DE69400296T2 - Method and device for measuring the flow in partially or completely filled pipes and in open channels - Google Patents

Method and device for measuring the flow in partially or completely filled pipes and in open channels

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DE69400296T2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Volumenstroms (Durchflusses) einer Flüssigkeit, die turbulent durch ein Gerinne oder einen Kanal fließt, der ganz oder nur teilweise gefüllt sein kann.The invention relates to a method and a device for determining the volume flow (flow) of a liquid that flows turbulently through a channel or a channel that can be completely or only partially filled.

Gewisse Verfahren und Vorrichtungen zur Messung des Volumenstroms sind in den folgenden Dokumenten beschrieben:Certain methods and devices for measuring volume flow are described in the following documents:

EP-A-0278671 beschreibt ein System, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit an einem einzigen Punkt innerhalb der Strömung des Rücklaufsystems eines Bohrförderturms gleichzeitig mit einer Höhenmessung des Materials gemessen wird. Diese Signale werden mit Hilfe von Mikroprozessoren 41, 45 über eine Schnittstelle 47 an einen Zentralcomputer 14 geschickt, der die verschiedenen Parameter der Leitung speichert und den Durchfluß aufgrund der Messungen und der gespeicherten Parameter berechnet. Bei schwimmendem Bohrturm müssen die Messungen wiederholt werden, um Momentanwerte des Durchflusses zu erhalten, und diese werden über die Zeit gemittelt (vergl. Seite 15, linke Spalte).EP-A-0278671 describes a system in which the flow velocity is measured at a single point in the flow of the return system of a drilling rig, simultaneously with a height measurement of the material. These signals are sent by means of microprocessors 41, 45 via an interface 47 to a central computer 14, which stores the various parameters of the line and calculates the flow based on the measurements and the stored parameters. In the case of a floating drilling rig, the measurements must be repeated to obtain instantaneous values of the flow and these are averaged over time (see page 15, left column).

Die Kurzfassung des japanischen Patents Vol 15, no 462 (P-1279) 22.Nov.1991 & JP-A-031 97822 zeigt ein Verfahren, bei dem Meßwerte der Geschwindigkeit an vielen Punkten in einer Leitung in einen Computer eingegeben werden, der mit einem Modell der Leitung programmiert ist. Der Computer berücksichtigt die Turbulenz in der Leitung, um einzelne Fließgeschwindigkeiten an den Punkten für die Anzeige zu berechnen.The abstract of Japanese Patent Vol 15, no 462 (P-1279) 22.Nov.1991 & JP-A-031 97822 shows a method in which measured values of the velocity at many points in a pipe are entered into a computer programmed with a model of the pipe. The computer takes into account the turbulence in the pipe to calculate individual flow velocities at the points for display.

Die Kurzfassung des japanischen Patents Vol 8, no 72 (P-265) 4. April 1984 & JP- A-58218616 gilt für eine Geschwindigkeitsmessung an einem Punkt der Strömung und eine Wasserstandsmessung. DE-A-293501 5 gilt für eine Wasserstandsmessung und die Speicherung einer charakteristischen Kurve eines Flusses und des Wasserstandes in einem Computer. Geschwindigkeiten scheinen nicht gemessen zu werden.The abstract of the Japanese patent Vol 8, no 72 (P-265) 4 April 1984 & JP- A-58218616 applies to a speed measurement at a point of the flow and a water level measurement. DE-A-293501 5 applies to a water level measurement and the storage of a characteristic curve of a river and the water level in a computer. Speeds do not appear to be measured.

Andere vorbekannte Verfahren und Systeme werden weiter unten in Kap. 3 beschrieben.Other previously known methods and systems are described below in Chapter 3.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens und einer Vorrichtung, bei denen umfangreiche Feldkalibrierungen vermieden werden, die auf der Grundlage eines Minimums von Feldmessungen eine Bestimmung erlaubt, aber die gleichzeitig eine erhöhte Genauigkeit bereitstellt.The object of the invention is to provide an improved method and device which avoids extensive field calibrations, which allows a determination based on a minimum of field measurements, but which at the same time provides increased accuracy.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Vorrichtung gemäß Anspruch 21.This object is achieved by the method according to claim 1 and the device according to claim 21.

Die Erfindung wird mit Bezug auf die folgenden Abbildungen beschrieben:The invention is described with reference to the following figures:

FIG. 1: Schematische Darstellung des Durchflußmeßsystems CSLMEFIG. 1: Schematic representation of the flow measuring system CSLME

FIG. 2: Geschwindigkeitsverteilungen in einem Trapezgerinne für zwei verschiedene Durchflüsse (Quelle: Varwick, F.: Zur Fließformel für offene künstliche Gerinne, Dissertation TH Dresden, Dresden 1944)FIG. 2: Velocity distributions in a trapezoidal channel for two different flows (Source: Varwick, F.: On the flow formula for open artificial channels, dissertation TH Dresden, Dresden 1944)

FIG. 3: Beispielhafte Sensoranordnung in einem kreisprofil in Längs- und QuerschnittFIG. 3: Example sensor arrangement in a circular profile in longitudinal and cross section

FIG. 4: Alternative Sensoranordnung in offenen GerinnenFIG. 4: Alternative sensor arrangement in open channels

Eine Verkörperung der Erfindung umfaßt das Meßsystem CSLME ("Zentrale Simulation - Lokale Messung und Auswertung") zur Bestimmung von Durchflüssen von Fluiden in teil- oder vollgefüllten Rohrleitungen und in offenen Gerinnen (im folgenden Durchfluß bei Teilfüllung genannt). Das System CSLME ist eine Technik zur genauen Durchflußmessung unter Verwendung von liniengemittelten oder punktförmigen Geschwindigkeitsmessungen. Es wird keine Kalibrierung über Geschwindigkeitsmessungen mit netzartig angeordneten Meßpunkten benötigt, das CSLME System basiert auf der numerischen Simulation von turbulenten Geschwindigkeitsverteilungen in beliebigen Querschnitten. Das CSLME System ist in der FIG. 1 schematisch dargestellt und besteht ausOne embodiment of the invention comprises the CSLME measuring system ("Central Simulation - Local Measurement and Evaluation") for determining the flow of fluids in partially or fully filled pipelines and in open channels (hereinafter referred to as flow when partially filled). The CSLME system is a technique for precise flow measurement using line-averaged or point-like velocity measurements. No calibration is required using velocity measurements with network-like measuring points; the CSLME system is based on the numerical simulation of turbulent velocity distributions in any cross-section. The CSLME system is shown schematically in FIG. 1 and consists of

einem zentralen Simulationssystem CS, das ein numerisches Modell und einen leistungsfähigen Computer enthälta central simulation system CS, which contains a numerical model and a powerful computer

lokalen Meß- und Auswertesystemen LME, das Vorrichtungen zur Messung des Fluidspiegels oder der Druckhöhe und Geschwindigkeiten enthält, einschließlich der Vorrichtungen zur Meßwertauswertung undlocal measurement and evaluation systems LME, which contain devices for measuring the fluid level or pressure head and speeds, including the devices for evaluating measured values and

Vorrichtungen zur Datenspeicherung als Schnittstelle zwischen CS und LME Systemen.Data storage devices as an interface between CS and LME systems.

Einzelheiten zur technischen Verwirklichung dieser Komponenten sind in Kapitel 5 aufgeführt. Der Begriff "Fluidspiegel" definiert die Phasengrenzfläche zwischen dem Fluid, dessen Durchfluß gemessen werden soll und einem darüberliegenden Fluid mit wesentlich geringerer Dichte. Der Einfachheit halber wird im folgenden der Begriff Fluidspiegel durch den anschaulicheren Begriff "Wasserspiegel" ersetzt. Der Begriff "Wasserspiegel" wird auch dann verwendet, wenn der Durchfluß nicht für Wasser bestimmt werden soll.Details on the technical implementation of these components are given in Chapter 5. The term "fluid level" defines the phase boundary between the fluid whose flow is to be measured and an overlying fluid with a much lower density. For the sake of simplicity, the term fluid level is replaced in the following by the more descriptive term "water level". The term "water level" is also used when the flow is not to be determined for water.

verwendet nicht in der Strömung angebrachte bewegliche Teile unduses moving parts not installed in the flow and

erfordert Geschwindigkeitsmessungen.requires speed measurements.

Eine weiter Einteilung ist möglich in Bezug auf den Ort der Geschwindigkeitsmessungen:A further classification is possible with regard to the location of the speed measurements:

2.2.1. Messung der mittleren Querschnittsgeschwindigkeit2.2.1. Measurement of the average cross-sectional velocity

Dies sind integrale Meßverfahren, die als Meßsignal direkt die flächengemittelte Strömungsgeschwindigkeit im Querschnitt liefern. Zum Einsatz kommen hier elektromagnetische Durchflußmeßsysteme, bei denen im Abflußquerschnitt ein genau definiertes Magnetfeld erzeugt wird. Die flächenhafte Geschwindigkeit und damit auch der Durchfluß kann direkt aus der Meßspannung berechnet werden.These are integral measuring methods that directly deliver the area-averaged flow velocity in the cross-section as a measuring signal. Electromagnetic flow measuring systems are used here, in which a precisely defined magnetic field is generated in the discharge cross-section. The area-wide velocity and thus also the flow can be calculated directly from the measuring voltage.

Der Vorteil dieses Meßverfahrens besteht darin, daß die Durchflußmessung weitgehend unabhängig von der Geschwindigkeitsverteilung im Querschnitt ist. Deshalb sind die Anforderungen an die gleichförmige Strömung und die Positionierung longitudinal im Rohr oder Gerinne sehr niedrig. Die erzielbare Genauigkeit dieses Durchflußmeßverfahrens ist hoch. Voraussetzung ist eine Mindestleitfähigkeit des Fluids, die beispielsweise bei Benzin oder Erdöl nicht gegeben ist. Nachteilig sind der hohe meßtechnische Aufwand der Vorrichtung und die starke Abhängigkeit von der Profilgeometrie. Für jede Profilart und jede Profilgröße ist die Konstruktion und der Bau von eigenen Meßrohren oder Meßgerinnen notwendig. Bei großen Profilen, insbesondere bei offenen Gerinnen, nimmt der technische Aufwand für die Erzeugung des Magnetfeldes und den Einbau der Meßvorrichtung sehr stark zu.The advantage of this measuring method is that the flow measurement is largely independent of the speed distribution in the cross-section. Therefore, the requirements for uniform flow and positioning longitudinally in the pipe or channel are very low. The achievable accuracy of this flow measuring method is high. The prerequisite is a minimum conductivity of the fluid, which is not the case with petrol or petroleum, for example. The disadvantages are the high measurement complexity of the device and the strong dependence on the profile geometry. For each profile type and each profile size, the design and construction of separate measuring tubes or measuring channels is necessary. For large profiles, especially for open channels, the technical complexity for generating the magnetic field and installing the measuring device increases significantly.

2.2.2. Liniengemittelte oder punktförmige Geschwindigkeitsmessung2.2.2. Line-averaged or point-based speed measurement

Bei diesen Durchflußmeßverfahren wird die Strömungsgeschwindigkeit entweder als Mittel entlang einer definierten Meßstrecke innerhalb des Abflußquerschnitts gemessen ("Linienmethode") oder als punktförmiger Wert an einem genau definierten Ort innerhalb des Querschnittes (kleines Kontrollvolumen). Aus dieser liniengemittelten oder punktförmigen Geschwindigkeitsmessung wird auf die mittlere Querschnittsgeschwindigkeit geschlossen. Im Gegensatz zu den bisher genannten Meßverfahren erfordern diese Verfahren prinzipiell ein geeignetes Auswerteverfahren und die Geschwindigkeitsverteilung im Querschnitt muß bekannt sein.In these flow measurement methods, the flow velocity is measured either as an average along a defined measuring section within the flow cross-section (“line method”) or as a point value at a precisely defined location within the cross-section (small control volume). The average cross-sectional velocity is determined from this line-averaged or point-like velocity measurement. In contrast to the previously mentioned measurement methods, these methods basically require a suitable evaluation method and the velocity distribution in the cross-section must be known.

Nachteilig an diesen Verfahren ist deshalb, daß genaue Durchflußmessungen nur dann möglich sind, wenn die Geschwindigkeitsverteilung im Querschnitt mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist. Wenn nur geringe Kenntnisse oder keine aus den liniengemittelten oder punktförmigen Geschwindigkeitsmessungen ermittelt werden können, nur sehr geringe Genauigkeit. Der Vorteil hingegen besteht darin, daß der meßtechnische Aufwand einer liniengemittelten und vor allem einer punktförmigen Geschwindigkeitsmessung sehr viel geringer ist verglichen mit Verfahren, in denen Messungen der mittleren Querschnittsgeschwindigkeiten verwendet werden. Insbesondere ist bei punkiförmigen Geschwindigkeitsmessungen der Aufwand der Vorrichtung nahezu unabhängig von der Profilgröße und es ist leicht, das Verfahren auf unterschiedliche Profilarten und Profilgrößen anzuwenden.The disadvantage of these methods is that accurate flow measurements are only possible if the velocity distribution in the cross-section is known with sufficient accuracy. If there is little knowledge or none at all that can be determined from the line-averaged or point-like velocity measurements, the accuracy is very low. The advantage, however, is that the measurement effort required for a line-averaged and especially a point-like velocity measurement is much lower compared to methods in which measurements of the average cross-sectional velocities are used. In particular, with point-like velocity measurements, the effort required for the device is almost independent of the profile size and it is easy to apply the method to different profile types and profile sizes.

