgern beste­ henden Anordnung durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Simulation basierend auf einer feinen netzartigen Diskretisierung des Abflußquerschnitts mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode oder eines Differenzenver­ fahrens unter Berücksichtigung der Sekundärströmungen durchgeführt wird und hieraus die Geschwindigkeitsverteilung so ermittelt wird, daß die Bilanzen für Kontinuität und Impuls in allen drei Koordinatenrichtungen erfüllt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die benötigte Verteilung der turbulenten Viskosität ebenfalls numerisch mit Hilfe eines geeigneten Turbulenzmodells ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß mit dem zentralen Simulationssystem (ZS) stationär gleichförmige turbulen­ te Geschwindigkeitsverteilungen simuliert werden, die eindeutig durch die Parameter Profiltyp, Profilgröße, Wasserspiegel und Längsgefälle definierbar sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die sehr große Zahl möglicher Kombinationen der vier genannten Merkmale die Geschwindigkeits­ verteilungen mit Hilfe des numerischen Strömungs- und Turbulenzmodells je einmal simuliert werden und anschließend an jedem Punkt eines Querschnitts gemeinsam mit dem daraus bestimmten Durchfluß und den vier Merkmalen auf Datenträgern gespeichert werden, wobei für jeden Profiltyp oder sogar für jeden Profiltyp und jede Profilgröße ein eigener Datenträger beschrieben werden kann, dessen Inhalt in diesem Fall profilabhängig ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die lokale Meßwerterfassung und Auswertung (LMA - Fig. 1) mit Sensoren (SV) zur Messung lokaler Geschwindigkeiten, sowie Sensoren (SW) zur Messung des Wasserspiegels bzw. der Druckhöhe bei Vollfül­ lung und einem Mikroprozessor arbeitet, der die Meßsignale der Sensoren (SV und SW) unter Einbringung der auf dem Datenträger gespeicherten Geschwindigkeitsverteilungen in das gesuchte Meßsignal für den Durchfluß (Q) umformt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Wasserspiegels mindestens ein, im Regelfall jedoch zwei Sensoren (SW) verwendet werden, die bei symmetrischen Profilen auch symmetrisch angeordnet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (SW) für eine Meßwerterfassung in sehr kurzer Zeit ausgewählt werden sowie solche, die den gesamten Wertebereich zwischen minimaler und maximaler Wasserspiegellage erfassen können.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der lokalen Geschwindigkeiten mindestens ein, im Regelfall jedoch zwei, bei erhöhten Genauigkeitsanforderungen auch mehr Sensoren (SV) installiert werden, die bei symmetrischen Profilen auch symmetrisch angeordnet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 8 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß solche Sensoren (SV) eingesetzt werden, die die lokale Geschwindigkeitsmessung (v_p) in einem sehr kleinen Kontrollvolumen (Punktmessung am Punkt P) ermöglichen und die Querschnittskoordinaten (x_p, y_p) des Meßpunktes (P) ebenfalls von den Senso­ ren (SV) gemessen werden.

13. Verfahren nach Anspruch 8, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren so installiert werden, daß der Ort der Punktmessung (P) bei jeder Mes­ sung variierbar wird und daß solche Sensoren (SV) installiert werden, die eine Meß­ werterfassung in kurzer Zeit erlauben und daß die Geschwindigkeiten im gesamten Wertebereich zwischen minimaler und maximaler Wasserspiegellage meßbar sind.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Sensor (SV) für die Geschwindigkeiten mindenstens ein Sensor (SW) für den Wasserspiegel zugeordnet wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die lokalen Geschwindigkeiten mit Ultraschallsensoren, die an der Profil­ sohle installiert werden und nach dem Impuls-Dopplerverfahren in Rückstreuung arbeiten, gemessen werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die lokalen Geschwindigkeiten mit Hilfe von Laser-Doppler-Anemometern (LDA) in Rückstreuung gemessen werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Sensor (SV) mindestens ein Sensor (SW) derart zugeordnet ist, daß bei jeder lokalen Geschwindigkeitsmessung an jedem Sensor (SV) vier Meßwerte (y_w, x_p, y_p und v_p) registriert und pro Mikroprozessor in einen Durchfluß (Q_p) umgeformt wer­ den.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß aus den auf dem Datenträger gespeicherten Geschwindigkeitsverteilungen mit Hilfe des Mikroprozessors diejenige ausgewählt wird, welche die Merkmale Profiltyp, Profilgröße und Wasserspiegel erfüllt und deren Geschwindigkeit am Meßpunkt (x_p, y_p) mit dem Meßwert für die Geschwindigkeit an dieser Stelle (v_p) übereinstimmt, wobei der dieser Geschwindigkeitsverteilung zugeordnete und ebenfalls auf dem Datenträger gespeicherte Durchfluß (Q) somit der lokalen Ge­ schwindigkeitsmessung am Meßpunkt (P) und den Parametern Profiltyp, Profilgröße und Wasserspiegel zugeordnet werden kann (Q_p).

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß jeder punktförmi­ gen lokalen Geschwindigkeitsmessung (v_p) am Meßpunkt (P) mit Hilfe des Daten­ trägers und des Mikroprozessors ein Durchfluß (Q_p) zugeordnet wird, die Meßwert­ umformung für jeden Meßpunkt (P) und jeden Geschwindigkeitssensor wiederholt wird und der gesuchte Durchfluß (Q) als Mittelwert der Einzeldurchflüsse (Q_p) ge­ gebenenfalls unter Berücksichtigung einer geeigneten Wichtung der Einzeldurch­ flüsse bestimmt wird, wobei akustische oder optische Geschwindigkeitssensoren eingesetzt werden.

