Titel : Verfahren und Vorrichtung zur FluidströmungsmessungTitle: Method and apparatus for fluid flow measurement
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bestimmung von Fluidströmungen.The present invention relates to the determination of fluid flows.
Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen es wün- sehenswert ist, Fluidströmungen genau erfassen zu können. Dazu gehört beispielsweise die Messung von Abwassermengen, die durch offene oder geschlossene Kanäle strömen, die Messung von durch ein Gewässer fließenden Wassermengen usw.There are a variety of applications where it is desirable to be able to accurately grasp fluid flows. This includes, for example, the measurement of waste water volumes that flow through open or closed channels, the measurement of water flowing through a body of water, etc.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, Strömungsmessungen unter Verwendung von Ultraschallsensoren durchzuführen.It has already been proposed to perform flow measurements using ultrasonic sensors.
So beschreibt die DE 197 40 549 Al beispielsweise ein Verfahren zur Messung der Strömungscharakteristik eines Mediums in offenen Gerinnen, bei dem Ultraschallimpulse in ein Fluid eingestrahlt und aus diesem Impulsantworten empfangen werden, wobei die gewünschten Strömungscharakteristika durch Kreuzkorrelationen bestimmt werden. Weitere Dokumente, die sich mit Durchflussmessungen beschäftigen, sind beispielsweise die DE 40 16 529 Cl, die einen Durchflussmesser für offene Kanäle betrifft, die DE 195 42 232 Al, die einen Ultraschalldurchflussmesser flüssiger oder gasförmiger Medien betrifft, die DE 44 43 483 Al, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strömungsmessung in Flüssigkeiten betrifft, die DE 40 27 030 Al, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit betrifft, die DE 33 14 260 Al, die eine Vorrichtung zum Messen des pro Zeiteinheit durch einenFor example, DE 197 40 549 A1 describes a method for measuring the flow characteristic of a medium in open channels, in which ultrasound pulses are radiated into a fluid and received from the latter, whereby the desired flow characteristics are determined by cross-correlations. Other documents dealing with flow measurements, for example, DE 40 16 529 Cl, which relates to a flow meter for open channels, DE 195 42 232 Al, which relates to an ultrasonic flowmeter liquid or gaseous media, DE 44 43 483 Al, the DE 40 27 030 Al, which relates to a method and an apparatus for measuring the flow rate, DE 33 14 260 Al, which is a device for measuring the per unit time by a
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offenen Kanal strömenden Flüssigkeitsvolumens betrifft, die DE 32 23 393 Al, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Durchflussmenge in Flüssigkeiten betrifft, die FR 2 710 979 Al, die eine Anordnung zur Messung des Durch- flusses bei schwankenden Wasserständen betrifft, die GB 2 029 030 Al, die einen Fluidflussmesser betrifft, die US 5 821 427, die eine Flüssigkeitsgeschwindigkeitsmessanord- nung unter Verwendung von Kurvenanpassung von Spitzenge- schwindigkeitsdetektion betrifft sowie die US 5 315 880 betreffend ein Verfahren zur Messung einer Fluidgeschwindig- keit durch Bestimmung der Dopplerfrequenzverchiebung von Mikrowellensignalen. Ein Durchflussmesser für einen offenen Graben ist aus der JP 57101720 A bekannt, eine Vorrichtung zum Messen von physikalischen Größen einer Flüssigkeit mit zwei Ultraschallwellenwandlern ist aus der DE 2 703 439 B2 bekannt, ein Verfahren oder eine Vorrichtung zur Bestimmung des Durchflussvolumens in einem Kanal ist aus der DE 198 57 572 Al bekannt und die DE 196 50 621 Al betrifft eine Messvorrichtung zur Erfassung der Durchflussmenge. Die DE 196 49 931 Al betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung einer Strömungsmenge. Hingewiesen sei auch auf die DE 101 34 264 B4 des Anmelders der vorliegenden Erfindung. Es sei darauf hingewiesen, dass aus den zitierten Schriften, etwa der DE 195 42 232 Al, Korrelationsverfahren und derglei- chen zur Auswertung von Ultraschallimpulsantworten bekannt sind und dass derartige Verfahren daher vorliegend als per se bekannt angenommen werden.- X - With regard to open-channel fluid flow, DE 32 23 393 A1, which relates to a method and apparatus for determining the flow rate in liquids, FR 2 710 979 A1, which relates to an arrangement for measuring flow at fluctuating water levels, GB No. 2,029,030 A1, which relates to a fluid flow meter, US Pat. No. 5,821,427, which relates to a fluid velocity measuring arrangement using curve adaptation of peak speed detection, and US Pat. No. 5,315,880 relating to a method for measuring a fluid velocity by determining the Doppler frequency shift of microwave signals. An open trench flow meter is known from JP 57101720 A, an apparatus for measuring physical quantities of a liquid with two ultrasonic wave transducers is known from DE 2 703 439 B2, a method or apparatus for determining the flow volume in a duct is omitted DE 198 57 572 Al known and DE 196 50 621 Al relates to a measuring device for detecting the flow rate. DE 196 49 931 A1 relates to a device and a method for measuring a flow rate. Reference is also made to DE 101 34 264 B4 of the applicant of the present invention. It should be noted that from the cited documents, such as DE 195 42 232 A1, correlation methods and the like for the evaluation of ultrasonic impulse responses are known and that such methods are therefore assumed to be known per se in the present case.