3. Unterschiede des Systems CSLME zu existierenden Durchflußmeßverfahren mit liniengemittelter oder punktförmiger Geschwindigkeitsmessung.3. Differences between the CSLME system and existing flow measurement methods with line-averaged or point-based velocity measurement. 3.1. Verfahren, die auf vollständig gefüllte Gerinne beschränkt sind und Messungen der Geschwindigkeitsverteilung verwenden3.1. Methods limited to completely filled channels and using measurements of the velocity distribution

Bisher wurden Durchflußmeßverfahren, basierend auf liniengemittelten oder punktförmigen Geschwindigkeitsmessungen, hauptsächlich nur in vollgefüllten Rohren verwendet. Zum Beispiel ist aus US 5,186,150 ein Meßverfahren bekannt, welches nur auf vollgefüllte Rohrleitungen anwendbar ist und bei dem punktförmige Geschwindigkeitsmessungen verwendet werden. Das Verfahren nach US 5,186,150 erfordert, daß für jede Berechnung des Durchflusses die gesamte Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des Querschnitts gemessen wird, was durch die Wiederholung vieler punktförmiger Geschwindigkeitsmessungen an verschiedenen Orten im Querschnitt erreicht wird. Im Gegensatz dazu ist das neue Durchflußmeßverfahren CSLME nicht nur auf vollgefüllte Rohrleitungen beschränkt und die Bestimmung der Geschwindigkeitsverteilung im Querschnitt erfordert keine Wiederholung von Geschwindigkeitsmessungen an verschiedenen Orten im Querschnitt. Dagegen erfordert das CSLME Verfahren nur die Messung des Wasserspiegels und einer einzigen lokalen Geschwindigkeit an einem beliebigen Ort in dem Querschnitt Diese beiden Meßwerte sind ausreichend, um den Abfluß sehr genau zu berechnen, wenn man das CSLME Verfahren verwendet. Dies wird später erklärt werden.Up to now, flow measurement methods based on line-averaged or point-shaped velocity measurements have mainly been used only in full pipes. For example, a measuring method is known from US 5,186,150 which is only applicable to full pipes and in which point-shaped velocity measurements are used. The method according to US 5,186,150 requires that for each calculation of the flow the entire velocity distribution within the cross-section is measured, which is achieved by repeating many point-shaped velocity measurements at different locations in the cross-section. In contrast, the new flow measurement method CSLME is not limited to full pipes and the determination of the velocity distribution in the cross-section does not require repeating velocity measurements at different locations in the cross-section. In contrast, the CSLME method only requires the measurement of the water level and a single local velocity at any location in the cross-section. These two measurements are sufficient to calculate the discharge very accurately when using the CSLME method. This will be explained later.

3.2. Verfahren, die nicht auf vollständig gefüllte Rohrleitungen beschränkt sind und keine Messungen der Geschwindigkeitsverteilung verwenden3.2. Methods not restricted to fully filled pipes and not using velocity distribution measurements

Bekannt sind einige weitere Durchflußmeßverfahren, die nur auf vollgefüllte Rohrleitungen beschränkt sind, die jedoch keine Geschwindigkeitsmessungen an vielen verschiedenen Orten im Querschnitt erfordern. Anstelle die Geschwindigkeitsverteilung zu messen, wird bei diesen Verfahren eine Geschwindigkeitsverteilung angenommen, die einer stationären gleichförmigen Strömung entspricht. Deshalb wird bei der Anwendung dieses Verfahrens die Messung der Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des Querschnitts ersetzt durch die Annahme eines gut definierten Strömungszustandes. Jedoch existiert die angenommene annähernd stationäre gleichförmige Strömung nur in Rohrabschnitten, in denen Änderungen in der Geschwindigkeitsverteilung entlang der Fließrichtung sehr klein sind. Insbesondere unmittelbar oberstrom der Meßstation sollten Störungen der Geschwindigkeitsverteilungen (verursacht zum Beispiel durch Krümmer, Abstürze, Einleitungen oder Ausleitungen usw.) vermieden werden. Der Nachteil dieser Verfahren besteht deshalb darin, daß längere gerade Rohr- oder Gerinneabschnitte oberstrom und unterstrom der Meßstationen erforderlich sind, in denen keine Störungen der Geschwindigkeitsverteilungen erlaubt sind. Sogar für stationäre gleichförmige Strömung bei Vollfüllung ist bisher die Kenntnis der turbulenten Geschwindigkeitsverteilungen üblicherweise nur für Kreisprofile mit genügender Genauigkeit verfügbar. Dagegen ist besonders für nicht kreisförmige Querschnitte komplexer Geometrie nur sehr wenig über die turbulenten Geschwindigkeitsverteilungen bekannt, sogar wenn es sich um eine stationäre gleichförmige Strömung bei Vollfüllung handelt. Deshalb sind die bisher bekannten Durchflußmeßverfahren, die liniengemittelte oder punktförmige Geschwindigkeitsmessungen verwenden, fast vollständig auf kreisförmige Profile bei Volfüllung beschränkt, falls die gesamte Geschwindigkeitsverteilung nicht direkt durch Geschwindigkeitsmessungen an verschiedenen Orten im Querschnitt bestimmt wird.Some other flow measurement methods are known that are only limited to fully filled pipes, but do not require velocity measurements at many different locations in the cross-section. Instead of measuring the velocity distribution, these methods assume a velocity distribution that corresponds to a stationary, uniform flow. Therefore, when using this method, the measurement of the velocity distribution within the cross-section is replaced by the assumption of a well-defined flow state. However, the assumed approximately stationary, uniform flow only exists in pipe sections in which changes in the velocity distribution along the flow direction are very small. In particular, immediately upstream of the measuring station, disturbances to the velocity distribution (caused, for example, by bends, drops, inlets or outlets, etc.) should be avoided. The disadvantage of these methods is that longer straight pipe or channel sections are required upstream and downstream of the measuring stations, in which no disturbances of the velocity distributions are permitted. Even for stationary uniform flow at full filling, knowledge of the turbulent velocity distributions is usually only available with sufficient accuracy for circular profiles. In contrast, very little is known about the turbulent velocity distributions, especially for non-circular cross-sections of complex geometry, even when it is a stationary uniform flow at full filling. Therefore, the flow measurement methods known to date, which use line-averaged or point-like velocity measurements, are almost completely limited to circular profiles at full filling, unless the entire velocity distribution is directly determined by velocity measurements at different locations in the cross-section.

Für kreisförmige Rohre mit Vollfüllung sind Durchflußmeßverfahren bekannt. Die Genauigkeit dieser Verfahren ist gut genug, da man in kreisförmigen Profilen die Lage der Linienmessung im liniengemittelten Geschwindigkeitsmeßverfahren mit der speziellen Bedingung wählen kann, daß der Wert der liniengemittelten Geschwindigkeit unabhängig vom Durchfluß näherungsweise der mittleren Geschwindigkeit des kreisförmigen Rohrquerschnitts entspricht, wenn die Strömung näherungsweise stationär und gleichformig ist. Es gibt Verfahren, die diese Effekte nutzen und spezielle Meßpfade oder spezielle Orte im Querschnitt zur Messung lokaler Geschwindigkeiten auswählen. In diesen speziellen Fällen ist ein weiteres Auswerteverfahren entbehrlich. Deshalb zeichnen sich die bisher eingesetzten Vefahren, die nicht die Messung der gesamten Geschwindigkeitsverteilung im Querschnittt verwenden, durch folgende Eigenschaften aus:Flow measurement methods are known for circular pipes that are fully filled. The accuracy of these methods is good enough because in circular profiles the position of the line measurement in the line-averaged velocity measurement method can be selected with the special condition that the value of the line-averaged velocity, independent of the flow, approximately corresponds to the average velocity of the circular pipe cross-section when the flow is approximately stationary and uniform. There are methods that use these effects and select special measuring paths or special locations in the cross-section to measure local velocities. In these special cases, a further evaluation method is unnecessary. Therefore, the methods used so far, which do not use the measurement of the entire velocity distribution in the cross-section, are characterized by the following properties:

Es werden bevorzugt liniengemittelte Geschwindigkeitsmessungen eingesetzt.Line-averaged speed measurements are preferred.

Die Position der Geschwindigkeitsmessung ist genau definiert und liegt vor der Messung fest.The position of the speed measurement is precisely defined and is fixed before the measurement.

Es wird nur eine minimale Meßwertauswertung vorgenommen.Only a minimal evaluation of the measured values is carried out.

Eine Übertragung dieses Meßprinzips auf teilgefüllte Gerinne ist kaum möglich, da die Lage der Meßstrecke, entlang der die mittlere Liniengeschwindigkeit der mittleren Querschnittsgeschwindigkeit entspricht, nicht mehr konstant ist, sondern sich mit dem Wasserspiegel ändert.It is hardly possible to transfer this measuring principle to partially filled channels, since the position of the measuring section along which the average line velocity corresponds to the average cross-sectional velocity is no longer constant, but changes with the water level.

3.3. Verfahren, die für den Durchfluß in teilgefüllten Gerinnen anwendbar sind und Messungen der Geschwindigkeitsverteilung verwenden3.3. Methods applicable to flow in partially filled channels using velocity distribution measurements

Durchflußmeßverfahren, die liniengemittelte oder punktförmige Geschwindigkeitsmessungen verwenden, sind auch für die Anwendung in offenen Gerinnen bekannt. Diese Techniken basieren auf dem Verhältnis der mittleren Querschnittsgeschwindigkeit vm zur lokalen Geschwindigkeit vL. Dieses Verhältnis wird mit Hilfe einer oder mehrerer Kalibrierungen bestimmt. Ein Meßverfahren dieser Art ist zum Beispiel bekannt aus DE4016529C1. Während der Kalibrierung wird die Geschwindigkeitsverteilung durch Messung der lokalen Geschwindigkeiten an vielen Orten bestimmt. Diese Orte definieren das Meßnetz. Diese Technik ist bekannt als "Kalibrierung unter Verwendung von netzartig angeordneten Meßpunkten".Flow measurement methods that use line-averaged or point-like velocity measurements are also known for use in open channels. These techniques are based on the ratio of the mean cross-sectional velocity vm to the local velocity vL. This ratio is determined using one or more calibrations. A measurement method of this type is known, for example, from DE4016529C1. During calibration, the velocity distribution is determined by measuring the local velocities at many locations. These locations define the measurement network. This technique is known as "calibration using network-like measuring points".

3.4. Verfahren, die für den Durchfluß in teilgefüllten Gerinnen anwendbar sind und Messungen der Geschwindigkeitsverteilung nicht verwenden3.4. Methods applicable to flow in partially filled channels and not using velocity distribution measurements

Diese Verfahren benötigen ebenfalls die Kenntnis des Verhältnisses vm/vL, aber im Gegensatz zu den in Kapitel 3.3 erklärten Verfahren wird der Wert Vm/VL nicht durch Kalibrierung bestimmt. Zum Beispiel ist aus US4.202,211 ein Verfahren bekannt, in dem überall vm=vL angenommen wird, das bedeutet vm/vL=1.0. Jedoch sind, wie FIG. 2 zeigt, lokale Geschwindigkeiten vL und mittlere Querschnittsgeschwindigkeiten vm nur für bestimmte Orte im Querschnitt gleich, sogar auch dann, wenn die Voraussetzung einer stationären gleichförmigen Strömung gegeben ist. Darüberhinaus sind diese Orte im Gegensatz zum vollgefüllten Kreisprofil nicht stationär (vergleiche Kapitel 3.2), sondern verändern sich insbesondere in Abhängigkeit vom Wasserspiegel. Wenn im Gegensatz dazu die Orte, an denen Geschwindigkeitsmessungen durchgeführt werden, unverändert bleiben, wird das Verhältnis vm/vL vom Wasserspiegel abhängig sein. Da jedoch in U54,202,211 ein konstantes Verhältnis von vm/vL=1.0 unabhängig vom Wasserspiegel angenommen und keine Empfehlung für variable Positionen der lokalen Geschwindigkeitsmessungen gegeben wird, ist die Genauigkeit dieses Durchflußmeßverfahrens nur gering.These methods also require knowledge of the ratio vm/vL, but in contrast to the methods explained in Chapter 3.3, the value Vm/VL is not determined by calibration. For example, a method is known from US4.202,211 in which vm=vL is assumed everywhere, which means vm/vL=1.0. However, as FIG. 2 shows, local velocities vL and mean cross-sectional velocities vm are only equal for certain locations in the cross-section, even if the assumption of a stationary uniform flow is met. Moreover, in contrast to the fully filled circular profile, these locations are not stationary (see Chapter 3.2), but change in particular depending on the water level. In contrast, if the locations at which velocity measurements are carried out remain unchanged, the ratio vm/vL will depend on the water level. However, since in U54,202,211 a constant ratio of vm/vL=1.0 is assumed independent of the water level and no recommendation is given for variable positions of the local velocity measurements, the accuracy of this flow measurement method is only low.

