DE69833069T2

DE69833069T2 - Durchflussmesser mit offenem Kanal unter Anwendung von nach unten orientierten Vorrichtungen zur Oberflächengeschwindigkeits- und Niveaumessung

Info

Publication number: DE69833069T2
Application number: DE69833069T
Authority: DE
Inventors: Lawrence B. Buckeystown Marsh; Donald B. Purcellville Heckman
Original assignee: Marsh McBirney Inc
Current assignee: Hach Co
Priority date: 1998-04-29
Filing date: 1998-04-29
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2018-04-30
Also published as: DE69833069D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Messung einer offenen Kanalströmung in städtischen Wasser- und Abwasser-Rohrsystemen wird zunehmend wichtig, da die Behandlung von Abwasser ein wichtiger aber teurer Prozeß ist. Eine genaue Strömungsmessung ist notwendig zum Abrechnen, für Planungszwecke, eine Bestimmung des Zuflusses und Einsickerns, und für die Steuerung der tatsächlichen Strömung selbst, um die Stoßbelastung von Strömungsspitzen auf die Abwasser-Behandlungsanlage zu minimieren.
Heutzutage existiert eine Anzahl von Strömungsmessern für offene Kanäle. Ein Strömungsmessertyp benutzt die Niveaumessung und zusätzlich eine primäre Vorrichtung wie eine Rinne oder ein Wehr, um die relative Beziehung zwischen dem Niveau und der Strömung in einem bekannten Querschnitt zu charakterisieren. Ein anderer Typ verwendet Geschwindigkeits-Bereichs-Techniken, welche das Erfordernis einer primären Einrichtung eliminieren und ermöglichen, daß die Geschwindigkeits- und Niveau-Vorrichtungen in vorhandene Rohrleitungssysteme ohne Modifikation installiert werden können. Beide der oben erwähnten Einrichtungen zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit erfordern typischerweise, daß der Anwender sich durch begrenzte Räume wie ein Mannloch begibt, um entweder eine primäre Vorrichtung oder alternativ ein Montageband zu installieren, welches einen Geschwindigkeits- und einen Niveau-Umformer aufweist. Dieses kann häufig gefährlich sein sowohl wegen des strömenden Wassers, als auch wegen brennbarer bzw. entzündlicher oder toxischer Gase, die in dem Rohrleitungssystem vorhanden sein können. Die Regulierungsbehörden in den meisten Ländern haben daher Vorschriften bezüglich eines Eintauchens in einen solchen begrenzten Raum erlassen. Die meisten erfordern tragbare Gasdetektoren, Ventilationssysteme und dreibeinige Gestelle mit Hebezeug und Geschirren, um den in einem Mannloch arbeitenden Arbeiter im Falle einer Gefährdung rasch durch zwei zusätzliche andere Personen anheben zu können. Demgemäß ist das Eindringen in ein Mannloch ein gefährlicher, zeitaufwendiger und sehr kostspieliger Prozeß.
Demgemäß besteht daher das Bedürfnis nach einem Strömungsmesser zum Messen sowohl der Strömungsgeschwindigkeit als auch des Flüssigkeitsniveaus durch nicht-invasive Niveau- und Geschwindigkeitssensoren, welche innerhalb eines Mannloches oberhalb des Flüssigkeitsstroms (und typischerweise unmittelbar oberhalb der Oberseite des Rohres) zu montieren sind. Die Geschwindigkeits- und Niveau-Signale können in Kenntnis des Rohrdurchmessers kombiniert werden, und durch Verwendung eines Oberflächengeschwindigkeits-Modifizierers, wobei die Elektronik des Instrumentes die ermittelte Oberflächengeschwindigkeit in eine Geschwindigkeit umwandelt, die etwa der Durchschnittsgeschwindigkeit der Strömung entspricht.
KURZE BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Ein invasiver Strömungsmesser bekannter Art ist in dem Marsh-U.S.-Patent 4,083,246 offenbart. Ein elektromagnetischer Sensor ist am Boden eines Rohres durch ein Montageband positioniert. Der abgesenkte Sensor ermittelt eine lokale Geschwindigkeit der Flüssigkeit an einem bestimmten Punkt bzw. einer bestimmten Stelle innerhalb der Flüssigkeit. Das lokale Geschwindigkeitssignal wird modifiziert, um ein Durchschnittsgeschwindigkeits-Signal zu erzeugen. Ein Druckumformer wird verwendet, um die Flüssigkeitstiefe zu bestimmen, und somit den Querschnittsbereich der Flüssigkeit innerhalb eines Rohres von bekannter Konfiguration und Dimension. Die Durchschnittsgeschwindigkeits- und Bereichssignale werden multipliziert, um ein Strömungssignal zu erzeugen. Der Hauptnachteil dieses vorbekannten Typs eines Strömungsmessers ist das Erfordernis für einen Techniker, in ein Mannloch einzusteigen und den Sensor physisch am Boden des Rohres zu montieren, in welchem die Strömung zu messen ist. Ein anderer Nachteil besteht darin, daß der Sensor und das Montageband Verschmutzungen aus der Flüssigkeit ansammeln können, wodurch die Genauigkeit des ermittelten Geschwindigkeitssignals reduziert wird.
Nicht-invasive Verfahren zum Messen einer Strömung sind ebenfalls aus dem patentierten Stand der Technik bekannt, wie sich aus dem Bailey erteilten U.S.-Patent 5,315,880 ergibt. Wie darin offenbart ist, wird ein Mikrowellen-Frequenz-Signal auf die Oberfläche einer in einem offenen Kanal fließenden Strömung ausgesandt. Genauer gesagt wird das Signal entlang einer Linie in Richtung auf die Flüssigkeitsoberfläche entgegen der Strömungsrichtung erzeugt. Wenigstens ein Teil des Signals wird von der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert, und die Doppler-Frequenz-Verschiebung zwischen den ausgesandten und reflektierten Signalen wird als ein Maß für die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsoberfläche verwendet. Eine nicht-invasive Messung der Flüssigkeitstiefe wird durch Verwendung von Ultraschall-Meßtechniken erhalten. Aus den Messungen der Geschwindigkeit und der Tiefe wird die Strömungsrate der Flüssigkeit berechnet.
Während die nicht-invasive Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach Bailey eine Verbesserung zu früheren Meßmethoden darstellt, weist sie gewisse Nachteile auf. Zum Beispiel ist es – abhängig von den umgebenden Umweltbedingungen – nicht immer möglich, die Strömung durch ein in stromaufwärts gerichteter Richtung ausgesandtes Mikrowellensignal zu vermessen. Dieses ist insbesondere bei kleineren Mannlöchern und anderen Situationen der Fall, in welchen der Zugang zu einem Rohr oder einer Leitung beschränkt ist. Ein anderer Nachteil besteht darin, daß die Messung der Oberflächengeschwindigkeit nicht notwendigerweise die mittlere Geschwindigkeit der Flüssigkeit repräsentiert, deren Strömung zu messen ist. Weiterhin ist eine genaue Messung der Oberflächengeschwindigkeit schwierig zu erhalten, ohne daß Abweichungen in der Flüssigkeitsoberfläche vorhanden sind. Dieses Problem ergibt sich bei einem vollen Rohr oder bei Überlast-Strömungsbedingungen. Es ist außerdem schwierig für einen Techniker, einen Strömungssensor oberhalb der Flüssigkeit in einem Rohr oder in einer Leitung zu montieren, ohne physisch in ein mit dem Rohr verbundenes Mannloch einzusteigen.
