DE4430230A1

DE4430230A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit eines Flusses

Info

Publication number: DE4430230A1
Application number: DE4430230A
Authority: DE
Inventors: Soo Deuck Kim; Hak Soo Chang; Kyung Am Park
Original assignee: Changmin Tech Co Ltd
Current assignee: Chang Min Tech Co ltd Sungmann-City Kyonggi
Priority date: 1993-08-25
Filing date: 1994-08-25
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2014-08-26
Also published as: US5515721A; DE4430230C2; KR960003645B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor richtung zum Messen der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit eines Flusses und betrifft insbesondere die Meßtechnologie zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit mittels Ultra schall zur Schaffung eines Meßverfahrens für die örtliche Strömungsgeschwindigkeit, z. B. an irgendeiner Stelle eines Flusses, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens.

Das Messen der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit eines in einem Fluß fließenden Wassers ist ein Erfordernis, um die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des fließenden Wassers zu studieren oder die Durchflußmenge zu messen. Eine Vorrichtung zum Messen der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit eines Flus ses, z. B. ein Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit an irgendwelchen Punkten am Was serströmungsquerschnitt, ist typisch ein Propeller-Strömungs geschwindigkeitsmeßgerät, welches am häufigsten verwendet wird. Zusätzlich zu den Propellermeßgeräten sind elektromag netische Strömungsgeschwindigkeitsmeßgeräte, Druck-Strö mungsgeschwindigkeitsmeßgeräte einschließlich eines Druckfüh lers und ein Ultraschall-Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät bekannt. Unter diesen Meßgeräten wird das Propeller-Strö mungsgeschwindigkeitsmeßgerät allgemein in einem Fluß verwen det, weil es eine Richteigenschaft besitzt. Das Propeller- Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät hat den Vorteil, daß sich der durch die Messung der Strömungsgeschwindigkeit ergebende Wert der von einer Propellerwelle abgeleiteten Richtung als eine Strömungsgeschwindigkeitskomponente der Rotorwellenrich tung angesehen werden kann, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

Fig. 1A ist eine Ansicht zur Darstellung eines Meßverfahrens für die Strömungsgeschwindigkeit, wenn ein Propeller-Strö mungsgeschwindigkeitsmeßgerät so angeordnet wird, daß seine Welle im rechten Winkel zum Querschnitt des in einem Fluß fließenden Wassers gehalten wird.

Fig. 1B zeigt das Richtmerkmal des Propeller-Strömungsge schwindigkeitsmeßgerätes. Wenn die Strömungsgeschwindigkeits richtung bei einem konstanten Winkel ±α der Welle eines Ro tors (Propellers) gebildet wird, wird die Rotationsgeschwin digkeit n des Rotors entsprechend der Kosinusfunktion geän dert. Der Winkel ±α hält die Richteigenschaft auf der Grundlage der Kosinusfunktion, welche allgemein 10 bis 20° beträgt. Sie kann entsprechend der Art eines Strömungsge schwindigkeitsmeßgerätes abweichen.

Somit ist, wie in Fig. 1A dargestellt, auch wenn die Strö mungsgeschwindigkeitsrichtung einen Winkel α oder α′ zur Rotorwelle bildet, die Rotationsgeschwindigkeit des Propel ler-Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerätes proportional zur Kom ponente V₁cosα oder V₂cosα′. Die Strömungsgeschwindigkeits komponente V steht senkrecht zum Querschnitt S und wird ge messen. Dies ist ein sehr großer Vorteil beim Messen der Strömung eines Flusses. Natürlich können Strömungsgeschwin digkeitsmeßgeräte, die nach anderen Prinzipien arbeiten, ihre Empfindlichkeit vermindern, wenn die Strömungsgeschwindig keitskomponente nicht in einem rechten Winkel zu einem Erfas sungsabschnitt (Fühler) des Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerä tes wirkt. Es ist ebenfalls schwierig, die Richteigenschaft entsprechend der Kosinusfunktion sicherzustellen, da ein Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät eine vorbestimmte Richtei genschaft aufweist.

Ein Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät, das die Richteigen schaft am idealsten sicherstellt, ist ein Ultraschall-Strö mungsgeschwindigkeitsmeßverfahren beim Betrieb eines Ultra schallströmungsmeßgerätes für ein Rohr.