Das neue Durchflußmeßverfahren CSLME hat diesen Nachteil nicht. CSLME ist ein neues Durchflußmeßverfahren, das unter Verwendung von liniengemittelten oder punktförmigen Geschwindigkeitsmessungen auf Rohrleitungen mit Vollfüllung und auf teilgefüllte Gerinne mit gleicher Genauigkeit angewendet werden kann. CSLME erfordert keine Messungen von Geschwindigkeitsverteilungen. Das entscheidende Charakteristikum von CSLME ist, daß weder eine Kalibrierung noch eine Messung mit netzartig angeordneten Meßpunkten erforderlich ist. Die Messung einer einzigen lokalen Geschwindigkeit an einem beliebigen Ort im Querschnitt ist ausreichend, um den Durchfluß zu bestimmen. Mit CSLME wird das Verhältnis vmlvl nicht durch Kalibrierungen unter Verwendung von Messungen mit netzartig angeordneten Meßpunkten bestimmt, sondern durch eine numerische Simulation der turbulenten Geschwindigkeitsverteilung, die von den charakteristischen hydraulischen Parametern Wassertiefe, Profiltyp, Gefälle usw. abhängt.The new flow measurement method CSLME does not have this disadvantage. CSLME is a new flow measurement method that can be applied to fully filled pipelines and to partially filled channels with the same accuracy using line-averaged or point-shaped velocity measurements. CSLME does not require measurements of velocity distributions. The key characteristic of CSLME is that neither calibration nor measurement with grid-like measuring points is required. The measurement of a single local velocity at any location in the cross-section is sufficient to determine the flow. With CSLME, the ratio vmlvl is not determined by calibrations using grid-like measurements, but by a numerical simulation of the turbulent velocity distribution, which depends on the characteristic hydraulic parameters water depth, profile type, gradient, etc.

Wie die in Kapitel 3.2 erläuterten Verfahren setzt das neue CSLME Verfahren annähernd gleichförmig Strömung voraus und erreicht vergleichbare Genauigkeiten Während jedoch die hohen Genauigkeiten der bisherigen Verfahren nach 3.2 nur auf nur vollständig gefüllte, kreisförmige Rohrleitungen beschränkt sind, garantiert das CSLME Verfahren den gleichen Genauigkeitsgrad für Profile beliebiger Form und CSLME ist anwendbar sowohl für Durchfluß in Rohrleitungen bei Vollfüllung als auch in Gerinnen bei Teilfüllung.Like the methods explained in Chapter 3.2, the new CSLME method assumes almost uniform flow and achieves comparable accuracies. However, while the high accuracies of the previous methods according to 3.2 are only limited to completely filled, circular pipes, the CSLME method guarantees the same level of accuracy for profiles of any shape. and CSLME is applicable both to flow in pipelines at full fill and in channels at partial fill.

Das neue Durchflußmeßverfahren CSLME ist durch folgende Eigenschaften charakterisiert:The new CSLME flow measurement method is characterized by the following properties:

Lokale Geschwindigkeiten werden entweder an einem Punkt oder entlang einer Linie gemessen.Local speeds are measured either at a point or along a line.

Der Ort der Geschwindigkeitsmessung muß vor der Messung nicht bekannt sein und kann variabel sein.The location of the speed measurement does not have to be known before the measurement and can be variable.

Der Ort der Geschwindigkeitsmessung kann zufälligen Schwankungen unterliegen. In diesem Fall ist der Ort ein zusätzlicher Meßwert.The location of the speed measurement can be subject to random fluctuations. In this case, the location is an additional measurement value.

Die Zuordnung des lokalen Meßwertes VL zur mittleren Querschnittsgeschwindigkeit vm erfolgt durch numerische Simulation.The assignment of the local measured value VL to the mean cross-sectional velocity vm is carried out by numerical simulation.

Die numerische Simulation, der Einsatz eines Computers und die digitale Speicherung von berechneten Geschwindigkeitsverteilungen auf einem Datenträger sind zusätzliche Komponenten des Durchflußmeßverfahrens CSLME.Numerical simulation, the use of a computer and the digital storage of calculated velocity distributions on a data storage device are additional components of the CSLME flow measurement method.

Die freie Wahl des Ortes für die lokale Geschwindigkeitsmessung ermöglicht eine einfache Übertragung des Meßverfahrens auf teilgefülite Rohre und Gerinne.The free choice of location for local velocity measurement enables a simple transfer of the measuring method to partially filled pipes and channels.

Das CSLME-Verfahren ist weitgehend von der Querschnittsform unabhängig.The CSLME method is largely independent of the cross-sectional shape.

Durch die Verwendung der numerischen Simulation beim CSLME Verfahren wird nicht nur die erreichbare Genauigkeit der Durchflußmessung erhöht, sondern auch eine erhebliche Reduktion des technischen Aufwandes ermöglicht und gleichzeitig werden die Kosten der Durchflußmeßvorrichtung reduziert.By using numerical simulation in the CSLME method, not only is the achievable accuracy of the flow measurement increased, but also enables a significant reduction in the technical effort and at the same time the costs of the flow measuring device are reduced.

Die bisher verwendeten Verfahren bevorzugen normalerweise liniengemittelte Messungen. In einigen dieser Fälle kann auf eine Meßwertauswertung verzichtet werden, wenn die Meßstrecken speziell angeordnet werden. Ohne den Einsatz einer Meßwertauswertung konnten bei den bekannten liniengemittelten Geschwindigkeitsmeßverfahren höhere Genauigkeiten der Durchflußmessung erzielt werden als bei den bekannten punktförmigen Geschwindigkeitsmeßverfahren. Eine Messung der mittleren Geschwindigkeit entlang einer Meßstrecke 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.The methods used to date normally prefer line-averaged measurements. In some of these cases, a measurement evaluation can be dispensed with if the measuring sections are specially arranged. Without the use of a measurement evaluation, higher accuracy of flow measurement could be achieved with the known line-averaged speed measuring methods than with the known point-based speed measuring methods. However, measuring the average speed along a measuring section requires the installation of a transmitter and a receiver. In the case of partially filled pipes and channels, these must be arranged on different sides of the cross-section, since the measuring section must not intersect the water level.

Besonders bei breiten Gerinnen muß die Meßstrecke dann annähernd parallel zum Wasserspiegel liegen. Bei stark schwankendem Wasserspiegel 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, die in verschiedenen Höhen angebracht sind, gearbeitet. Dies bedeutet jedoch eine weitere Erhöhung des meßtechnischen Aufwands und somit eine Verteuerung des Meßverfahrens.Particularly in the case of wide channels, the measuring section must be approximately parallel to the water level. If the water level fluctuates greatly, this immediately leads to the next measurement-related problem: if the measuring section is too high, it will dry out at low water levels and thus become unusable. If it is too low, however, there will be large deviations between the average flow velocity along this measuring section and the average cross-sectional velocity at high water levels. These speed differences lead to larger errors in the flow determination if they are not corrected by an evaluation procedure. Alternatively, not just one but several measuring sections, which are installed at different heights, are used. However, this means a further increase in the measurement-related effort and thus an increase in the cost of the measurement procedure.

Beim CSLME Meßverfahren mit punktförmiger Geschwindigkeitsmessung können dagegen Sende- und Empfangssensor in einem Gehäuse integriert werden. Das Meßverfahren arbeitet nicht in Transmission sondern rückstreuend. In offenen Gerinnen 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 bei Teilfüllung nur ein Meßsensor benötigt, um punktförmige Geschwindigkeiten für den gesamten Bereich der Wasserspiegel schwankungen zu erfassen. Der meßtechnische Aufwand einer Punktmessung von der Gerinnesohle aus ist also geringer als der von liniengemittelten Messungen. Das CSLME Verfahren führt im Gegensatz zu anderen Verfahren jedoch nicht zu einer verringerten Genauigkeit der Durchflußmessung, wenn dieses vereinfachte punktförmige Meßverfahren verwendet wird. Der Grund für die hohe Genauigkeit des CSLME Verfahrens ist das aufwendige Auswerteverfahren, mit dem es möglich ist, die mittlere Querschnittsgeschwindigkeit aus einer beliebigen lokalen Geschwindigkeit mit hoher Genauigkeit zu berechnen.In the CSLME measuring method with point-based speed measurement, however, the transmitting and receiving sensors can be integrated in one housing. The measuring method does not work in transmission but rather backscattering. In open channels, the sensors do not need to be arranged laterally, but can be installed on the bottom. The measuring beam does not run almost parallel, but approximately perpendicular to the water level. This means that when the channel is partially filled, only one measuring sensor is required to record point-based speeds for the entire range of water level fluctuations. The measuring effort for a point measurement from the channel bottom is therefore less than that for line-averaged measurements. In contrast to other methods, however, the CSLME method does not lead to a reduction in the accuracy of the flow measurement when this simplified point-based measuring method is used. The reason for the high accuracy of the CSLME method is the complex evaluation method, with which it is possible to calculate the average cross-sectional speed from any local speed with high accuracy.

Die punkiförmige Geschwindigkeitsmessung ist allerdings nicht Voraussetzung für das CSLME-Verfahren. Vielmehr können alternativ oder in Kombination auch liniengemittelte Geschwindigkeitsmessungen entlang definierter Meßstrecken durchgeführt werden. Zu diesem Zweck werden in Transmission arbeitende Sender und Empfänger an gegenüberliegenden Seiten des Querschnitts installiert.However, point-shaped speed measurement is not a prerequisite for the CSLME method. Instead, line-averaged speed measurements can be carried out along defined measuring sections as an alternative or in combination. For this purpose, transmitters and receivers operating in transmission are installed on opposite sides of the cross-section.

Diese Sensoren arbeiten in Transmission. Die mittlere Querschnittsgeschwindigkeit wird bei dem CSLME Verfahren aus der gemessenen liniengemittelten Geschwindigkeit ähnlich wie bei punktuellen Geschwindigkeitsmessungen berechnet.These sensors work in transmission. The average cross-sectional speed is calculated using the CSLME method from the measured line-averaged speed, similar to point-based speed measurements.

4. Grundlagen der Erfindung4. Basics of the invention

Wie in Kap. 3 dargestellt, läßt sich die Genauigkeit der Durchflußmessung bei Teilfüllungen steigern, wenn die Meßwerterfassung ergänzt wird durch ein leistungsfähiges Auswertesystem. Hierbei ist es sogar möglich, den meßtechnischen Aufwand zu reduzieren. Das Auswertesystem hat dabei die Aufgabe, für einen Meßpunkt oder eine Meßstrecke P das Verhältnis von lokaler Geschwindigkeit Vp zur mittleren Querschnittsgeschwindigkeit vm zu bestimmen. vp kann eine punktförmige oder eine liniengemittelte Geschwindigkeit sein.As shown in Chapter 3, the accuracy of flow measurement in the case of partial fillings can be increased if the measurement data acquisition is supplemented by a high-performance evaluation system. This even makes it possible to reduce the measurement effort. The evaluation system has the task of determining the ratio of local velocity Vp to the average cross-sectional velocity vm for a measuring point or a measuring section P. vp can be a point-like or a line-averaged velocity.

Mit Hilfe der im CSLME Verfahrenintegrierten Simulations- und Auswertesysteme (vergl. FIG. 1) kann dieses Verhältnis für beliebige Wasserspiegel und beliebige Profilformen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Folgende Grundlagen werden dabei ausgenutzt:Using the simulation and evaluation systems integrated in the CSLME process (see FIG. 1), this ratio can be determined with high accuracy for any water level and any profile shape. The following principles are used:

4.1. Das numerische Modell4.1. The numerical model

Stationär gleichförmige turbulente Geschwindigkeitsverteilungen werden für beliebige Profile bei Teilfüllung (vergl. FIG. 2) für vorgegebene Wasserspiegellagen und Längsgefälle mit hoher Genauigkeit numerisch berechnet. Die Simulation basiert auf einer feinen Diskretisierung des Abflußquerschnitts mit einem numerischen Netz und der Anwendung der Finite-Elemente-Methode oder eines finiten 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 numerisch mit Hilfe eines geeigneten Turbulenzmodells bestimmt. Bei der numerischen Simulation müssen insbesondere die Sekundärströmungen beachtet werden.Stationary uniform turbulent velocity distributions are calculated numerically with high accuracy for any profile with partial filling (see FIG. 2) for given water level positions and longitudinal gradients. The simulation is based on a fine discretization of the discharge cross-section with a numerical mesh and the application of the finite element method or a finite difference method. On the basis of this numerical mesh, the velocity distribution is calculated in such a way that the balances for continuity and momentum are fulfilled with high accuracy in all three coordinate directions. The distribution of the turbulent viscosity required for this is determined numerically using a suitable turbulence model. In the numerical simulation, the secondary flows in particular must be taken into account.

Mit dem numerischen Modell werden die Differentialgleichungen für die Strömung bei Teilfüllung numerisch gelöst. Diese Prozedur führt zu großen Gleichungssystemen für die Variablen der Differentialgleichungen, die für jeden Knoten des numerischen Netzes definiert sind. Als Lösung dieser Gleichungssysteme, die einige hundert oder sogar einige tausend Unbekannte enthalten, werden die gewünschten Geschwindigkeiten für jeden Knoten des numerischen Netzes berechnet. Auf der Grundlage der Werte an den Knoten können Geschwindigkeiten an jeder beliebigen Position innerhalb des Querschnitts berechnet werden. Insbesondere kann das Verhältnis vp/vm zwischen einer beliebigen lokalen Geschwindigkeit und der mittleren Querschnittsgeschwindigkeit für eine beliebige Lage des Ortes P berechnet werden.The numerical model is used to solve the differential equations for the flow numerically at partial filling. This procedure leads to large systems of equations for the variables of the differential equations, which are defined for each node of the numerical network. As a solution to these systems of equations, which contain several hundred or even several thousand unknowns, the desired velocities are calculated for each node of the numerical network. Based on the values at the nodes, velocities can be calculated at any position within the cross-section. In particular, the ratio vp/vm between any local velocity and the average cross-sectional velocity can be calculated for any position of the location P.

Das neue Durchflußmeßverfahren CSLME ersetzt deshalb die auf Meßnetzen basierende Kalibrierung durch eine auf ein numerisches Netz basierende Simulation.The new flow measurement method CSLME therefore replaces the calibration based on measurement networks with a simulation based on a numerical network.

