NL7915034A

NL7915034A - Inrichting voor het meten van stromingssnelheden met behulp van ultrasone trillingen.

Info

Publication number: NL7915034A
Application number: NL7915034A
Authority: NL
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1978-06-30
Filing date: 1979-05-31
Publication date: 1980-08-29
Also published as: DK275479A; DE2828937A1; EP0006464A2; JPS559194A; DE2828937C2; EP0006464A3; GB2056064A

Description

! 7915034 x * N. O.29029

Inrichting voor het meten van stromingssnelheden met behulp van ultrasone trillingen.^

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het meten van stromingssnelheden met behulp van ultrasone trillingen, waarbij een eerste en een tweede elk uit een zend- en een ontvang-omzetter bestaande, elkaar kruisende ultrasone meetbanen aange-5 bracht zijn.

Voor het meten van stromingssnelheden met behulp van ultrasone trillingen zijn in wezen twee werkwijzen bekend, namelijk de zogenaamde looptijdverschilmeting met de faseverschilmeting als speciaal geval en de rechtstreekse looptijdmeting met de zogenaamde 10 Sing-around-werkwijze als speciaal geval.

Voor werkwijzen van het eerstgenoemde type zijn weliswaar relatief geringe kosten voor wat betreft elektronische inrichtingen nodig, maar zij hebben echter het nadeel dat de in het algemeen ; niet nauwkeurig bekende geluidssnelheid kwadratisch in het meet-15 resultaat tot uitdrukking komt. Bij werkwijzen van het laatstgenoemde type is het meetresultaat onafhankelijk van de geluidssnelheid. Er is echter een hoge precisie in de definitie van de looptijd nodig, waardoor pas bij relatief grote buisdiameters met bevredigende nauwkeurigheid gemeten kan worden, vergelijk bijvoor-20 beeld Prof.Dr.Ing. K.W. Bonfig: "Technische Durchfluszmessung mit besonderer Berttcksiehtigung neuartiger Durchfluszmeszverfahren", Vulkan-fërlag, Dr.W. Classen Uachfolger, Essen 1977» bladzijde 131 tot 143, in het bijzonder bladzijde 137 tot 138 i "11.3.1. Direkte Laufzeitmessung".

25 Bij de bekende sing-around-werkwijze worden ultrasone trillings- bundels als impulsen door een gever naar een ontvanger overgedragen, die door middel van een elektrisch signaal de bevestiging van de ontvangst aan de gever meldt, waardoor opnieuw een nieuwe ultrasone trillingsbundel uitgezonden wordt. Uit de terugkeerfrequentie ont-30 staat een trilling in het hoorbare akoestische gebied, waaruit de uitdrukking "sing-around" afkomstig is. Uit het verschil van de terugkeerfrequenties ontstaat de stromingssnelheid.

Bij deze bekende werkwijze bestaat het nadeel dat het trekker-; punt, waarin de gever opnieuw ingeschakeld moet worden niet voldoen-35 de nauwkeurig reproduceerbaar is, zodat een onnauwkeurigheid van de i bekende werkwijze alleen reeds door dit feit gegeven is.

7915034 ♦ 2

Aan de uitvinding ligt de opgave ten grondslag om een inrichting voor het meten van stromingssnelheden met behulp van ultrasone trillingen te verschaffen, waarbij de geluidssnelheid niet in het meetresultaat betrokken is, waarbij er geen trekkerproblemen bestaan 5 en relatief geringe., schakelingtechnische kosten nodig zijn.

Aan de uitvinding ligt het idee ten grondslag dat bij het continu uitzenden van ultrasone trillingen de behoefte aan een trekkerwerking wegvalt daar er geen trillingsbundels uitgezonden worden, en dat een voor het bereiken van een gedefinieerde fase-10 stand van het betreffende ontvangstgnaal betrokken op het betreffende zendsignaal vereiste instelling van de frequentie gebruikt kan worden om de stromingssnelheid indirect te bepalen.

Aan de genoemde opgave wordt voldaan door een conform in de aanhef vermelde inrichting voor het meten van stromingssnelheden, 15 met behulp van ultrasone trillingen, waarbij een eerste en een tweede elk uit een zend- en een ontvang-omzetter bestaande ultrasonê meetbanen aangebracht zijn, en waarbij telkens een ten opzichte van; de stromingsrichting evenwijdig gerichte uitbreidingscomponent van j de ultrasone trillingen in stromingsrichting respectievelijk tegen ; 20 de stromingsrichting in zich instelt, welke inrichting gekenmerkt wordt door de in het kenmerkende deel van conclusie 1 aangegeven kenmerken.

De uitvinding heeft het voordeel dat er relatief geringe kos-! ten voor de realisatie van een dergelijke inrichting nodig zijn en i25 dat de grootheid "uitbreidingssnelheid" van de ultrasone trillingen als bepalingskriterium voor de te meten stromingssnelheid wegvalt.

