NL8701875A

NL8701875A - Inrichting voor de aanrakingsvrije meting van de volume- of massastroom van een bewegend medium.

Info

Publication number: NL8701875A
Application number: NL8701875A
Authority: NL
Original assignee: Endress Hauser Gmbh Co
Priority date: 1986-08-11
Filing date: 1987-08-10
Publication date: 1988-03-01
Also published as: NL192581B; GB2194058A; JPS63118619A; JPH063391B2; FR2602587A1; FR2602587B1; GB2194058B; US4976154A; GB8719011D0; NL192581C; DE3627162C2; DE3627162A1

Description

i N.0. 34663 1

Inrichting voor de aanrakingsvrije meting van de volume- of massa-stroom van een bewegend medium._ ~

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor de aanrakingsvrije meting van de volume- of massastroom van een bewegend medium met twee omzetters, waarvan de omvattings- of detectiegebieden in de bewegingsrichting van het medium ten opzichte van elkaar zijn verscho-5 ven en die elektrische signalen afgeven, waarin de inhomogeniteiten van het bewegend medium afhankelijk van hun ruimtelijke positie overeenkomstig verschillende ruimtelijke weegfuncties zijn betrokken, en met een inrichting voor het verkrijgen van de meetwaarde door correlatieve verknoping van de beide signalen.

10 Bij bekende meetinrichtingen van dit type wordt de met het maximum van de tijd-correlatiefunctie van de uitgangssignalen van de beide omzetters overeenkomstige verschuivingstijd bepaald, die gelijk is aan de looptijd van de inhomogeniteiten van het medium van de eerste naar de tweede omzetter. Bij een bekende afstand tussen de omzetters kan men 15 uit de looptijd de te meten snelheid afleiden. Door vermenigvuldiging van de snelheidswaarde met een met de momentane volumebelading overeenkomstige signaalwaarde verkrijgt men de volumestroom-meetwaarde. Een verdere vermenigvuldiging van de volumestroom-meetwaarde met de dichtheid van het medium levert de massastroom op. Deze meetwerkwijze is in 20 vele toepassingsgevallen onderworpen aan onzekerheden daar het meetresultaat afhankelijk is van het stromingsprofiel en daar het maximum van de kruiscorrelatiefunctie vaak minder opgedrukt is, zodat de plaats van het maximum niet nauwkeurig kan worden bepaald. Bij andere aanrakingsvrije meetwerkwijzen kan de stromingsrichting niet onderscheiden worden 25 en leveren deze werkwijzen geen verwerkbare aanwijzingen bij de snelheid nul en bij zeer kleine snelheden op. Tenslotte is ook de bepaling van de volume- of massastroom uit de snelheid met behulp van een extra volumebeladings-informatie omslachtig en vormt een verdere oorzaak voor meetfouten.

30 De uitvinding beoogt een meetinrichting van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen die rechtstreeks de meetwaarde van de volume- of massastroom bepaalt, die bij alle snelheden een van het stromingsprofiel onafhankelijk nauwkeurig meetresultaat levert en waarvan het meetgebied ook de snelheid nul, zeer kleine snelheden en de omke-35 ring van de bewegingsrichting omvat.

Volgens de uitvinding wordt hieraan voldaan dat de omvattings- of detectiegebieden van de beide omzetters elkaar voor een deel overlap- e7 p. ? e 7 5 .

4 th, 2 pen, dat de gradiënt van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie van de ruimtelijke weegfuncties bij de ruimtelijke verschuiving nul verschillend is van de nulvector, en dat de meetwaarde uit de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie van de beide signalen bij de tijd-verschui-5 ving nul of uit het eerste moment van het kruisvermogendichtheidsspec-trum van beide signalen wordt afgeleid.

De uitvinding berust op het inzicht dat onder bepaalde veronderstellingen de stijging of helling van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de tijd-verschuiving nul een maat vormt voor de volumestroom resp. 10 de massastroom van het bewegende medium. Daar deze meetwaarde bij de tijd-verschuiving nul wordt bepaald is hij afkomstig van inhomogenitei-ten die zich op dezelfde plaats bevinden. Daardoor worden wezenlijke oorzaken voor onnauwkeurigheden bij de meting ondervangen. Verder is de aanrakingsvrije correlatieve meting van de volume- of massastroom ook 15 in gevallen mogelijk, waarin de op de bepaling van de positie van het maximum van de kruiscorrelatiefunctie berustende snel heidsmeting niet voldoet. In het bijzonder is het mogelijk om aanlooptrajecten weg te laten en bijvoorbeeld een meetplaats direct achter een bochtstuk aan te brengen. Het meetgebied is in principe niet beperkt en sluit in het 20 bijzonder zeer langzame bewegingen, stilstand en de omkeer van de bewe-gingsinrichting in.