4.2. Die Genauigkeit der Durchflußmessung4.2. The accuracy of the flow measurement

Das numerische Modell zeichnet sich dadurch aus, daß die Genauigkeit der Simulation durch eine Verfeinerung des numerischen Netzes, die den Rechenaufwand erhöht, gesteigert werden kann. Bei einer hinreichenden Netzverfeinerung wird die Genauigkeit des Durchflußmeßverfahrens CSLME auch bei Teilfüllung nur von den Genauigkeiten abhängig sein, mit denen Wasserspiegel und lokale Geschwindigkeiten gemessen werden können.The numerical model is characterized by the fact that the accuracy of the simulation can be increased by refining the numerical network, which increases the computational effort. With sufficient network refinement, the accuracy of the CSLME flow measurement method, even in the case of partial filling, will only depend on the accuracy with which water levels and local velocities can be measured.

4.3. Die Messung des Wasserspiegels4.3. Measuring the water level

Zur Messung des Wasserspiegels yw (vergl. FIG. 3) werden mindestens ein, im Regelfall jedoch zwei Sensoren SW verwendet. Bei symmetrischen Profilen (Kreis, Ei, Trapez ...) sollten auch die Sensoren symmetrisch angeordnet werden.At least one, but usually two, sensors SW are used to measure the water level yw (see FIG. 3). For symmetrical profiles (circle, egg, trapezoid...) the sensors should also be arranged symmetrically.

Die Sensoren SW sind dadurch gekennzeichnet, daß sieThe SW sensors are characterized by the fact that they

keine Störung der Strömung hervorrufen,do not cause any disturbance to the flow,

eine hohe Meßgenauigkeit aufweisen,have a high measurement accuracy,

eine Meßwerterfassung in sehr kurzer Zeit erlauben (mehrere Meßwerte pro Sekunde) undallow measurement values to be recorded in a very short time (several measurements per second) and

den gesamten Wertebereich zwischen minimaler und maximaler Wasserspiegellage erfassen können.the entire range of values between minimum and maximum water level can be recorded.

4.4. Die Messung der lokalen Geschwindigkeiten4.4. Measuring local speeds

Zur Messung der lokalen Geschwindigkeiten werden mindestens ein, im Regelfall jedoch zwei, bei erhöhten Genauigkeitsanforderungen auch mehr Sensoren SV verwendet. Bei symmetrischen Profilen sollten auch diese Sensoren symmetrisch angeordnet werden. Die Sensoren SV sind dadurch gekennzeichnet, daß sieAt least one, usually two, or more SV sensors are used to measure the local speeds. For symmetrical profiles, these sensors should also be arranged symmetrically. The SV sensors are characterized by the fact that they

keine Störung der Strömung hervorrufen,do not cause any disturbance to the flow,

die Geschwindigkeit vp entweder in einem sehr kleinen Kontrollvolumen (Punktmessung am Ort P) oder als Linienmittel entlang einer definierten Meßstrecke (Linienmessung entlang der Linie P) messen,measure the speed vp either in a very small control volume (point measurement at location P) or as a line average along a defined measurement distance (line measurement along line P),

nicht nur die lokale Geschwindigkeit vp am Punkt P messen, sondern zusätzlich bei jeder Messung die Querschnittskoordinaten xp, yp des Meßpunktes P (vergl. FIG. 3), wenn das punktförmige Meßverfahren angewendet wird und nicht das spezielle Verfahren gemäß Kap. 4.5,not only measure the local velocity vp at point P, but also the cross-sectional coordinates xp, yp of the measuring point P for each measurement (see FIG. 3), if the point-based measuring method is used and not the special method according to Chapter 4.5,

bei Punktmessungen den Ort der Messung für jede Messung variieren können, wenn das punktförmige Meßverfahren angewendet wirdfor point measurements, the location of the measurement can vary for each measurement if the point measurement method is used

eine hohe Meßgenauigkeit aufweisen,have a high measurement accuracy,

eine Meßwerterfassung in sehr kurzer Zeit erlauben (mehrere Meßwerte pro Sekunde) undallow measurement values to be recorded in a very short time (several measurements per second) and

Geschwindigkeiten im gesamten Wertebereich zwischen minimaler und maximaler Wasserspiegellage messen können.Can measure speeds in the entire value range between minimum and maximum water level.

4.5 Sonderverfahren punkfömiger Geschwindigkeitsmessung mit Messung der Maximalgeschwindigkeit4.5 Special method of point-shaped speed measurement with measurement of the maximum speed

Bei diesem Sonderverfahren ist eine Messung der Querschnittskoordinaten xp, yp des Meßpunktes P der lokalen Geschwindigkeitsmessung nicht erforderlich. Die übrigen Anforderungen gemäß Kap. 4.4 gelten jedoch auch bei diesem Sonderverfahren. Zusätzlich ist bei diesem Sonderverfahren zu fordern, daß die Geschwindigkeitssensoren 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 gerigfügig unterschritten wird. Mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation werden diese Bereiche vor der Installation der Sensoren bestimmt.With this special procedure, a measurement of the cross-sectional coordinates xp, yp of the measuring point P of the local speed measurement is not necessary. However, the other requirements according to Chapter 4.4 also apply to this special procedure. In addition, with this special procedure, it must be required that the speed sensors are installed in such a way that they can be used to measure speeds for all variations in the water level in areas of the profile in which the maximum profile speed is only very slightly exceeded. These areas are determined using numerical flow simulation before the sensors are installed.

Mit Hilfe der Geschwindigkeitssensoren werden sehr viele lokale Geschwindigkeiten gemessen. Die Maximalgeschwindigkeit vmax resultiert aus der Auswertung der erhaltenen Signale. Mit Hilfe der hydrodynamischen Gleichungen, die im CSLME Verfahren enthalten sind, wir die mittlere Querschnittsgeschwindigkeit vm auf der Basis der Maximalgeschwindigkeit Vmax berechnet. Für dieses Spezialverfahren ist es deshalb kennzeichnend, die Information über die lokalen Koordinaten xp, yp des Ortes der Messung durch die entsprechende Eigenschaft der Maximalgeschwindigkeit vmax zu ersetzen.A large number of local speeds are measured using speed sensors. The maximum speed vmax results from the evaluation of the signals received. Using the hydrodynamic equations contained in the CSLME method, the average cross-sectional speed vm is calculated on the basis of the maximum speed Vmax. It is therefore characteristic of this special method to replace the information about the local coordinates xp, yp of the measurement location with the corresponding property of the maximum speed vmax.

5. Die technische Ausführung des Durchflußmeßsystems CSLME5. The technical design of the CSLME flow measurement system

Das Durchflußmeßsystem CSLME (vergl. FIG. 1) besteht aus einem zentralen Simulationssystem CS und lokalen Meß und Auswertesystemen LME. Die Schnittstelle zwischen beiden Subsystemen bilden geeignete Datenträger, die vom Subsystem CS beschrieben und vom Subsystem LME gelesen werden können. Das zentrale Simulationssystem CS existiert nur einmal und kann örtlich getrennt von den lokalen Meß- und Auswertesystemen LME installiert werden. Die Subsysteme LME werden dagegen an jeder Meßstelle vor Ort eingebaut und existieren mehrfach. Im folgenden werden die einzelnen Komponenten des Systems erläutert.The flow measurement system CSLME (see FIG. 1) consists of a central simulation system CS and local measurement and evaluation systems LME. The interface Suitable data carriers are formed between the two subsystems, which can be written to by the CS subsystem and read by the LME subsystem. The central simulation system CS only exists once and can be installed separately from the local LME measurement and evaluation systems. The LME subsystems, on the other hand, are installed at each measuring point on site and exist in multiples. The individual components of the system are explained below.

5.1. Das zentrale Simulationssystem CS5.1. The central simulation system CS

Das CS 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 gekennzeichnet sind:The CS is the core of the flow measurement system. It consists of an extremely complex numerical model and a very powerful computer. Stationary uniform velocity distributions are simulated, which are characterized by the following four features:

1. Profiltyp1. Profile type

Durch den Profiltyp wird die Art der geometrischen Form charakterisiert. Mögliche Profiltypen sind beispielsweise Kreis, Rechteck, Trapez, Ei oder Maul. Daüberhinaus ist es auch möglich, ein Profil lediglich durch seinen polygonartigen Umfang zu definieren. Eine solche Anwendung kann beispielsweise für natürliche Flußläufe oder Kanäle interessant sein. Bei hydraulisch rauhen Profilen kann es notwendig sein, für unterschiedliche Rauheiten auch unterschiedliche Profiltypen zu definieren.The profile type characterizes the type of geometric shape. Possible profile types include circle, rectangle, trapezoid, egg or mouth. In addition, it is also possible to define a profile only by its polygonal perimeter. Such an application can be interesting for natural rivers or canals, for example. For hydraulically rough profiles, it may be necessary to define different profile types for different roughnesses.

2. Profilgröße2. Profile size

Für jeden Profiltyp werden die geometrischen Abmessungen variiert. So wird zum Beispiel beim Kreis der Durchmesser oder beim Rechteck die Sohlbreite verändert.The geometric dimensions are varied for each profile type. For example, the diameter is changed for a circle or the base width is changed for a rectangle.

3. Wasserspiegel yw3. Water level yw

Die Geschwindigkeitsverteilungen werden für jeden Profiltyp und die verschiedenen Profilgrößen für unterschiedliche Wasserspiegel yw berechnet.The velocity distributions are calculated for each profile type and the different profile sizes for different water levels yw.

4. Längsgefälle I4. Longitudinal gradient I

Das Gefälle der Rohreitung bzw. des Gerinnes in Fließrichtung ist maßgebend für die Fluidbeschleunigung und damit die Größe der Geschwindigkeiten im Querschnitt. Daher wird auch das Längsgefälle variiert.The gradient of the pipe or channel in the direction of flow is decisive for the fluid acceleration and thus the magnitude of the velocities in the cross-section. Therefore, the longitudinal gradient is also varied.

Für die sehr große Zahl möglicher Kombinationen der vier genannten Merkmale werden die Geschwindigkeitsverteilungen mit Hilfe des numerischen Stömungs- und Turbulenzmodells je einmal simuliert. Anschließend sind die Geschwindigkeitsverteilungen flächendeckend an jedem Punkt eines Querschnitts bekannt und werden gemeinsam mit dem daraus bestimmbaren Durchfluß und den vier Merkmalen auf geeigneten 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 können beispielsweise Magnetbänder, Disketten oder Compakt-Disks verwendet werden Aufgrund des aufwendigen Simulationssystems, das einen sehr leistungsfähigen Computer erfordert, ergeben sich folgende Vorteile:For the very large number of possible combinations of the four characteristics mentioned, the speed distributions are simulated once each using the numerical flow and turbulence model. The speed distributions are then known across the entire area at every point in a cross-section and are stored on suitable data carriers together with the flow rate that can be determined from them and the four characteristics. A separate data carrier can be written for each profile type or even for each profile type and each profile size. The content of the data carriers is profile-dependent in this case. Magnetic tapes, floppy disks or compact disks can be used as data carriers. The complex simulation system, which requires a very powerful computer, results in the following advantages:

Die Kosten der Messung in den lokalen Meß und Auswertesystemen LME können erheblich reduziert werden undThe costs of measurement in the local measurement and evaluation systems LME can be reduced considerably and

die LME sind im Gegensatz zu den Datenträgern weitgehend profilunabhängig.In contrast to the data carriers, the LME are largely profile-independent.

5.2. Die lokale Meßwerterfassung des Systems LME5.2. The local measurement data acquisition of the LME system

Das lokale Meß und Auswertesystem LME (vergl. FIG. 1) besteht ausThe local measurement and evaluation system LME (see FIG. 1) consists of

Sensoren SV zur Messung lokaler Geschwindigkeiten,SV sensors for measuring local speeds,

Sensoren SW zur Messung des Wasserspiegels (bzw. der Druckhöhe bei Vollfüllung undSensors SW for measuring the water level (or the pressure head when fully filled and

einem Mikroprozessor, der die Meßsignale der Sensoren SV und SW unter Ausnutzung der auf dem Datenträger gespeicherten Geschwindigkeitsverteilungen in den gesuchten Wert von Durchfluß Q umformt.a microprocessor that converts the measurement signals from the sensors SV and SW into the required value of flow Q using the velocity distributions stored on the data carrier.

Die FIG. 3 zeigt am Beispiel eines Kreisprofils eine mögliche Sensoranordnung für punkförmige Geschwindigkeitsmessungen, die den Anforderungen des Kap. 4 gerecht wird. Je ein Sensor SV und ein Sensor SW werden in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dieser Kombisensor kann einschraubbar ausgeführt werden und erfordert in diesem Fall bauseits nur eine geeignete Profibohrung. Zwei dieser Kombisensoren werden in symmetrischer Anordnung an der Profilsohle installiert. Die Sensoren sollten einerseits möglichst tief eingebaut werden, um auch bei geringen Wasserständen noch Durchflußmessungen durchführen zu können. Andererseits sollten sie so hoch angeordnet sein, daß sie nicht verschlammen können.FIG. 3 shows a possible sensor arrangement for point-shaped speed measurements using a circular profile as an example, which meets the requirements of Chapter 4. One SV sensor and one SW sensor are arranged in a common housing. This combination sensor can be designed to be screwed in and in this case only requires a suitable profile hole on site. Two of these combination sensors are installed in a symmetrical arrangement on the profile base. On the one hand, the sensors should be installed as deep as possible in order to be able to detect to be able to carry out flow measurements at low water levels. On the other hand, they should be installed high enough so that they cannot become silted up.