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um diese und andere Nachteile durch Schaffung eines nicht-invasiven Strömungsmessers und einer Montageanordnung für diesen zu schaffen, welche eine genauere Strömungsmessung unter Verwendung mehrerer Techniken zur Messung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit und des Niveaus ermöglichen.
Die DE 32 23 393 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsrate einer Flüssigkeit in einem Abwasserkanal, bei denen durch kombinierte Laufzeit und/oder Frequenzmessungen von Strahlen, die von einem Emitter ausgesandt worden und wenigstens teilweise an einen Empfänger reflektiert worden sind, Werte der Flüssigkeit und der laufenden Geschwindigkeit erhalten werden, wobei die Messung in einem Raum unmittelbar oberhalb des Flüssigkeits-Luft-Niveaus bewirkt wird, und durch Verwendung von Strahlen, die an dem Flüssigkeits-Luft-Niveau reflektiert werden, und mehrere Emissionsrichtungen berücksichtigen, von denen wenigstens eine eine Komponente aufweist, die in der oder gegen die laufende Richtung gerichtet ist.
Aus der U.S. 5,315,880 ist ein Verfahren zum Messen der Oberflächengeschwindigkeit bekannt, bei dem ein Abschnitt des Querschnittsprofils der Flüssigkeit mit der Oberflächengeschwindigkeit multipliziert wird, um eine Strömungsrate zu erhalten.
Die U.S. 4,083,246 und die WO 94/17368 betreffen Vorrichtungen zum Messen der Abgaben aus teilweise gefüllten Leitungen, welche Geschwindigkeitssensoren verwenden, die unter das Flüssigkeitsniveau abgesenkt sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es ein primäres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes, nichtinvasives Verfahren und eine verbesserte, nicht-invasive Vorrichtung zum Messen der Strömung einer Flüssigkeit in einem Rohr zu schaffen. Die vorliegende Erfindung wird in den Ansprüchen 1 und 15 beschrieben, und bevorzugte Ausgestaltungen sind weiter unten beschrieben. Ein Sensor ist oberhalb der Flüssigkeit montiert und richtet einen ersten Strahl von Mikrowellen-, akustischer oder Laserenergie unter einem spitzen Winkel gegen einen vorgegebenen Bereich der Flüssigkeitsoberfläche. Der Sensor ermittelt den reflektierten Strahl von der Flüssigkeitsoberfläche und bestimmt die Doppler-Frequenz-Verschiebung zwischen den ausgesandten und reflektierten Strahlen, um ein Oberflächen-Geschwindigkeitssignal zu erzeugen. Ein Mikroprozessor ist mit dem Sensor verbunden und modifiziert das Oberflächen-Geschwindigkeitssignal gemäß dem Abschnitt der Oberfläche, deren Geschwindigkeit festgestellt worden ist, um ein mittleres Geschwindigkeitssignal zu produzieren. In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist derselbe oder ein unterschiedlicher Sensor auch über der Flüssigkeit montiert und richtet einen zweiten Strahl von Mikrowellen-, akustischer oder Laserenergie in Richtung auf den gegebenen Bereich der Flüssigkeitsoberfläche. Veränderungen in dem Luftzwischenraumabstand zwischen dem Sensor und der Flüssigkeitsoberfläche werden durch Reflektionen des zweiten Energiestrahls von der Oberfläche bestimmt. Diese Wechsel werden auf Veränderungen des Flüssigkeitsniveaus gemäß einer Referenz bezogen, welche der Konfiguration des Rohres entspricht. Die Signale für die mittlere Geschwindigkeit und das Flüssigkeitsniveau werden kombiniert, um die Flüssigkeitsströmung für das Rohr zu berechnen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verarbeitet der Mikroprozessor den reflektierten zweiten Energiestrahl so, daß er dessen Abschnitte, die von nicht-bewegten Flächen reflektiert werden, eliminiert. Der Mikroprozessor eliminiert weiterhin Variationen durch Kräuselungen und Wellen der Flüssigkeit und stellt die Modifikation des Oberflächengeschwindigkeits-Signals gemäß der Rauhigkeit der Flüssigkeitsoberfläche ein.
In einer anderen Ausgestaltung schafft die Erfindung eine Anordnung zum Montieren des Sensors am oberen Scheitel des Rohres, vorzugsweise entweder am Einlaß oder am Auslaß des Rohres mit Bezug auf ein Mannloch. Gemäß einer Ausgestaltung ist ein Montagebügel oder Stempel mit einem Abschnitt des Mannloches benachbart zu der Zugangsöffnung verbunden. Von dem Montagebügel erstrecken sich ein oder mehrere Kabel, Stangen oder Kompressionsstreben, an deren Boden ein Winkelbügel angeordnet ist, der unter Spannung der Kabel, Stangen oder Streben gegen die Seitenwand des Mannloches und den oberen Scheitel des Rohres zu verkeilen ist. Der Sensor ist mit dem Winkelbügel entweder in einer festen oder einer selbstausrichtenden Relation verbunden.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Störungen bzw. Einflußmaßnahmen auf der Flüssigkeitsoberfläche zu erzeugen, um genauere Messungen der Oberflächengeschwindigkeit und des Flüssigkeitsniveaus vornehmen zu können. Bei einer Ausgestaltung ist eine gerippte bzw. gewellte Wandung als ein Fortsatz des Rohres innerhalb des Mannloches vorgesehen, um Störungen in der Flüssigkeitsoberfläche zu erzeugen. Bei einer anderen Ausgestaltung wird eine zweite Flüssigkeit, die für Mikrowellen durchlässig ist, zwischen der Flüssigkeit, deren Geschwindigkeit zu messen ist, und einer Innenseite des Rohres überlagert.