Aus der US-PS 5,521,833 ist ein Verfahren zur Bestimmung der dreidimensionalen Geschwindigkeit eines Fluids wie Luft oder Wasser bekannt, wobei Signale bestimmter Frequenzen in zumindest drei unterschiedliche Richtungen mittels eines planaren
Übertragerarrays ausgesendet werden und die Übertrager verwendet werden, vom Fluid zurückgestreute akustische Signale aufzunehmen, wobei Signalzüge bei unterschiedlich bestimmten Frequenzen zuerst in einer ersten Richtung, dann in einer zweiten Richtung bestimmten Richtung und schließlich in einer dritten bestimmten Richtung ausgestrahlt und nachfolgend alle von dem Fluid zurückgestreuten Signale aufgenommen werden. Es soll der maximale Messbereich auf diese Weise erweitert werden.From US-PS 5,521,833 a method for determining the three-dimensional velocity of a fluid such as air or water is known, wherein signals of certain frequencies in at least three different directions by means of a planar Transmitter arrays are transmitted and the transducers are used to receive backscattered acoustic signals from the fluid, wherein signal trains at different frequencies determined first in a first direction, then in a second direction certain direction and finally emitted in a third specific direction and subsequently all backscattered by the fluid Signals are recorded. The maximum measuring range should be extended in this way.
Aus der DE 10 2007 001 057 Al ist eine Vorrichtung zur radioakustischen Fernmessung von mindestens zwei Komponenten eines Strömungsgeschwindigkeitsvektors bekannt. Dabei sollen zur höhenaufgelösten Fernerkundung von Windgeschwindigkeiten und -richtungen elektromagnetische Wellen an in das Medium eingestrahlten Schallwellen zurückreflektiert werden. Diese Technik ist als RASS, radioakustisches Sondierungssystem bekannt. Die Schallwellen sollen mittels eines Arrays erzeugt werden.From DE 10 2007 001 057 Al a device for radioacoustic remote measurement of at least two components of a flow velocity vector is known. In this case, for the height-resolved remote sensing of wind speeds and directions electromagnetic waves to be reflected back into the medium irradiated sound waves. This technique is known as RASS, radioacoustic probing system. The sound waves are to be generated by means of an array.
Ungeachtet der Vielzahl von Dokumenten, die sich mit der Messung von Fluiden auch unter Verwendung von Ultraschallimpulsen befassen, ist es wünschenswert, die Fluidströmungsmessung noch weiter zu verbessern. So soll die Messung von Fluidströ- mungen auch einem nur wenig erfahrenen Nutzer möglich sein; sie soll genau sein, insbesondere, wenn das Fluid über wechselnde Mengen an Sediment oder dergleichen strömt und/oder die Ultraschallsensoren durch Turbulenzen, Wellen oder dergleichen Schwankungen in ihrer Position unterworfen sind usw. Wünschenswert wäre es, zumindest einige dieser Probleme einer zumindest partiellen Linderung zuzuführen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.Regardless of the multitude of documents dealing with the measurement of fluids, including the use of ultrasonic pulses, it is desirable to further improve the fluid flow measurement. Thus, the measurement of fluid flows should also be possible for a less experienced user; it should be accurate, especially when the fluid is flowing over varying amounts of sediment or the like, and / or the ultrasonic sensors are subject to fluctuations in position due to turbulence, waves or the like, etc. It would be desirable to provide at least some of these problems with at least partial relief , The object of the invention is to provide new products for commercial use.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form bean- sprucht . Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen .The solution to this problem is claimed in an independent form. Preferred embodiments can be found in the subclaims.
