DE69219316T2

DE69219316T2 - Messystem

Info

Publication number: DE69219316T2
Application number: DE69219316T
Authority: DE
Inventors: Michael John The Willows Lymore Valley Hampshire So4 0Jw Gill
Original assignee: British Gas PLC
Current assignee: BG Group Ltd
Priority date: 1991-09-16
Filing date: 1992-09-16
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: EP0566708A1; SG43021A1; CA2100749C; EP0724139A2; US5461931A; EP0566708B1; GB2259571A; GB9219853D0; AU659679B2; GB9119742D0; WO1993006440A1; GEP20001926B; AU2588692A; ATE152235T1; GB2259571B; CA2100749A1; HK1007441A1; DE69219316D1; EP0724139A3; ES2101117T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßsystem und insbesondere auf ein System zum Messen der Geschwindigkeit eines Strömungsmittels, um die Durchflußmenge unter Verwendung von Wandlern bestimmen zu können.
Ein bekanntes System (EP-A-0 479 434) bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen, unter anderem, einer Gasströmung in einer Gasuhr. Die Anordnung mißt die Geschwindigkeit oder das Volumen eines Gases durch Bestimmung der Flugzeit eines Ultraschallsignals in beiden Richtungen zwischen ersten und zweiten Wandlern, die in einer Meßleitung einander gegenüberliegend angeordnet sind, und verwendet dieses Ergebnis dazu, die Gasgeschwindigkeit und daraus das verbrauchte Gasvolumen zu errechnen.
Das US-Patent 3 727 454 (Courty) (ähnlich FR-A-2 077 968) offenbart ein Ultraschallsystem zur Ausführung einer Durchflußmengenmessung in Strömungsmitteln, wobei das System einen Generator aufweist, der ein frequenzmoduliertes Wellensignal aussendet. Dieses Signal wird in ein Ultraschallsignal durch einen ersten Wandler umgewandelt, und ein zweiter Wandler empfängt nach Ausbreitung durch das Strömungsmittel hindurch dieses Signal und wandelt dieses in einen verzögerten elektrischen Wellenzug um, der an eine Verzögerungsleitung bzw. an ein Verzögerungsglied weitergeleitet und in einen Zug von sehr kurzer Dauer transformiert wird. Dieser Signalzug ermöglicht nach Ermittlung eine genaue Bestimmung der Laufzeit durch das Strömungsmittel hindurch.
Das US-Patent 4 938 006 (Dorr) offenbart ein Ultraschallgerät zum Messen der Schallgeschwindigkeit in einem gasförmigen Medium, mit einer Kammer, in der ein Ultraschallsender am einen Ende der Kammer angeordnet ist, und erste und zweite Ultraschall reflektierende Oberflächen sind am gegenüberliegenden Ende der Kammer angebracht, mit einem temperaturunempfindlichen Montagebauteil zum Anbringen der zweiten Ultraschall reflektierenden Oberfläche in einem vorbestimmten Abstand dichter am Ultraschallsender als die erste Ultraschall reflektierende Oberfläche, und mit einer Schaltung, die mit dem Sender zur Umwandlung der Ultraschall- Energiereflexionen von der ersten und der zweiten reflektierenden Oberfläche in ein Signal, das der Geschwindigkeit der Ultraschallenergie zwischen den beiden Ultraschall reflektierenden Oberflächen entspricht, verbunden ist.
Ein Artikel in Iz Meritel'naya Tekhnika, No. 9, Seiten 45-47, September 1989, beschreibt ein Gerät zum Messen der Schallgeschwindigkeit im Ozean, mit einem Frequenzzeitmesser (VIS-Messer).
Ein Artikel in Pribory i Technika Eksperimenta, No. 5, Seiten 167-170, September-Oktober 1985, beschreibt ein Gerät zur Messung der Ultraschallgeschwindigkeit in flüssigen Metallen bei Temperaturen bis 1500&sup0;K und Drücken bis 3000 afm.