Während die Erfindung in erster Linie zur Verwendung in einem offenen Abschnitt eines Rohres oder Kanals mit einem Mannloch ausgebildet ist, könnte sie auch zur Messung des Flüssigkeitsstroms in einem geschlossenen Rohr verwendet werden, wobei das Rohr aus einem Material gebildet ist, welches für die von dem Sensor erzeugten Energiestrahlen durchlässig ist.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus einem Studium der nachfolgenden Beschreibung im Lichte der beigefügten Zeichnung, in welcher:
1 ist eine teilweise weggeschnittene Darstellung eines Mannloches, in dem ein invasiver Strömungsmesser gemäß dem Stand der Technik zum Messen der Strömung einer Flüssigkeit in einem Rohr montiert ist;
2 ist eine Schnittdarstellung eines Mannloches mit einem darin angeordneten nicht-invasiven Strömungsmessers gemäß der Erfindung;
3 ist ein Blockdiagramm, welches die gemäß der Erfindung verwendeten Komponenten wiedergibt, um unter Verwendung des Strömungsmessers gemäß 2 die Strömung zu berechnen;
4 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung von Komponenten zur Berechnung der Strömung, welches die Erfindung nicht betrifft;
die 5 und 6 sind perspektivische bzw. Ansichten in der Draufsicht, welche einen Strömungsmesser-Montagebügel an der Zugangsöffnung eines Mannloches zeigen;
die 7 und 8 sind perspektivische bzw. Ansichten in der Draufsicht, welche eine alternative Strömungsmesser-Montage-Spanneinrichtung an der Zugangsöffnung eines Mannloches zeigen;
die 9 bis 12 sind Schnittansichten verschiedener alternativer Strömungsmesser-Montageeinrichtungen;
die 13 und 14 sind detaillierte Schnittdarstellungen von alternativen Ausgestaltungen zum Verbinden eines Sensors mit einem Winkelbügel der Montageanordnung;
die 15 und 16 sind Schnitt- und Perspektivdarstellungen des erfindungsgemäßen Strömungsmessers mit einem Einsatz zum Erzeugen von Störungen an der Flüssigkeitsoberfläche;
die 17 und 18 sind perspektivische Darstellungen von unterschiedlich ausgebildeten Einsätzen;
19 ist eine Schnittdarstellung einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungsmessers mit einem Hilfssensor;
die 20 und 21 sind Seiten- bzw. endseitige Schnittansichten einer weiteren Konfiguration des Einsatzes;
die 22 und 23 sind Seiten- bzw. endseitige Schnittansichten eines Strömungssensors gemäß der Erfindung, der verwendet wird, um die Strömung in einem geschlossenen Rohr zu messen, welches aus einem Material gebildet ist, welches für die Energiestrahlen des Sensors durchlässig ist;
24 ist eine perspektivische Seitenansicht eines Strömungssensors gemäß der Erfindung, der in einem Standrohr montiert ist;
die 25A und 25B sind Darstellungen der Geschwindigkeitskonturen einer Flüssigkeit, welche in einer teilweise gefüllten, kreisförmigen Leitung mit unterschiedlichen Flüssigkeitshöhen fließt;
26A ist ein gekrümmter Abschnitt einer kreisförmigen Leitung, und 26B ist eine Darstellung der Geschwindigkeitskontur einer in der teilweise gefüllten Leitung gemäß 26A strömenden Flüssigkeit; und
27 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Strömungsmesser-Sensoranordnung mit einem Reflektor.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In 1 ist ein Mannloch 2 gezeigt, welches einen Zugang zu einem Rohr 4 schafft, welches durch den Boden des Mannlochs benachbart zu dessen Einfallende 6 verläuft und einen darin montierten invasiven Strömungsmesser 8 zum Messen der Flüssigkeitsströmung 10 durch das Rohr aufweist. Die Flüssigkeit kann Wasser, Öl, Abwasser oder irgendeine andere strömende Flüssigkeit aufweisen. Der Strömungsmesser weist einen Sensor wie einen elektromagnetischen oder akustischen Sensor 12 auf, der mit einem Montageband 14 befestigt ist, welches den Sensor in die Flüssigkeit eintaucht. In dem Sensor kann eine Niveau-Meßeinrichtung enthalten sein. Der Sensor ist mit einer innerhalb des Mannloches montierten Verarbeitungs- und Registriereinrichtung 16 verbunden.
Es ist ersichtlich, daß sich ein Techniker zur Montage des Strömungsmesser-Sensors 12 in dem Mannloch physisch in das Mannloch begeben muß, um den Sensor und das Montageband ordnungsgemäß zu positionieren, so daß die ordnungsgemäßen Flüssigkeitsgeschwindigkeits-und Niveausignale zu erhalten sind. Dieses ist relativ gefährlich und muß gemäß Sicherheitsvorschriften erfolgen, was die Zeit und Kosten zum Montieren und Einrichten der Position des Strömungsmessers erhöht.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein nicht-invasiver Strömungsmessers 18 gemäß der Erfindung gezeigt, der in einem Mannloch über der Fläche der Flüssigkeit 10, deren Strömung zu messen ist, aufgehängt ist. Wie unten in größerer Einzelheit ausgeführt ist, weist der Strömungsmesser wenigstens einen Geschwindigkeitssensor 20 zum Erzeugen eines Signals auf, welches sich auf die Oberflächengeschwindigkeit der Flüssigkeit bezieht, und einen Mikroprozessor 22, der mit dem Sensor verbunden ist, zum Modifizieren des Oberflächengeschwindigkeits-Signals auf etwa die mittlere Geschwindigkeit der Strömung. Ein zweiter Sensor 24 ist vorgesehen, um ein Signal der Flüssigkeitstiefe zu erzeugen. Die Geschwindigkeits- und Tiefensignale können durch den Mikroprozessor kombiniert werden, um ein Ausgangssignal gemäß der Strömungsrate der Flüssigkeit zu erzeugen.
Der Sensor 20 erzeugt einen ersten Energiestrahl 26, welcher auf einen vorgegebenen Bereich der Oberfläche der Flüssigkeit 10 unter einem spitzen Winkel zwischen 30° und 50° relativ zur Flüssigkeitsoberfläche gerichtet wird. Der erste Strahl kann an jedem Abschnitt der Flüssigkeitsoberfläche zwischen den Seiten des Rohres gerichtet werden, solange der Strahl kontinuierlich auf die Flüssigkeitsoberfläche trifft, wenn sich die Flüssigkeitshöhe verändert. Wie in den Geschwindigkeitskonturen der 25A, 25B und 26B gezeigt ist, verändert sich die Oberflächengeschwindigkeit der Flüssigkeit von einer Seite zur anderen Seite über die Flüssigkeitsoberfläche. Ein Teil des ersten Strahls wird von der Flüssigkeitsoberfläche zu dem Sensor reflektiert. Der Sensor bestimmt die Doppler-Frequenz-Verschiebung zwischen dem originalen ersten Energiestrahl und dem reflektierten ersten Energiestrahl, um ein lokales Oberflächengeschwindigkeitssignal S_vl zu erzeugen. Dieses Signal wird dem Mikroprozessor 22 über ein Kabel 28 zugeführt, wobei das Oberflächengeschwindigkeitssignal zunächst bezüglich des Auftreffwinkels durch die Formel S_vl/cosα = S_v korrigiert wird. Das korrigierte lokale Geschwindigkeitssignal S_v wird danach modifiziert, um ein Signal einer mittleren Geschwindigkeit zu erzeugen, wie weiter unten noch im einzelnen erläutert wird.
Jegliche geeignete Energiequelle kann in den Sensor 20 inkorporiert sein, um den ersten Strahl 26 zu erzeugen, solange die Energie von der Flüssigkeitsoberfläche reflektierbar ist. Beispiele solcher Energiequellen sind Mikrowellen-, akustische und Laser-Energiequellen. Im Gegensatz zu den nicht-invasiven Strömungsmessern des Typs, wie er in dem Bailey erteilen Patent 5,313,880 offenbart ist, kann der erfindungsgemäße Strömungsmesser einen Geschwindigkeitssensor aufweisen, welcher den ersten Energiestrahl entweder in einer Richtung stromaufwärts oder stromabwärts richtet. Diese Möglichkeit gestattet es dem Sensor, in beschränkten Bereichen verwendet zu werden, ohne daß die Verläßlichkeit der Oberflächengeschwindigkeitsmessung herabgesetzt wird.