Die vorliegende Erfindung schlägt somit in einem ersten Grundgedanken ein Verfahren zur Bestimmung von Fluidströmun- gen, bei welchen Ultraschallimpulse in das Fluid eingestrahlt werden und eine Fluidströmung anhand der Impulsantworten er- fasst wird, vor. Es ist bevorzugt, dass die Einstrahlungs- richtung mittels eines Ultraschall -Phasenarrays gewechselt und die Fluidströmung anhand von Impulsantworten aus unter- schiedlichen Richtungen erfasst wird.The present invention thus proposes, in a first basic idea, a method for determining fluid flows in which ultrasound pulses are radiated into the fluid and a fluid flow is detected on the basis of the impulse responses. It is preferred that the irradiation direction is changed by means of an ultrasound phase array and the fluid flow is detected by impulse responses from different directions.
Es sei erwähnt, dass es nicht nur möglich sondern bevorzugt ist, Fluidströmungen in dem begrenzten Querschnitt eines offenen Rohres oder schmalen Gerinnes wie eines begrenzten Ka- nals oder eines strömenden, schmalen Gewässers mit zum Beispiel maximal 10 m, bevorzugt maximal 5 m Breite zu messen. Hier wirken sich Wandeffekte besonders stark aus. Diese können durch Vorgabe eines bekannten Querschnitts berücksichtigt werden; bevorzugt ist aber, wenn der Querschnitt mit dem UIt- raschallarray selbst bestimmt wird. Dies verringert den Aufwand bei der Einrichtung und vereinfacht so die Anwendung, vor allem bei nicht bekanntem Querschnitt des Fluidbettes.It should be mentioned that it is not only possible but preferable to measure fluid flows in the limited cross-section of an open tube or narrow channel, such as a restricted channel or a flowing, narrow body of, for example, a maximum of 10 m, preferably a maximum of 5 m width , Wall effects are particularly strong here. These can be taken into account by specifying a known cross section; However, it is preferred if the cross section is determined with the UIt- raschallarray itself. This reduces the complexity of the device and thus simplifies the application, especially in unknown cross-section of the fluidized bed.
Bevorzugt ist auch die ortsaufgelöste Messung von Geschwin- digkeiten, da durch die Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern Turbulenzen bestimmt beziehungsweise Turbulenzmodelle bei der Bestimmung der GesamtStrömung herangezogen werden
können. Derartige Turbulenzmodelle brauchen Generalannahmen wie die der zwingenden, vollständigen Korrektheit der Navier- Stokes-Gleichungen aufgrund der Praxisabweichungen nicht zwingend zu verwenden. Es lassen sich so schnelle, genaue Messungen dank Kreuzkorrelationsbestimmungen durchführen.The spatially resolved measurement of velocities is also preferred since turbulence is determined by the determination of velocity fields or turbulence models are used in the determination of the total flow can. Such turbulence models need not necessarily use general assumptions such as the compelling, complete correctness of the Navier-Stokes equations due to practical deviations. This makes it possible to perform fast, accurate measurements thanks to cross-correlation determinations.