Das Ultraschall-Strömungsgeschwindigkeitsmeßprinzip beruht auf einem physikalischen Gesetz, das in Fig. 2 wiedergegeben ist. Die Punkt A und Punkt B in einem Fluß verbindende Linie verläuft senkrecht zum Querschnitt der Wasserlinie, und als "Wandler" bezeichnete Ultraschallvibratoren, die in der Lage sind, Ultraschallimpulse zu erzeugen und zu empfangen, sind an den Punkten A und B angeordnet. Die Richtung der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit V wird durch einen Winkel α oder α′ zu einer geraden Linie AB gebildet. Wenn der Ultraschallim puls sich von dem Punkt A zum Punkt B und umgekehrt ausbrei tet, ist die jeweilige Ausbreitungszeit t_AB und t_BA, und die Strecke der geraden Linie AB ist L. Die Zeit- und Frequenz differenzen können wie folgt berechnet werden:

Δt = t_AB - t_BA = 2Lϑ/c² (Zeitdifferenzverfahren) (1)

oder

Δf = 1/t_AB -1/t_BA = 2ϑ/L (Frequenzdifferenzverfahren) (2)

Wobei ϑ = Vcosα, ϑ= Vcosα′ und C eine Ultraschallge schwindigkeit im Wasser ist. Auf diese Weise wird die Strö mungsgeschwindigkeit ϑ von Formel 1 und 2 wie folgt berech net:

ϑ = ΔtC²/2L
ϑ = ΔfL/2 (3)

Wenn die Winkel α und α′ Null sind, ist v gleich V. Wenn die Winkel α und α′ 90° sind, ist v Null. Somit werden die Ultraschallvibratoren an einer geraden Linie senkrecht zum Querschnitt S angeordnet, und die Strömungsgeschwindigkeit wird unter Verwendung des Zeitdifferenz- oder Frequenzdiffe renzverfahrens berechnet. In diesem Fall ergibt sich die ideale Kosinusrichtungseigenschaft innerhalb des Winkels α (±90°). Zur Darstellung der Kosinuseigenschaften wird daher ein Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät 21 im rechten Winkel zu einer Trägerstange 22 angeordnet, wie in Fig. 1A dargestellt. Die Trägerstange 22 wird in einem Fluß längs des Querschnitts S der Wasserlinie angebracht. Es ist jedoch schwierig, die Anordnung des Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerätes in einem rechten Winkel zum Querschnitt S sicherzustellen.

Andererseits wird ein Napf-Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät häufig statt eines Propeller-Strömungsgeschwindigkeitsmeßge rätes verwendet, insbesondere in USA. Das Napf-Strömungsge schwindigkeitsmeßgerät hat keine bezeichnende Kosinusrich tungseigenschaft, die sich von dem Propeller-Strömungsge schwindigkeitsmeßgerät unterscheidet.

Diese Meßgeräte, die eine Trägerstange 22 verwenden, machen jedoch eine Verwendung in sehr tiefem Wasser oder, wenn die die Strömungsgeschwindigkeit messende Person weit von der Oberfläche des Wassers entfernt ist, unmöglich. Beispiels weise wird die Strömungsgeschwindigkeitsmessung auf einer Brücke durchgeführt. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird daher das allgemein verwendete Strömungsmeßgerät in der Nähe des Endes eines Seils zusammen mit einem Gewicht b befestigt und dann in das Wasser eingebracht. Hierbei ergeben sich die fol genden Probleme.

Bei einer höheren Strömungsgeschwindigkeit und bei einer grö ßeren Länge des Seils (oder Drahtes), das in der Luft hängt und in das Wasser eingebracht wird, wird es in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit abgetrieben, auch wenn es mit einem Gewicht b belastet ist. Sogar wenn irgendein Strömungsge schwindigkeitsmeßgerät verwendet wird, kann der Strömungsge schwindigkeitsfühler nicht so angeordnet werden, daß er mit der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit übereinstimmt, so daß er in einem Winkel α zu Strömungsgeschwindigkeitsrich tung gehalten wird. Hierdurch führt das Strömungsgeschwindig keitsmeßergebnis zu einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit als der Strömungsgeschwindigkeit V, wodurch sich ein großer Meßfehler ergibt, auch wenn irgendein Strömungsgeschwindig keitsmeßgerät verwendet wird. Die Verwendung eines Propeller- oder Napf-Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerätes und eines in Fig. 2 dargestellten Ultraschall-Strömungsgeschwindigkeits meßgerätes können einen großen Meßfehler bewirken. Weiter be steht keine Möglichkeit, den Winkel α zu messen.

In Anbetracht dieser Punkte ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit eines Flusses unter Ver wendung eines Ultraschall-Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerätes zu schaffen, um die ideale Richtungseigenschaft sicherzustel len.

Mit der Erfindung sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit eines Flus ses geschaffen werden, ohne daß die Welle eines Strömungsge schwindigkeitsfühlers mit der Richtung der Strömungsgeschwin digkeit senkrecht zum Querschnitt der Wasserlinie überein stimmt.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung der örtli chen Strömungsgeschwindigkeit geschaffen, umfassend die Schritte: Befestigen je eines Ultraschallvibrators an den Spitzen A, B und C eines rechtwinkligen Dreiecks und darauf folgendes Einstellen einer Basis , einer vertikalen Seite und einer schrägen Seite in bezug zur Wasserströmungs richtung; Messen der Ausbreitungszeit der Ultraschallimpulse von den Spitzen C nach B und umgekehrt; Bestimmen, ob die Differenz zwischen den Ausbreitungszeiten positiv oder nega tiv ist und Bestimmen, ob ein zwischen einem Strömungsge schwindigkeitsvektor V und der schrägen Seite der Länge L Ψ+α ist, wenn die Differenz der Ausbreitungszeit positiv ist; Messen der Ausbreitungszeit der Ultraschallimpulse von den Spitzen B nach A und umgekehrt und Berechnen der sich er gebenden Strömungsgeschwindigkeit V; und Bestimmen, ob ein Winkel zwischen einem Strömungsgeschwindigkeitsvektor V und der schrägen Seite der Länge L Ψ-β ist, wenn die Dif ferenz der Ausbreitungszeit beim obigen Schritt negativ ist, und darauffolgendes Berechnen der sich ergebenden Strömungs geschwindigkeit V.