Een vereiste voor de toepassing van dit meetprincipe is dat omzet-ters toegepast worden, die een paar signalen opwekken, waarbij een niet- in het niet verzinkende gradiënt in statistische afhankelijk-25 heid van de beide in de tijd niet verschoven signalen bestaat. Aan deze voorwaarde wordt voldaan wanneer de detectie- of omvattingsgebieden van de beide omzetters elkaar zodanig gedeeltelijk overlappen dat de gradiënt van de ruimtelijk kruiscorrelatiefunctie van de ruimtelijke weegfuncties bij de ruimtelijke verschuiving nul verschillend is van de 30 nulvector. Bij deze definitie gaat het om een onveranderlijke, door de uitvoering van de omzetters bepaalde geometrische eigenschap, die voor elk omzetterpaar kenmerkend is. Verder moeten de omzetters van zodanige aard zijn dat het signaal vermogen van de door hen geleverde signalen afhangt van de volumebelading. Dit is echter in de praktijk bij alle 35 omzetters het geval, waarmee aan de eerst aangegeven voorwaarde voor het verschaffen van de gedeeltelijk overlappende detectiegebieden kan worden voldaan.

De stijging of helling van de tijd-kruiscorrelatiefunctie van twee signalen bij de tijd-verschuiving nul is mathematisch equivalent aan 40 het eerste moment van het kruisvermogendichtheidsspectrum van deze sig- 8/0 1875 * *· 3 nalen. Het maakt daarom geen verschil of men de ene of de andere waarde berekent.

De uitvinding zal aan de hand van voordelige uitvoeringen en uit-voeringsvoorbeelden nader worden toegelicht met verwijzing naar de te-5 keningen, waarin:

Fig. 1 een schematische weergave van een meetinrichting van bekend type toont voor de aanrakingsvrije correlatieve meting van de volume-of massastroom in een buisleiding;

Fig. 2 diagrammen van ruimtelijke functies toont die voor de op- 10 bouw van de meetinrichting van fig. 1 kenmerkend zijn;

Fig. 3 diagrammen van tijd-functies toont die voor de werking van de meetinrichting van fig. 1 kenmerkend zijn;

Fig. 4 een het principe van de uitvinding realiserende en gewijzigde uitvoeringsvorm van de meetinrichting van fig. 1 toont; 15 Fig. 5 de met fig. 2 overeenkomende diagrammen van ruimtelijke functies voor de meetinrichting van fig. 4 toont;

Fig. 6 de met fig. 3 overeenkomstige diagrammen van tijd-functies voor de meetinrichting van fig. 4 toont;

Fig. 7 meerdere met dezelfde meetinrichting volgens de uitvinding 20 voor verschillende snelheden bij constante volumebelading opgenomen tijd-krui scorrelatiefuncties toont;

Fig. 8 meerdere met dezelfde meetinrichting volgens de uitvinding voor verschillende volumebeladingen bij constante snelheid opgenomen tijd-kruiscorrelatiefuncties toont; 25 Fig. 9 een optische meetinrichting volgens de uitvinding toont;

Fig. 10 een zijaanzicht van de optische meetinrichting van fig. 9 toont;

Fig. 11 een capacitieve meetinrichting volgens de uitvinding toont; 30 Fig. 12 een optische meetinrichting volgens de uitvinding met een fotodiode-array toont; en

Fig. 13 een analoge-signaalverwerkingsschakeling voor het verkrijgen van de meetwaarde bij een meetinrichting volgens de uitvinding toont.

35 Fig. 1 toont voor een beter begrip een gebruikelijke op het principe van de correlatieve aanrakingsvrije snel heidsmeting berustende meetinrichting voor de meting van de volume- of massastroom van een medium, dat zich met de snelheid v door een buisleiding 1 in de richting van de as z van de buisleiding beweegt. Op de buisleiding 1 zijn op een 40 nauwkeurig bekende onderlinge afstand D twee omzetters Wj en W2 8701875 4 1»· aangebracht, die elektrische signalen S^(t) resp. 83(t) leveren, die door inhomogeniteiten van het bewegende medium worden beïnvloed.

Al naar het type en aard van het bewegende medium kunnen de nuttige inhomogeniteiten van zeer verschillende aard zijn, maar hun inwerking be-5 rust uiteindelijk altijd hierop dat zij of een akoestisch of een elektromagnetisch veld beïnvloeden of opwekken. Voor de met elektromagnetische velden werkende werkwijzen kan het totale spectrum van het elektrostatische veld over het hoogfrequente- en microgolfbereik en het optische bereik tot aan de gammastraling worden benut. Bij akoestische 10 velden loopt het nuttige frequentiebereik van enkele kilohertz in gassen tot aan 10 MHz of meer bij vloeibare draagmedia.

Gewoonlijk bestaat elke omzetter uit een zender, die het door de inhomogeniteiten van het medium te beïnvloeden veld opwekt, en uit een ontvanger die op het door inhomogeniteiten beïnvloede veld aan- 15 spreekt en een de veranderingen in de tijd van het veld weergevend elektrisch signaal afgeeft. Zo bestaat in fig. 1 de omzetter Wi uit een zender en een ontvanger R]_, en bestaat de omzetter W2 uit een zender T2 en een ontvanger R2· De uitvoering van de zenders en ontvangers, al naar de aard van het benutte veld, is aan de vakman be-20 kend. Zo kan bij toepassing van een in het optische bereik liggend elektrisch veld elke zender een lichtbron en elke ontvanger een fotode-tector zijn. Bij toepassing van een in het ultrasone bereik liggend akoestisch veld is elke zender een ultrasone opwekker en elke ontvanger een ultrasone detector. Capacitieve sensoren vormen tegelijk de zender 25 en de ontvanger voor elektrostatische velden, enz.