5.2.1. Sensoren SV zur Messung lokaler Geschwindigkeiten5.2.1. SV sensors for measuring local speeds

Lokale Geschwindigkeiten können vorteilhaft mit Ultraschallsensoren gemessen werden. Bei punktförmiger Geschwindigkeitsmessung werden Sensoren verwendet, die nach dem Impuls-Doppler-Verfahren arbeiten. Dieses Verfahren setzt die Mitführung kleinster schallstreuender Teilchen im Fluid voraus. Diese Voraussetzung ist in der Regel erfüllt. Die Sensoren SV arbeiten in Rückstreuung, deshalb können Sende- und Empfangsschwinger im selben Gehäuse angeordnet werden. Der Sendeschwinger 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 vp. Beim Verfahren gemäß Kap. 4.4 ist zusätzlich die Messung des Ortes P der Geschwindigkeitsmessung erforderlich.Local speeds can be measured advantageously with ultrasonic sensors. For point-based speed measurements, sensors are used that work according to the pulse Doppler method. This method requires that the smallest sound-scattering particles are carried along in the fluid. This requirement is usually met. The SV sensors work in backscattering, so the transmitting and receiving oscillators can be arranged in the same housing. The transmitting oscillator sends out ultrasonic beams that are received by the scattering particles and scattered back to the receiving oscillator of the probe. The measurable frequency difference (Doppler frequency) between the transmitting and receiving frequencies is a measure of the local speed vp. The method according to Chapter 4.4 also requires the measurement of the location P of the speed measurement.

Um den Ort P zu messen, werden beim Impuls-Doppler-Verfahren die Impulslaufzeit vorn Sensor zum Streuteilchen und zurück gemessen. Diese Laufzeit ist ein Maß für den Abstand des Streuteilchens vom Sensor. Die Messung diese Abstandes reicht aus, um den Ort des Meßpunktes P(xp, yp) zu berechnen (vergl. FIG. 3), da die Richtung des Ultraschallstrahls bekannt ist.In order to measure the location P, the pulse transit time from the sensor to the scattered particle and back is measured using the pulse Doppler method. This transit time is a measure of the distance of the scattered particle from the sensor. Measuring this distance is sufficient to calculate the location of the measuring point P(xp, yp) (see FIG. 3), since the direction of the ultrasound beam is known.

Die vom Sendeschwinger gesendeten Ultraschallimpulse treffen auf ihrem Weg in Richtung Wasserspiegel in der Regel auf sehr viele schallstreuende Teilchen, die diesen Strahl teilweise rückstreuen. Deshalb treffen am Empfangsschwinger auch viele Ultraschallsignale ein. Da diese Signale jedoch zeitversetzt empfangen werden, können jedem dieser Signale eine lokale Strömungsgeschwindigkeit vp und auch ein Abstand des Meßpunktes P vom Ultraschallsensor zugeordnet werden. Jedes Ultraschallsignal liefert deshalb die Querschnittskoordinaten xp, yp der jeweiligen Punkte P. Mit der Aussendung nur eines Ultraschallimpulses können daher an vielen Positionen P auf dem Strahl die lokalen Geschwindigkeiten gemessen und unterschieden werden.The ultrasonic pulses sent by the transmitting transducer usually encounter a large number of sound-scattering particles on their way towards the water surface, which partially scatter this beam. Therefore, many ultrasonic signals also reach the receiving transducer. However, since these signals are received with a time delay, each of these signals can be assigned a local flow velocity vp and also a distance of the measuring point P from the ultrasonic sensor. Each ultrasonic signal therefore provides the cross-sectional coordinates xp, yp of the respective points P. By emitting just one ultrasonic pulse, the local velocities can be measured and differentiated at many positions P on the beam.

Dennoch ist das Impuls-Doppler-Verfahren prinzipiell ein Verfahren zur punktförmigen Geschwindigkeitsmessung, denn aus einer Impulsauswertung erhält man viele diskrete Meßwerttripel xp, yp, vp entlang einer Linie. Dagegen ergibt die Auswertung eines Ultraschallimpulses bei dem liniengemittelten Geschwindigkeitsmeßverfahren nur einen Meßwert, der die mittlere Geschwindigkeit entlang der Meßstrecke darstellt. Da die gesamte Impulsauswertung mit Schallgeschwindigkeit erfolgt, ist es möglich, die Impuls-Doppler-Messung in kürzester Zeit sehr häufig zu wiederholen. Als Ergebnis dieses Vorgangs erhält man ein gemessenes Geschwindigkeitsprofil entlang des Ultraschallstrahls zwischen Sensor SV und Wasserspiegel in hoher örtlicher Auflösung.Nevertheless, the pulse Doppler method is in principle a method for point-based velocity measurement, because from a pulse evaluation one obtains many discrete measurement triplets xp, yp, vp along a line. In contrast, the evaluation of an ultrasonic pulse in the line-averaged speed measurement method only produces one measured value, which represents the average speed along the measuring section. Since the entire pulse evaluation takes place at the speed of sound, it is possible to repeat the pulse Doppler measurement very frequently in a very short time. The result of this process is a measured speed profile along the ultrasonic beam between the SV sensor and the water level with high local resolution.

Bei den bisher eingesetzten punkt- und liniengemittelten Meßverfahren konnten die umfangreichen Meßdaten, die das Impuls-Doppler-Verfahren innerhalb sehr kurzer Zeit liefern kann, jedoch nur zu einem geringen Bruchteil genutzt werden. Diese Beschränkung der bekannten Verfahren beruht darauf, daß eine ausreichend genaue Zuordnung von lokaler Geschwindigkeit vp an einem beliebigen Punkt des Querschnitts zur mittleren Geschwindigkeit vm bei Teilfüllung nicht möglich war. Für das Durchflußmeßverfahren CSLME ist dieser Sensor dagegen ideal, da die vielen Meßdaten aufgrund der simulierten Geschwindigkeitsverteilungen in vollem Umfang genutzt werden können. Daraus folgt, daß die Verwendung des CSLME Verfahrens bei gleichem Meßaufwand eine wesentlich genauere Bestimmung des Durchflusses ermöglicht.However, with the point and line-averaged measuring methods used to date, only a small fraction of the extensive measurement data that the pulse Doppler method can deliver within a very short time could be used. This limitation of the known methods is based on the fact that a sufficiently accurate assignment of the local speed vp at any point in the cross-section to the average speed vm when partially filled was not possible. For the CSLME flow measurement method, however, this sensor is ideal because the large amount of measurement data can be fully utilized due to the simulated speed distributions. It follows that the use of the CSLME method enables a much more accurate determination of the flow with the same measurement effort.

Eine alternative Möglichkeit zur Ultraschallmessung bietet das Laser-Doppler-Anemometer (LDA) in Rückstreuung. Auch mit Hilfe dieses optischen Verfahrens können die Voraussetzungen des Kap. 4 erfüllt werden. Besonders vorteilhaft sind bei diesem Verfahren die sehr hohe Meßgenauigkeit, eine hohe räumliche Auflösung und die Meßwerterfassung in sehr kurzer Zeit. Das LDA-Verfahren erfordert Beimengungen 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.An alternative option for ultrasonic measurement is the laser Doppler anemometer (LDA) using backscattering. The requirements of Chapter 4 can also be met using this optical method. The particularly advantageous features of this method are the very high measurement accuracy, high spatial resolution and the ability to record measured values in a very short time. The LDA method requires the presence of light-scattering particles in the fluid and requires the fluid to be optically transparent. Disadvantages are currently the high cost of purchasing and operating this measuring system.

Bei liniengemittelten Geschwindigkeitsmessungen wird der Mittelwert der Geschwindigkeit entlang eines definierten Meßpfades gemessen. Auch hierzu werden vorteilhaft Ultraschallsensoren eingesetzt. Jedoch arbeiten diese Verfahren nach dem Laufzeit - Verfahren und werden als Sende- und Empfangssensoren an den gegenüberliegenden Enden der Meßstrecke installiert.In line-averaged speed measurements, the average speed is measured along a defined measuring path. Ultrasonic sensors are also advantageously used for this. However, these methods work according to the time-of-flight method and are installed as transmitting and receiving sensors at the opposite ends of the measuring path.

5.2.2. Sensoren SW zur Messung des Wasserspiegels bzw. der Druckhöhe5.2.2. Sensors SW for measuring the water level or pressure head

Als Sensoren SW zur Messung des Wasserspiegels oder der Druckhöhe können sowohl bei Teil- als auch bei Vollfüllung bekannte Druckmeßdosen eingesetzt werden die nach einem piezoresistiven, einem kapazitiven oder einem induktiven Verfahren arbeiten. Druckmeßdosen sind technisch ausgereifte Sensoren, die sich in vielfältigem Praxiseinsatz als genaue, schnelle und robuste Meßwertaufnehmer bewährt haben und keine Störung der Strömung verursachen.Known pressure cells that work according to a piezoresistive, capacitive or inductive method can be used as SW sensors for measuring the water level or pressure head, both when the tank is partially or fully filled. Pressure cells are technically sophisticated sensors that have proven themselves in a wide range of practical applications as accurate, fast and robust measuring sensors and do not cause any disruption to the flow.

Für offene Gerinne oder ausschließlich teilgefüllte Rohre kann die Messung des Wasserspiegels alternativ auch mit Hilfe von Ultraschallsensoren erfolgen. Prinzipiell ist hierbei eine Montage des Sensors oberhalb des maximal möglichen Wasserspiegels oder an der Profilsohle möglich.For open channels or only partially filled pipes, the water level can alternatively be measured using ultrasonic sensors. In principle, the sensor can be mounted above the maximum possible water level or on the profile base.

Die FIG.4 zeigt beispielhaft eine Sensoranordnung für ein Trapezgerinne, bei welcher der Wasserspiegel mit Hilfe von Ultraschallsensoren SW gemessen wird. Die Sensoren SW werden an einer Meßbrücke montiert und bleiben trocken. Der Wasserspiegel wird von oben gemessen. 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 FIG. 3 an der Gerinnesohle installiert werden. Diese Anordnung der Ultraschallsensoren bietet sich vor allem dann an, wenn keine eigenständige Meßbrücke errichtet werden muß, sondern wenn bauseits Anlagenteile vorhanden sind an denen die Sensoren SW befestigt werden können.FIG.4 shows an example of a sensor arrangement for a trapezoidal channel, in which the water level is measured using ultrasonic sensors SW. The sensors SW are mounted on a measuring bridge and remain dry. The water level is measured from above. These sensors therefore work without contact and cannot be damaged by the fluid flow. The local speeds are measured by separate speed sensors SV, which are installed on the channel bottom as in FIG. 3. This arrangement of the ultrasonic sensors is particularly suitable when no separate measuring bridge has to be erected, but when there are system components on site to which the sensors SW can be attached.

Eine Wasserspiegelmessung mit Hilfe von Ultraschall kann besonders einfach durchgeführt werden, wenn, wie in Kap. 5.2.1 empfohlen, die lokalen Geschwindigkeiten vp mit Hilfe des Impuls-Doppler-Verfahrens gemessen werden. Werden die Geschwindigkeitssensoren SV an der Profilsohle installiert und deren Ultraschallstrahlen 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 Geschwindigkeiten beim Impuls-Doppler-Verfahren mitgemessen. Dies ist ein weiterer Vorteil des Durchflußmeßverfahrens CSLME, das erst eine wirkungsvolle Auswertung der Meßsignale des Impuls-Doppler-Verfahrens zur Bestimmung des Durchflusses ermöglicht (vergl. Kap. 5.3).A water level measurement using ultrasound can be carried out particularly easily if, as recommended in Chapter 5.2.1, the local velocities vp are measured using the pulse Doppler method. If the speed sensors SV are installed on the profile base and their ultrasonic beams are directed almost perpendicularly to the water level, a separate sensor SW for measuring the water level can be completely dispensed with. Instead, the water level is measured when measuring the local velocities using the pulse Doppler method. This is another advantage of the CSLME flow measurement method, which enables an effective evaluation of the measurement signals of the pulse Doppler method to determine the flow (see Chapter 5.3).

Wie in Kap. 5.2.1. erläutert wird, basiert die Geschwindigkeitsmessung des Impuls- Doppler-Verfahrens auf der Rückstreuung von Ultraschallimpulsen an schallstreuenden Teilchen, die in der Fluidströmung enthalten sein müssen. Eine solche Rückstreuung erfolgt jedoch auch in extremer Weise am freien Wasserspiegel aufgrund der großen Dichteunterschiede der Fluide an der Phasengrenzfläche. Der Wasserspiegel bewirkt daher eine besonders deutliche Rückstreuung der Ultraschallwellen. Die Entfernung des Wasserspiegels vorn Geschwindigkeitssensor SV und damit die Höhe des Wasserspiegels ergibt sich aus den gemessenen Impulslaufzeiten vom Sensor SV zum Wasserspiegel und wieder zurück.As explained in Chapter 5.2.1, the velocity measurement of the pulse Doppler method is based on the backscattering of ultrasonic pulses from sound-scattering Particles that must be contained in the fluid flow. However, such backscattering also occurs in an extreme manner at the free water surface due to the large density differences of the fluids at the phase boundary. The water surface therefore causes a particularly clear backscattering of the ultrasonic waves. The distance of the water surface from the speed sensor SV and thus the height of the water surface is determined from the measured pulse travel times from the sensor SV to the water surface and back again.