! Hieruit ontstaan opnieuw verschillende technische voordelen, zoals onder andere de onafhankelijkheid van de met de inrichting volgens : de uitvinding toepasbare meetwerkwijze van fysische eigenschappen JO van het meetmedium.

Yerdere uitvoeringen van de uitvinding worden gekenmerkt door de in de kenmerkende delen van de conclusies 2 tot 8 aangegeven kenmerken.

De onderhavige uitvinding wordt hiernavolgend toegelicht aan 35 de hand van een figuur die betrekking heeft op een uitvoerings-voorbeeld van de uitvinding.

De figuur toont de principiële opbouw van een uitvoerings-i voorbeeld van de uitvinding met een stromingskanaal 1, waarin op ; de aangegeven manier een eerste ultrasone meetbaan 6 en een tweede 40 ultrasone meetbaan 7 elkaar kruisend onder een invalshoek β aange- 7915034 3 bracht zijn. De eerste ultrasone meetbaan 6 bestaat uit een eerste zendomzetter 2, die ultrasone trillingen met een eerste frequentie £1 over de lengte van de meetbaan 1 naar een eerste ontvang-omzetter 5 zendt. Een tweede zend-omzetter 4 zendt ultrasone trillingen met een tweede frequentie f2 over de tweede ultrasone meetbaan 7 met de lengte 1 naar een tweede ontvang-omzetter 5· Door het stromings-kanaal 1 vloeit een medium met een gemiddelde stromingssnelheid v. Over de beide ultrasone meetbanen 6, 7 worden continu ultrasone trillingen overgedragen.

Een telkens voor een ultrasone meetbaan aangebrachte, in de figuren niet-aangegeven faseregellus PLL met een telkens daarbij behorende spanninggestuurde oscillator VCO zorgt ervoor dat telkens bij de ontvang-omzetter 5 zich een constante fasestand betrokken op het signaal bij de zend-omzetter 2, 4 instelt. Yoor dit doel wordt telkens een door fasevergelijking te winnen regelsignaal aan de vermelde spanninggestuurde oscillator gegeven, waardoor deze een aan de gewenste fasestand aangepaste frequentie opwekt. Bij de eerste ultrasone meetbaan breidt zich de ten opzichte van de stro-mngsrichting evenwijdige component van de ultrasonestraal in de stromingsrichting uit, bij de tweede ultrasone meetbaan breidt deze I zich tegen de stromingsrichting in uit.

Hierdoor ontstaat op de eerste ultrasone meetbaan een voor de : ultrasone uitbreiding van zend-omzetter naar ontvang-omzetter toe i werkzame uitbreidingssnelheid van : c1eff = (c + v cos β) voor de tweede ultrasone meetbaan van c2eff = (° - ^ cos P)·

Onafhankelijk van de stromingssnelheid moet op beide ultrasone meetbanen het nauwkeurig gelijke aantal n van ultrasone golflijnen passen. Dat betekent daar beide ultrasone meetbanen even lang zijn, dat de ultrasone golflengte Λ op beide ultrasone meetbanen even groot moet zijn.

Dan geldt : °1 eff _ \ _ C2eff f - /v. = f *2

Verder geldt ; Λ = ^

Hieruit volgt : f-i = °ίω·ρ·γ · ? = (° + v cos β) γ 7915034 f2 = c2eff · ? = (° - ▼ <*>> P) f 4

Wanneer de ultrasone golflengte λ niet op beide ultrasone meetbanen precies gelijk is, komt dit hierin tot uitdrukking dat de fasestand van hét ultrasone signaal bij de ontvangplaats betrok-5 ken op het betreffende zendsignaal op beide meetbanen verschillend is. De reeds vermelde PIL zorgt door verandering van de betreffende zendfrequentie er voor dat dit gecorrigeerd wordt en dat de golflengten op beide ultrasone meetbanen precies gelijk aan elkaar zijn. De werkwijze kan daarom ook als X -vergrendelde-lus-werkwijze aange- 10 duid worden (Λ LL). Hij waarborgt de geldigheid van de boven aangegeven vergelijkingen.

Hierbij betekenen : f^ : eerste frequentie fg : tweede frequentie 15 c : geluidssnelheid v : gemiddelde stromingssnelheid β : invalshoek n : aantal van de ultrasone golflijnen op de meetbaan 1 : lengte van de meetbaan 20 °1 eff ; werkzame uitbreidingssnelheid op de eerste ultrasone meetbaan c2eff : werkzame uitbreidingssnelheid op de tweede ultrasone meetbaan X ί ultrasone golflengte j ; ;25 Door aftrekking van de vergelijking voor f^ van de vergelijking j voor f.j wordt bewezen dat de gemiddelde stromingssnelheid v uit het | verschil van de beide frequenties zonder invloed van niet-constante: grootheden afgeleid kan worden : f^ - f2 = (c + v cos β) y - (c - v cos β) | 30 Hieruit ontstaat : f1 - f2 = 2 v cos β y

De gemiddelde stromingssnelheid v komt dus als volgt tot : stand f - f - *1 2 V " 2 cos β n

35 I

Dese stromingssnelheid wordt dus afgezien van inrichtings-constanten uitsluitend bepaald door het verschil van de beide 791 5 0 3 4' t 5 frequenties. Hierdoor vallen alle invloeden weg die voortkomen uit de fysische eigenschappen van het medium waarvan de stromingssnelheid gemeten moet worden.