Das US-Patent 3 731 532 (Courty) (ähnlich FR-A-2 121 452) beschreibt einen Ultraschall-Strömungsmesser, bei welchem erste Ultraschallsignale veranlaßt werden, in beiden Richtungen die das Strömungsmittel führende Leitung in einem Winkel zur Richtung der Strömungsmittelströmung zu durchqueren. Die Zeiten tl und t2, die die Signale zum Durchqueren in der einen und in der anderen Richtung benötigen, werden gemessen. Mittels zweiter Ultraschallsignale, die die Leitung senkrecht zur Richtung der Strömungsmittelströmung in einer Zeit durchqueren, wird ein Zug von Signalimpulsen erzeugt, um mit Hilfe von drei Zählern den Wert (t2-t1)t0² zu erhalten, welcher ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist und aus dem der unsichere Terminus beseitigt wird, der die Geschwindigkeit des Ultraschallsignals im Strömungsmittel repräsentiert.
Die vorliegende Anordnung betrifft Verbesserungen solcher Systeme, damit noch genauere und/oder wiederholbare Ergebnisse erzielt werden können.
Einem Aspekt der Erfindung zufolge wird ein Gerät zum Messen der Strömung eines Strömungsmittels geschaffen, bestehend aus einer Leitung mit einem Einlaß und einem Auslaß für das Strömungsmittel; einem Meßrohr innerhalb der Leitung; einem ersten und einem zweiten Wandler, die in der Leitung angeordnet sind, um einen ersten akustischen Weg durch das Meßrohr hindurch zu definieren, einer Schalteinrichtung, die es ermöglicht, daß jeder Wandler entweder zum Senden oder Empfangen eines Signals verwendet wird, um die Geschwindigkeit des Strömungsmittels durch das Meßrohr hindurch zu messen, und einem dritten Wandler für das Vorsehen einer Korrekturmessung zur Verwendung beim Korrigieren der durch den ersten und den zweiten Wandler bewirkten Strömungsmittel-Geschwindigkeitsmessung, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Wandler periodisch eingesetzt wird, um für ein von ihm aus gesendetes Signal die Zeit zu bestimmen, in der dieses zwei akustische Wege von ungleicher Gesamtlänge für Kalibrierungszwecke passiert, wobei zumindest eine reflektive Fläche dem dritten Wandler zugeordnet ist, um die zwei Wege von ungleicher Gesamtlänge vorzusehen.
Einem weiteren Aspekt der Erfindung zufolge wird ein Verfahren zum Messen der Strömungsmittelströmung durch eine Leitung hindurch angegeben, bei dem ein Signal von einem ersten Wandler durch den Strömungsweg des Strömungsmittels hindurch zum Empfang durch einen zweiten Wandler übermittelt wird; bei dem ferner die Wandler so geschaltet werden, daß die Übermittlung durch den zweiten Wandler zum Empfang durch den ersten Wandler möglich ist; bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels aus den Wandlersignal-Übertragungszeiten ermittelt wird; und bei dem eine Korrekturmessung durch Verwendung eines dritten Wandlers bewirkt wird, um die durch den ersten und zweiten Wandler bewirkte Strömungsmittel- Geschwindigkeitsmessung zu korrigieren, gekennzeichnet durch einen periodischen Einsatz des dritten Wandlers, um die Zeit zu bestimmen, die ein gesendetes Signal von ihm aus braucht, um zwei Wege von ungleicher Gesamtlänge für Kalibrierungszwecke zu passieren, sowie durch Verwendung mindestens einer reflektiven Fläche, um die beiden Wege von ungleicher Gesamtlänge vorzusehen.
Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt
Fig. 1 ein geeignetes Gehäuse für das erfindungsgemäße Gerät,
Fig. 2 einen Schnitt durch das Gehäuse nach Fig. 1 mit der Anordnung der Innenkomponenten,
Fig. 3 die Strömungskammer und Wandlerlagen im Detail,
Fig. 4 eine Sprengdarstellung der Anordnung nach Fig. 3,
Fig. 5 die Anordnung von Hilfswandler und Rohr im Detail,
Fig. 6 eine alternative Form des Hilfswandlers,
Fig. 7 Einzelheiten einer der Strömungsmessung zugeordneten elektronischen Schaltung, und
Fig. 8 Steuer- und Verarbeitungsschritte, die der Kalibrierung zugeordnet sind.