Eine Vorrichtung zur Messung der örtlichen Strömungsgeschwin digkeit eines Flusses umfaßt ein in einer vorbestimmten Was sertiefe angeordnetes Strömungsmeßgerät und einen mit dem Strömungsmeßgerät mittels eines Hochfrequenzkabels elektrisch verbundenen Strömungsgeschwindigkeitsmeßschaltkreis, wobei das Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät eine Vielzahl von an den Spitzen A, B und C eines rechtwinkligen Dreiecks befe stigter Vibratoren, eine Vielzahl die Ultraschallvibratoren an den Spitzen A, B und C tragenden Tragstangen, ein zylin drisches Teil mit einem rechtwinklig abgebogenen Teil, in dem mindestens ein sich nach außen erstreckender Ultraschallvi brator eingesetzt ist, einen an einer Stelle des zylindri schen Teils befestigten Befestigungsabschnitt, um die Tragstangen im Wasser anzuordnen, und eine vertikale Stange, um das Befestigungsteil längs seiner Längsrichtung zu bewegen und unter Wasser anzuordnen, umfaßt, wobei weiter der Strö mungsgeschwindigkeitsmeßschaltkreis Ultraschallvibratorsigna le empfängt und die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend seinen arithmetischen Algorithmen berechnet.

Die Erfindung stellt somit die Richtungseigenschaft eines Strömungsgeschwindigkeitsmeßfühlers während der Strömungsge schwindigkeitsmessung des Flusses sicher und kann ebenfalls die örtliche Strömungsgeschwindigkeit des Flusses genau mes sen, ohne daß der Sensor mit der Strömungsgeschwindigkeits richtung senkrecht zum Querschnitt der Wasserlinie überein stimmen muß.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zei gen:

Fig. 1 eine Ansicht zur Darstellung des Prinzips der Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Flus ses unter Verwendung eines üblichen Strömungsge schwindigkeitsmeßgerätes;

Fig. 2 eine Ansicht zur Darstellung des Prinzips der Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Flus ses unter Verwendung eines Ultraschallvibrators;

Fig. 3 eine Ansicht zur Darstellung des Meßfehlers der Strömungsgeschwindigkeit, wenn ein übliches Strö mungsgeschwindigkeitsmeßgerät in einem Fluß ange ordnet wird;

Fig. 4A, 4B und 4C Ansichten zur Darstellung eines Verfah rens zur Messung der Ultraschall-Strömungsge schwindigkeit eines Flusses nach dem Prinzip der Erfindung, wobei Fig. 4A das Verfahren zur Mes sung der Strömungsgeschwindigkeit in der Situa tion einer Strömungsrichtung, die in einem rech ten Winkel zum Strömungsquerschnitt liegt, und Fig. 4B und 4C Verfahren zur Messung der Strö mungsgeschwindigkeit in einer Situation, in der eine vertikale Linie in einem schrägen Winkel zu einem Strömungsquerschnitt liegt, zeigen, und

Fig. 5 eine Ansicht zur Darstellung eines Strömungsge schwindigkeitsmeßgerätes gemäß der Erfindung.

Wie in Fig. 4A dargestellt, werden Ultraschallvibratoren ent sprechend an den Spitzen A, B und C eines rechtwinkligen Dreiecks befestigt. Die gerade Linie wird im Wasser ange ordnet, so daß sie mit dem Querschnitt S übereinstimmt, z. B. daß sie einen rechten Winkel zum Strömungsgeschwindigkeits vektor V bildet. In diesem Fall beträgt, vorausgesetzt, daß die Ultraschallimpulse von den Punkten B nach C oder von den Punkten C nach B abgegeben werden, die Ausbreitungszeit:

t_BC = h/C = t_CB

Wobei C die Ultraschallgeschwindigkeit, v als Vcos90° (= 0) erscheint. Die Ausbreitungszeit der von den Punkten B nach A oder von den Punkten A nach B abgegebenen Ultraschallimpulse ist wie folgt:

t_BA = L/(C - ϑ₁); t_AB = L/(C + ϑ₁)

Die Zeitdifferenz wird wie folgt berechnet:

Δt = t_BA - t_AB = 2Lϑ₁/C²

Die Frequenzdifferenz wird wie folgt berechnet:

Δf = 1/t_BA - 1/t_AB = 2ϑ₁/L

Der Winkel ist bereits bekannt. Die Strömungsgeschwindigkeit wird wie folgt berechnet:

V = ϑ₁/cosΨ = Δt C²/2LcosΨ = ΔfL/2cosΨ (4)

Die Formel 4 wird allgemein bei dem Messen der Strömungsge schwindigkeit auf der Durchmesserlinie eines Rohres mittels eines Ultraschallströmungsmeßgerätes verwendet. Beispiels weise führt ein Ultraschallströmungsmeßgerät, das als Modell Nr. UL600R der Firma Japanese Tokyo Keison Co. entwickelt wurde, ein Zeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeitsmeßverfah ren durch.