Der zweite Sensor 24 erzeugt einen zweiten Energiestrahl 30, welcher auf die Flüssigkeitsoberfläche in der Nähe des vorgegebenen Bereiches gerichtet wird, auf welchen der erste Energiestrahl gerichtet wird. Der zweite Energiestrahl besteht ebenfalls aus Mikrowellen-, akustischer oder Laserenergie, so daß wenigstens ein Teil des Strahls von der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert wird. Der reflektierte Teil des zweiten Strahls wird durch den zweiten Sensor festgestellt, und der Sensor bestimmt aus den ausgesandten und reflektierten Strahlen den Luftabstand zwischen dem Sensor und der Flüssigkeitsoberfläche. Veränderungen des Luftabstandes können auf Veränderungen des Flüssigkeitsniveaus gemäß einem Referenzsignal entsprechend der Konfiguration des Rohres 4 bezogen werden.
Der zweite Energiestrahl 30 wird bevorzugt rechtwinklig auf die Flüssigkeitsoberfläche gerichtet, wie in 2 gezeigt ist. Dieses erzeugt die maximale Signalrückführung und die genauesten Messungen der Flüssigkeitstiefe in einem weiten Bereich von Umgebungen. Es ist jedoch auch möglich, den zweiten Strahl in einer Richtung auszusenden, welche mit derjenigen des ersten Strahls zusammenfällt. Dieses ist insbesondere dort nützlich, wo ein einzelner Sensor verwendet wird, um sowohl den ersten als auch den zweiten Strahl auszusenden. Das heißt, daß ein einzelner Sensor verwendet werden kann, um erste und zweite Strahlen auszusenden, und um reflektierte erste und zweite Strahlen zu empfangen, um sowohl die Oberflächengeschwindigkeit als auch das Flüssigkeitsniveau zu bestimmen. Wenn Montageüberlegungen die Positionierung des Niveausensors über der bevorzugten Stelle für die Geschwindigkeitsmessung verhindern, kann ein Reflektor 100 verwendet werden, um den zweiten Strahl zu der bevorzugten Stelle zurückzuleiten, wie dieses in 27 gezeigt ist. In jedem Falle ist es wichtig, daß die Messungen der Oberflächengeschwindigkeit und des Flüssigkeitsniveaus in demselben Bereich der Flüssigkeitsoberfläche vorgenommen werden, so daß die genauesten Strömungsberechnungen gemäß der Kontinuitätsgleichung erfolgen können: Q = V × Amit

Q: = Flüssigkeitsströmung
V: = Durchschnittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit
A: = Bereich der Flüssigkeit.

Strömungsberechnungen werden durch den Mikroprozessor 22 durchgeführt, welcher in größeren Einzelheiten in 3 gezeigt ist. Der Mikroprozessor enthält einen Geschwindigkeitssignalprozessor 32, welcher das lokale Oberflächengeschwindigkeitssignal modifiziert gemäß wenigstens einer der vorhandenen Bedingungen, nämlich der Stelle des untersuchten Bereiches relativ zu den Seiten des Kanals bzw. Rohres, der Flüssigkeitstiefe, des Rohrdurchmessers, der Konfiguration des Rohres und dem Verhältnis der Oberflächengeschwindigkeit zum Flüssigkeitsniveau, wobei die unterschiedlichen Oberflächengeschwindigkeiten in Betracht gezogen werden, die von einer Seite zur anderen Seite über die Oberfläche der Flüssigkeit entstehen, wie in den 25A, 25B und 26B gezeigt ist, was aus Veränderungen im Niveau, der Rohrkonfiguration und den Einlaß- und Auslaßbedingungen resultiert. Der Mikroprozessor enthält auch einen Tiefensignal-Prozessor 34, welcher den reflektierten zweiten Energiestrahl verarbeitet, um Teile des von nicht-bewegten Flächen reflektierten Strahls zu eliminieren, wie den Seiten oder dem Boden des Rohres, um die Genauigkeit der Messung des Flüssigkeitsniveaus zu erhöhen. Der Tiefensignal-Prozessor 34 eliminiert auch Variationen bei der Niveaumessung, die aus Kräuselungen oder Wellen in der Flüssigkeit resultieren. Variationen bei den Oberflächengeschwindigkeitsmessungen, die sich aus Kräuselungen oder Wellen ergeben, werden ebenfalls eliminiert durch Analysieren des Teils der Variationen bei der Niveaumessung, die aus Kräuselungen oder Wellen resultieren, um die vorliegenden Frequenzen zu bestimmen und diese Frequenzen von den Oberflächengeschwindigkeits-Dopplersignalen zu eliminieren.
Die erzeugten Tiefen- und Geschwindigkeitssignale werden einem Prozessor 36 zugeführt, und das Tiefensignal wird auch an einen Strömungsberechner 38 übermittelt, welcher auch als Eingabe eine Anzeige der Rohrgröße und -konfiguration erhält. Der Prozessor erzeugt ein Ortssignal V_s, welches durch die Flüssigkeitstiefe, den Rohdurchmesser, die Konfiguration des Rohres und das Verhältnis der Oberflächengeschwindigkeit zum Flüssigkeitsniveau an der Stelle bestimmt ist, an welcher der erste Strahl 20 auf die Flüssigkeitsoberfläche trifft. Das Ortssignal wird in einem Vergleicher 40 mit gespeicherten relativen Verhältnissen aus einem Speicher 42 verglichen, um einen Srömungskoeffizienten aus dem Strömungsmultiplizierer 44 zu wählen, welcher gewählt wird, um die durch die Sensoren ermittelte Geschwindigkeit auf etwa die Durchschnittsgeschwindigkeit V zu modifizieren. In dem Multiplizierer sind unterschiedlichen Koeffizienten vorhanden gemäß den unterschiedlichen Oberflächengeschwindigkeiten, die bei unterschiedlichen Flüssigkeitstiefen, Rohrgrößen und -konfigurationen, Mehrfach-Geschwindigkeitssensoren und dergleichen über die Flüssigkeitsoberfläche auftreten. Während die Durchschnittsgeschwindigkeit V das endgültige Ergebnis sein kann, wird sie normalerweise mit dem Niveausignal und der Rohrinformation im Strömungsberechner kombiniert, welcher ein Strömungssignal Q erzeugt, welches bekannte mathematische Zusammenhänge verwendet. Diese Zusammenhänge entsprechen verschiedenen Rohr- und Kanalkonfigurationen. Demgemäß kann der erfindungsgemäße Strömungsmesser verwendet werden, um die Flüssigkeitsströmung in runden, quadratischen und rechtwinkligen Leitungen oder in ungleichförmig geformten Kanälen anzuzeigen. Der Mikroprozessor kann auch verwendet werden, um das Niveausignal gemäß der Manning-Gleichung zu verarbeiten.