Wanneer de inhomogeniteiten actief zijn en zelf een nuttig veld opwekken, kunnen de zenders weggelaten worden zodat elke omzetter slechts uit een ontvanger bestaat. Dit is bijvoorbeeld het geval wanneer de inhomogeniteiten door radioactieve deeltjes zijn gevormd, waar-30 van de straling door de ontvangers van de omzetters wordt opgevangen en in een elektrisch signaal wordt omgezet.

Elke inhomogeniteit van het bewegende medium is volgens een vooraf bepaalde ruimtelijke weegfunctie opgenomen in het uitgangssignaal van een omzetter wanneer deze zich in het detectiegebied daarvan bevindt.

35 Bij het toepassingsgeval van fig. 1 is het detectiegebied van de omzetter Wi een meetvol urne, dat in de richting van de z-as de lengte Lj en loodrecht op de z-as de doorsnede van de buislei ding 1 of een door de omzetter omvat deel van deze doorsnede heeft. Op dezelfde manier is het detectiegebied van de omzetter W2 een meetvol urne met de lengte 40 L2 en een overeenkomstige doorsnede. Daar men in het algemeen erin is 8701875 5 * geïnteresseerd de over de buisdoorsnede gemiddelde snelheid te detecteren of te omvatten, zal men de omzetters zo mogelijk zodanig uitvoeren dat deze een gelijkmatige weegbewerking van de buisdoorsnede realiseren.

5 Het diagram A van fig. 2 toont in een geïdealiseerde weergave als functie van de coördinaat z de ruimtelijke weegfunctie gj(z) van de omzetter Wj, d.w.z. de uitwerking van een puntvormige inhomo-geniteit op het uitgangssignaal van de omzetter Wj in afhankelijkheid van zijn ruimtelijke positie langs de z-as. Wanneer de puntvormige in-10 homogeniteit zich buiten het detectiegebied van de omzetter Wj bevindt, wordt hij niet in het uitgangssignaal Sjit) opgenomen en heeft de ruimtelijke weegfunctie gjCz) de waarde 0. Wanneer de puntvormige inhomogeniteit zich in het detectiegebied van de omzetter Wj bevindt, dan wordt hij daarentegen met een vooraf bepaalde van nul verschillende 15 waarde in het uitgangssignaal Sjit) opgenomen zodat de ruimtelijke weegfunctie g^Cz) voor het totale detectiegebied een van nul verschillende waarde aanneemt.

Op overeenkomstige manier toont het diagram B van fig. 2 de ruimtelijke weegfunctie 92(2) van de omzetter W£. Wanneer de beide om-20 zetters Wj en W£ op gelijke wijze zijn uitgevoerd, heeft de ruimtelijke weegfunctie g2(z) dezelfde krommevorm als de ruimtelijke weegfunctie gi(z) maar verschilt hij hiervan door zijn andere plaats ten opzichte van de abscis-as z. Overeenkomstig de aanbrenging van de omzetters in fig. 1 zijn de ruimtelijke weegfuncties gi(z) en g2(z) 25 onderling over de waarde 0 verschoven en tussen hen bestaat een interval van de waarde E.

Het diagram C van fig. 2 toont de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie 0i2(u) van ruimtelijke weegfuncties gjiz) en g2(z). De ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie heeft de mathematische formule: 30 +® 012(u) = ƒ g2(z) gi(z+u) dz (1) —•9 35 Deze geeft aan dat de waarden van de weegfunctie g2(z) met de over een ruimtelijke verschuiving u verschoven waarden van de ruimtelijke weegfunctie gj(z) worden vermenigvuldigd en de gemiddelde waarde van de produkten over het verwerkte bereik Z wordt gevormd. Voor elke waarde van de ruimtelijk verschuiving u verkrijgt men een steunwaarde van 40 de ruimtelijke correlatiefunctie. De ruimtelijke verschuiving z = 0 8701875 « * 6 komt overeen met de in de diagrammen A en B aangegeven uitgangsplaats van de ruimtelijke weegfuncties, dus de ruimtelijke plaats van de om-zetters W} en W2 van fig. 1, en toenemende waarden van u komen met een vermindering van de onderlinge verschuiving van de met elkaar ge-5 correleerde waarden van de beide ruimtelijke weegfuncties overeen. Voor u = 0 heeft de kruiscorrelatiefunctie de waarde nul, daar altijd tenminste een van de beide met elkaar vermenigvuldigde waarden van elk waardenpaar gelijk is aan nul. Bij u = E begint de onderlinge overlapping van de van nul verschillende secties van de beide weegfuncties, en 10 de kruiscorrelatiefunctie neemt toe. Voor u = D zijn de beide weegfuncties gi(z) en g£(z) congruent, en bereikt de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie zijn maximum.

Zowel de ruimtelijke weegfuncties gi(z), gg(z) alsook hun kruiscorrelatiefunctie 0i2(u) zijn onveranderlijke kengrootheden 15 van de omzetters en W2, die door de geometrie van de omzetters bepaald zijn en dus geschikt zijn voor hun karakterisering.