Wie jedoch in den Fig. 4B und 4C dargestellt, bewirkt eine Strömungsgeschwindigkeitsmessung auf der Grundlage der Formel 4 einen schwerwiegenden Fehler, wenn die gerade Linie ge neigt ist und nicht mit dem Querschnitt S übereinstimmt. Fig. 4B zeigt eine Situation, in der ein Seil nicht in einer ver tikalen Linie, wie in Fig. 3 gezeigt, gehalten wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die Ultraschallimpulse von den Punkten C nach B oder von B nach C abgegeben und die Aus breitungszeit t_CB und t_BC entsprechend der Länge h gemessen. Dann wird die Zeitdifferenz zwischen den Ausbreitungszeiten wie folgt berechnet:

t_BC = h/(C + ϑ₂); t_CB = h/(C - ϑ₂); t_CB < t_BC
t₂ = t_CB - t_BC = 2hϑ₂/C² (5)
V₂ = V cos Ψ = V cos(90°-α) = Vsinα

Das Frequenzdifferenzverfahren wird wie folgt angepaßt:

f₂ = 1/t_CB - 1/t_BC = 2ϑ₂/h (6)

Im folgenden werden die Ultraschallimpulse von den Punkten B nach A oder von A nach B abgegeben und die Ausbreitungszeiten t_BA und t_AB entsprechend der Länge L gemessen. Dann wird die Zeitdifferenz zwischen ihnen wie folgt berechnet:

Δt₁ = 2Lϑ₁/C (7)

Das Frequenzdifferenzverfahren wird wie folgt angepaßt:

Δf₁ = 2ϑ₁/L (8)

Somit ergibt sich die Strömungsgeschwindigkeit wie folgt:

ϑ₁ = V cosΨ1 = Vcos (Ψ + α) (9)

Um die Strömungsgeschwindigkeit zu messen, muß der Winkel α festgestellt werden.

1. Das Verhältnis der Zeitdifferenzen wird wie folgt berech net: Δt₁/Δt₂ = (L/h)·(v₁/v₂) = (L/h)·{cos(Ψ + α)/sinα}
= (L/h)·cosΨ·cotα - sinΨ)= cotΨ cotα - 1
cotΨ= (L/h)·cosΨ; (L/h)·sinΨ= 1.wobei
α = arc·cot[(Δt₁/Δt₂ + 1)/cotΨ]
= arc·cot[E] (10)
2. Das Verhältnis der Frequenzdifferenzen wird wie folgt be rechnet:

Somit ergibt sich der Winkel α als:

α = arc·cot[(Δf₁/Δf₂ + sin²Ψ)/sinΨ·cosΨ)

Somit ist der Winkel α aus den Verhältnissen der Zeit- oder Frequenzdifferenzen Δt₁/Δt₂ oder Δf₁/Δf₂ zu erhalten. Die sich ergebende Strömungsgeschwindigkeitsmeßformel ist somit:

V = v₁/cos(Ψ+α) = Δt₁C²/2Lcos[Ψ + arc cot {E}]

Die Ultraschallgeschwindigkeit beträgt:

C = 2L/(t_AB + t_BA)

Die Strömungsgeschwindigkeit beträgt:

V = 2LΔt₁/(t_AB + t_BA)² cos[Ψ + arc cot {E}] (12)

wobei

E = (Δt₁/Δt₂ + 1)/cotΨ

Bei dem Frequenzdifferenzverfahren beträgt die Strömungsge schwindigkeit:

V = Δf₁ L/2cos[Ψ + arc·cot {E′}] (13)

wobei

E′ = (Δf₁/Δf₂ + sin²Ψ))/sinΨ·cosΨ

Die Strömungsgeschwindigkeitsformeln 12 und 13 sind unter folgenden Bedingungen gültig:

t_BC < t_CB, t_BA < t_AB (14)

Das heißt mit anderen Worten, wenn die Ausbreitungszeit eines Ultraschallimpulses von den Punkten B nach C kleiner als die eines Ultraschallimpulses von den Punkten C nach B ist, wird bestimmt, ob die gerade Linie BC entgegengesetzt zur Strö mungsgeschwindigkeitsrichtung geneigt ist, und die Strömungs geschwindigkeit wird auf der Grundlage der Strömungsgeschwin digkeitsmeßformeln 12 und 13 berechnet.