Wie oben ausgeführt worden ist, ergibt die Oberflächengeschwindigkeit nicht eine direkte Messung der Durchschnittsgeschwindigkeit der durch ein Rohr strömenden Flüssigkeit. Die Oberflächengeschwindigkeit kann jedoch modifiziert werden, um sich der mittleren Geschwindigkeit anzunähern. Es gibt verschiedene Typen der Modifikation, von denen einige genauer sind als andere. Ein Multiplizieren der ermittelten Oberflächengeschwindigkeit durch einen konstanten Faktor schafft eine Annäherung an die mittlere Geschwindigkeit in einer ersten Größenordnung und kann unter gewissen Umständen verwendet werden. Die genaueste Modifizierungstechnik für eine gegebene Rohrkonfiguration besteht jedoch darin, daß der Multiplizierer sowohl eine Funktion des Niveaus als auch der Oberflächengeschwindigkeit ist. Dieser variable Modifizierer schafft Genauigkeiten von ± 5% oder besser.
Wenn von der Strömungsmessereinrichtung eine direkte Ausgabe der Strömung gefordert wird, muß die Modifizierungstechnik unmittelbar in dem Strömungsmesser installiert werden. Wenn jedoch die Geschwindigkeit und das Niveau für einen nachfolgenden Gebrauch registriert werden, kann der Modifizierer in Gleichungen in einer unterschiedlichen Vorrichtung gespeichert werden. Eine solche Vorrichtung könnte in einfacher Weise einen gesonderten Computer aufweisen, welcher die ermittelten Daten des Niveaus und der Geschwindigkeit von der Untersuchungsstelle aufnimmt und in Kenntnis des Rohrdurchmessers eine Durchschnittsgeschwindigkeit berechnet und sodann die Strömungsrate für diese Stelle.
Wie oben beschrieben worden ist, kann ein Strömungsmesser, welcher sowohl das Niveau als auch die Geschwindigkeit mißt, so ausgebildet werden, daß er die sich verändernden Verhältnisse zwischen dem Niveau, der Geschwindigkeit und der Strömung anpaßt. Recht häufig sind jedoch stabile Bedingungen hinsichtlich der Strömungsbedingung in einem offenen Kanal vorhanden, wobei, wenn das Verhältnis des Niveaus zur Strömungsgeschwindigkeit bekannt ist, anders als bei der vorliegenden Erfindung ein Strömungsmesser verwendet werden kann, welcher lediglich das Niveau mißt. Aus 4 ergibt sich, daß das Strömungs-Ausgangssignal Q für jedes entsprechende Niveau in einem Speicher 46 gespeichert werden kann, wobei das Verhältnis des Niveaus zu der Strömung für eine bestimmte Stelle bestimmt ist. Wenn durch den Geschwindigkeits-/Niveau-Strömungsmesser ein solches Verhältnis des Niveaus zur Strömung ermittelt worden ist, kann ein einfacherer Strömungsmesser verwendet werden, welcher nur eine Niveau-Meßeinrichtung verwendet. Für jede Niveaumessung entnimmt ein Mikroprozessor 48 aus dem Speicher (oder einer Tabelle) eine Strömungsrate für das entsprechende Niveau. Die Niveau-Meßeinrichtung, die bei dem einfacheren Strömungsmesser verwendet wird, braucht nicht von dem gleichen Typ einer Niveau-Meßeinrichtung zu sein, wie sie bei der oben unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Niveau-/Geschwindigkeits-Strömungsmeßeinrichtung verwendet wird. Wenn beispielsweise die Niveau-Meßeinrichtung in der Niveau-/Geschwindigkeits-Meßeinrichtung ein nach unten gerichteter akustischer Niveau-Detektor ist, könnte die Niveau-Meßeirichtung lediglich als ein Blasenzähler oder ein Druckumformer-Niveaumesser vorgesehen sein.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Montageanordnung zum sicheren bzw. festen Montieren des Strömungsmessers in einem Mannloch, ohne daß sich der Installateur physisch in das Mannloch begeben muß. Eine Anzahl von Montageanordnungen wird unter Bezugnahme auf die 5–15 beschrieben.
In den 5 und 6 ist ein Montagering bzw. -bügel 50 gezeigt, welcher in einem Mannloch 2 benachbart zu dessen Zugangsöffnung 52 angeordnet und fixiert ist. Mit der Innenseite des Bügels sind ein Paar Kabel 54 und ein Stabbefestiger 56 verbunden, mit welchen Montagekabel und ein teleskopierbarer Stab verbunden sind, wie weiter unten beschrieben ist. In den 7 und 8 erstreckt sich eine Schraubstange 58 einer Verschraubung über die Zugangsöffnung 52 des Mannloches 2 statt des Montagebügels. An der Verschraubung ist ein Paar von Kabeln 54 sowie ein Stangenbefestiger 56 befestigt.
In 9 ist in einer Schnittansicht ein Mannloch 2 sowie die Strömungsmesser-Montageanordnung gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung gezeigt. Der Montagering 50 gemäß den 5 und 6 (oder die Schraubspindel der Verschraubungsanordnung gemäß den 7 und 8) ist an der Zugangsöffnung 52 angeordnet, und ein Paar Kabel 60 hängt von den Kabelbefestigungen 54 hinab. In ähnlicher Weise erstreckt sich ein teleskopierbarer Stab 62 von dem Stab-Befestiger 56 nach unten. An dem entfernten Ende des Stabes 62 ist ein Winkelbügel 64 befestigt, an dem ein Sensor 66 des Strömungsmessers befestigt ist. Bei dieser Ausgestaltung bildet der Sensor eine einzige Vorrichtung, welche sowohl den ersten als auch den zweiten Energiestrahl zum Messen der Oberflächengeschwindigkeit und des Niveaus der durch das Rohr 4 strömenden Flüssigkeit aussendet. Die unteren Enden der Kabel 60 sind benachbart dem Winkelbügel 64 mit dem Stab 62 verbunden. Durch Ausfahren der Stange 62 nach unten in das Mannloch und durch Aufwärtsziehen der Kabel 60 wird der Winkelbügel 64 gegen den Scheitel des Rohres benachbart zu der Seitenwand des Mannloches verkeilt. Signale des Sensors werden über ein Kabel 68 an einen Mikroprozessor (nicht gezeigt) gegeben. Ein charakteristisches Merkmal der Montageanordnung gemäß 9 besteht darin, daß der Sensor genau oberhalb der Flüssigkeit zu positionieren und an einer Stelle zu halten ist, die dem Scheitel des Rohres zugeordnet ist, ohne daß der Installateur sich in das Mannloch begeben muß. Alle Installationen, betrieblichen Überwachungen und Reparaturen des Strömungsmessers können von außerhalb des Mannloches durchgeführt werden.
Bei der in 10 gezeigten zweiten Ausgestaltung der Montageanordnung ist der Winkelbügel durch einen horizontal angeordneten Stab 70 ersetzt, welcher mit den unteren Enden des teleskopierbaren Stabes 62 und der Kabel 60 verbunden ist. Der horizontale Stab hat eine Länge, welche größer ist als der Durchmesser des Mannloches, so daß eine nach oben gerichtete Kraft auf den teleskopierbaren Stab 62 und die Kabel 60 den Stab gegen den Scheitel des Rohres benachbart zu den Seitenwandabschnitten des Mannloches verkeilt bzw. festklemmt. Der Sensor 66 ist mit dem teleskopierbaren Stab 62 und dem horizontalen Stab 70 an dessen Verbindung verbunden, so daß der Sensor am Scheitel des Rohres zu positionieren ist.