Die äußere Einrichtung nach Fig. 1, die für die vorliegende Gestaltung und für die in EP-A-0 479 434 offenbarte Anordnung geeignet ist, weist ein Gehäuse 10 auf, das eine Leitung 11 mit einem Strömungsmittel-Einlaß 13 und -Auslaß 14 enthält. Oberhalb der Leitung 11 befindet sich ein zweiter Teil 12 des Gehäuses 10 mit einer Batteriekammer, die über eine Platte 15 zugänglich ist, und enthält eine Schaltungsplatine 16, die die Elektronikteile für den Betrieb des Systems trägt. Ein Display 17 liefert eine Anzeige der Messung, und Schalter 18, 19 sehen eine Display-Auswahl vor.
Innerhalb der Leitung befindet sich ein Paar von Wandlern 36, 37 (siehe Fig. 2), die verwendet werden, um die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Leitung in einer Weise zu messen, die nachfolgend im Einzelnen beschrieben wird, und um z.B. als eine Meßvorrichtung zu agieren.
Die Wandler, die mit Ultraschallfrequenzen arbeiten, befinden sich in einer Strömungskammeranordnung 20 innerhalb der Leitung (siehe auch Fig. 3 und 4).
Diese Anordnung umfaßt zwei zylindrische Kammern 21, 22, die an einer zentralen runden Halterung 23 befestigt sind. Die Halterung trägt außerdem ein inneres, allgemein rohrförmiges Bauteil 40 koaxial zu den Kammern 21, 22.
Auf der äußeren Peripherie der Halterung 23 sind zwei O-Ringe 26, 27 (z.B. aus Gummi) angebracht, die eine Abdichtung bewirken, wenn sie im Gehäuse 11 eingebaut sind. Dies führt dazu, daß die Kammern 21 und 22 gegeneinander isoliert sind und der einzige Durchgang zwischen ihnen über das Rohr 40 vorgesehen ist. Das Rohr weist an jedem Ende scheibenförmige Erweiterungen 41 auf, und der Durchmesser der Bohrung des Rohres nimmt an jedem Ende im Bereich 42 zu, um Modifikationen des Strömungsmittel-Strömungsweges vorzusehen.
Die Kammern 21, 22 weisen je eine Anzahl runder Öffnungen 47 um ihre Peripherie herum auf, um Durchgänge für den Strömungsmitteleintritt und -austritt zu bilden.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, tritt das Strömungsmittel in das Meßsystem am Einlaß 13 ein und bewegt sich innerhalb der Gehäuseleitung 11 so, daß es um die Außenseite der Kammer 21 herum und von dort durch die Öffnungen 47 hindurch in die Kammer 21 gelangt. Das Strömungsmittel strömt dann weiter durch die Kammer 21 hindurch, wobei es über die scheibenförmigen Erweiterungen 41 und durch den geformten Bereich 42 des Rohres 40 hindurchströmt. Nach seinem Weg das Rohr 40 hinunter tritt das Strömungsmittel aus und gelangt über die Erweiterung 41 und nach außen durch die Öffnungen 47 in der Kammer 22 hindurch. Außerhalb dieser Kammer strömt das Strömungsmittel durch das Gehäuse und durch den Austritt 14 hindurch. Die Form des Rohres und die Durchgänge wirken als ein Labyrinth, um sowohl eine turbulente Strömung zu reduzieren als auch zu verhindern, daß Staub in das Meßrohr gelangt, der beispielsweise in einer häuslichen Gasversorgung vorhanden sein kann. Stattdessen tendiert der Staub dazu, sich unten im Gehäuse außerhalb der Kammer 21 abzusetzen.
Eine relativ enge Bohrungsabmessung im Rohr 40 verursacht eine Geschwindigkeitszunahme im Strömungsmittel, um sowohl die Sensitivität der Wandler zu erhöhen als auch jegliche Streustaubpartikel wegzuspülen.
Ein Hilfswandler 56 mit zugeordnetem Rohr 55 erstreckt sich innerhalb der Kammern 21, 22 durch diese hindurch und wird zu Kalibrierungszwecken verwendet, wie nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Das Rohr 55 weist poröse Endabschnitte 55a, 55b auf, um sehr kleinen Anteilen des Strömungsmittels die Möglichkeit zu geben, das Rohrinnere zu erreichen (z.B. wenige cm³). Sonst gibt es keine Passage für das Strömungsmittel zwischen den Kammern 21 und 22, außer über das Meßrohr 40. Die zentrale Halterung fungiert als Dichtung zwischen dem Rohr 55 und den Kammern 21 und 22.
