DK168248B1 - Fremgangsmåde til måling af et fluidums strømningshastighed efter princippet med fase-efterreguler ing og differensfrekvensudnyttelse - Google Patents

Description

i DK 168248 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til måling af et fluidums strømningshastighed v efter princippet med fase-efterregulering og differensfrekvensudnyttelse som omhandlet i indledningen til krav 1.

5 Der kendes, f.eks. fra USA-patentskrift nr.

3 751 979 og fra tysk offentliggørelsesskrift nr.

28 828 937, fremgangsmåder, der arbejder efter princippet med faseregulering på bærebølgesiden til bestemmelse af et fluidums strømningshastigheder. Målingen sker ved 10 hjælp af kontinuerlige ultralydsignaler, som mellem en første ultralydomsætter og en anden ultralydomsætter, der tilsammen danner målestrækningen, gennemløber fluidumet i en sådan retning og på en sådan måde, at en komposant af ultralydstrålingens løberetning er parallel 15 med retningen af den fluidumstrømning, der skal måles.

Da der på ultralyden ved måling i strømningens retning og i den modsatte retning indvirker en yderligere for-plantningskomposant, opstår der for ultralyden en faseforskydning mellem sende- og modtagesignal hhv. en for-20 kortelse og en forlængelse af lydbølgelængden i det strømmende fluidum. Bølgelængdeændringerne kompenseres ved frekvensændringer i overensstemmelse med kombinationen c0+v=f2'X hhv. c0 -v=f2*\, hvor cD er lydforplantningshastigheden i det hvilende fluidum.

25 Fra Instruments & Control Systems, Vol. 40 (1967), side 130 ff, fra IEEE Transact, on Instr. and Measurement, Vol. IM 23, (1974) side 203 og fra Ultrasonics, Vol. 10 (1972) side 204 kendes fremgangsmåder, ved hvilke der udsendes impulser af ultralydbølger. Af 30 interesse er alene disse impulsers stigeflanke. De udsendte ultralydbølgers frekvens er bestemt ved den pågældende omsætter, som aktiveres til udsendelsen, og som man lader svinge ud. Strømningshastigheden v udnyttes ud fra de efter fremgangsmåden bestemte, lavfrekvente 35 taktfrekvenser af impulserne, som skal tilvejebringes, nemlig for lydbølger i strømningens retning og i den modsatte retning.

DK 168248 B1 2

Strømningsmåleværdien v kan også udvindes ved bestemmelse af differensfrekvensen mellem den frekvens fx, der fremkommer for den ene måleretning, og den frekvens f2, der fremkommer for den modsatte retning af 5 ultralydbølgerne. Noget sådant er angivet i USA-patent-skrift nr. 3 751 979. For strømningshastigheden v, der skal bestemmes ud fra differensfrekvensen (f1-f2), be- . står der imidlertid kun et éntydigt forhold i overensstemmelse med f1-f2=2v/X, hvis det er sikret, at der 10 ved hver måling i strømningsretningen og i den modsatte retning altid passer nøjagtigt det samme antal n bølgelængder λ på målestrækningen. At sikre dette bliver desto vanskeligere, jo højere tallet n er, f.eks. større end 10 eller endog i området fra 100 til 1000. Et 15 meget lavt tal n betyder på den anden side en stor u-nøjagtighed ved målingen, hvilket ligeledes er almindeligt kendt.

Den foreliggende opfindelse har til opgave at angive en sådan målefremgangsmåde hhv. at udforme en prin-20 cipielt kendt målefremgangsmåde videreudviklet på en sådan måde, at der dels kan opnås éntydige måleværdier for strømningshastigheden, dels står et praktisk taget ube- -grænset måleområde til rådighed, idet man sikrer, at der altid passerer et helt antal - og det samme antal - bøl-25 gelængder i begge retninger, uanset antallet.

Denne opgave løses med en fremgangsmåde som angivet i krav 1.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen benytter principper og foranstaltninger, der er af i og for sig kendt 30 art, men som ifølge opfindelsen suppleres således med afgørende yderligere foranstaltninger, at en éntydig kalibrering af målingerne er sikret, og med hvilke den med kendte fremgangsmåder forbundne begrænsning af måleområdet er ophævet.