Deze karakterisering van de omzetters door de ruimtelijke weegfuncties en de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie is niet tot het geval beperkt, dat het omvattings- of detectiegebied van elke omzetter een 20 meetvolume is. Deze karakterisering geldt eveneens voor het geval, dat de voor de meting van de snelheid benutte inhomogeniteiten zich aan het oppervlak van het bewegende medium bevinden en de omzetters telkens een bepaald vlakbereik van het medium aftasten. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de meting van de snelheid van papierbanen, textielbanen of pla-25 ten in walsstraten het geval. Het detectiegebied van elke omzetter is dan geen volume maar een oppervlaktegebied. De eerder vermelde overwegingen over de ruimtelijke weegfuncties en hun ruimtelijke correlatiefunctie gelden onbeperkt ook voor dit geval.

De diagrammen A en B van fig. 3 tonen het verloop in de tijd van 30 de uitgangssignalen (t) en $2(t) van de omzetters Wj, W2. De schommelingen van deze signalen zijn afkomstig van de door de detectie-gebieden van de omzetters gaande inhomogeniteiten van het bewegende medium. Onder de veronderstelling, dat deze inhomogeniteiten op de weg van de eerste naar de tweede omzetter tenminste voor een deel blijven 35 bestaan, hebben de door hen veroorzaakte schommelingen van de uitgangssignalen van de beide omzetters bepaalde overeenkomstigheden gemeen, die ten opzichte van elkaar over een tijdspanne zijn verschoven welke gelijk is aan de looptijd van de inhomogeniteit van de eerste naar de tweede omzetter. Dit feit wordt benut voor de meting van de snelheid 40 door correlatieve verknoping van de beide signalen.

8701875 > ψ 7

Het diagram C van fig. 3 toont de tijd-kruiscorrelatiefunctie Rjgi'C') van de beide signalen S|(t) en Sgit). De tijd-kruiscor-relatiefunctie heeft de mathematische formule:

5 T

Rl2(r) = Hm-i C $2(t) Sj(t+T) dt (2) T- o

Deze formule geeft aan dat de ogenblikswaarden van het signaal S2U) 10 met de over een verschuiftijd X verschoven ogenblikswaarden van het signaal S|(t) worden vermenigvuldigd en dat de gemiddelde waarde van de produkten over het bereik van de waarnemingstijd T wordt gevormd.

Voor elke waarde van V verkrijgt men een steunwaarde van de tijd-kruiscorrelatiefunctie. Bij het beschouwde toepassingsgeval heeft de 15 kruiscorrelatiefunctie een maximum bij een bepaalde verschuivingstijd Tra, die gelijk is aan de looptijd van de inhomogeniteiten van het medium van de omzetter Wj naar de omzetter W2, wanneer dus geldt: 20 (3)

Bij een bekende afstand D kan men uit de verschuivingstijd direct de snelheid v van de inhomogeniteiten berekenen, die in het nor-25 male geval gelijk is aan de snelheid van het medium.

Ter bepaling van de kruiscorrelatiefunctie worden de signalen S^it) en Sgft) na de vereiste voorbehandeling in een signaalverwer-kingsschakeling 2 aan een correlator 4 toegevoerd. Een met de correlator 4 verbonden verwerkingsschakeling 5 onderzoekt de kruiscorrelatie-30 functie op een maximum en bepaalt de met de looptijd overeenkomstige verschuivingstijd Tra, waaruit de snelheid v kan worden berekend. Bij voorkeur neemt een geschikt geprogrammeerde microcomputer de functies van de correlator 4 en de verwerkingsschakeling 5 over. In dit geval bevat de signaalverwerkingsschakeling 2 een analoog-digitaal omzetter, 35 die de analoge uitgangssignalen Sj(t) en S2(t) in digitale signalen omzet die geschikt zijn voor de verwerking in de microcomputer.

Wanneer alleen de snelheid v moet worden gemeten, kan de verwerkingsschakeling 5 reeds op grond van de correlatie van de signalen Si(t) en S2(t) de meetwaarde van de snelheid aanduiden. Wanneer 40 daarentegen de volume- of massastroom van het door de buisleiding 1 vloeiende medium moet worden gemeten, heeft de verwerkingsschakeling 5 8701875 4 * δ aanvullend aan de snel heidsInformatie nog een informatie over de volu-mebelading (volumedichtheid) Vre-| nodig, d.w.z. over het relatieve aandeel van het volume van het getransporteerde medium aan het transportvol urne Vj: 5

Vrel "j·11 (4)

VT

10 Wanneer de volumebelading Vre] bekend is volgt de volume- stroom V, d.w.z. het per tijdeenheid getransporteerde volume van het bewegende medium, uit de volgende betrekking: 15 V · $ - Vrel · VT . v [bijv. frs. ± enz.] (5)

De massastroom m van het bewegende medium, d.w.z. de per tijdeenheid getransporteerde mediummassa, is dan gelijk aan het produkt van de 20 volumestroom V en de dichtheid p van het getransporteerde medium: m - $ - V . p [bijv. |S] (6) 25

Ter bepaling van de volumebelading is bij de meetinrichting van fig. 1 op de buis!ei ding 1 een derde omzetter W3 aangebracht, die een signaal $3(t) levert dat afhankelijk is van de volumebelading. De verwerk!ngsschakeling 5 kan dan uit de bepaalde snelheid v en uit de in 30 het signaal 83(t) aanwezige informatie over de volumebelading Vre] overeenkomstig de boven aangegeven vergelijkingen (5) en (6) de volumestroom V en/of de massastroom m berekenen en de gezochte meetwaarde leveren. Wanneer de omzetters W^ en W2 van zodanige aard zijn dat hun uitgangssignalen afhangen van de volumebelading, kan de 35 omzetter W3 weggelaten worden en kan in plaats daarvan het uitgangssignaal van een van de omzetters Wj, Wg aan de verwerkingsschakeling 5 worden toegevoerd.