Bei der Ausgestaltung gemäß 10 erstrecken sich der teleskopierbare Stab und die Kabel von derselben Stelle des Montagerings bzw. der Schraube nach unten. Bei der alternativen Ausgestaltung gemäß 11 erstrecken sich der Stab und die Kabel von separaten Kabelbefestigungen und dem Stabbefestiger nach unten, wie bei der Ausgestaltung gemäß 9. In 11 weist der horizontale Stab 70 einen Anschlag 72 auf, welcher bei der Positionierung des horizontalen Stabes und des Sensors an der gewünschten Stelle des Rohrscheitels behilflich ist. Während die Montageanordnungen gemäß den 10 und 11 so beschrieben sind, daß sie eine Kombination von teleskopierbaren Stäben und Kabeln enthalten, ist ersichtlich, daß eine Anordnung, welche lediglich Stäbe oder Kabel enthält, ebenfalls zufriedenstellend arbeitet.
In 12 ist eine Montageanordnung dargestellt, welche ein Paar teleskopierbarer Stäbe 62 aufweist, welche dafür verwendet werden, um einen Winkelbügel 64 benachbart zu dem Rohrscheitel gegen eine Mannloch-Seitenwand zu verkeilen bzw. zu drücken. In 13 ist die Verbindung des Sensors 66 mit dem Winkelbügel 64 gezeigt. Der Winkelbügel weist einen festen stumpfen Winkel α auf, der das Komplement zu dem spitzen Winkel ist, unter welchem der erste Energiestrahl 26 von dem Sensor 66 auf die Oberfläche der Flüssigkeit gerichtet wird. Geeignete Befestigungsmittel wie Schrauben 74 verbinden den Sensor fest mit dem Winkelbügel. Statt der in 13 gezeigten festen Sensorverbindung kann eine selbstausrichtende Montagestruktur wie ein Kugelgelenk 76 für den Sensor verwendet werden, wie dieses in 14 gezeigt ist.
Zum Messen der Tiefen bis zu einem vollen Rohr kann ein Einsatz 78 vorgesehen sein, wie er in den 15–18 gezeigt ist, welcher sich innerhalb des Rohres 4 in das Mannloch erstreckt. Der Einsatz ist durchlässig für den Energiestrahl von dem Sensor 66, wobei der Sensor für eine Montage benachbart zu dem Einsatz an dessen Scheitel geeignet ist. Bei der Ausgestaltung gemäß 16 ist eine Gas- und/oder Flüssigkeitszufuhr 80 vorgesehen, welche eine Fluid-Pufferschicht zuführt, welche für die Energiestrahlen zwischen der Oberfläche der zu messenden Flüssigkeit und der Oberseite des Rohres bzw. des Einsatzes durchlässig ist. Anderenfalls, wenn die zu messende Flüssigkeit in physischem Kontakt mit der Innenseite des Einsatzrohres steht, würden diese sich am nächsten zu der Wandung befindlichen Fluidschichten virtuell stationär erscheinen und würden die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung beeinträchtigen.
Je glatter die Flüssigkeitsoberfläche ist, desto schwieriger ist es, genaue Messungen der Oberflächengeschwindigkeit durchzuführen. Idealerweise enthält die Flüssigkeit „Ziele", in ihrer Oberfläche, welche die Energiestrahlen reflektieren, um die Doppler-Frequenzverschiebungsunterschiede zu schaffen, welche für eine genaue Messung der Oberflächengeschwindigkeit erforderlich sind. Nicht alle Flüssigkeiten, deren Strömung zu messen ist, enthalten jedoch solche Ziele. Demgemäß besteht ein weiterer Aspekt der Erfindung darin, einen Mechanismus zu schaffen, welcher Störungen bzw. Beeinflussungen der Flüssigkeitsoberfläche schafft. Diese Störungen ermöglichen die Reflektion der ersten und zweiten Energiestrahlen, um die Messungen der Geschwindigkeit und des Niveaus zu ermöglichen. Störungen werden durch Schaffung einer gewellten Fläche 82 an dem Einsatz erzeugt, wie in 18 gezeigt ist, wobei die Wellungen sich normal zu der Flüssigkeitsströmung erstrecken. Ein Teil von einer Kette, eines Seils oder eines anderen flexiblen fadenförmigen Elementes 84 oder einer schwenkbaren Stange 86 kann auch vorgesehen sein, um Störungen in der Flüssigkeitsoberfläche zu erzeugen, ohne dabei in unzweckmäßigerweise Schmutz anzusammeln, wie in 17 und 18 gezeigt ist.
Die Messung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit unter offenen Kanalströmungen, die bei Überlastbedingungen (volles Rohr) vorliegen, kann alternativ durch einen Hilfs-Strömungssensor 88 erfolgen, der an einem Winkelbügel montiert ist, wie in 19 gezeigt ist. Der Hilfssensor ist bevorzugt von einem unterschiedlichen Energietyp als der primäre Sensor 66, und wird ergänzend zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet. Zum Beispiel kann der Hilfssensor ein einzutauchender akustischer Doppler-Sensor oder ein elektromagnetischer Sensor sein, um das Geschwindigkeits-Ausgangssignal unter Bedingungen eines vollen Rohres zu schaffen. Ein Druckumformer 90 kann vorgesehen sein, um wenigstens die Tiefe der Überlast über dem oberen Rohrscheitel zu messen, wenn Überlastbedingungen vorliegen. Der Umformer wird relativ zu der Überlast in das Mannloch abgesenkt. Der durch den Umformer 90 festgestellte Druck ist eine Funktion der Überlasttiefe. Der Umformer kann von jeglichem bekannten Typ sein, wie einer, der auf den Druck eines gewellten Einsatzes anspricht, oder ein abgesenktes Piezokristall, welches auf den statischen Druck anspricht, der sich aus dem Gewicht der Flüssigkeit als Funktion der Tiefe ergibt.
Ein Strömungsmesser gemäß der Erfindung kann auch verwendet werden, um die Oberflächengeschwindigkeit und das Flüssigkeitsniveau in einem geschlossenen Rohr bzw. Kanal zu messen, wenn das Rohr aus einem Material hergestellt ist, welches für Mikrowellenenergie durchlässig ist. In den 20 und 21 ist ein geschlossenes Rohr 92 gezeigt, welches einen Sensor aufweist, der in einen inneren Vorsprung bzw. eine Einformung 94 eingebettet ist. Eine ähnliche Einformung kann bei dem in den 15–18 gezeigten Einsatz 78 vorgesehen sein. Der primäre Vorteil der Einformung besteht darin, daß er Geschwindigkeitsmessungen mit Abstand zu der Rohrwandung ermöglicht, wenn die Bedingungen eines vollen Rohres vorliegen.