35 Principielt betragtet omfatter opfindelsen foran staltninger, med hvilke der først foretages en kalibre- DK 168248 B1 3 ring, hvorhos disse foranstaltninger fører til reguleringsspændingsværdier, som lagres. Til målingerne i den ene retning og i den modsatte retning frembringes der uafhængigt af hinanden reguleringsspændingsværdier, 5 som lagres separat. Med disse reguleringsspændinger ef-terreguleres frekvensen fT af kilden for det kontinuerlige oscillator signal. Por den ene måleretning fremkommer da en frekvensværdi fT1 og for den modsatte retning frekvensværdien fT2· Denne kilde er alminde-10 ligvis en VCO (voltage controlled oscillator). Yderligere er det nyt, at der ud fra det således efterregule-rede oscillatorsignal frembringes et burst-signal, og at først dette burst-signal tilføres den netop som sender * bestemte ultralydomsætter i målestrækningen. Desuden er 15 det nyt, at dette burst-signals taktsignal har en taktfrekvens fB, som er frembragt ved frekvensdeling med delefaktoren N ud fra oscillatorsignalets frekvens: fn 2=n'%1 2' opfindelsen anvendes fortrinsvis værdier N i området 10-1000.

20 Det ved starten af fremgangsmåden ifølge opfin delsen bestemte fasesammenligningssignal 0B for faseforskellen, som foreligger mellem taktsignalet og det demodulerede modtagesignal i målestrækningens modtageomsætter, filtreres ved hjælp af et sløjfefilter (I-regu-25 lator) og sammenlignes med et referencesignal 00, som skal gives forud. Det af denne sammenligning resulterende udgangssignal fra sløjfefiltret tjener som reguleringsspænding for veo'en som kilde for oscillatorsig- * nalet, hvormed frekvensen fT i hvert enkelt tilfælde 30 efterreguleres således, at n = Ν:0ο/(2π) bølgelængder λ passer på målestrækningen.

Den i det foranstående forklarede indstillingsproces, som udgør en del af opfindelsen, fører til en første reguleringsspænding, som i første omgang lagres.

35 En sådan indstillingsproces foretages navnlig efter hver (ny-)tilkobling af måleapparatet. Ved den efterfølgende DK 168248 B1 4 egentlige måling af strømningshastigheden v frembringes med denne regulerings spænding en startfrekvens fT, som gælder for denne ene tilhørende måleretning. Den med denne frekvens udsendte ultralyd har dermed i det strøm-5 mende medium en éntydigt defineret bølgelængde λ som kalibreringsstørrelse. Den ved strømningshastighedsmålingerne tilstræbte høje opløsning opnås efter indstillingsprocessen ved vedvarende finafstemning af frekvensen fT efter det kendte princip med faseregulering på . 10 bærebølgesiden.

Den i det foranstående forklarede kalibreringsfremgangsmåde udføres for den ene retning og for den modsatte retning adskilt fra hinanden, således at der i to indstillingsprocesser fremkommer to forskellige re-15 guleringsspændinger ("første" reguleringsspænding og "anden" reguleringsspænding, nemlig én for hver af de pågældende retninger af målestrækningen.

Ved hjælp af opfindelsen er det sikret, at der for alle egentlige målinger af den øjeblikkelige strøm-20 ningshastighed v fremkommer et bestemt antal n ultralydbølgelængder, som passer på målestrækningen med længden L. Der fremkommer med andre ord en defineret bølgelængde X=L/n for den ultralydstråling, der forplanter sig i fluidumet. Dette gælder også ved kraftige • 25 variationer af den strømningshastighed v, der skal måles, dvs. ved store forskelle mellem de ved de forannævnte indstillingsprocesser frembragte frekvenser for den ene retning og for den modsatte retning. Dette gælder endvidere, hvis det afsnit af fremgangsmåden ifølge 30 opfindelsen, som bevirker den éntydige kalibrering (indstillingsproces ), sker ved en hastighed af fluidumets strømning, som adskiller sig væsentligt fra den strømningsmåleværdi, som foreligger ved den egentlige strømningsmåling .