Fig. 4 toont in een met fig. 1 overeenkomstige schematische weergave een correlatieve meetinrichting, die het aan de uitvinding ten 40 grondslag liggende principe belichaamt. Voor de met de inrichting van fig. 1 overeenkomende bestanddelen en afmetingen zijn dezelfde verwijzingen als daar toegepast. Een wezenlijk verschil ten opzichte van de inrichting van fig. 1 bestaat hierin, dat de detect!egebieden van de 8701875 > 9 ' beide omzetters W} en U£ elkaar voor een deel overlappen. Dit moet door een overeenkomstige uitvoering van de omzetters worden bereikt, hetgeen bij de schematische weergave van fig. 4 hierdoor is aangeduid dat ook de zenders Τχ, T2 en de ontvangers Rj, R2 van de beide 5 omzetters elkaar onderling gedeeltelijk overlappen. Verder mankeert bij de meetinrichting van fig. 4 de omzetter W3 resp. de overeenkomstige verbinding van een van de omzetters W]_, W2 met de verwerkingsscha-keling.

De gedeeltelijke overlapping van de detectiegebieden van de omzet-10 ters Wi, W2 heeft tot gevolg dat ook de in de diagrammen A en B van fig. 5 weergegeven ruimtelijke weegfuncties g^z) en g^(z) elkaar met een waarde F gedeeltelijk overlappen. Dientengevolge heeft de in het diagram C van fig. 5 weergegeven ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie 0l2(u) bij de ruimtelijke verschuiving u = 0 een van nul verschil-15 lende waarde en een gradiënt, die verschillend is van de nul vector.

De ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie neemt de waarde nul pas bij een negatieve ruimtelijke verschuiving u = -F aan, en deze bereikt zijn maximum bij de positieve ruimtelijke verschuiving u = D.

De diagrammen A en B van fig. 6 tonen opnieuw het verloop in de 20 tijd van de signalen 3χ(ί) en S2U), die van de omzetters Wi resp. W2 van fig. 4 worden afgegeven. Deze signalen hebben in principe dezelfde eigenschappen als die van de in fig. 3 weergegeven signalen Si(t), S2(t) van de meetinrichting van fig. 1.

Daarentegen onderscheidt de in het diagram C van fig. 6 weergege-25 ven tijd-kruiscorrelatiefunctie van de signalen Sjit) en S2(t) zich van die van het diagram C van fig. 3 hierdoor, dat hij bij de verschuivingstijd T = 0 een van nul verschillende waarde en een van nul verschillende toename of stijging heeft, die door de hoek α tussen de raaklijn aan de tijd-kruiscorrelatiefunctie in het snijpunt met de 30 in het punt T - 0 opgerichte coördinaten-as en de horizontaal is gerepresenteerd.

Het maximum van de tijd-kruiscorrelatiefunctie ligt opnieuw bij de verschuivingstijd = D/v en kan, zoals bij de inrichting van fig.

1, voor de meting van de snelheid van het bewegende medium worden be-35 paald, waaruit dan met behulp van een extra informatie over de volume-belading de meetwaarde van de volumestroom en/of van de massastroom kan worden afgeleid. Het bijzondere van de meetinrichting van fig. 3 bestaat echter hierin dat de meetwaarde van de volumestroom resp. de massastroom rechtstreeks uit de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunc-40 tie bij de verschuivingstijd t = 0 wordt afgeleid.

8701875 10

Deze maatregel berust op het inzicht dat een eenduidige mathematisch definieerbare samenhang tussen de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd X = 0 en de momentane volume-stroom resp. massastroom van het medium bestaat. Fig. 7 toont de met 5 dezelfde meetinrichting voor verschillende snelheden vi, V2, V3 van het medium bij constante volumebelading bepaalde tijd-kruiscorrela-tiefuncties. Zoals kan worden onderscheiden snijden alle kruiscorrelatiefuncties de door T = 0 gaande ordinaat-as in hetzelfde punt, echter met verschillende toenames of stijgingen. Hierbij is de stijging des te 10 groter, des te groter de snelheid is. Ter toelichting of veraanschouwelijking kan men zeggen dat bij veranderingen van de snelheid de kruiscorrelatiefunctie als een trekharmonikabalg uitzet en intrekt. Daar volgens vergelijking (5) de volumestroom V bij constante volumebelading Vrei evenredig is met de snelheid v, is in het diagram van fig. 7 15 de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de tijd-verschuiving nul een maat voor de volumestroom en - bij bekende dichtheid f> van het medium - overeenkomstig vergelijking (6) ook een maat voor de massastroom.