Von der Kammer 21 erstreckt sich ein Wandlergehäuse 29, das den einen der Ultraschallwandler 37 enthält. Der Wandler ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich, von der Kammer 21 durch eine Scheidewand 45 getrennt. Somit ist der Wandler 37 am einen Ende einer Kammer 50 angeordnet, und die Scheidewand 45 befindet sich am anderen Ende der Kammer 50. Die Kammer ist mit akustischem Material 43 ausgekleidet, um unerwünschte Reflexionen bei Ultraschallfrequenzen zu vermeiden.
Die Scheidewand weist eine runde Öffnung 46 in Flucht mit dem Wandler auf, damit Ultraschallsignale durch das Rohr 40 hindurchgelangen können. Die Öffnung wird mit Gaze abgedeckt (siehe Fig. 4).
Die Ausstattung der Kammer 50 mit nur einer kleinen Öffnung ermöglicht es, daß nur allgemein parallele Wellen hindurchgelangen, anstatt ein divergenter Strahl. Die Anordnung des Wandlers 37 am fernen Ende der Kammer 50 unterstützt diese Aktion und mindert die Gefahr einer Staubverunreinigung des Wandlers. Die Kammer-Scheidewand trennt auch die Kammer vom Strömungsmittelweg.
Eine ähnliche Anordnung ist mit Gehäuse 28 und Kammer 53 mit Scheidewand 45 auch für den Wandler 36 vorgesehen. Die Öffnung 46 ist auch wieder vorgesehen. Dies ist notwendig, da jeder Wandler 36, 37 abwechselnd als Sender und Empfänger dient.
Die Wandler 36, 37 sind mit der elektronischen Schaltungsplatine über Drähte 32, 33 und den elektrischen Verbinder 48 verbunden. Der Hilfswandler 56 ist über einen Draht 57 am Verbinder 48 angeschlossen. Die Energiequelle für das System ist durch eine Batterie 35 vorgesehen.
Der Wandler 56 ist zusammen mit dem zugehörigen Rohr 55 im Einzelnen in Fig. 5 dargestellt.
Die Bohrung des Rohres ist sehr klein (z.B. 5 mm), im Vergleich zu der Bohrung des Meßrohres, und die porösen Endabschnitte 55a, 55b reichen gerade mal aus, damit ein kleiner Anteil des Strömungsmittels in das Rohr gelangen kann. Somit ist jede Strömung durch das Rohr 55 hindurch vernachlässigt, insbesondere dann, wenn sie mit der Strömung durch das Meßrohr 40 hindurch verglichen wird. Dies reicht jedoch aus, damit das Rohr 55 eine akkurate Probe des im Meßrohr 40 fließenden Strömungsmittels enthält. Der Draht 57 stellt ein Mittel dar für den Empfang und das Zurückleiten eines Signals von der Systemsteuerung.
Der Hilfswandler 56 ist so ausgelegt, daß er ein Signal das Rohr 55 hinunter zur Endreflektorfläche 54 übermittelt (eine Strecke Lx), welches Signal dann die Strecke Lx zurück reflektiert wird, was zusammen eine Gesamtstrecke von 2Lx ergibt. Ein ähnlicher Vorgang erfolgt unter Verwendung einer Doppelreflexion, wie nachfolgend beschrieben, und in diesem Fall beträgt die Gesamtstrecke zusammen 4Lx. Die flache Wandlerseite 56a wird bei diesem Betrieb verwendet. Der Zweck des Hilfswandlers und des Rohres besteht darin, einen Kalibrierungsmechanismus für das System vorzusehen, und zwar aus nachfolgend beschriebenen Gründen.
Bei einer Alternativ-Anordnung nach Fig. 6 ist der dritte Wandler 56 innerhalb der Kammer 22 vorgesehen. Die Halterung 23 ist bei dieser Ausführungsform Teil des Formstücks und schließt ein Teilstück 23a mit einer konkaven Fläche ein, die als ein Reflektor für den Wandler 56 dient. Ein Teilstück 54 der Wandler-Baugruppe neben dem Wandler dient ebenfalls als ein Reflektor, wie auch die Fläche des Wandlers 56 selbst. Die Wege der Signale werden wie bei der vorhergehenden Ausführungsform genutzt.