35 Sagt med andre ord er der ved opfindelsen tale om en kombination af indstillingsprocesser for den ene ret- DK 168248 B1 5 ning og den modsatte retning og af fremgangsmåden for den egentlige strømningsmåling. Netop denne ejendommelige kombination løser den opgave at levere i hvert enkelt tilfælde éntydige måleresultater for strømningshastighe-5 den v, og det indenfor strømningshastighedsområdet v=0 til værdien v=c0/2 (den halve værdi af lydhastigheden i fluidumet), dvs. måleområdet har praktisk taget ingen begrænsning. Navnlig er éntydigheden også sikret, hvis måleapparatet frakobles og påny tilkobles.

10 Afgørende for opfindelsen er ikke blot den ide at indføre indstillingsprocesser, men også den frekvens- og faselåste tilknytning af burst-takten med frekvensen fB (for den ene retning og den modsatte retning) til det kontinuerlige oscillatorsignal med frekvensen fT (for 15 den ene retning og den modsatte retning) over frekvensdelingen i overensstemmelse med fT=N*fB. Deri er N et ikke nødvendigvis helt tal, som er større end 1, navnlig et tal mellem 10 og 1000. Deraf fremkommer den for opfindelsen afgørende éntydige tilknytning af den i det 20 strømmende fluidum netop optrædende bølgelængde λ (for den ene retning og den modsatte retning) af den netop udsendte ultralydstråling til målestrækningens længde L (mellem sendeomsætter og modtageomsætter).

Den som træk ved opfindelsen påtænkte indstil- _ 25 lingsproces sikrer, at ved de enkeltmålinger efter princippet med den i sig selv kendte faseregulering på bærebølgesiden, som skal foretages efterfølgende til bestemmelse af måleværdierne v i strømningen, er der på trods af de med henblik på et ubegrænset måleområde nød-30 vendigvis fuldstændigt uafhængigt af hinanden drevne reguleringssløjfer for den ene retning og den modsatte retning indeholdt et i hvert enkelt tilfælde lige stort bølgeantal n på målestrækningen. Differensdannelsen (differensen mellem frekvensværdierne for den ene ret-35 ning og for den modsatte retning), der skal foretages på kendt måde ved udnyttelsen, fører da altid til éntydige resultater.

DK 168248 B1 6

Det skal bemærkes, at ved udøvelse af opfindelsen kan ændringer af lydhastigheden cQ i det hvilende medium - sådanne ændringer kan bero på temperaturændringer eller på tidsmæssige ændringer af fluidumets stoflige 5 sammensætning - kompenseres selvstændigt i praktisk taget ubegrænset omfang. Dette er en yderligere helt afgørende fordel, som opfindelsen giver brugeren.

Yderligere enkeltheder ved opfindelsen er i det følgende forklaret nærmere under henvisning til det i 10 fig. 1 viste diagram.

Med 1 betegnes i diagrammet i fig. 1 en oscillator til frembringelse af et kontinuerligt oscillatorsignal. Dette er en styrbar oscillator, f.eks. navnlig en VCO, som under driften leverer de kontinuerlige 15 signaler med frekvenserne fT1 (til målingen i den ene > retning) og fT2 (til målingen i den modsatte retning). Elementet 2 er en kobler, som aktiveres med et taktsignal med frekvensen fBl (ved målingen i den ene retning) hhv. fB2 (ved målingen i den modsatte retning), 20 og som vibratoromformer det fra oscillatoren 1 kommende kontinuerlige signal således, at der til hver af de to måleretninger foreligger et sendesignal med frekvens-sidebåndene fT±fB. Dette sendesignal går i hvert enkelt tilfælde til den ultralydomsætter, der netop drives 25 som sendeomsætter (i fig. 1 omsætteren 4). Til omkobling af omsætteren mellem sende- og modtagedrift findes der et koblerorgan 3 med koblerfunktionerne 3a og 3b. Med 5 betegnes den over koblerfunktion 3b i øjeblikket som modtageomsætter drevne ultralydomsætter. Mellem om-30 sætterne 4 og 5 ligger således den egentlige ultra- · lyd-målestrækning i det strømmende fluidum 6, nemlig både for den ene retning og for den modsatte retning.