Op overeenkomstige manier toont fig. 8 de met dezelfde meetinrich-20 ting voor verschillende volumebeladingen bij constante snelheid bepaalde tijd-kruiscorrelatiefuncties. In dit geval liggen de maxima van alle kruiscorrelatiefuncties bij dezelfde verschuivingstijd Γ, die overeenkomt met de constante snelheid, echter vormt zich een met de volumebelading evenredige vergroting van de waarden van de kruiscorrelatiefunc-25 tie. Dientengevolge snijden alle kruiscorrelatiefuncties de door X * 0 gaande ordinaat-as opnieuw met verschillende stijgingen, deze keer echter niet in hetzelfde punt. Hierbij is de stijging des te groter, des te groter de volumebelading is. Daar overeenkomstig vergelijking (5) de volumestroom V bij constante snelheid v evenredig is met de volumebela-30 ding Vre], is ook in dit geval de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de tijd-verschuiving nul een maat voor de volumestroom en voor de massastroom.

Dezelfde samenhang tussen de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd X - 0 en de volumestroom resp. de 35 massastroom bestaat ook dan wanneer de snelheid en de volumebelading gelijktijdig veranderen. In elk geval kan de meetwaarde van de volumestroom en/of van de massastroom rechtstreeks uit de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de tijd-verschuiving nul worden afgeleid.

40 De mathematische samenhang tussen de massastroom m en de stijging 8701875 11 van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de tijd-verschuiving nul wordt door de volgende vergelijking gegeven: 5 lil - m— . R12 (0) . K (7) 4i

Hierin zijn: 012(0) : de waarde van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie bij 10 d de ruimtelijke verschuiving u = 0; dii ^12[u=qï de gradiënt van de ruimtelijke kruiscor- relatiefunctie bij de ruimtelijke verschuiving u = 0;

Rl2(0) : de gradiënt van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd T ~ 0; 15 K : kalibratiefactor (houdt rekening met de dichtheid van het medium).

De eerste factor aan de rechterzijde van de vergelijking (7) is een eenmalig te bepalen geometrieterm, die zoals aan de hand van fig. 4 en fig. 5 wordt toegelicht, volgt uit de opbouw en de aanbrenging van 20 de omzetters. De tweede factor drukt de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de tijd-verschuiving nul uit. De kalibratiefactor K is een eenmalig te bepalen, van de dichtheid van het getransporteerde medium afhankelijke factor.

De vergelijking (7) geldt ook voor de bepaling van de volume-25 stroom, echter met het verschil dat de kalibratiefactor K dan niet afhankelijk is van de dichtheid van het medium.

Zoals uit de vergelijking (7) blijkt, zijn er voor de bepaling van de massastroom en/of van de volumestroom geen van de volumebelading afhankelijke extra informaties nodig wanneer de meetwaarde rechtstreeks 30 uit de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de tijd-verschuiving nul en niet, zoals bij de meetinrichting van fig. 1, uit de eerst gemeten snelheid wordt afgeleid. Dit berust hierop dat in de berekening automatisch de beladingsinformatie wordt mede betrokken, die in de signalen Sj(t) en Sgit) aanwezig is, die door de omzetters 35 Wj_ resp. Wg van de meetinrichting van fig. 4 worden geleverd.

Een wezenlijke voorwaarde voor de werking van de beschreven meetinrichting bestaat hierin dat het signaal vermogen van de door de omzetters afgegeven signalen evenredig is met de volumebelading. Dit is echter in brede bereiken bij alle omzetters het geval, waarmee de gedeel-40 telijke overlapping van de detectiegebieden gerealiseerd kan worden zo- 870 1 8 7 5 12 als deze in fig. 4 schematisch is aangegeven en wel onafhankelijk van het soort van de omzetters (optisch, akoestisch, elektromagnetisch, ca-pacitief, enz.).

Een verdere voorwaarde voor de aangegeven wijze van werking be-5 staat hierin dat het signaal vermogen, dus de amplitude-informatie, bij de signaalverwerking en bij de correlatie niet mag verloren gaan. De correlatie in de correlator 4 moet dus niet met "gekapte" signalen of zuivere voortekensignalen worden uitgevoerd. Bij een zuiver analoge signaalverwerking wordt aan deze voorwaarde gewoonlijk voldaan. Bij di-10 gitale signaal verwerking moet de amplitude-informatie met toereikende oplossing (aantal bitplaatsen) in de digitale codewoorden worden omgezet.

Uit de vergelijking (7) blijkt dat de gradiënt van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie niet in het niet mag verzinken daar hij in de 15 noemer staat. Aan deze voorwaarde wordt slechts dan voldaan wanneer de detectiegebieden van de omzetters op de aan de hand van fig. 4 en 5 toegelichte manier elkaar overlappen.

Ter bepaling van de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie kunnen bij de meetinrichting van fig. 4 de uitgangssignalen Sj(t) en 20 Sg(t) opnieuw na voorbehandeling in een signaal verwerkingsschakeling 2 aan een correlator 4 worden toegevoerd, die de tijd-kruiscorrelatiefunctie berekent. Aan de correlator 4 is echter nu een verwerkingsscha-keling 6 toegevoegd, die de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd X = 0 bepaalt en hieruit de volumestroom 25 resp. de massastroom van het medium afleidt. De correlator 4 en de ver-werkingsschakeling 6 kunnen natuurlijk ook in dit geval door een geschikt geprogrammeerde microcomputer zijn gevormd.