Die Einstrahlungsrichtung der Ultraschallimpulse kann durch die Verwendung von Ultraschallphasenarrays ohne mechanische Verstellung und daher insbesondere sehr schnell verändert werden. Dies erlaubt wesentlich verbesserte Messungen. So kann entweder zusätzlich die Bewegung des Ultraschallsensors erfasst werden, beispielsweise mittels eines separaten Beschleunigungssensors, um dann auf die erfasste Bewegung zu kompensieren und damit eine Messung in stets die gleiche Richtung zu ermöglichen. Schon dies verbessert die Messungen, ohne einen aktiven Eingriff eines Benutzers zu erfordern. Alternativ und/oder zusätzlich ist es möglich, durch die Messung in unterschiedliche Richtungen und Mittelung bzw. Integration einen exakteren Wert zu erfassen. Auch dies ist ohne Eingriff eines Benutzers in automatisierter Weise möglich.The direction of irradiation of the ultrasound pulses can be changed very quickly by the use of ultrasound phase arrays without mechanical adjustment and therefore in particular. This allows significantly improved measurements. Thus, either additionally the movement of the ultrasonic sensor can be detected, for example by means of a separate acceleration sensor, in order then to compensate for the detected movement and thus to allow a measurement in always the same direction. This already improves the measurements without requiring active intervention by a user. Alternatively and / or additionally, it is possible to acquire a more exact value by measuring in different directions and averaging or integration. Again, this is possible without intervention of a user in an automated manner.
Die Anordnung ist mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Fluiden verwendbar. So kann es sich bei dem Fluid um ein Gas oder Gasgemisch handeln, insbesondere Erdgas und/oder Methan, und/oder um eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser und/oder wässerigen Lösungen und/oder Suspensionen, insbesondere Reinwasser, Trinkwasser, Abwasser; es sind aber auch Messungen von Chemikalien, zum Beispiel von Chemikalien für Prozesszwecke in der Industrie, möglich. Da in unterschiedliche Rich- tungen gemessen werden kann, wodurch die Genauigkeit erhöht ist, kann insbesondere trotz Vorliegen von Turbulenzen eine Messung erfolgen.
Fluidströmungen können erfindungsgemäß in einer Vielzahl von unterschiedlichen Bedingungen und Anwendungen erfasst werden. Besonders relevant wird aber die Messung in offenen Gewäs- sern, offenen Kanälen, Rohrleitungen und insbesondere Druckleitungen sein.The assembly is usable with a variety of different fluids. Thus, the fluid may be a gas or gas mixture, in particular natural gas and / or methane, and / or a liquid, in particular water and / or aqueous solutions and / or suspensions, in particular pure water, drinking water, waste water; however, it is also possible to measure chemicals, for example industrial process chemicals. Since it is possible to measure in different directions, as a result of which the accuracy is increased, a measurement can take place, in particular despite the presence of turbulences. Fluid flows can be detected according to the invention in a variety of different conditions and applications. However, the measurement in open waters, open channels, pipelines and in particular pressure lines will be particularly relevant.
Es wird einzuschätzen sein, dass die Entfernung, in welcher Fluidströmungen in der Umgebung als jeweiligen Ultraschall - Phasenarrays gut messbar ist, von der Leistung der Ultra- schallimpulse, der Qualität der zur Ultraschallarray-Erregung und Impulsauswertung verwendeten Elektronik usw. abhängen wird. Wenn in einem Abstand von drei bis fünf, bevorzugt maximal zehn Metern die Fluidströmung bestimmt wird, ist dies für eine Vielzahl von Anwendungen ausreichend und erfordert keinen großen apparativen Aufwand. Dies ist für Messungen an offenen Gerinnen auf dem Festland besonders vorteilhaft.It will be appreciated that the distance in which ambient fluid flows are readily measurable as the respective ultrasonic phased array will depend on the ultrasound pulse power, the quality of the electronics used in ultrasonic array excitation and pulse evaluation, and so on. If the fluid flow is determined at a distance of three to five, preferably a maximum of ten meters, this is sufficient for a large number of applications and does not require much equipment. This is particularly advantageous for measurements on open channels on the mainland.
Die Ultraschallimpulse werden typisch mit einer Frequenz von über 200 kHz und unter 4 000 kHz, bevorzugt um 1 000 kHz mit einer Bandbreite von + 200 - 500 kHz in das Fluid eingestrahlt werden. Diese Frequenzen lassen sich ohne weiteres erzeugen. Der bevorzugte Frequenzbereich ermöglicht es auch, die Frequenzen zu wechseln, die in das Fluid eingestrahlt werden. Dies ist vorteilhaft, weil es bevorzugt ist, wenn die Ultraschallimpulse mit über der Zeit variierenden Frequenzen in das Fluid eingestrahlt werden, insbesondere mit einem Frequenzhub von über einigen 100 kHz, bevorzugt um 400 bis 1 000 kHz, hinreichend hohe Grundfrequenzen vorausgesetzt.