Wenn die gerade Linie in Richtung der Strömungsgeschwin digkeitsrichtung um einen Winkel β zum Querschnitt S, wie in Fig. 4C dargestellt, geneigt ist, gelten folgende Bedingun gen: t_BC < t_CB, t_BA < t_AB, wobei die Ausbreitungsdifferenz lautet:

+ Δt₂ = t_BC - t_CB oder - Δt = t_CB - t_BC

Wie in Fig. 4C gezeigt, ist

v₁ = VcosΨ₁ = Vcos(Ψ-β)
v₂ = VcosΨ₂ = Vcos(90°-β)

Die Verhältnisse der Zeit- und Frequenzdifferenz Δt₁/Δt₂ und Δf₁/Δf₂ sind wie folgt:

Δt₁/Δt₂ = (L/h)(cosΨ cotβ + sinΨ) = cotΨ cotβ + 1

und

Δf₁/Δf₂ = (L/h)(cosψ cotβ-sinψ) = sinψ cosψ cotβ + sin²ψ

Somit beträgt der Winkel β:

β = arc·cot[(Δt₁/Δt₂ - 1)/cotΨ]

oder

β = arc·cot[(Δf₁/Δf₂ - sin²Ψ)/sinΨ·cosΨ]

Die Strömungsgeschwindigkeitsmeßformeln sind somit:

oder

Andererseits sind, siehe Formeln 12, 13, 14 und 15, die zu messenden Parameter t_BC, t_CB, t_BA und t_AB. Andere Parameter L, Ψ und h werden vorher gemessen. Weiter sind die Funktio nen sin, sin²Ψ und cot in den Formeln vorher berechnet und in einem Speicherschaltkreis gespeichert.

Wenn die Winkel α und β Null sind, ist Δt₂ Null. Zu dieser Zeit müssen die Winkel α und β nicht berechnet werden, und die Formel 4 kann als Strömungsgeschwindigkeitsmeßformel an gesehen werden. Wenn man die Strömungsgeschwindigkeit in einem komplex geformten Fluß, keinem geraden Fluß, messen will, wird die örtliche Strömungsgeschwindigkeitsrichtung häufig von einem rechten Winkel zum ausgewählten Querschnitt S der Wasserlinie abweichen. In dem Fall muß das Strömungsge schwindigkeitsmeßgerät an einer Tragstange 22, wie in Fig. 1 dargestellt, während der Strömungsgeschwindigkeitsmessung be festigt werden. Wenn andererseits das Strömungsgeschwindig keitsmeßgerät an einem Seil (a), wie in Fig. 3 dargestellt, befestigt ist, muß das Seil ein schweres Gewicht (b) aufwei sen, das ausreichend schwer ist, damit das Seil in einer ver tikalen Linie unter Wasser angeordnet werden kann. Das schwere Gewicht b wird an das Ende des Seils gebunden. Unter diesen Bedingungen kann die rechtwinklige Strömungsgeschwin digkeitskomponente unter Verwendung der obigen Strömungsge schwindigkeitsmeßformeln gemessen werden.

Andererseits ist eine Vorrichtung zur Darstellung eines Ver fahrens zur Messung der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit eines Flusses in Fig. 5 dargestellt. Die Vorrichtung zur Mes sung der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit eines Flusses um faßt ein Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät 20, das im Wasser angeordnet wird, und einen Strömungsgeschwindigkeitsmeß schaltkreis 11, der elektrisch mittels eines Kabels 10 mit dem Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät 20 verbunden ist.

Das Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät 20 hat die Form eines rechtwinkligen Dreiecks und umfaßt Ultraschallvibratoren 1, 2 und 3, die an den Spitzen A, B und C des rechtwinkligen Drei ecks befestigt sind. Der Ultraschallvibrator 2 hat eine weite Richtungseigenschaft, um Ultraschallimpulse von den Ultra schallvibratoren 1 und 3 zu empfangen. Der von dem Ultra schallvibrator 2 abgegebene Ultraschallimpuls erreicht die Ultraschallvibratoren 1 und 3 mit ausreichender Energie.