5.3. Die lokale Meßwertauswertung des Systems LME5.3. The local measurement value evaluation of the LME system

Mit Hilfe der lokalen Meßwertauswertung des Systems LME wird aus den Meßsignalen der Sensoren SV und SW (vergl. Kap. 5.2) der Durchfluß Q gebildet. Zu diesem Zweck werden die vom System CS beschriebenen Datenträger und ein Mikroprozessor eingesetzt (vergl. FIG. 1). Die Auswertung erfolgt je nach der Art der verwendeten lokalen Geschwindigkeitsmessung gemäß einem der folgenden Verfahren oder einer Kombination hiervon:With the help of the local measurement value evaluation of the LME system, the flow rate Q is calculated from the measurement signals of the SV and SW sensors (see Chapter 5.2). For this purpose, the data carriers written by the CS system and a microprocessor are used (see FIG. 1). Depending on the type of local speed measurement used, the evaluation is carried out according to one of the following methods or a combination of these:

5.3.1. Punkförmige Geschwindigkeitsmessung mit Ortsmessung xp, yp5.3.1. Point-shaped speed measurement with location measurement xp, yp

1. Jedem Sensor SV wird mindestens ein Sensor SW derart zugeordnet, daß bei jeder punktförmigen lokalen Geschwindigkeitsmessung am Meßpunkt P die vier Meßwerte yw, xp, yp und vp für die weitere Meßwertumformung zur Verfügung stehen.1. At least one sensor SW is assigned to each sensor SV in such a way that for each point-like local speed measurement at the measuring point P the four measured values yw, xp, yp and vp are available for further measured value conversion.

2. Die Durchflußmeßstelle und damit auch das LME sind durch einen bestimmten Profiltyp und eine Profilgröße definiert. Zusammen mit dem gemessenen Wasserspiegel (bzw. der Druckhöhe bei Vollfüllung) yw sind somit drei der vier in Kap. 5.1 erläuterten Merkmale der Geschwindigkeitsverteilung bekannt. Das vierte Merkmal ist das Gefälle 1 in Fließrichtung. Dieses Gefälle kann jedoch nicht mit vertretbarem Aufwand und ausreichender Genauigkeit gemessen werden. Daher wird der Wert für 1 ersetzt durch die wesentlich einfacher und genauer meßbare lokale Geschwindigkeit vp am Meßpunkt P. Aus den auf dem Datenträger gespeicherten Geschwindigkeitsverteilungen wird daher mit Hilfe des Mikroprozessors eine ausgewählt. Diese ausgewählte Geschwindigkeitsverteilung erfüllt die genannten drei ersten Merkmale und deren Geschwindigkeit am Meßpunkt xp, yp stimmt mit dem Meßwert Vp überein. Der dieser ausgewählten Geschwindigkeitsverteilung zugeordnete und ebenfalls auf dem Datenträger gespeicherte Durchfluß Q kann somit der lokalen Geschwindigkeitsmessung am Meßpunkt P zugeordnet werden und wird mit Qp bezeichnet. Der hier etwas verkürzt dargestellte Suchalgorithmus kann durch einen geeigneten Interpolationsalgorithmus verfeinert werden. Die Bestimmung von Qp erfordert nur eine geringe Recheneistung des Mikroprozessors und kann in sehr kurzer Zeit durchgeführt werden.2. The flow measuring point and thus also the LME are defined by a certain profile type and a profile size. Together with the measured water level (or the pressure head when fully filled) yw, three of the four characteristics of the velocity distribution explained in Chapter 5.1 are thus known. The fourth characteristic is the gradient 1 in the direction of flow. However, this gradient cannot be measured with reasonable effort and sufficient accuracy. Therefore, the value for 1 is replaced by the local velocity vp at the measuring point P, which can be measured much more easily and more accurately. One of the velocity distributions stored on the data carrier is therefore selected with the help of the microprocessor. This selected velocity distribution fulfills the first three characteristics mentioned and its velocity at the measuring point xp, yp corresponds to the measured value Vp. The flow Q assigned to this selected velocity distribution and also stored on the data carrier can therefore be assigned to the local Speed measurement at measuring point P and is designated Qp. The search algorithm shown here in a somewhat abbreviated form can be refined using a suitable interpolation algorithm. The determination of Qp requires only a small amount of computing power from the microprocessor and can be carried out in a very short time.

3. Jeder punktförmigen lokalen Geschwindigkeitsmessung am Meßpunkt P wird mit Hilfe des Datenträgers und des Mikroprozessors in der dargestellten Weise ein Durchfluß Qp zugeordnet. Diese Meßwertumformung wird für jeden Meßpunkt P und jeden Geschwindigkeitssensor wiederholt. Der gesuchte Durchfluß Q ergibt sich letztlich als Mittelwert der Einzeldurchflüsse Qp, wobei eine geeignete Wichtung der Einzeldurchflüsse berücksichtigt werden kann Besonders hervorzuheben ist, daß nur eine einzige lokale Geschwindigkeit an einem beliebigen Ort P des Meßquerschnitts erforderlich ist, um den Durchfluß Q zu bestimmen. Die Wiederholung der Messung ist keine Voraussetzung für das CSLME Verfahren. Jedoch ist die Wiederholung ein einfaches Verfahren, um die Genauigkeit der Messung insgesamt beträchtlich zu erhöhen. Da sich durch Erhöhung der Meßpunktanzahl die Genauigkeit der Durchflußmessung steigern läßt, sollten beim Verfahren CSLME möglichst schnelle Sensoren SV eingesetzt werden. Diese Voraussetzung ist bei akustischen oder optischen Sensoren erfüllt.3. Each point-like local speed measurement at the measuring point P is assigned a flow rate Qp in the manner shown using the data carrier and the microprocessor. This measurement value conversion is repeated for each measuring point P and each speed sensor. The required flow rate Q is ultimately the mean value of the individual flows Qp, whereby a suitable weighting of the individual flows can be taken into account. It is particularly important to note that only a single local speed at any location P of the measuring cross-section is required to determine the flow rate Q. Repeating the measurement is not a prerequisite for the CSLME method. However, repetition is a simple method for significantly increasing the accuracy of the measurement overall. Since the accuracy of the flow measurement can be increased by increasing the number of measuring points, the fastest possible sensors SV should be used in the CSLME method. This requirement is met by acoustic or optical sensors.

5.3.2 Punkförmige Geschwindigkeitsmessung mit Messung der Maximalgeschwindigkeit gemäß Sonderverfahren nach Kap. 4.55.3.2 Point-shaped speed measurement with measurement of the maximum speed according to the special procedure in chapter 4.5

1. Die Meßsignale der Sensoren SW werden gemittelt und ergeben den mittleren gemessenen Wasserspiegel yw (bzw. die Druckhöhe in Rohrleitungen bei Volfüllung). Bei diesem Sonderverfahren bilden dieser Wert Yw und die gemessene Maximalgeschwindigkeit Vmax die Grundlage für die Bestimmung des Durchflusses Q.1. The measurement signals from the SW sensors are averaged and give the average measured water level yw (or the pressure head in pipes when fully filled). In this special procedure, this value Yw and the measured maximum speed Vmax form the basis for determining the flow rate Q.

2. Analog zum Verfahren beschrieben in Kap. 5.3.1 wird eine der auf dem Datenträger gespeicherten Geschwindigkeitsverteilungen mit Hilfe des Mikroprozessors ausgewählt. Der Profiltyp und die Profilgröße der gewählten Geschwindigkeitsverteilung entsprechen der aktuellen Durchflußmeßstelle und deren Wasserspiegel yw (bzw. Druckhöhe in Rohrleitungen bei Vollfüllung) und Maximalgeschwindigkeit vmax stimmen am besten mit den Meßwerten überein. Der dieser Geschwindigkeitsverteilung zugeordnete und ebenfalls auf dem Datenträger gespeicherte Durchfluß Q ist gleichzeitig der gesuchte Durchfluß Q. Bei diesem Sonderverfahren wird daher gegenüber dem Verfahren gemäß Kap. 5.3.1 die mehrfache Messung des Ortes der Geschwindigkeitsmessung durch die charakteristische Eigenschaft des Geschwindigkeitsmaximums ersetzt, die in analoger Weise eine eindeutige Identifizierung des maßgeblichen Geschwindigkeitsprofils der numerischen Simulation ermöglicht.2. Analogous to the procedure described in Chapter 5.3.1, one of the velocity distributions stored on the data carrier is selected using the microprocessor. The profile type and profile size of the selected velocity distribution correspond to the current flow measuring point and its water level yw (or pressure head in pipes when full) and maximum velocity vmax correspond best to the measured values. The value assigned to this velocity distribution and also The flow rate Q stored on the data carrier is simultaneously the flow rate Q sought. In this special procedure, the multiple measurement of the location of the velocity measurement is therefore replaced by the characteristic property of the velocity maximum, which in an analogous manner enables a clear identification of the relevant velocity profile of the numerical simulation, compared to the procedure according to Chapter 5.3.1.

5.3.3. Liniengemittelte Geschwindigkeitsmessung5.3.3. Line-averaged speed measurement

1. Wenn lokale Geschwindigkeitsmessungen durchgeführt werden, die Mittelwerte entlang einer oder mehrerer Meßstrecken liefern, so liegt im Gegensatz zum Verfahren gemäß 5.3.1 der Ort der Messung durch die Positionen der Sensoren fest. Daher sind diese Positionen bekannt und brauchen nicht mehr gemessen zu werden. Jedem Sensor SV wird mindestens ein Sensor SW derart zugeordnet, daß bei jeder liniengemittelten lokalen Geschwindigkeitsmessung entlang der Meßstrecke P die beiden Meßwerte yw und vp für die weitere Meßwertumformung zur Verfügung stehen.1. If local speed measurements are carried out that provide average values along one or more measuring sections, then, in contrast to the procedure according to 5.3.1, the location of the measurement is determined by the positions of the sensors. Therefore, these positions are known and no longer need to be measured. At least one sensor SW is assigned to each sensor SV in such a way that for each line-averaged local speed measurement along the measuring section P, the two measured values yw and vp are available for further measurement value conversion.

2. Analog zu der in den Kap. 5.3.1 und 5.3.2 beschrieben Pozedur wird eine der auf dem Datenträger gespeicherten Geschwindigkeitsverteilungen mit Hilfe des Mikroprozessors ausgewählt. Der Profiltyp und die Profilgröße der gewählten Geschwindigkeitsverteilung entsprechen der aktuellen Durchflußmeßstelle und deren Wasserspiegel (bzw. Druckhöhe in Rohrleitungen bei Vollfüllung) und mittlere Liniengeschwindigkeit entlang derselben Meßstrecke P stimmen am besten mit den Meßwerten überein. Der dieser ausgewählten Geschwindigkeitsverteilung zugeordnete und ebenfalls auf dem Datenträger gespeicherte Durchfluß Q kann somit der lokalen Geschwindigkeitsmessung entlang der Meßstrecke P zugeordnet werden und wird mit Qp bezeichnet.2. Analogous to the procedure described in chapters 5.3.1 and 5.3.2, one of the velocity distributions stored on the data carrier is selected using the microprocessor. The profile type and profile size of the selected velocity distribution correspond to the current flow measuring point and its water level (or pressure head in pipes when fully filled) and average line velocity along the same measuring section P correspond best to the measured values. The flow Q assigned to this selected velocity distribution and also stored on the data carrier can thus be assigned to the local velocity measurement along the measuring section P and is designated Qp.

3. Jeder liniengemittelten lokalen Geschwindigkeitsmessung entlang der Meßstrecke P wird mit Hilfe des Datenträgers und des Mikroprozessors in der dargestellten Weise ein Durchfluß Qp zugeordnet. Diese Meßwertumformung wird für jede lokale Messung und jede Meßstrecke wiederholt. Der gesuchte Durchfluß Q ergibt sich analog zum in Kap. 5.3.1 beschriebenen Prozedur als Mittelwert der Einzeldurchflüsse Qp, wobei eine geeignete Wichtung der Einzeldurchflüsse berücksichtigt werden kann. Bezüglich der Wiederholung der Messungen sei auf Kapitel 5.3.1. verwiesen.3. Each line-averaged local speed measurement along the measuring section P is assigned a flow rate Qp using the data carrier and the microprocessor in the manner shown. This measurement value conversion is repeated for each local measurement and each measuring section. The required flow rate Q is obtained analogously to the procedure described in Chapter 5.3.1 as the mean value of the individual flow rates Qp, whereby a suitable weighting of the individual flow rates can be taken into account. Regarding the repetition of the measurements, please refer to Chapter 5.3.1.