Das Vorsehen der Halterung als Teil des Formstücks ermöglicht die einstückige Ausbildung des Reflektors, beseitigt die Notwendigkeit von O-Ringen und reduziert den Raumbedarf für die Halterung, um genügend Raum für den Wandler 56 und die zugehörigen Wege zu ermöglichen, damit alle innerhalb der Kammer 22 untergebracht werden können. Dies beseitigt sogar eine leichte Passage von Strömungsmittel zwischen den Kammern 21 und 22 (anders als über die normale Route durch das Meßrohr hindurch).
Der Wandler und die Signalwege sind somit ganz getrennt von den Meßwandlern und dem Meßrohr 40, und das eliminiert Fehlersignale.
Die Bewegung von Strömungsmittel innerhalb der Kammer 22 beeinträchtigt nicht diese Messung, da der reflektive Weg eine Komponente mit und gegen jede Strömung hat und dies somit aufhebt.
Die Geschwindigkeit von Strömungsmittel durch die Kammer 22 hindurch wird in jedem Fall geringer sein als die Geschwindigkeit durch das Meßrohr 40 hindurch.
Bei dieser zweiten Ausführungsform wird die Strecke Lx die Strecke vom Wandler 56 zur Fläche 54 (über den Reflektor 23a) sein.
Die Strecke 2Lx wird diejenige sein, die vom Signal zurück auf dieser Route nach Reflexion am Wandler 56 zurückgelegt wird, d.h. das Signal, das eine einzige Reflexion erfuhr. Die Strecke 4Lx wird diejenige sein, die vom Signal zurückgelegt wird, das eine Doppelreflexion erfuhr.
Der Hilfswandler-Kalibrierungs- oder -Korrekturmechanismus ist aus folgenden Gründen vorgesehen:
Die Geschwindigkeit V von Gas, das im Haupt-Meßrohr strömt, kann errechnet werden aus den Zeiten, die die Ultraschallsignale für den Durchgang benötigen (eine Strecke L), und zwar in jeder Richtung, entsprechend der Geschwindigkeitsformel
Geschwindigkeit V = (L/2) * (T2 - T1)/(T1 * T2) (1),
wobei die Flugzeit in jeder Richtung T1 und T2 ist.
Fehler in den Werten T1 und T2 entstehen, weil es zusätzliche Zeitverzögerungen infolge elektronischer Schaltungsverzögerungen, der Trägheit der Wandler und Vieltypen- Ausbreitungseffekte im Meßrohr gibt. Die Trägheit der Wandler ist der Hauptverzögerungsfehler (im typischen Fall 80 % des Fehlers).
Die Subtraktion T2 - T1 wird all diese Fehler in diesem Teil der Gleichung beseitigen, da die Verzögerungen in beiden Richtungen konstant sein werden.
Das Produkt T1 * T2 wird nicht so leicht behandelt. Es trifft zu, daß, wenn das Meßrohr genügend lang ist, die Fehler aufgrund der obigen Verzögerungen so gering sind, daß sie ignoriert werden können. Bei kompakteren Konstruktionen wird dieser Fehler allerdings deutlicher. Wenn eine Genauigkeit bis wenige Prozent tolerierbar ist, dann kann sogar bei kompakten Konstruktionen ein fester Korrekturfaktor in die Berechnung eingeführt werden, um jeden Fehler zu reduzieren. Für andere Gase und für ausgedehnte Benutzungsperioden (d.h. Jahre) ist es jedoch besser, den vorliegenden Kalibrierungsmechanismus einzusetzen, der die Genauigkeit erhöht.
Daß T1 * T2 = (Tgl - Tsl - Tcl) * (Tg2 - T52 - Tc2)... (2)
ist, ist nicht hilfreich, wenn die Werte für Ts (System- und Wandlerverzögerung) und Tc (Kanal- und Vieltypen- Ausbreitungsverzögerung) nicht wirklich individuell gemessen werden können.
Durch Einsatz der Kalibrierungsschritte unter Verwendung des Hilfswandlers ist es jedoch möglich, den Wert von T1 * T2 zu bestimmen, weil
T1 * T2 annähernd = T² = L2/C2 ist, (3)
wobei C der Ausdruck ist, der sich auf die Schallgeschwindigkeitsmessung für ein gegebenes Strömungsmittel bezieht, und V klein ist in Bezug auf C, wie es in der Praxis der Fall ist, und T der Wert von T&sub1; (oder T&sub2;) ist, wenn V Null ist, d.h. wenn V = 0, T&sub1; =T&sub2; = T ist.