Die Ultraschallvibratoren 1, 2 und 3 sind an den Enden von Tragstangen 4, 4′ und 5 befestigt, die die Form eines leeren Rohres haben. Die Tragstangen 4, 4′ und 5 umfassen jeweils ein Kabel, das elektrisch mit den darin befindlichen Ultra schallvibratoren 1, 2 und 3 verbunden ist. Weiter sind die Tragstangen 4, 4′ und 5 an einem zylindrischen Teil 6 befe stigt, das ein rechtwinklig abgebogenes Teil zur Bildung eines rechtwinkligen Dreiecks aufweist. Das zylindrische Teil 6 hat einen größeren Durchmesser als der der Tragstangen. Die Tragstange 4 wird somit von mindestens einer Befestigung 8 gehalten, so daß sich ein Ende bis zu einer vorbestimmten Höhe erstreckt, und sie wird von einem Ende in das Ende des zylindrischen Teils 6 eingesetzt. Die Tragstange 4′ ist in der Nähe der vertikalen Seite des rechtwinkligen Dreiecks an einem Ende des sich erstreckenden Abschnitts des zylindri schen Teils 6 befestigt. Die Tragstange 5 ist in die verti kale Seite des zylindrischen Teils 6 eingesetzt und wird mit mindestens einer Befestigung 8 verlängerbar befestigt. Der horizontale Abschnitt der Tragstange 4 ist um eine Strecke 1 vom zylindrischen Teil 6 zusammen mit der Tragstange 4′ ent fernt. Das Ende der Tragstange 4 mit dem Ultraschallvibrator 2 ist um eine vorbestimmte Strecke nach unten gebogen. Die Tragstange 4 ist somit nach links und nach rechts im zylin drischen Teil 6 bewegbar, und die Tragstange 4′ ist im zylindrischen Teil auf- und abbewegbar, so daß die Strecke L und die Höhe h einstellbar sind. Der Winkel R wird durch Messen der Strecke L und der Höhe h berechnet.

Weiter ist der Ultraschallvibrator 3 höher über dem Ultra schallvibrator 1 angeordnet, so daß er nicht durch die Wir belströmung beeinflußt wird, die hinter dem Ultraschallvibra tor 2 erzeugt wird. Die Ultraschallvibratoren 1 und 2 sind in einem Abstand l 5d von der Mittellinie des zylindrischen Teils 6 angeordnet (wobei d der Außendurchmesser des zylind rischen Teils 6 ist und der Abstand l so eingestellt wird, daß der Einfluß der Störung durch das zylindrische Teil 6 vermieden wird).

Das Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät 20 ist mit einer im Wasser anzuordnenden Lagerung 9 versehen. Die Lagerung 9 um faßt eine Klammer (nicht dargestellt) zum Ergreifen eines Teils des zylindrischen Teils 6 an einem Ende und eine Hilfs lagerung 9′, die mit einer Positionierstange 7 mittels einer Befestigung 8 verbunden ist, so daß das Strömungsgeschwindig keitsmeßgerät 20 unter Wasser positioniert ist. Die Lagerung 9 umfaßt den Anschluß des Hochfrequenzkabels 10, um die von den Ultraschallvibratoren erfaßten Signale zu einem Strö mungsgeschwindigkeitsmeßschaltkreis 11 zu übertragen.

Der Strömungsgeschwindigkeitsmeßschaltkreis 11 umfaßt einen allgemein bekannten Analogschaltkreis 12, der einen Oszilla tor zur Erzeugung einer Hochfrequenz für einen Ultraschall aufweist, einen Ultraschallempfänger-/Verstärkerschaltkreis, einen Impulssignalformschaltkreis und eine Verbindungs schnittstelle zur Sicherstellung des Aussendens/Empfangens der Ultraschallsignale von den Ultraschallvibratoren, einen Mikroprozessor mit einem Schaltkreis zum Steuern des Analog schaltkreises 12, einen Ultraschallausbreitungszeitmeßteil und einen Rechnerteil zur Berechnung der Strömungsgeschwin digkeit entsprechend dem System Algorithmen. Ferner ist eine digitale Anzeige zur Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit und der Winkel α und β vorgesehen. Andererseits kann der Strö mungsgeschwindigkeitsmeßschaltkreis 11 eine Trockenbatterie und eine Flüssigkeitsbatterie als Energiequelle verwenden.

Die Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit ge mäß der Erfindung wählt den Abstand L und die Höhe h unter Berücksichtigung der folgenden Bedingungen aus:

1. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit gering ist, wird bevor zugt, die Winkel α und β zu verringern, um die Empfindlich keit eines Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerätes zu steigern.
2. Um die Winkel α und β genau zu messen, wird eine län gere vertikale Seitenhöhe h bevorzugt.
3. Wenn es schwierig ist, ein Strömungsgeschwindigkeitsmeß gerät an seiner Stelle anzuordnen, die für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit beabsichtigt ist, wird eine längere vertikale Seitenhöhe h bevorzugt. Wenn der Fluß groß ist, wird ebenfalls bevorzugt, die Höhe h und die Strecke L maxi mal auszuwählen und dann die mittlere Strömungsgeschwindig keit des Wassers, das durch den Bereich der vertikalen Seite H strömt, zu messen.
4. Wenn die örtliche Strömungsgeschwindigkeit einer sehr flachen Zone gemessen wird, wird die vertikale Seitenhöhe h minimal ausgewählt.