Dabei können die Ultraschallimpulsfrequenzen sprungartig und/oder chirpartig geändert werden. Dies bringt erhebliche Vorteile bei der Auswertung.The ultrasound pulses will typically be injected into the fluid at a frequency of over 200 kHz and below 4,000 kHz, preferably around 1,000 kHz with a bandwidth of +200 - 500 kHz. These frequencies can be generated easily. The preferred frequency range also makes it possible to change the frequencies that are radiated into the fluid. This is advantageous because it is preferred if the ultrasound pulses are radiated into the fluid at frequencies varying over time, in particular with a frequency deviation of more than a few hundred kHz, preferably around 400 to 1000 kHz, assuming sufficiently high fundamental frequencies. In this case, the ultrasonic pulse frequencies can be changed abruptly and / or chirpedly. This brings significant advantages in the evaluation.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Emissionsrichtung bei Phasenarrays von der Frequenz der emittierten Impulse -abhängt . Beim „Chirpen", das heißt der Durchstimmung der Frequenz während eines einzelnen Impulses, wird also die Emissionskeule wandern. Darauf kann kompensiert werden, und zwar entweder, indem während der Durchstimmung die Phasenlage unterschiedlicher Elemente des Ultraschallphasenarrays ange- passt, das heißt verändert wird und/oder, indem bei der Auswertung berücksichtigt wird, dass die Impulssignalantworten aus sich ändernden Richtungen kommen. Da die Abhängigkeit der Emissionsrichtung von der Emissionsfrequenz für ein jeweils gegebenes Ultraschallphasenarray aber ohne weiteres bestimmbar ist, ist die Kompensation problemfrei, das heißt insbesondere ohne einen komplizierten Eingriff eines Benutzers einer erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich. Es sei darauf hin- gewiesen, dass ein chirpartiges Durchstimmen sowohl stetig als auch in kleinen, insbesondere quasikontinuierlichen Schritten möglich ist.It should be noted that the emission direction in phase arrays depends on the frequency of the emitted pulses. When "chirping", ie the tuning of the frequency during a single pulse, the emission lobe will thus migrate and can be compensated for, either by adjusting, ie changing, the phase position of different elements of the ultrasonic phase array during tuning / or, by taking into account in the evaluation that the pulse signal responses come from changing directions, since the dependence of the emission direction on the emission frequency for a given ultrasound phase array is readily determinable, the compensation is problem-free, that is to say in particular without a complicated intervention It should be pointed out that chirped tuning is possible both continuously and in small, in particular quasi-continuous steps.
Die Einstrahlrichtung wird bevorzugt sprungartig gewechselt . Dies ist bevorzugt gegenüber einem allmählichen Überstreichen eines Bereiches. Es brauchen also erfindungsgemäß nicht zwei unmittelbar nebeneinander liegende Richtungen abgetastet zu werden, sondern es ist statt dessen möglich, stärker voneinander differierende Richtungen abzutasten. Dies ist vorteil - haft, weil auf diese Weise benachbart liegende Richtungen zu unterschiedlichen Zeiten abgetastet werden, was einerseits eine bessere Kompensation auf Sensorbewegungen erlaubt und
auch bei Turbulenzen in der Strömung eine verbesserte Messung gewährleistet. So können durch „Springen" der Richtung die Differenzen der Strömungsgeschwindigkeit an unterschiedlichen Stellen sehr gut erfasst werden, das heißt es können Strö- mungsvektoren besonders leicht und gut gemessen werden. Es ist möglich, ein bestimmtes Sprungmuster, mit dem nach und nach alle oder fast alle Richtungen abgetastet werden, immer wieder zu wiederholen oder aber das Sprungmuster selbst über die Zeit gleichfalls zu variieren, so dass Fehler durch peri- odische Störungen noch besser vermieden werden.The direction of irradiation is preferably changed abruptly. This is preferred over a gradual sweep of a region. Thus, according to the invention, it is not necessary to scan two directions lying next to one another, but instead it is possible to scan directions which differ more from one another. This is advantageous because in this way adjacent directions are scanned at different times, which on the one hand allows better compensation for sensor movements and Ensures an improved measurement even with turbulence in the flow. Thus, by "jumping" the direction, the differences in the flow velocity at different points can be detected very well, that is, flow vectors can be measured particularly easily and well.It is possible to use a certain step pattern, with which all or almost All directions are scanned, repeated over again or to vary the pattern itself over time, so that errors are better avoided by periodic disturbances.