Die Schallgeschwindigkeit C eines Signals in einem Medium ist gegeben durch
C = D (4)
T
wobei D die Strecke ist, die von einem Signal zurückgelegt wird, und T die Zeit ist, in welcher das Signal unterwegs ist.
Im Falle der obigen Einzel- und Doppelreflexionen-Beispiele im Hinblick auf den dritten Wandler ist die wirkliche Zeit, um die Strecke 2Lx zurückzulegen, im Falle der Einzelreflexion Tp (2Lx), während im Falle einer Doppelreflexion die wirkliche Zeit, um die Strecke 4Lz zurückzulegen, Tp (4Lx) ist, wobei "wirkliche Zeit" die aktuelle Zeit ist, die das Signal im Strömungsmittel verbringt.
Tp (2Lx) = Tx&sub1; - Tsx (5)
Tp (4Lx) = Tx&sub2; - Tsx (6)
wobei Tx&sub1; die gemessene Laufzeit ist, um die Strecke 2Lx zurückzulegen, Tx&sub2; die Zeit ist, um die Strecke 4Lx zurückzulegen, und Tsx der Wandlersystem-Zeitverzögerungsfehler für diesen Wandler ist, welcher Fehler ähnlich den Ts&sub1; und Ts&sub2;- Fehlern für die Hauptwandler ist.
Tsx kann beseitigt werden durch Subtrahieren Tx2 von Tx, wie vorstehend für die Hauptwandler beschrieben, und somit ergibt sich unter Verwendung der Gleichung (4)
C = 4Lx - 2Lx/TX&sub2; - TX&sub1; (7)
=2Lx/Tx&sub2; - Tx&sub1; (8)
und schließlich
C² = (2Lx)²/[Tx&sub2; - Tx&sub1;]² (9)
Wir kommen in Kürze auf Gleichung (9) zurück.
Durch Einsatz des dritten Wandlers mit seiner eigenen Meßkammer oder -wegen und dadurch, daß ihm ein Signal in einer kontrollierten Weise zugesendet wird, ist es möglich, den Wert von T1 * T2 zu eliminieren, weil wir in Gleichung (9) bestimmt haben, daß C² = (2Lx/[Tx2 - Tx1]² ist, und somit ergibt sich bei Einsetzen der Gleichung (9) in Gleichung (3), um C zu beseitigen,
T1 * T2 = [Tx2 - Tx1]² * L²/4Lx², (10)
wobei Tx2 die Zeit ist, die das Signal vom Hilfswandler 56 braucht, um zum Endreflektor 54 und zurück zum Wandler und reflektiert an diesem zurück zum Reflektor 54 und zurück zum Wandler 56 zu gelangen (d.h. eine Strecke 4Lx). Eine Wegstrecke für das Signal, um einmal zum Reflektor 54 und zurück zu gelangen (d.h. eine Strecke 2Lx), ergibt den Zeitwert Tx1.
L ist die Wegstrecke in der Hauptwandler-Meßkammer 40 von Fig. 3.
Setzt man nun Gleichung (10) in Gleichung (1) ein, so kann T&sub1; * T&sub2; eliminiert werden, und daher die zugehörigen System- und Wandler-Verzögerungen, und somit erhält man
V = L/2 x [(T&sub2; - T&sub1;)4Lx&sub2;]/[(Tx&sub2; - Tx1)&sub2; L²] (11)
und schließlich
V = 2[(T&sub2; - T1/8) Lx&sub2;]/[L. (Tx2 - Tx1)²]
Das Kalibrierungssystem ist so eingerichtet, daß es Zeitfenster hat, um die verschiedenen reflektierten Signale zu empfangen, und die resultierende Berechnung von Gleichung (10) kann direkt für T1 * T2 in Gleichung (1) eingesetzt, und so können die Systemfehler beseitigt werden. Dadurch, daß die Berechnung in regelmäßigen Zeitabständen auf den neuesten Stand gebracht wird, können die Schallgeschwindigkeitswerte für jedes gegebene Strömungsmittel, das durch das System hindurchgelangt, angepaßt werden. So werden Strömungsmittel, die ihre Bestandteile ändern können, keine Probleme bereiten. Auch wird eine Abweichung in irgendeinem der Verzögerungsfaktoren über lange Zeitspannen (z.B. Jahre) ebenfalls ausgeglichen. Bei Verwendung der obigen Anordnung wurde eine Genauigkeit innerhalb 0,5 % erzielt.