20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei punktförmiger lokaler Geschwindigkeitsmessung unter Verzicht auf die Messung des Ortes der Geschwindigkeitsmessung annähernd die Maximalgeschwindigkeit gemessen, mit dem simulierten Maximalwert des Geschwindigkeitsprofils verglichen und dieser Meßwert v_max unter Ausnutzung der numerisch simulierten Geschwindigkeitsprofile in den Durchfluß (Q) umgeformt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitsmessung nach dem Ultraschall-Doppler-Prinzip durchgeführt und von allen gemessenen Geschwindigkeiten der größte Wert ausgewählt wird, wobei die Ultraschallsensoren so installiert werden müssen, daß sie für alle Wasserstände Meßwerte aus Bereichen des Querschnitts liefern können, in denen nahezu die Maximalgeschwindigkeit auftritt.

22. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß längs einer vorher festgelegten Linie die mittlere Liniengeschwindigkeit gemessen wird und das gemessene Linienmittel der Geschwindigkeit mit dem simulierten Linienmittel entlang derselben Linie verglichen wird und daß der Meßwert dieses Linienmittels der Geschwindigkeit unter Ausnutzung der numerisch simulierten Geschwindigkeitsprofile in den Durchfluß (Q) umgeformt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ultraschall-Laufzeit-Verfahren gemessen wird.

24. Vorrichtung zur Durchflußmessung in teil- oder vollgefüllten Rohrleitungen oder offenen Gerinnen, unter Verwendung von Meßsensoren, gekennzeichnet durch ein zentrales Simulationssystem (ZS) mit einem numerischen Modell und einem leistungsfähigen Computer;
ein lokales Meß- und Auswertesystem (LMA) mit Sensoren zur Messung von Fluid­ spiegel bzw. Druckhöhe und Strömungsgeschwindigkeiten sowie einem Mikropro­ zessor zur Meßwertauswertung und
durch Datenträger als Schnittstelle zwischen den Subsystemen (ZS) und (LMA).

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch die Zuordnung des ört­ lichen Meßwertes zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit mittels numerischer Simu­ lation, wobei die berechneten Geschwindigkeitsverteilungen auf Datenträgern ab­ gespeichert sind.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des numerischen Modells stationär gleichförmige turbulente Ge­ schwindigkeitsverteilungen für beliebige Profile bei Teilfüllung (Fig. 2) und Vollfül­ lung für gegebene Wasserspiegel lagen und Längsgefälle berechenbar sind, wobei die Simulation auf einer feinen netzartigen Diskretisierung des Abflußquerschnittes mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode oder eines Differenzenverfahrens beruht.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch numerische Simulation unter Berücksichtigung der Sekundärströmungen und Bestimmung der Verteilung der turbulenten Viskosität mit Hilfe eines geeigneten Turbulenzmodells.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, gekennzeichnet durch ein einziges zentrales Simulationssystem (ZS), das örtlich vollkommen getrennt von den an jeder Meßstelle eingebauten lokalen Meß- und Auswertesystemen (LMA) instal­ liert ist.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale Meß- und Auswertesystem (LMA - Fig. 1) besteht aus Sensoren (SV) zur Messung lokaler Geschwindigkeiten;
Sensoren (SW) zur Messung des Wasserspiegels bzw. der Druckhöhe bei Vollfül­ lung und
einem Mikroprozessor, der die Meßsignale der Sensoren (SV und SW) unter Aus­ nutzung der auf dem Datenträger gespeicherten Geschwindigkeitsverteilungen in das gesuchte Meßsignal "Durchfluß Q" umformt.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Sensor (SW) und ein Sensor (SV) in einem gemeinsamen Gehäuse an­ geordnet sind, wobei dieser Kombinationssensor gegebenenfalls einschraubbar ausgebildet ist.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationssensoren in symmetrischer Anordnung an der Profilsohle einerseits möglichst tief für geringe Wasserstände; andererseits ausreichend hoch, um eine Verschlammung zu vermeiden, installiert sind.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren für die Messung der lokalen Geschwindigkeiten Ultraschallsensoren sind, die bei punktförmiger Messung nach dem Impuls-Doppler-Verfahren in Rückstreuung arbeiten, wobei Sende- und Empfangsschwinger im selben Gehäuse angeordnet sind und bei bekannter Richtung des Ultraschallstrahls daraus die Lage des Meßpunktes (x_p, y_p) bestimmbar ist (Fig. 3).

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren für die Messung der lokalen Geschwindigkeiten Ultraschallsenso­ ren sind, die bei linienförmiger Messung nach dem Laufzeit-Verfahren in Trans­ mission arbeiten.

34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (SW) zur Messung des Wasserspiegels Druckmeßdosen sind, die nach einem piezoresistiven, einem kapazitiven oder einem induktiven Verfahren arbeiten.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (SW) zur Messung des Wasserspiegels bei offenen Gerinnen oder ausschließlich teilgefüllten Rohren gegebenenfalls Ultraschallsensoren sind, die oberhalb des maximal möglichen Wasserspiegels oder an der Profilsohle instal­ lierbar sind.

36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren zur Messung des Wasserspiegels (SW) an einer Meßbrücke trocken montiert sind und den Wasserspiegel von oben messen, wobei die Geschwindigkeitssensoren (SV) für die lokalen Geschwindigkeiten an der Gerinnesohle (Fig. 3) installierbar sind.

37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Installation von Ultraschallsensoren (SV) an der Profilsohle und Mes­ sung der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten nach dem Impuls-Doppler-Verfahren in Rückstreuung mit Hilfe derselben Sensoren (SV) zusätzlich auch der Wasser­ spiegel meßbar ist, derart, daß in diesem Fall bei offenen Gerinnen oder aus­ schließlich teilgefüllten Rohren auf einen zusätzlichen Wasserspiegelsensor (SW) völlig verzichtet werden kann.