6. Wesentliche Merkmale und bevorzugte Anwendungsmöglichkeiten des Durchflußmeßsystems CSLME6. Main features and preferred applications of the CSLME flow measurement system

Abschließend werden kurz die wesentlichen Merkmale der Erfindung zusammengefaßt und bevorzugte Anwendungsmöglichkeiten genannt. Das Durchflußmeßsystem CSLME verwendet Verfahren der numerischen Strömungsmechanik zur Simulation von Fluidströmungen und setzt Vorrichtungen zur Messung von Wasserspiegeln (bzw. Druckhöhen) und lokalen Geschwindigkeiten ein. Diese Verfahren und Vorrichtungen sind isoliert betrachtet und für den genannten Anwendungszweck bekannt. Das CSLME kombiniert sie jedoch in der dargestellten Weise zum Zweck der Durchflußbestimmung bei Teilfüllung. In dieser speziellen Kombination und seiner Anwendung auf Teilfüllung in offenen Gerinnen stellt es ein neues Verfahren zur Durchflußmessung dar. Die entscheidenden Merkmale des CSLME sind wie folgt:Finally, the essential features of the invention are briefly summarized and preferred applications are mentioned. The flow measurement system CSLME uses numerical fluid mechanics methods to simulate fluid flows and uses devices to measure water levels (or pressure heads) and local velocities. These methods and devices are considered in isolation and are known for the application purpose mentioned. However, the CSLME combines them in the manner shown for the purpose of determining the flow rate when the system is partially filled. In this special combination and its application to partial filling in open channels, it represents a new method for flow measurement. The key features of the CSLME are as follows:

Dreiteilung in ein zentrales Simulationssystem (CS), lokale Meß- und Auswertesysteme (LME) und DatenträgerDivision into a central simulation system (CS), local measurement and evaluation systems (LME) and data storage devices

Verlustfreies Durchflußmeßverfahren ohne Strömungseinbauten oder mechanisch bewegliche TeileLoss-free flow measurement method without flow fittings or mechanically moving parts

Lokale Geschwindigkeitsmessungen mit Hilfe von schnellen Sensoren, die an der Rohr- bzw. Gerinnewandung installiert werden könnenLocal velocity measurements using fast sensors that can be installed on the pipe or channel wall

Zuordnungsmöglichkeit von lokaler Strömungsgeschwindigkeit an einer beliebigen Position innerhalb des Querschnitts und über den Querschnitt gemittelter Strömungsgeschwindigkeit durch den Einsatz der numerischen StrömungsmechanikPossibility of assigning local flow velocity at any position within the cross-section and flow velocity averaged over the cross-section by using numerical fluid mechanics

Zuordnungsmöglichkeit von maximaler Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Querschnitts und über den Querschnitt gemittelter Strömungsgeschwindigkeit durch den Einsatz der numerischen StrömungsmechanikPossibility of assigning maximum flow velocity within the cross-section and flow velocity averaged over the cross-section by using numerical fluid mechanics

Reduzierung von (ständigem) Meßaufwand in den LME durch Erhöhung von (einmaligem) Simulationsaufwand im CSReduction of (continuous) measurement effort in the LME by increasing (one-time) simulation effort in the CS

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.Especially when using the pulse Doppler method to measure local velocities, a significant increase in accuracy can be achieved compared to other methods, despite significantly reduced measurement effort.

Das LME System ist sehr weitgehend unabhängig vom Profil und deshalb läßt sich eine hohe Standardisierbarkeit erreichen.The LME system is largely independent of the profile and therefore a high level of standardization can be achieved.

Das Durchflußmeßsystems CSLME kann für viele Anwendungen der Durchflußmessung bei Teilfüllung eingesetzt werden. Aufgrund der genannten Verfahrensmerkmale des CSLME ergeben sich unter folgenden Bedingungen besondere Vorteile gegenüber anderen Verfahren:The CSLME flow measurement system can be used for many applications of flow measurement in partial filling. Due to the above-mentioned process characteristics of the CSLME, there are particular advantages over other processes under the following conditions:

bei nichtkreisförmigen Profilen und Gerinnenfor non-circular profiles and channels

bei großen Profilen (beispielsweise bei natürlichen Gewässern und Kanälen)for large profiles (e.g. natural waters and canals)

als temporäre oder mobile Meßvorrichtung (beispielsweise für Kontrollmessungen)as a temporary or mobile measuring device (e.g. for control measurements)

bei schwer zugänglichen oder abgelegenen Meßstellen (beispielsweise bestehende Kanalsysteme, Pipelines)for measuring points that are difficult to access or remote (e.g. existing sewer systems, pipelines)

bei Fluiden geringer elektrischer Leitfähigkeit (beispielsweise Benzin, Erdöl)for fluids with low electrical conductivity (e.g. petrol, crude oil)

bei Fluiden mit Feststofführung (beispielsweise Abwasser, Bäche und Flüsse bei Hochwasser)for fluids containing solids (e.g. wastewater, streams and rivers during flooding)

Claims (32)