Der Betrieb des Systems ist in Fig. 7 dargestellt. In diesem vereinfachten Diagramm sind die Wandler im Abstand L dargestellt. Der Hilfs- (Kalibrierungs-)wandler 56 ist im Abstand Lx von der reflektiven Endwand 54 dargestellt. Um zunächst den Betrieb der Hauptwandler zu beschreiben, so verwendet ein Sender/Empfänger-Block 60 den Wandler 36, um einen Signalstoß auszusenden, und nachdem dieser das Rohr 40 von Fig. 3 passiert hat, wird er vom Wandler 37 empfangen, der das Signal über den Block 60 zum Prozessor/Control 61 (im typischen Fall ein Mikroprozessor) weiterleitet. Die Laufzeit des Ultraschallsignals wird abhängig sein vom Abstand L und von der Geschwindigkeit des Gases. Eine Phasenumkehr-Markierung kann auf dem Signal vorgesehen werden, um die Flugzeit des Ultraschall- Signalstoßes genauer zu ermitteln. Der Wandlerbetrieb wird dann umgekehrt, und der Wandler 37 wird Sender. Die Laufzeit des Signalstoßes wird erneut errechnet. Der Zeitunterschied bezieht sich auf die Gasströmungsgeschwindigkeit.
Zum Kalibrieren wird ein Sender/Empfängerblock 64, der ebenfalls im typischen Fall ein Signal mit der Phasenumkehr- Markierung verwendet, periodisch eingesetzt, um den Wandler 56 zu erregen. Der Einsatz könnte alle 20 Sekunden erfolgen (da demgegenüber die Hauptwandlermessungen beispielsweise alle 2 Sekunden stattfinden). Beim Aussenden des Signalstoßes wird die Zeit, um die erste Reflexion zu empfangen, gemessen, und die Zeitdauer, wann die zweite Reflexion erwartet werden kann, wird im Prozessor 61 errechnet, um ein Zeitfenster für Empfang vorzusehen (um ermittelte unerwünschte Reflexionen zu eliminieren), wenn ein weiterer Stoß gesendet wird.
Diese ermittelten Zeitwerte, die abhängig sind vom Abstand Lx und vom Gasgehalt, werden dem Prozessor/Control 61 zugeführt, um Werte zu errechnen, die bei der Volumenbestimmung verwendet werden. Somit beseitigt die Messung effektiv die Unbekannten, einschließlich System- (d.h. Elektronik- und Vieltypeffekte-) und Wandlerverzögerungen, damit sich eine genaue Messung der Schallgeschwindigkeit im Medium ergibt. Die Doppelübertragungsschritte bei Verwendung des gleichen Wandlers machen dies möglich. Da der Abstand L zwischen den Hauptwandlern bekannt ist, können die notwendigen Werte errechnet und Volumen und Verbrauch von Gas akkumuliert werden. Ergebnisse können einem Display 62 zugeführt werden. Der Kalibrierungsfaktor kann innerhalb des Blocks 61 gespeichert und, wenn notwendig, periodisch auf den neuesten Stand gebracht werden. Die Steuerund Verarbeitungsschritte, die dem Kalibrierungssystem zugeordnet sind, sind in Fig. 8 dargestellt.