Er zijn talrijke mogelijkheden om de omzetters zodanig uit te voeren dat hun detect!egebieden elkaar overlappen. De fig. 9 en 10 tonen 30 als voorbeeld een optische meetinrichting voor de meting van de stromingssnelheid van een door een plexiglasbuis 10 stromend medium. De omzetter Wj bevat als zender een lichtbron 11 en als ontvanger een fo-todiode 12. De omzetter W2 bevat als zender een lichtbron 13 en als ontvanger een fotodiode 14. Elke omzetter is zodanig uitgevoerd dat met 35 inachtname van de lenswerking van de plexiglasbuis 10 een in ruime mate homogene weegbewerking van de buisdoorsnede wordt bereikt. De optische assen van de beide omzetters kruisen elkaar rechthoekig. Zoals fig. 10 aangeeft zijn de lichtbronnen 11, 13 en de fotodioden 12, 14 van de beide omzetters langs de bui sas z wat ten opzichte van elkaar verscho-40 ven zodat de detectiegebieden van de beide omzetters elkaar voor de 870 1 07 5 13 helft overlappen. Ter verduidelijking is de uitstrekking van de lichtbronnen 11, 13 en van de fotodioden 12, 14 in de richting van de buisas z in fig. 10 overdreven groot weergegeven. De overlapping van de detec-tiegebieden wordt in dit geval door de gekruiste aanbrenging van de om-5 zetters mogelijk gemaakt.

Fig. 9 toont ook de uitvoering van de beide signaalverwerkings-schakelingen, waaraan de uitgangssignalen S^ft) en Sgit) van de omzettere Ui en W£ worden toegevoerd. In elke signaalverwerkingsscha-keling wordt het uitgangssignaal van de bijbehorende omzetter eerst in 10 een voorversterker 15 versterkt en dan in een hoogdoorlaatfilter 16 gefilterd, waardoor de middenwaarde van het signaal wordt onderdrukt. Na een vernieuwde versterking in een versterker 17 wordt elk signaal aan een analoog-digitaal omzetter 18 toegevoerd, die het middenwaardevrije analoge signaal in een voor de verwerking in de microcomputer geschikt 15 digitaal signaal omzet. Op de analoog-digitaal omzetter 18 sluit een microcomputer 19 aan, die de functies van de correlator 4 en van de ver-werkingsschakeling 6 van fig. 4 uitoefent.

Een andere mogelijkheid voor de realisering van elkaar gedeeltelijk overlappende detectiegebieden bestaat hierin dat elke omzetter uit 20 meerdere omzettere!ementen bestaat, die tussen de omzetterelementen van de andere omzetter zijn gevoegd. Fig. 11 toont als voorbeeld hiervoor een meetinrichting met capacitieve omzettere voor de meting van de vo-lumestroom en/of massastroom van een door een buis 20 stromend medium.

De omzetter Wj bestaat uit vijf omzetterelementen 21, 22, 23, 24, 25, 25 waarvan elk element op de gebruikelijke manier door twee aan de omtrek van de buis 20 ten opzichte van elkaar diametraal tegenovergestelde elektroden is gevormd. De omzetterelementen 21, 22, 23, 24, 25 zijn langs de buisas op onderlinge afstanden aangebracht zodat er tussen hen intervallen bestaan. De omzetter W£ bestaat op dezelfde manier uit 30 vijf omzetterelementen 31, 32, 33, 34, 35, die langs de buisas op onderlinge afstanden zijn aangebracht zodat er tussen hen intervallen bestaan. De omzetterelementen 31 en 32 van de omzetter W2 liggen in de intervallen tussen de omzetterelementen 23 en 24 resp. 24 en 25 van de omzetter Kj, waardoor de gewenste overlapping van de detectiegebieden 35 van de beide omzettere Wj en W2 wordt bereikt.

In plaats van elke van de beide omzettere met eigen omzetterelementen uit te voeren, is het ook mogelijk om de uitgangssignalen van dezelfde omzetterelementen op verschillende manieren samen te vatten teneinde de overlappende detectiegebieden van twee omzettere te reali-40 seren. Fig. 12 toont een meetinrichting met een array van fotodioden 8701875 14 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, die langs de bewegingsrichting z van het bewegende medium zijn aangebracht en het licht van een gemeenschappelijke lichtbron 40 ontvangen. Elke fotodiode vormt in verbinding met de lichtbron een omzetterelement en geeft een door de inhomogeniteiten 5 van het bewegende medium beïnvloed elektrisch uitgangssignaal s41» S42, ··· $48 af· De uitgangen van de fotodioden zijn verbonden met de ingangen van twee sommeerschakelingen 51 en 52, die de uitgangssignalen van de fotodioden ter vorming van de beide te correleren signalen Sjit) en S2U) met verschillende voortekenbewerking 10 samenvatten. Bijvoorbeeld kunnen de signalen Sjit) en S2(t) op de volgende manier zijn gevormd:

Slit) = +S41+S42-S43-S44+S45+S40-S47-S48 15 S2U) = -S4i+S42+S43-S44-S45+S4^S47-S48

Deze realisering van de elkaar overlappende detectiegebieden geeft het voordeel dat de signalen S^it) en S2(t) middenwaardevrij zijn, zodat de noodzaak van een hoogdoorlaatfiltering kan vervallen. Verder 20 wordt de uitwerking van concentratieschommelingen op het meetresultaat onderdrukt. Dezelfde maatregel kan in plaats van met fotodioden natuurlijk eveneens met akoestische, capacitieve of andere omzettere!ementen worden uitgevoerd.