Wie oben beschrieben, weist die Erfindung eine hohe Anpas sungsfähigkeit entsprechend den Auswahlkriterien der Strecke L und der Höhe h auf. Ein Strömungsgeschwindigkeitsmeßverfah ren gemäß dem Prinzip der Erfindung wird wie folgt durchge führt:

1. Nach der Einstellung der Strecke L und der Höhe h werden die entsprechenden Parameter, z. B. die Strecke L, die Höhe h, die Winkel Ψ, cotΨ, sinΨ usw., in ein Strömungsge schwindigkeitsmeßgerät eingegeben oder gespeichert.
2. Ein Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät wird an der vorbe stimmten Stelle in das Wasser gebracht.
3. Die Ultraschallimpulse werden von einem Ultraschallvibra tor 3 zu einem Ultraschallvibrator 2 und umgekehrt gesendet. Zu diesem Zeitpunkt werden die Ausbreitungszeiten t_CB und t_BC der Ultraschallimpulse gemessen und dann in einem Strömungs geschwindigkeitsmeßschaltkreis gespeichert.
4. Die Differenz zwischen den Ausbreitungszeiten t_CB und t_BC werden wie folgt berechnet: Δt₂ = t_CB - t_BC. Wenn Δt₂ positiv ist, wird bestimmt, ob die gerade Linie BC entgegengesetzt zur Strömungsgeschwindigkeitsrichtung geneigt ist (oder die Frequenzdifferenz wird wie folgt berechnet: Δf₂ = ¹/t_CB - 1/t_BC und dann gespeichert).
5. Die Ultraschallimpulse werden von einem Ultraschallvibra tor 2 zu einem Ultraschallvibrator 1 und umgekehrt gesendet. Zu diesem Zeitpunkt werden die Ausbreitungszeiten t_BA und t_AB der Ultraschallimpulse gemessen und dann in dem Strömungsge schwindigkeitsmeßschaltkreis gespeichert.
6. Die Differenz zwischen den Ausbreitungszeiten t_BA und t_AB wird wie folgt berechnet: Δt₁ = t_BA - t_AB (oder die Fre quenzdifferenz wird wie folgt berechnet: Δf₁ = 1/t_BA - 1/t_AB und dann gespeichert).
7. Wenn die Zeit- und Frequenzdifferenzen Δt₂ und Δf₂ Null sind, ergibt sich die Strömungsgeschwindigkeit V wie folgt: V = 2LΔt₁/2cosΨ·x(t_AB + t_BA)²oderV = Δf₁·L/2cosΨDann wird der berechnete Wert an der Anzeige 14 angezeigt.
8. Wenn die Zeitdifferenz Δt₂ nicht Null, jedoch positiv ist, ist a) der Winkel α:α = arc·cot[(Δt₁/Δt₂ + 1)/cotΨ]oderα = arc·cot[(Δf₁/Δf₂ + sin²Ψ)/sinΨ·cosΨ]Dann wird der berechnete Wert an der Anzeige 14 wiedergege ben.
b) Die Strömungsgeschwindigkeit beträgt:V = 2L·Δt₁/(t_AB + t_BA)²·cos(Ψ + α)oderV = Δf₁·L/2cos(Ψ + α)Dann werden die berechneten Werte an der Anzeige 14 mit dem Winkel α wiedergegeben.
9. Wenn die Zeitdifferenz Δt₂ nicht Null, jedoch negativ ist, beträgt a) der Winkel β:β = arc·cot[(Δt₁/Δt₂ - 1)/cotΨ]oderβ = arc·cot[(Δf₁/Δf₂ - sin²Ψ)/sinΨ·cosΨ]b) Die Strömungsgeschwindigkeit beträgt:V = 2L·Δt₁/(t_AB + t_BA)²·cos(Ψ-β)oderV = Δf₁·L/2cos(Ψ-β)Dann werden die berechneten Werte an der Anzeige 14 mit dem Winkel β wiedergegeben.

Das Verfahren und die Vorrichtung zur Messung der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit ermöglichen somit eine genauere Mes sung der Strömungsgeschwindigkeit im Vergleich zu einem Pro peller- oder Napf-Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät, einem elektronischen Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät und einem Druck-Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät. Insbesondere vermin dert die Erfindung entscheidend den Meßfehler bei der Messung der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit eines Flusses, sogar, wenn die Strömungsgeschwindigkeitskomponente zu einer Strö mungsgeschwindigkeitsrichtung geneigt ist und nicht senkrecht zu einem Strömungsgeschwindigkeitsmeßquerschnitt liegt.

Die Erfindung weist keine sich drehenden Teile im Gegensatz zu den Propeller- oder Napf-Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerä ten auf. Dies verlängert die Lebensdauer und ermöglicht Meß eigenschaften (die sogenannte Korrektureigenschaft) eines Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerätes, die lange aufrechterhal ten werden. Die Erfindung hat den Vorteil, daß Hilfsaus rüstungen ebenfalls verwendet werden können, um die Messung der Strömungsgeschwindigkeit durch Propeller- oder Napf- Strömungsgeschwindigkeitsmeßgeräte zu erleichtern.