Bei den Ausgestaltungen gemäß den 22 und 23 ist das Rohr 92 aus einem Material gebildet, welches für Mikrowellen durchlässig ist, und die Geschwindigkeits- bzw. Niveausensoren 20 bzw. 24 sind außerhalb des Rohres angeordnet. Schließlich weist das geschlossene Rohr 92 bei der Ausgestaltung gemäß 24 ein Standrohr 96 auf, in dem ein kombinierter Sensor 98 zum Messen der Oberflächengeschwindigkeit und des Niveaus montiert ist. Der Sensor kann beispielsweise eine Kombination von Mikrowellen-, akustischen oder Laser-Sensoren sein.
Bei dem nicht-invasiven Strömungsmesser gemäß der Erfindung können die folgenden Kombinationen von Energiesignalen verwendet werden, um die Oberflächengeschwindigkeit und das Flüssigkeitsniveau zu messen:

Geschwindigkeit Niveau

Mikrowellen akustisch

Mikrowellen Mikrowellen

akustisch Mikrowellen

akustisch akustisch

Laser Laser
Die Kombinationen erhöhen die vielseitigen Verwendungsmöglichkeiten des Strömungsmessers gemäß den bevorzugten Wünschen des Abnehmers und der Umgebung, in welcher die Flüssigkeitsströmung zu bestimmen ist.

Claims

Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit einer durch ein Rohr (4) strömenden Flüssigkeit, ohne in die Flüssigkeit einzudringen, mit folgenden Verfahrensschritten: (a) Erzeugen von Energiesignalen in Form von ersten und zweiten Strahlen (26, 30) von wenigstens einer oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche befindlichen Quelle; (b) Richten der ersten und zweiten Strahlen (26, 30) auf wenigstens einen vorgegebenen Bereich der Flüssigkeitsoberfläche; (c) Feststellen der von der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten ersten und zweiten Strahlen (26, 30); (d) Bestimmen der Doppler-Frequenzverschiebung zwischen dem gerichteten und dem reflektierten ersten Strahl aus dem gerichteten und dem reflektierten ersten Strahl zur Erzeugung eines Oberflächengeschwindigkeits-Signals (S_V); (e) Bestimmen des Flüssigkeitsniveaus in dem Rohr (4) aus dem gerichteten und dem reflektierten zweiten Strahl; (f) Modifizieren des Oberflächengeschwindigkeits-Signals (S_V) mit einem Modifizierer (V_M) gemäß dem Verhältnis der Oberflächengeschwindigkeit zum Flüssigkeitsniveau, um ein Mittelwert-Geschwindigkeitssignal (V) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Oberflächengeschwindigkeits-Signal auch gemäß dem Durchmesser des Rohres und/oder der Konfiguration des Rohres und/oder der Verteilung der Oberflächengeschwindigkeiten an der Flüssigkeitsoberfläche zwischen den Wänden des Rohres modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Energiesignal Mikrowellenenergie, akustische Energie oder Laserenergie aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, enthaltend den Schritt eines Messens des Flüssigkeitsniveaus in der Nähe des Bereiches, auf welchen der erste Strahl gerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Niveaumessung erhalten wird durch (a) Schaffen eines Referenzsignals, welches der Konfiguration des Rohres (4) entspricht; (b) Richten eines zweiten Energiestrahls (30) von der Quelle auf die Flüssigkeitsoberfläche; (c) Bestimmen des Luftraums zwischen der Quelle und der Flüssigkeitsoberfläche von einem von der Oberfläche reflektierten zweiten Strahl; und (d) Beziehen von Veränderungen des Luftraums auf Veränderungen des Flüssigkeitsniveaus gemäß dem Referenzsignal.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der zweite Energiestrahl Mikrowellenenergie, akustische Energie oder Laserenergie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der zweite Strahl mit dem ersten Strahl zusammenfallend auf die Flüssigkeitsoberfläche gerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der zweite Strahl im wesentlichen senkrecht auf die Flüssigkeitsoberfläche gerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, weiterhin enthaltend den Schritt eines Verarbeitens des reflektierten zweiten Energiestrahls, um Teile des von sich nicht bewegenden Flächen reflektierten Strahls zu eliminieren und dadurch die Genauigkeit der Messung des Flüssigkeitsniveaus zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Verarbeitungsschritt ein Eliminieren von Variationen in der Niveaumessung umfaßt, welche auf Kräuselungen und Wellen der Flüssigkeit beruhen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Verarbeitungsschritt weiterhin eine Analyse des Teils der Variationen der Niveaumessung umfaß, der auf Kräuselungen und Wellen beruht, um die vorliegenden Frequenzen zu bestimmen und diese Frequenzen von den Oberflächengeschwindigkeits-Doppler-Signalen zu eliminieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Verarbeitungsschritt weiterhin den Schritt einer Analyse der Rauhigkeit der Flüssigkeitsoberfläche und eine Einstellung der Modifikation des Oberflächengeschwindigkeits-Signals gemäß der Oberflächenrauhigkeit umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, wobei die ersten und zweiten Strahlen an einer Stelle erzeugt werden, welche der Krone bzw. dem Scheitel des Rohres zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiterhin umfassend den Schritt einer Erzeugung von Störungen in der Flüssigkeitsoberfläche, wenn das Rohr wenigstens teilweise voll ist.
Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit einer durch ein Rohr (4) strömenden Flüssigkeit, ohne in die Flüssigkeit einzudringen, enthaltend: (a) Sensormittel (20, 24), die oberhalb der Flüssigkeit anzuordnen sind, zum Erzeugen eines ersten Energiestrahls und zum Feststellen des durch die Flüssigkeitsoberfläche reflektierten ersten Energiestrahls zum Erzeugen eines Oberflächengeschwindigkeits-Signals (S_V) für eine gegebene Stelle quer über das Rohr (4); und zum Erzeugen eines zweiten Energiestrahls sowie zum Feststellen des von der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten zweiten Energiestrahls zum Erzeugen eines Tiefensignals (S_D), welches dem Flüssigkeitsniveau in dem Rohr entspricht; (b) Signal-Modifiziermittel zum Modifizieren des Oberflächengeschwindigkeits-Signals mit einem Modifizierer gemäß der gegebenen Stelle, um dadurch ein Durchschnittsgeschwindigkeits-Signal (V) zu erzeugen, enthaltend: (1) Verarbeitungsmittel (36), welche auf das Oberflächengeschwindigkeits-Signal und das Tiefensignal ansprechen, um ein örtliches Signal (V_S) an der Stelle zu erzeugen, an welcher der erste Strahl auf die Oberfläche trifft; (2) Vergleichsmittel (40) zum Vergleichen des örtlichen Signals mit mathematischen Beziehungen, die in einem Speicher (42) gespeichert sind, um einen Multiplizierkoeffizienten (V_M) zu erzeugen, der für das Verhältnis der Oberflächengeschwindigkeit (S_V) zum Flüssigkeitsniveau charakteristisch ist; und (3) Strömungs-Modifiziermittel (44) zum Modifizieren des Oberflächengeschwindigkeits-Signals als Funktion des Multiplizierkoeffizienten; und (c) Strömungs-Berechnungsmittel (38), welche auf das Tiefensignal und das Durchschnittsgeschwindigkeits-Signal ansprechen, um ein Strömungssignal (Q) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, weiterhin enthaltend Mittel (50, 58) zum Anordnen des Sensors (20) an einer Stelle, welche der Krone bzw. dem Scheitel des Rohres zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Befestigungsmittel (50; 58) nach oben gegen zwei Scheitel des Rohres an einander gegenüberliegenden Bereichen einer Öffnung (52) zwischen einem Mannloch und dem Rohr gespannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Sensor-Befestigungsmittel an einem Einlaß oder einem Auslaß eines Rohres (4) angeordnet sind, mit Bezug auf ein Mannloch, welches eine Seitenwand und eine Zugangsöffnung (52) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Befestigungsmittel einen festen Zapfen zum Andrücken des Sensors gegen die Seitenwand des Mannloches aufweist, sowie Mittel zum Vorspannen des Sensors nach oben gegen die Krone des Rohres, wobei der Sensor relativ zu der Krone an einer bekannten Stelle fest montiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Befestigungsmittel weiterhin einen Befestigungsbügel (50) aufweist, der mit dem Mannloch benachbart zu der Zugangsöffnung (52) verbunden ist, wobei der Zapfen (62) und das Spannmittel (60) sich von dem Befestigungsbügel nach unten erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei das Befestigungsmittel weiterhin einen Winkelbügel (64) aufweist, der mit dem Sensor (66) verbunden ist, wobei der Winkelbügel durch den Zapfen (62) und das Spannmitttel (60) gegen die Seitenwand des Mannloches und des Rohrscheitels geklemmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 21, weiterhin enthaltend eine Universalkupplung (76) zum Befestigen des Sensors (66) an dem Winkelbügel (64), wobei der Sensor selbstausrichtend ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei das Spannmittel ein Kabel (60) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Zapfen und das Spanmmittel jeweils Teleskopelemente aufweisen, von denen wenigstens ein Segment eine unter Druck vorgespannte Strebe aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Modifizierer auch eine Funktion des Durchmessers des Rohres und/oder der Konfiguration des Rohres und/oder der Verteilung der Oberflächengeschwindigkeit auf der Flüssigkeitsoberfläche zwischen den Rohrwänden bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das Sensormittel einen ersten Energiestrahl auf die Flüssigkeitsoberfläche unter einem spitzen Winkel zwischen dem ersten Energiestrahl und der Flüssigkeitsoberfläche richtet, den von der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Strahl feststellt, und die Doppler-Frequenz-Verschiebung zwischen dem gerichteten und dem reflektierten Strahl bestimmt, um das Oberflächengeschwindigkeits-Signal zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei der erste Energiestrahl Mikrowellenenergie, akustische Energie oder Laserenergie enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das Sensormittel ein Ausgangssignal erzeugt, welches dem Flüssigkeitsniveau in der Nähe der gegebenen Stelle entspricht, und wobei die Signale für das Niveau und die Durchschnittsgeschwindigkeit zu kombinieren sind, um die Flüssigkeitsströmung zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei das Sensormittel weiterhin einen zweiten Energiestrahl (30) auf die Flüssigkeitsoberfläche richtet, den Luftraum zwischen dem Sensor und der Flüssigkeitsoberfläche aus dem von der Oberfläche reflektierten zweiten Energiestrahl bestimmt, und Änderungen des Luftraums auf Änderungen des Flüssigkeitsniveaus gemäß einer Referenz bezieht, welche der Konfiguration des Rohres (4) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei der zweite Energiestrahl Mikrowellenenergie, akustische Energie oder Laserenergie aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei der zweite Energiestrahl im wesentlichen mit dem ersten Strahl zusammenfallend auf die Flüssigkeitsoberfläche gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei der zweite Energiestrahl im wesentlichen rechtwinklig auf die Oberfläche gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29, weiterhin enthaltend mit dem Sensor verbundene Verarbeitungsmittel zum Verarbeiten des reflektierten zweiten Energiestrahls, um Teile der reflektierten Strahlen von nicht bewegten Flächen zu eliminieren und dadurch die Genauigkeit der Messung des Flüssigkeitsniveaus zu erhöhen.
Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei das Verarbeitungsmittel Variationen in der Niveaumessung, die aus Kräuselungen und Wellen in der Flüssigkeit resultieren, eliminiert.
Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei das Verarbeitungsmittel weiterhin den Teil der Variationen in der Niveaumessung analysiert, der aus Kräuselungen und Wellen resultiert, um die vorhandenen Frequenzen zu bestimmen und diese von den Oberflächengeschwindigkeits-Doppler-Signalen zu eliminieren.
Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei das Verarbeitungsmittel das Flüssigkeitsniveau-Signal verarbeitet, um die Rauhigkeit der Flüssigkeitsoberfläche zu analysieren und das Modifiziermittel gemäß der Oberflächenrauhigkeit einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, weiterhin enthaltend Mittel zum Erzeugen von Störungen an der Oberfläche der Flüssigkeit, wenn das Rohr wenigstens teilweise voll ist.
Vorrichtung nach Anspruch 37, wobei das Mittel zum Erzeugen von Störungen ein Blech (78) od.dgl. aufweist, welches sich von dem Rohr (4) benachbart zu dem Sensor (66) aus erstreckt, wobei das Blech od.dgl. eine unebene Innenseite aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 37, wobei das Mittel zum Erzeugen von Störungen eine Schnur, Kette od.dgl., einen Stab oder einen Luftstrom aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 37, wobei das Mittel zum Erzeugen von Störungen einen Vorrat (80) für eine zweite Flüssigkeit aufweist, die zwischen der zu messenden Flüssigkeit und einer Innenseite des Rohres anzuordnen ist, wobei die zweite Flüssigkeit für Mikrowellen durchlässig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 40, wobei die zweite Flüssigkeit ein Gas oder eine Flüssigkeit mit niedriger Dielektrizitätskonstante aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Sensormittel einen Hilfssensor (88) aufweist, der sich unterhalb des Befestigungsmittels erstreckt, um die Geschwindigkeit der Flüssigkeit festzustellen, wenn das Rohr voll ist.
Vorrichtung nach Anspruch 42, wobei der Hilfssensor (88) ein elektromagnetischer Sensor, ein akustischer Doppler-Sensor, ein Mikrowellen-Doppler-Sensor oder ein Differenzdruck-Sensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29, weiterhin enthaltend Reflektionsmittel, die zwischen den Sensormitteln und der Flüssigkeit angeordnet sind, zum Reflektieren eines zweiten Energiestrahls von den Sensormitteln zur Flüssigkeitsoberfläche im wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche.
Vorrichtung nach Anspruch 28, weiterhin enthaltend einen zweiten Sensor zum Messen des Flüssigkeitsniveaus, welches sich unter Überlast-Strömungsbedigungen oberhalb der Rohrkrone in das Mannloch erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 45, wobei der zweite Sensor einen Druckumformer aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, mit einem ersten Sensormittel (20) zum Erzeugen des ersten Energiestrahls (26) und einem zweiten Sensormittel (24) zum Erzeugen des zweiten Energiestrahls (30).