Claims

1. Gerät zum Messen der Strömung eines Strömungsmittels, bestehend aus einer Leitung (11) mit einem Einlaß (13) und einem Auslaß (14) für das Strömungsmittel; einem Meßrohr (40) innerhalb der Leitung; einem ersten und einem zweiten Wandler (36, 37), die in der Leitung (11) angeordnet sind, um einen ersten akustischen Weg durch das Meßrohr (40) hindurch zu definieren, einer Schalteinrichtung (60), die es ermöglicht, daß jeder Wandler (36, 37) entweder zum Senden oder Empfangen eines Signals verwendet wird, um die Geschwindigkeit des Strömungsmittels durch das Meßrohr (40) hindurch zu messen, und einem dritten Wandler (56) für das Vorsehen einer Korrekturmessung zur Verwendung beim Korrigieren der durch den ersten und den zweiten Wandler (36, 37) bewirkten Strömungsmittel-Geschwindigkeitsmessung, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Wandler (56) periodisch eingesetzt wird, um die Zeit für ein von ihm aus gesendetes Signal zu bestimmen, damit dieses zwei akustische Wege von ungleicher Gesamtlänge für Kalibrierungszwecke passiert, wobei zumindest eine reflektive Fläche (54) dem dritten Wandler (56) zugeordnet ist, um die zwei Wege von ungleicher Gesamtlänge vorzusehen.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren akustischen Wege vom ersten akustischen Weg innerhalb des Meßrohres (40) getrennt sind.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren akustischen Wege innerhalb einer Kammer (21, 22) vorgesehen sind, die einen verengten Ein- und Auslaß aufweist, damit nur ein kleiner Teil des Strömungsmittels zur Kalibrierungs-Korrektur relativ zum Meßrohr (40) verwendet werden kann.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (21, 22) die reflektive Fläche (54) an dem dem dritten Wandler abgelegenen Ende enthält.

5. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren akustischen Wege innerhalb einer Kammer (21, 22) mit einer Vielzahl von reflektiven Flächen (54) vorgesehen sind, damit die akustischen Wege innerhalb eines relativ kleinen Bereiches vorgesehen sind.

6. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Recheneinrichtung (61) vorgesehen ist, um einen Kalibrierungs-Korrekturwert zu liefern, der abhängig ist von der Differenz der Zeiten, die ein Signal vom dritten Wandler (56) zur reflektiven Fläche auf mehr als einer Reise braucht.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (61) so ausgelegt ist, daß sie entsprechende Zeitfenster (bzw. -kanäle) für den Empfang eines Signals festlegt, um die Ermittlung von unerwünschten reflektierten Signalen zu vermeiden.

8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (61) so ausgelegt ist, daß sie die Korrektur zu weniger häufigen Intervallen als denen der Geschwindigkeitsmessung ausführt.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (21, 22) innerhalb der Leitung (11) in einer Position parallel zum Meßrohr (40) vorgesehen ist.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (21, 22) und das Meßrohr (40) mit jeweils einem ersten und zweiten Teilstück innerhalb separater Teilstücke der Leitung (11) enthalten sind, die dem Einlaß (13) bzw. dem Auslaß (14) des Strömungsmittels zugeordnet sind.

11. Verfahren zum Messen der Strömungsmittelströmung durch eine Leitung (11) hindurch, bei dem ein Signal von einem ersten Wandler (36) durch den Strömungsweg des Strömungsmittels hindurch zum Empfang durch einen zweiten Wandler (37)

übermittelt wird; bei dem ferner die Wandler (36, 37) so geschaltet werden, daß die Übermittlung durch den zweiten Wandler (37) zum Empfang durch den ersten Wandler (36) möglich ist; bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels aus den Wandlersignal-Übertragungszeiten ermittelt wird; und bei dem eine Korrekturmessung durch Verwendung eines dritten Wandlers (56) bewirkt wird, um die durch den ersten und zweiten Wandler (36, 37) bewirkte Strömungsmittel- Geschwindigkeitsmessung zu korrigieren, gekennzeichnet durch einen periodischen Einsatz des dritten Wandlers, um die Zeit zu bestimmen, die ein gesendetes Signal von ihm aus braucht, um zwei Wege von ungleicher Gesamtlänge für Kalibrierungszwecke zu passieren, sowie durch Verwendung mindestens einer reflektiven Fläche (54), um die beiden Wege von ungleicher Gesamtlänge vorzusehen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kalibrierungs-Korrekturwert, abhängig von der Differenz der Zeiten, die ein Signal braucht, um vom dritten Wandler (56) zu mindestens einer reflektiven Fläche (54) auf mehr als einer Reise zu gelangen, errechnet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Berechnungsschritt das Vorsehen eines entsprechenden Zeitfensters für den Empfang eines Signals einschließt, um die Ermittlung von unerwünschten reflektierten Signalen zu vermeiden.