Claims

1. Verfahren zur Messung der örtlichen Strömungsgeschwin digkeit eines Flusses, gekennzeichnet durch:
Befestigen je eines Ultraschallvibrators an den Spitzen A, B und C eines rechtwinkligen Dreiecks und darauffolgendes Ein stellen einer Basis , einer vertikalen Seite und einer schrägen Seite in bezug zur Wasserströmungsrichtung;
Messen der Ausbreitungszeit der Ultraschallimpulse von den Spitzen C nach B und umgekehrt;
Bestimmen, ob die Differenz Δt₂ zwischen den Ausbreitungszei ten oder die Differenz Δf₂ ihres reziproken Wertes positiv oder negativ ist, und Bestimmen, ob ein zwischen einem Strö mungsgeschwindigkeitsvektor V und der schrägen Seite der Länge L Ψ + α ist, wenn die Differenz der Ausbreitungszeit positiv ist;Bestimmen, ob ein zwischen einem Strömungsgeschwindigkeits vektor V und der schrägen Seite der Länge L Ψ - β ist, wenn die Differenz der Ausbreitungszeit beim obigen Schritt negativ ist;
Messen der Ausbreitungszeit der Ultraschallimpulse von den Spitzen A nach B und umgekehrt und Berechnen der sich erge benden Strömungsgeschwindigkeit V; und
Messen der Ausbreitungszeit der Ultraschallimpulse von den Spitzen C nach B und umgekehrt und darauffolgendes Berechnen der sich ergebenden Strömungsgeschwindigkeit V.

2. Verfahren zur Messung der örtlichen Strömungsgeschwin digkeit eines Flusses nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß
wenn die Ausbreitungszeitdifferenz Δt₂ oder Δf₂ der Spitzen B nach C positiv ist, der Winkel α und die Strömungsgeschwin digkeit V wie folgt berechnet werden:

a) α = arc·cot[(Δt₁/Δt₂ + 1)/cotΨ]
oder α = arc·cot[(Δf₁/Δf₂ + sin²Ψ)/sinΨ·cosΨ]
b) V = 2L·Δt₁/(t_AB + t_BA)²·cos(Ψ + α)
oder V = Δ₁·L/2cos(Ψ + α)

3. Verfahren zur Messung der örtlichen Strömungsgeschwin digkeit eines Flusses nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß wenn die Ausbreitungszeitdifferenz Δt₂ oder Δf₂ der Spitzen B nach C negativ ist, der Winkel β und die Strömungsgeschwin digkeit V wie folgt berechnet werden:

a) β = arc·cot[(Δt₁/Δt₂ - 1)/cotΨ]
oder β = arc·cot[(Δf₁/Δf₂ - sin²Ψ)/sinΨ·cosΨ]
b) V = 2L·Δt₁/(t_AB + t_BA)²·cos(Ψ-β)
oder V = Δf₁·L/2cos(Ψ-β)

4. Vorrichtung zur Messung der örtlichen Strömungsge schwindigkeit eines Flusses, gekennzeichnet durch ein in einer vorbestimmten Wassertiefe angeordnetes Strö mungsgeschwindigkeitsmeßgerät (20) und ein mit dem Strömungs geschwindigkeitsmeßgerät (20) mittels eines Hochfrequenzka bels (10) verbundener Strömungsgeschwindigkeitsmeßschalt kreis (11), wobei: das Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät (20) eine Vielzahl von an den Spitzen A, B und C eines rechtwinkligen Dreiecks be festigter Vibratoren (1, 2, 3), eine Vielzahl die Ultra schallvibratoren (1, 2, 3) an den Spitzen A, B und C tragen den Tragstangen (4, 4′, 5), ein zylindrisches Teil (6) mit einem rechtwinklig abgebogenen Teil, umfaßt, wobei die Lage rung mit der Spitze A im zylindrischen Teil horizontal verän derbar befestigt ist, die Lagerung mit der Spitze B im zylindrischen Teil vertikal veränderbar befestigt ist, so daß die Strecke L zwischen den Spitzen A und B und die vertikale Seitenhöhe zwischen den Spitzen B und C einstellbar sind, und daß der Strömungsgeschwindigkeitsmeßschaltkreis (11) Ultra schallvibratorsignale empfängt und die Strömungsgeschwindig keit entsprechend seinen arithmetischen Algorithmen berech net.

5. Vorrichtung zur Messung der örtlichen Strömungsge schwindigkeit eines Flusses nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Winkel {(<BAC) = Ψ} auf der Grundlage der Strecke L und der Höhe h bestimmt wird.

6. Vorrichtung zur Messung der örtlichen Strömungsge schwindigkeit eines Flusses nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze C höher als die Spitze A ange ordnet ist.

7. Vorrichtung zur Messung der örtlichen Strömungsge schwindigkeit eines Flusses nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strecke, die der Ultraschall vibrator (3) an der Spitze C vom zylindrischen Teil entfernt ist, so ausgewählt wird, daß ein Störeinfluß der Strömungsge schwindigkeit infolge des zylindrischen Teils vermieden wird.