Bij een verdere uitvoering van de uitvinding is voorzien dat 5 een enkele ultrasone meethaan aangehracht is, waarbij de omzetters afwisselend telkens als zend-omzetter respectievelijk ontvang-omzetter bedreven worden, zodat afwisselend een uitbreidingscompo-nent van de ultrasone trillingen in de stromingsrichtirg respectievelijk tegen de stromingsrichting in ingesteld kan worden, waarbij 10 afwisselend ultrasone trillingen met de eerste frequentie en met de tweede frequentie uitgezonden worden en waarbij telkens een met de eerste frequentie en met de tweede frequentie overeenkomstig signaal tot aan de afleiding van de gemiddelde stromingssnelheid opgeslagen wordt.

7915034

Claims

1. Inrichting voor het meten van stromingssnelheden met behulp van ultrasone trillingen, waarbij een eerste en een tweede telkens uit een zend- en een ontvang-omzetter bestaande ultrasone meetbanen 5 aangebracht zijn en waarbij telkens een ten opzichte van de stro-mingsrichting evenwijdig gerichte uitbreidingscomponent van de ultrasone trillingen zich in de stromingsrichting respectievelijk tegen de stromingsrichting instelt, met het kenmerk, dat de eerste ultrasone meetbaan (6) met ultrasone trillingen van 10 een eerste frequentie (f^) en de tweede ultrasone meetbaan (7) met ultrasone trillingen van een tweede frequentie (fg) bedreven worden, dat de eerste frequentie (f^) en de tweede frequentie (f^) telkens met behulp van een op zich bekende, een spanningsgestuurde oscillator (YCO-spanning gestuurde oscillator) bevattende faseregellus 15 (PLL-fase-vergrendelde lus) zodanig geregeld worden, dat op de telkens bijbehorende ontvang-omzetter (5 respectievelijk 5) onder alle omstandigheden zich een op het betreffende zendsignaal betrokken constante fasestand van het ontvangsignaal instelt, en dat de gemiddelde stromingssnelheid (v) afgeleid wordt uit het verschil 20 tussen deeerste frequentie (f^) en de tweede frequentie (fg).

2. Inrichting volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat een enkele ultrasone meetbaan aangebracht is, waarbij de omzetters afwisselend telkens als zend-omzetter respectievelijk ontvang-omzetter bedreven worden, zodat afwisselend een uitbreidings-25 component van de ultrasone trillingen in de stromingsrichting respectievelijk tegen de stromingsrichting in ingesteld kan worden, dat telkens afwisselend ultrasone trillingen met de eerste frequentie (f^) en met de tweede frequentie (fg) uitgezonden worden, en dat telkens een met de eerste frequentie (f^) en met de tweede fre-50 quentie (fg) overeenkomstig signaal opgeslagen wordt tot aan de afleiding van de gemiddelde stromingssnelheid (v)

5. Inrichting volgens conclusie 1 of 2,met het kenmerk, dat het verschil van de eerste frequentie (f^) en de tweede frequentie (f^) gevormd wordt met behulp van digitale tellers. 35 4· Inrichting volgens conclusie 3, 1 e t het ken merk, dat het verschil van de eerste frequentie (f^) en de tweede frequentie (f2) gevormd wordt met behulp van een voorwaarts-terugwaarts-teller.

5· Inrichting volgens conclusie 1 of 2,met het ken-;40 m e r k, dat bij lineaire samenhang van de betreffende ‘stuurgrootheid ► voor de spanning gestuurde oscillator (VCO) met de telkens bijbehorende frequentie (f^ respectievelijk f^) het verschil van beide stuurgrootheden als meetwaarde--evenredige grootheid toegepast werd.

6. Inrichting volgens conclusie 5i i e t het k e n -5 merk, dat het verschil van beide stuurgrootheden gevormd wordt door aftrekking van hun analoge waarden.

7· Inrichting volgens conclusie 6,met het kenmerk, dat de verschilvorming uitgevoerd wordt met behulp van een operationele versterker.

8. Inrichting volgens conclusie 5,met het ken- m e r k,: dat het verschil van beide stuurgrootheden door aftrekking van hun gedigitaliseerde waarden gevormd wordt met behulp van op zich bekende middelen. 79 1 5 03 4