1. Verfahren zur Bestimmung des Volumendurchflusses einer Flüssigkeit, die turbulent in einem Gerinne mit bekanntem Querprofil fließt, das die Messung des Flüssigkeitsspiegels und die Messung einer axialen Fließgeschwindigkeit im Gerinne und die Bestimmung des Volumendurchflusses der Flüssigkeit in dem Gerinne aufgrund der Messung des Flüssigkeitsspiegels und der Messung der axialen Fließgeschwindigkeit einschließt, das genannte Verfahren umfassend1. A method for determining the volume flow of a liquid flowing turbulently in a channel with a known cross-section, which includes measuring the liquid level and measuring an axial flow velocity in the channel and determining the volume flow of the liquid in the channel based on the measurement of the liquid level and the measurement of the axial flow velocity, said method comprising a) die Simulation einer Reihe von turbulenten Geschwindigkeitsverteilungen für das genannte Gerinne auf der Basis eines numerischen Netzes des genannten Querprofils für einen oder mehrere verschiedene Flüssigkeitsspiegel die in der Weise ausgewählt werden, daß der gesamte Bereich der Schwankungen des Flüssigkeitsspiegels, die während der tatsächlichen Fließbedingungen in dem genannten Profil auftreten, durch die genannten ausgewählten Flüssigkeitsspiegel gleichmäßig erfaßt wird und ein numerisches Modell, das turbulenzgetriebene Sekundärströmungen in dem genannten Querprofil simuliert,a) simulating a series of turbulent velocity distributions for the said channel on the basis of a numerical mesh of the said cross-section for one or more different liquid levels selected in such a way that the whole range of liquid level fluctuations occurring in the said profile during actual flow conditions is uniformly covered by the said selected liquid levels, and a numerical model simulating turbulence-driven secondary flows in the said cross-section, b) die Messung einer axialen Fließgeschwindigkeit (vp) innerhalb des genannten bekannten Querprofils, um eine gemessene axiale Fließgeschwindigkeit (vp) bereitzustellen, die entweder(b) measuring an axial flow velocity (vp) within said known cross-section to provide a measured axial flow velocity (vp) which is either - (i) eine Axialgeschwindigkeit innerhalb eines sehr kleinen Abflußvolumens, das sich an einer gemessenen räumlichen Position (P) innerhalb des genannten Profils befindet oder- (i) an axial velocity within a very small discharge volume located at a measured spatial position (P) within said profile or - (ii) die liniengemittelte Axialgeschwindigkeit (vp) entlang einer bekannten Linie (P) zwischen zwei Punkten innerhalb des genannten Profils oder- (ii) the line-averaged axial velocity (vp) along a known line (P) between two points within said profile or - (iii) die maximale Axialgeschwindigkeit (vmax), die irgendwo innerhalb des genannten Profils auftritt,- (iii) the maximum axial velocity (vmax) occurring anywhere within the mentioned profile, ist,is, c) die Messung des Flüssigkeitsspiegels (yw) im Gerinne undc) measuring the liquid level (yw) in the channel and d) die Bestimmung des Volumendurchflusses (Q) in dem genannten Gerinne auf der Basis der genannten gemessenen axialen Fließgeschwindigkeit (vp) und einer ausgewählten der genannten simulierten Geschwindigkeitsverteilungen, die auf der Basis des genannten gemessenen Flüssigkeitsspiegels (yw) eindeutig aus der genannten Reihe der simulierten Geschwindigkeitsverteilungen ausgewählt wird.d) determining the volume flow rate (Q) in said channel on the basis of said measured axial flow velocity (vp) and a selected one of said simulated velocity distributions which is uniquely selected from said series of simulated velocity distributions on the basis of said measured liquid level (yw). 2. Verfahren wie in Anspruch 1, bei dem der genannte Volumendurchfluß bestimmt wird, indem eine Kombination der Messungen (i), (ii) und / oder (iii) genutzt wird.2. A method as in claim 1, wherein said volume flow is determined using a combination of measurements (i), (ii) and/or (iii). 3. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 und 2, eine Verbesserung der Genauigkeit in der genannten Bestimmung des Volumendurchflusses (Q) durch Wiederholungen der Schritte (b), (c), (d) des in Anspruch 1 definierten Verfahrens und eine Berechnung des resultierenden Volumendurchflusses (Q) als ein gewichtetes Mittel der einzelnen Bestimmungen umfassend.3. Method as in one of claims 1 and 2, comprising improving the accuracy in said determination of the volume flow (Q) by repeating steps (b), (c), (d) of the method defined in claim 1 and calculating the resulting volume flow (Q) as a weighted average of the individual determinations. 4. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Volumendurchfluß durch eine Anordnung eines zentralen Simulationssystems (CS), lokaler Meß- und Auswertesysteme (LME) und Datenspeichergeräte bestimmt wird (FIG. 1).4. Method as in one of claims 1 to 3, wherein the volume flow is determined by an arrangement of a central simulation system (CS), local measurement and evaluation systems (LME) and data storage devices (FIG. 1). 5. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der genannte Sirnulationsschritt in dem genannten zentralen Simulationssystem (CS) durchgeführt wird.5. A method as in any one of claims 1 to 4, wherein said simulation step is performed in said central simulation system (CS). 6. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die genannten Datenspeichergeräte Daten speichern, die durch das genannte zentrale Simulationssystem (CS) bereitgestellt werden.6. A method as in any one of claims 1 to 5, wherein said data storage devices store data provided by said central simulation system (CS). 7. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die genannten Messungen durch das genannte lokale Meß- und Auswertesystem (LME) bereitgestellt werden, das wenigstens einen Sensor (SV), der wenigstens eine genannte gemessene Axialgeschwindigkeit bereitstellt, wenigstens einen Sensor (SW), der wenigstens eine Messung des Fiiissigkeitsspiegels in dem Gerinne bereitstellt und einen Mikroprozessor, der die mit Hilfe der Sensoren (SV und SW) gemessenen Signale in einen Wert des Volumendurchflusses (Q) transformiert, wobei Daten verwendet werden, die von dem genannten zentralen Sirnulationssystem (CS) bereitgestellt werden, umfaßt.7. Method as in any one of claims 1 to 6, wherein said measurements are provided by said local measurement and evaluation system (LME) which comprises at least one sensor (SV) providing at least one said measured axial velocity, at least one sensor (SW) providing at least one measurement of the liquid level in the channel and a microprocessor which transforms the signals measured by means of the sensors (SV and SW) into a value of the volume flow (Q) using data provided by said central siren system (CS). 8. Verfahren wie in Anspruch 7, worin die Messung des Flüssigkeitsspiegels in dem Gerinne durch zwei Sensoren (SW) bereitstellt wird.8. A method as in claim 7, wherein the measurement of the liquid level in the channel is provided by two sensors (SW). 9. Verfahren wie in Anspruch 8, worin die genannten Sensoren (SW) Messungen über den gesamten Bereich der Flüssigkeitsspiegel zwischen den niedrigsten und höchsten Werten bereitstellen.9. A method as in claim 8, wherein said sensors (SW) provide measurements over the entire range of liquid levels between the lowest and highest values. 10. Verfahren wie in Anspruch 7, worin die genannten gemessenen axialen Fließgeschwindigkeiten durch mehrere Sensoren (SV) bereitgestellt werden.10. A method as in claim 7, wherein said measured axial flow velocities are provided by a plurality of sensors (SV). 11. Verfahren wie in Anspruch 7, worin jeder Sensor (SV) eine lokale Fließgeschwindigkeit (vp) innerhalb eines sehr kleinen Abflußvolumens mißt, das sich an einer Position (P) innerhalb des Querschnitts des genannten Profils befindet und die Querschnittskoordinaten (xp, yp) der genannten Position (P) gleichzeitig gemessen werden.11. Method as in claim 7, wherein each sensor (SV) measures a local flow velocity (vp) within a very small discharge volume located at a position (P) within the cross section of said profile and the cross-sectional coordinates (xp, yp) of said position (P) are measured simultaneously. 12. Verfahren wie in einem der Ansprüche 7, 10 und 11, worin die Installation der genannten Sensoren (SV) eine Variation der genannten Position (P) für jede gemessene Axialgeschwindigkeit erlaubt und worin die genannten Sensoren (SV) Geschwindigkeitsmessungen über den gesamten Bereich der Flüssigkeitsspiegel zwischen dem niedrigsten und höchsten Wert bereitstellen.12. A method as in any one of claims 7, 10 and 11, wherein the installation of said sensors (SV) allows a variation of said position (P) for each measured axial velocity and wherein said sensors (SV) provide velocity measurements over the entire range of liquid levels between the lowest and highest values. 13. Verfahren wie in einem der Ansprüche 7 bis 12, die Zuweisung von wenigstens einem Sensor für die Messung des Flüssigkeitsspiegels (SW) zu jedem Sensor für die Messung der Geschwindigkeit (SV) umfassend.13. Method as in one of claims 7 to 12, comprising the assignment of at least one sensor for measuring the liquid level (SW) to each sensor for measuring the speed (SV). 14.Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 13, Ultraschallsensoren umfassend, die an der Gerinnesohle installiert sind und durch Anwendung des Dopplerverfahrens auf der Basis des Rückstreuprinzips Messungen der axialen Fließgeschwindigkeiten bereitstellen.14. A method as in any one of claims 1 to 13, comprising ultrasonic sensors installed at the channel bottom and providing measurements of axial flow velocities by applying the Doppler method based on the backscatter principle. 15. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 13, Laser-Doppler-Anemometer (LDA) umfassend, die mit Hilfe von Rückstreuung Messungen axialer Fließgeschwindigkeiten bereitstellen.15. A method as in any one of claims 1 to 13, comprising laser Doppler anemometers (LDA) that provide measurements of axial flow velocities using backscatter. 16. Verfahren wie in einem der Ansprüche 7 bis 13, die Zuweisung von wenigstens einem Flüssigkeitsspiegelsensor (SW) zu jedem Geschwindigkeitssensor (SV) in der Weise umfassend, daß für jede lokale Geschwindigkeitsmessung an jedem Sensor (SV) die vier Meßwerte: Mittelwert des gemessenen Flüssigkeitsspiegels (yw), Querschnittskoordinaten (xp, yp) der genannten Position (P) und die genannte lokale Fließgeschwindigkeit (vp) an der genannten Position (P) bereitgestellt und mit Hilfe des genannten Mikroprozessors in einen Volumendurchfluß (Q) transformiert werden.16. Method as in one of claims 7 to 13, comprising the assignment of at least one liquid level sensor (SW) to each speed sensor (SV) in such a way that for each local speed measurement at each sensor (SV) the four measured values: mean value of the measured liquid level (yw), cross-sectional coordinates (xp, yp) of said position (P) and said local flow velocity (vp) at said position (P) are provided and transformed into a volume flow (Q) with the aid of said microprocessor. 17. Verfahren wie in Anspruch 1, die Messung der maximalen Axialgeschwindigkeit (vmax) entsprechend der Definition in Schritt (b)(iii) des Anspruchs 1 umfassend ohne Messung der Position, an der die genannte maximale Axialgeschwindigkeit (vmax) auftritt und einen Vergleich dieser gemessenen Maximalgeschwindigkeit mit der simulierten Maximalgeschwindigkeit der simulierten Reihe von Geschwindigkeitsverteilungen wie in Schritt (a) von Anspruch 1 definiert und auf der Basis dieses Vergleichs die Bestimmung des Volumendurchflusses (Q) umfassend.17. A method as in claim 1, comprising measuring the maximum axial velocity (vmax) as defined in step (b)(iii) of claim 1 without measuring the position at which said maximum axial velocity (vmax) occurs and comparing this measured maximum velocity with the simulated maximum velocity of the simulated series of velocity distributions as defined in step (a) of claim 1 and on the basis of this comparison determining the volumetric flow rate (Q). 18. Verfahren wie in Anspruch 17, Geschwindigkeitsmessungen auf der Grundlage des Ultraschall - Doppler - Verfahrens umfassend und die Auswahl des größten Wertes aller gemessenen Geschwindigkeiten umfassend und eine Sensorinstallation umfassend, die unabhängig vorn Flüssigkeitsspiegel Messungen lokaler Geschwindigkeiten in den Bereichen des Querschnitts erlaubt, in denen die Maximalgeschwindigkeit (vmax) näherungsweise auftritt.18. Method as in claim 17, comprising speed measurements based on the ultrasonic Doppler method and comprising the selection of the largest value of all measured speeds and comprising a sensor installation which allows, independently of the liquid level, measurements of local speeds in the areas of the cross-section in which the maximum speed (vmax) approximately occurs. 19. Verfahren wie in Anspruch 1, worin die in Schritt (b) (ii) des Anspruchs 1 definierte liniengemittelte Axialgeschwindigkeit (vp) entlang einer vorher definierten Linie (P) innerhalb des Querschnitts gemessen wird und diese gemessene liniengemittelte Axialgeschwindigkeit wird mit dem simulierten liniengemittelten Wert entlang derselben Linie verglichen, wie in Schritt (d) von Anspruch 1 definiert.19. A method as in claim 1, wherein the line-averaged axial velocity (vp) defined in step (b) (ii) of claim 1 is measured along a predefined line (P) within the cross-section and this measured line-averaged axial velocity is compared with the simulated line-averaged value along the same line as defined in step (d) of claim 1. 20. Verfahren wie in Anspruch 19, worin die genannte liniengemittelte Axialgeschwindigkeit (vp) durch Anwendung des Ultraschall - Laufzeit - Verfahrens gemessen wird.20. A method as in claim 19, wherein said line-averaged axial velocity (vp) is measured using the ultrasonic time-of-flight method. 21. Vorrichtung zur Bestimmung des Volumendurchflusses einer Flüssigkeit, die turbulent in einem Gerinne mit bekanntem Querprofil fließt, ein zentrales Simulationssystems (CS) umfassend, in dem ein numerisches Modell programmiert ist und das eine Reihe von turbulenten Geschwindigkeitsverteilungen für das genannte Gerinne auf der Grundlage von Daten wie der Querschnittsgröße und -form des genannten bekannten Profils und den hydraulischen Konfigurationen der genannten Flüssigkeit und des genannten Gerinnes und auf der Basis eines numerischen Netzes des genannten Querprofils simuliert, das genannte programmierte zentrale Simulationssystem (CS) turbulenzgetriebene Sekundärströmungen innerhalb des genannten bekannten Querprofils simulierend, die genannte Vorrichtung außerdem ein Datenspeichergerät, das die genannte Reihe von simulierten Geschwindigkeitsverteilungen speichert, die durch das genannte zentrale Simulationssystem (CS) generiert werden und ein lokales Meß- und Auswertesystem (LME) umfassend, Vorrichtungen von Meßsensoren umfassend, die eine Messung des Flüssigkeitsspiegels (yw) und eine Messung der axialen Fließgeschwindigkeit (vp) im Gerinne bereitstellen, wobei die genannte gemessene axiale Fließgeschwindigkeit (vp) eine der in Schritt (b) von Anspruch 1 definierten Alternativen ist, und einen Mikropozessor umfassend, der den Volumendurchfluß der Flüssigkeit in dem Gerinne auf der Grundlage des gemessenen Flüssigkeitsspiegels (yw) und der gemessenen axialen Fließgeschwindigkeit (yp) bestimmt, die durch die Vorrichtungen der Meßsensoren und eine ausgewählte der genannten Geschwindigkeitsverteilungen bereitgestellt wird, die in dem genannten Datenspeichergerät gespeichert werden, das die Schnittstelle zwischen dem genannten zentralen Simulationssystem (CS) und dem genannten lokalen Meß und Auswertesystem (LME) bildet.21. Apparatus for determining the volume flow of a liquid flowing turbulently in a channel with a known cross-section, comprising a central simulation system (CS) in which a numerical model is programmed and which simulates a series of turbulent velocity distributions for said channel on the basis of data such as the cross-sectional size and shape of said known profile and the hydraulic configurations of said liquid and said channel and on the basis of a numerical network of said cross-section, said programmed central simulation system (CS) simulating turbulence-driven secondary flows within said known cross-section, said apparatus further comprising a data storage device storing said series of simulated velocity distributions generated by said central simulation system (CS) and a local measurement and evaluation system (LME) comprising devices of measuring sensors which enable a measurement of the liquid level (yw) and provide a measurement of the axial flow velocity (vp) in the channel, said measured axial flow velocity (vp) being one of the alternatives defined in step (b) of claim 1, and comprising a microprocessor which determines the volume flow of the liquid in the channel on the basis of the measured liquid level (yw) and the measured axial flow velocity (yp) provided by the means of measuring sensors and a selected one of said velocity distributions stored in said data storage device which forms the interface between said central simulation system (CS) and said local measuring and evaluation system (LME). 22. Vorrichtung wie in Anspruch 21, Mittel für die Zuweisung der genannten gemessenen axialen Fließgeschwindigkeit (vp) zur flächengemittelten axialen Fließgeschwindigkeit (Vm) in dem genannten bekannten Gerinne umfassend.22. Apparatus as in claim 21, comprising means for associating said measured axial flow velocity (vp) with the area averaged axial flow velocity (Vm) in said known channel. 23. Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 21 bis 22, worin das zentrale Simulationssystem (CS) getrennt von den lokalen Meß- und Auswertesystemen (LME) installiert wird, die in den Meßstationen installiert werden.23. Device as in one of claims 21 to 22, wherein the central simulation system (CS) is installed separately from the local measurement and evaluation systems (LME) which are installed in the measuring stations. 24. Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 21 bis 23, worin das lokale Meß- und Auswertesystem (LME - FIG. 1) wenigstens einen Sensor (SV), der wenigstens eine Messung einer axialen Fließgeschwindigkeit bereitstellt, wenigstens einen Sensor (SW), der wenigstens eine Messung des Flüssigkeitsspiegels bereitstellt und einen Mikroprozessor umfaßt, der die von den Sensoren (SV und SW) gemessenen Signale mit Hilfe von Daten, die durch das genannte zentrale Simulationssystem (CS) bereitgestellt werden, in einen Volumendurchfluß (Q) transformiert.24. Device as in one of claims 21 to 23, wherein the local measuring and evaluation system (LME - FIG. 1) comprises at least one sensor (SV) providing at least one measurement of an axial flow velocity, at least one sensor (SW) providing at least one measurement of the liquid level and a microprocessor which transforms the signals measured by the sensors (SV and SW) into a volume flow (Q) with the aid of data provided by said central simulation system (CS). 25. Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 21 bis 24, worin ein Sensor zur Messung des Flüssigkeitsspiegels (SW) und ein Sensor zur Messung der axialen Fließgeschwindigkeit (SV) als Teil des genannten lokalen Meß und Auswertesystems (LME) in einem gemeinsamen Gehäuse installiert sind.25. Device as in one of claims 21 to 24, wherein a sensor for measuring the liquid level (SW) and a sensor for measuring the axial flow velocity (SV) are installed in a common housing as part of said local measuring and evaluation system (LME). 26. Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 21 bis 25, worin die genannten Sensoren in der Nähe der Gerinnesohle installiert sind, um auch bei geringen Niveaus des Flüssigkeitsspiegels Volumendurchflüsse zu messen, aber ausreichend hoch, um Verschlammung zu vermeiden.26. Device as in any one of claims 21 to 25, wherein said sensors are installed near the channel bottom to measure volumetric flows even at low levels of the liquid surface, but sufficiently high to avoid siltation. 27. Vorrichtung wie in Anspruch 26, worin die genannten Sensoren Ultraschallsensoren sind, die Messungen der axialen Fließgeschwindigkeiten bereitstellen und im Fall von punktförmigen Messungen nach dem Impuls-Dopplerverfahren auf der Grundlage des Rückstreuprinzips arbeiten und einen als Sender und Empfänger fungierenden kombinierten Sensor innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses umfassen, wobei dieser kombinierte Sensor die Meßwerte bereitstellt, die für die Bestimmung der Meßpunktposition (xp, yp) erforderlich sind, die berechnet werden kann, weil die Richtung des Ultraschallstrahls bekannt ist (FIG. 3).27. Device as in claim 26, wherein said sensors are ultrasonic sensors providing measurements of the axial flow velocities and, in the case of point measurements, operate according to the pulse Doppler method based on the backscatter principle and comprise a combined sensor acting as transmitter and receiver within a common housing, said combined sensor providing the measurements required for determining the measuring point position (xp, yp) which can be calculated because the direction of the ultrasonic beam is known (FIG. 3). 28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, Ultraschallsensoren umfassend, die Messungen der axialen Fließgeschwindigkeiten bereitstellen und die im Fall von liniengemittelten Messungen nach dem Ultraschall - Laufzeit - Verfahren auf der Grundlage der Transmission arbeiten.28. Device according to one of claims 21 to 24, comprising ultrasonic sensors which provide measurements of the axial flow velocities and which, in the case of line-averaged measurements, operate according to the ultrasonic time-of-flight method based on transmission. 29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 28, Sensoren (SW) umfassend, die Messungen des Flüssigkeitsspiegels (SW) oder der Druckhöhe bereitstellen und Druckmeßdosen umfassen, die nach piezoresistiven, kapazitiven oder induktiven Verfahren arbeiten.29. Device according to one of claims 21 to 28, comprising sensors (SW) that provide measurements of the liquid level (SW) or the pressure head and comprising pressure cells that operate according to piezoresistive, capacitive or inductive methods. 30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, worin das Gerinne offen ist und die Sensoren (SW) Messungen des Flüssigkeitsspiegels bereitstellen und Ultraschalisensoren umfassen, die oberhalb des maximal möglichen Flüssigkeits spiegels oder an der Profilsohle installiert sind.30. Device according to one of claims 21 to 29, wherein the channel is open and the sensors (SW) provide measurements of the liquid level and comprise ultrasonic sensors installed above the maximum possible liquid level or at the profile bottom. 31. Vorrichtung wie in Anspruch. 30, die genannten Flüssigkeitsspiegelsensoren (SW) umfassend, die trocken an einer Meßbrücke installiert werden und den Flüssigkeitsspiegel von oben messen und Geschwindigkeitssensoren (SV), die Messungen der axialen Fließgeschwindigkeit bereitstellen und an der Gerinnesohle installiert sind (FIG. 4).31. Apparatus as in claim 30, comprising said liquid level sensors (SW) installed dry on a measuring bridge and measuring the liquid level from above and velocity sensors (SV) providing measurements of the axial flow velocity and installed on the channel bottom (FIG. 4). 32.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 31, worin solche Meßvorrichtungen benutzt werden, die die Messung der axialen Fließgeschwindigkeit (vp) und die Messung des Flüssigkeitsspiegels (yw) innerhalb eines gemeinsamen Sensors kombinieren und der genannte gemeinsame Sensor ein Ultraschallsensor ist, der an der Gerinnesohle in der Art installiert ist, daß Messungen der axialen Fließgeschwindigkeiten bereitgestellt werden und das Impuls-Dopplerverfahren auf der Grundlage des Rückstreuprinzips angewandt wird.32.Device according to one of claims 21 to 31, wherein such measuring devices are used which combine the measurement of the axial flow velocity (vp) and the measurement of the liquid level (yw) within a common sensor and said common sensor is an ultrasonic sensor which is installed on the channel bottom in such a way that measurements of the axial flow velocities are provided and the pulse Doppler method based on the backscatter principle is applied.
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