Med 7 betegnes en frekvensdeler, som neddivide-rer den foreliggende frekvens fT til frekvensen 35 fB=fT/N. Dette signal med frekvensen fB ligger over kobleren 2 og også over fasesammenligningsleddet 8, DK 168248 Bl 7 hvis anden indgang over en amplitudedemodulator 9 får tilført indhyllingssignalet af det af den netop som modtageomsætter drevne ultralydomsætter (i fig. 1 omsætteren 5) modtagne signal. Dette fasesammenligningsled 5 8's udgangssignal går over kobleren 10's koblerfunk tion 10a og over en modstand 12 til den inverterende · indgang på en operationsforstærker 14. Den ikke-inverterende indgang på denne operationsforstærker 14 får fra en referencespændingskilde 15 tilført et forudbe-10 stemmeligt fasesammenligningssignal 0Q. Operationsforstærkeren 14's udgangssignal går som styresignal med den i dette driftsforløb bestemte (første) reguleringsspænding UVCq til oscillatoren 1. Med denne reguleringsspænding efterreguleres oscillatorens frekvens, 15 indtil fasesammenligningsleddet 8's udgangssignal 0B stemmer overens med referencesignalet 0Q. Den i det foranstående beskrevne indstillingsproces afsluttes med, at den slutteligt gældende (første) reguleringsspændingsværdi lagres i en (første) lagerkondensator 16a.

20 I kobleren 17 er koblerfunktionen 17a vist sluttet, således at denne i det foranstående angivne lagring i ’ lagerkondensatoren 16a faktisk kan finde sted. Den hidtil givne beskrivelse gælder for målingen i én af de to retninger.

25 Med driftsforløbstyringen 23 omkobles kobleren 3 til udførelse af målingen for den modsatte retning, således at der foreligger modsatte koblerfunktioner 3a og 3b i forhold til de i fig. 1 viste. Desuden omkobles med denne driftsforløbstyring også kobleren 17, 30 således at også koblerfunktionerne 17a og 17b er modsat de i fig. 1 viste. Med disse nyindstillede koblerfunktioner 3a, 3b, 17a, 17b udføres nu indstil lingsprocessen for den modsatte retning (omsætter 5 som sender, omsætter 4 som modtager). Nu fremkommer 35 den anden værdi af reguleringsspændingen. Med denne reguleringsspænding oplades den anden lagerkondensator 16b.

DK 168248. B1 8

Resultatet af disse indstillingsprocesser er, at der over lagerkondensatorerne 16a og 16b foreligger to reguleringsspændinger til de efterfølgende egentlige strømningsmålinger, nemlig for den ene retning (omsætter 5 4 som sender) og for den modsatte retning (omsætter 5 som sender).

Den efter udførelse af de to indstillingsprocesser stedfindende egentlige måleværdibestemmelse udføres med faseregulering på bærebølgesiden. Hertil omkobles 10 kobleren 10, således at koblerfunktionen 10b er sluttet, og koblerfunktionen 10a er afbrudt. Det modtagesignal, der netop skal modtages af modtageomsætteren 5 (måling i den ene retning), går til en fasediskrimi-nator 20, som desuden får tilført oscillatoren l's 15 oscillatorsignal. Med en med det inverterede (inverter 22) taktsignal aktiveret sample-and-hold-kobling 21 aftastes det som følge af burst-driften (med taktfrekvensen fB) i hvert enkelt tilfælde kun kortvarigt udnyttelige udgangssignal fra fasediskriminatoren 20.

20 Over kobleren 10's sluttede kobler funkt ion 10b ligger nu det aftastede fasesignal over modstanden 12, dvs. på sløjfefiltrets indgang. Som følge af, at kobleren 17 kobles synkront med kobleren 3, dvs. omkobles ved hver vending af måleretningen, aktualiseres ved 25 sluttet koblerfunktion 17a den første reguleringsspændingsværdi i lagerkondensatoren 16a, og ved sluttet koblerfunktion 17b aktualiseres den anden reguleringsspændingsværdi (for den modsatte retning) i lagerkondensatoren 16b. Dette sker, indtil der også for bærebøl-30 gen for de modtagne signaler med frekvenserne fT1 og fT2 foreligger fasen 0T=00 for hver af de to måleretninger .