In plaats van de signaal verknoping simultaan met twee sommeerscha-25 kelingen uit te voeren kan deze verknoping ook in tijdmultiplex met dezelfde sommeerschakeling gebeuren.

De met de inrichtingen van fig. 11 of fig. 12 verkregen signalen Si(t) en $2(t) kunnen dan op de eerst toegelichte manier verder verwerkt worden teneinde de tijd-kruiscorrelatiefunctie te vormen, de 30 stijging daarvan bij de verschuivingstijd t = 0 te bepalen, en hieruit de meetwaarde van de volumestroom en/of de massastroom af te leiden.

In plaats van deze operaties in een microcomputer uit te voeren is het ook mogelijk om het resultaat door rechtstreekse verwerking van de elektrische signalen in een hardware-schakeling te verkrijgen.

35 Fig. 13 toont een hiervoor geschikte analoge-signaalverwerkings-schakeling 60 met twee ingangen 61 en 62, waaraan de uitgangssignalen Si(t) resp. S2Ct) van een van de hiervoor beschreven omzetterstel-sels worden toegevoerd. Het aan de ingang 61 toegevoerde analoge signaal Si(t) wordt in een different!eerschakeling 63 naar de tijd ge-40 differentieerd. De uitgang van de differentieerschakeling 63 is verbon- 8701875 15 den roet de ene ingang van een vermenigvuldigerschakeling 64, die aan de andere ingang het signaal SgCt) ontvangt. Het uitgangssignaal van de vermenigvuldigerschakeling 64 wordt via een laagdoorlaatfilter 65 aan een aanwijsapparaat 69 toegevoerd.

5 De vermenigvuldiging van de signalen in de vermenigvuldigerschakeling 64 komt overeen met de vorming van de kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd 'C = 0, waarbij het resultaat als gevolg van de eerder uitgevoerde differentiatie van het signaal Sjit) direct met de stijging van de kruiscorrelatiefunctie overeenkomt. Het uitgangssignaal 10 van het integrerende laagdoorlaatfilter 65 stelt dus de stijging van de kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd T = 0 voor en kan in het aanwijsapparaat 69 direct voor het aangeven van de te meten volume-stroom resp. massastroom dienen, wanneer het aanwijsapparaat 69 met in-achtname van de overeenkomstige kalibratiefactor K is geijkt.

15 De stijging van de genormeerde kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd T = 0 is aan het eerste moment van het kruisvermogen-dichtheidsspectrum van de signalen Sj^Ct) en $2(t) mathematisch equivalent. Het is daarom ook mogelijk om de microcomputer zodanig te programmeren resp. de in zijn plaats toegepaste hardware-schakeling zo-20 danig uit te voeren, dat een resultaat wordt verkregen dat met het eerste moment van het kruisvermogendichtheidsspectrum overeenkomt. Uit deze waarde kan dan de meetwaarde van de volumestroom en/of van de massastroom op dezelfde manier worden afgeleid als uit de stijging van de kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd f - 0.

8701875

Claims

1. Inrichting voor de aanrakingsvrije meting van de volume- of massastroom van een bewegend medium met twee omzetters, waarvan de de-tectiegebieden in de bewegingsrichting van het medium ten opzichte van 5 elkaar zijn verschoven en die elektrische signalen leveren, waarin de inhomogeniteiten van het bewegende medium afhankelijk van hun ruimtelijke positie overeenkomstig verschillende ruimtelijke weegfuncties in zijn opgenomen, en met een inrichting voor het verkrijgen van de meetwaarde door correlatieve verknoping van de beide signalen, met het 10 kenmerk, dat de detectiegebieden van de beide omzetters (Wj, Wg) elkaar zodanig gedeeltelijk overlappen dat de gradiënt van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie (0i2(u)) van de ruimtelijke weegfuncties (gi(z), gg(z)) bij de ruimtelijke verschuiving nul verschillend is van de nulvector, en dat de meetwaarde uit de stijging van de 15 tijd-kruiscorrelatiefunctie (Ri2(T)) van de beide signalen ($l(t), S2(t)) bij de tijd-verschuiving nul of uit het eerste moment van het kruisvermogendichtheidsspectrum van de beide signalen (Si(t), S2(t)) wordt afgeleid.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de beide 20 omzetters (11, 12; 13, 14) met elkaar kruisende assen zijn uitgevoerd en met onderlinge overlapping in de bewegingsrichting ten opzichte van elkaar verschoven zijn aangebracht.

3. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat elke omzetter (Wi, W2) uit meerdere langs de bewegingsrichting aangebrach- 25 te omzetterelementen (21 tot 25; 31 tot 35) bestaat, en dat voor het verkrijgen van elkaar overlappende detectiegebieden omzetterelementen (24, 25; 31, 32) van de beide omzetters tussen elkaar zijn gevoegd.

4. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de elkaar overlappende detectiegebieden van de beide omzetters (Wj, W2) door 30 verschillende samenvoeging van de uitgangssignalen van meerdere langs de bewegingsrichting aangebrachte omzetterelementen (41 tot 48) zijn gerealiseerd. +++++++ 8701875