Måleresultatet, dvs. differensfrekvensen ^Τ1“%2' cler dannes, kan opnås digitalt enten 35 ved fremad-bagud-tælling eller ved synkronisering af to uafhængige oscillatorer på frekvenserne fT1 og fT2 Η I " — ^—--- DK 168248 B1 9 med efterfølgende frekvensblanding (på i sig selv kendt måde). Ud fra springet hhv. forskellen mellem regule- , ringsspændingsværdierne over lagerkondensatorerne 16a og 16b - denne forskel optræder ved den nævnte omkob-5 ling af måleretningen - kan der også udvindes en analog måleværdi for strømningsmåleværdien.

En helt særlig betydning har opfindelsen i forbindelse med benyttelsen af en gennemstrømnings-strømningsmåler som angivet i tysk offentliggørelsesskrift 10 nr. 30 20 282 (europæisk offentliggørelsesskrift nr.

0 040 837; USA-patentskrift nr. 4 375 767) hhv. for anvendelsen af ultralydomsættere med interdigitalstruktur, som de er beskrevet i dette skrift. Der er her tale om omsættere med en interdigitalstruktur af den elektriske 15 polarisation og/eller af de til aktivering af omsætteren tjenende elektroder. Disse omsættere er egnet til direkte ultralydudstråling og -modtagelse i en forudbestemme- . lig og desuden elektrisk styrbar vinkel i forhold til < denne omsætterstrukturs overflade.

20 Nærmere forklaringer af en sådan omsætter er an givet udførligt i det pågældende patentskrift.

Et vigtigt træk ved den i det foranstående beskrevne fremgangsmåde ifølge den foreliggende opfindelse er muligheden for at vælge en bestemt bølgelængde λ i 25 det strømmende medium, nemlig ved valg af deleforholdet N. Af de forannævnte ligninger λ = L/n og η = Ν·0Ο/2Π fremkommer eksempelvis for referencefasen Øq = Π - dette er et særligt praktisk valg af en referencefase - relationen λ = 2L/N. Ved en omsætter med interdigital-30 struktur ifølge ovennævnte skrift afhænger den med vinklen α hældende udstrålingsretning af bølgelængden λ og af gitterkonstanterne hhv. periodicitetskonstanterne . hhv. periodicitetsafstanden g på følgende måde: α = arccos (λ/g).

35 Ved et indbygget omsætterpar med interdigital struktur som angivet i det forannævnte ældre patent er

Claims (2)

1. Fremgangsmåde til måling af et fluidums 35 strømningshastighed v efter princippet med fase-efterregulering og differensfrekvensudnyttelse, ved hvilken der DK 168248 B1 11 frembringes et kontinuerligt elektrisk oscillatorsignal, som er styrbart med hensyn til sin oscillatorfrekvens fT, ved hvilken et af en første ultralydomsætter i fluidumet udsendt ultralydsignal, som gennemløber måle-.5 strækningen, modtages med en anden ultralydomsætter, og ved hvilken den af den første og den anden ultralydomsætter dannede målestrækning benyttes i én retning og i den modsatte retning, kendetegnet ved, at der frembringes ud fra det kontinuerlige oscillatorsignal 10 med oscillatorfrekvensen fT ved kobling med et taktsignal med taktfrekvensen fB i hvert enkelt tilfælde et burst-signal, at taktsignalets taktfrekvens frembringes ud fra oscillatorsignalets frekvens fT ved forud-bestemmelig frekvensdeling med delefaktoren N, at burst-15 signalet påtrykkes målestrækningens første ultralydomsætter, at det af målestrækningens anden ultralydomsætter modtagne ultralydsignal amplitudedemoduleres, at det mellem taktsignalet og det demodulerede modtagesignal foreliggende fasesammenligningssignal 0B måles, at .20 fasesammenligningssignalet 0B filtreres og sammenlignes med et forudbestemmeligt referencesignal Øq i et sløjfefilter, at sløjfefiltrets udgangssignal tilføres reguleringsindgangen på kilden for det kontinuerlige elektriske oscillatorsignal med frekvensen fT, og at dette for-25 løb fortsat gentages i modsat retning til tilvejebringelse og lagring af en anden reguleringsspænding, svarende til en frekvens fT2.

2. Fremgangsmåde ifølge krav i, kendetegne t ved, at referencefasen vælges til Øq = π.