Es sei darauf hingewiesen, dass es möglich ist, die Dichte von Ultraschall -streuenden Partikeln oder dergleichen im Fluid zu bestimmen beziehungsweise aus den Ultraschall streu- enden beziehungsweise absorbierenden Partikeln oder dergleichen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Fluidzusammen- setzung zu bestimmen. Da für viele Fluide wie zum Beispiel Abwässer oder Ölgemische bekannt ist, welche Partikelbelastung mit welcher chemischen Belastung bzw. Zusammensetzung einhergeht, kann durch entsprechende Bestimmungen auf die chemische Zusammensetzung des Fluids geschlossen werden. Insbesondere kann zum Beispiel ein Feststoffgehalt in Wasser, insbesondere Abwasser bestimmt werden.It should be noted that it is possible to determine the density of ultrasound-scattering particles or the like in the fluid or to determine the fluid composition from the ultrasound-scattering or absorbing particles or the like using the method according to the invention. Since it is known for many fluids, such as waste water or oil mixtures, which particle load is associated with which chemical load or composition, appropriate conclusions can be drawn about the chemical composition of the fluid. In particular, for example, a solids content in water, in particular wastewater can be determined.
Ein Ultraschall-Phasenarray weist mehrere linear oder, bevorzugt, zweidimensional angeordnete Ultraschall emittierende und/oder empfangende Elemente auf. Es ist bevorzugt, wenn dabei alle Elemente des Ultraschall-Phasenarrays möglichst gleich verstärkt werden. Dabei ist es nicht erforderlich, dass bei Verstärkung der empfangenden Signale allen Elementen des Ultraschall-Phasenarrays gleiche Verstärkungsfaktoren zugeordnet werden, sondern dass die Verstärkung der einzelnen
Elemente so gewählt wird, dass alle Elemente unter sonst gleichen Bedingungen das gleiche Ausgangssignal erzeugen. Dies ist etwa vorteilhaft für die Digitalisierung der Signale, um eine Signalauswertung unter Ausführung einer Kreuzkor- relation vornehmen zu können.An ultrasonic phase array has a plurality of linearly or, preferably, two-dimensionally arranged ultrasound emitting and / or receiving elements. It is preferred if all elements of the ultrasonic phase array are amplified as equally as possible. It is not necessary that when amplifying the received signals all the elements of the ultrasonic phase array equal gain factors are assigned, but that the gain of the individual Elements are selected so that all elements produce the same output under otherwise identical conditions. This is advantageous, for example, for digitizing the signals in order to be able to carry out a signal evaluation while carrying out cross-correlation.
Es ist möglich, dass durch Einstrahlung von Ultraschallimpulsen in unterschiedliche Richtungen - und der Auswertung der dazu gewonnenen Impulsantworten - ein Strömungsprofil er- stellt wird und/oder Turbulenzen erfasst werden. Dies erhöht die Genauigkeit der Messungen, die durchgeführt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass das Ultraschallphasenarray eindimensional sein kann, das heißt dass ein Linien-Array verwendbar ist; in einem solchen Fall kann ein fächerartiges Überstreichen einer Ebene erfolgen. Mit einem zweiten Linien- Array, das zum Beispiel komplementär aufgespannt ist, lassen sich Geschwindigkeitsvektoren im gesamten durchströmten Strömungsquerschnitt bestimmen. Typisch werden aber zweidimensionale Felder von Ultraschallsendern/-Empfängern verwendet wer- den. Hier lassen sich Strömungsmuster dreidimensional ohne mechanische Bewegung des Sensorfeldes erfassen und damit Turbulenzen usw. besonders gut bestimmen. Wenn Korrelationsmessungen durchgeführt werden, ist es vorteilhaft, Auswertefenster unter Berücksichtigung ermittelter Turbulenzen und/oder Strömungsprofile anzupassen. Dies erlaubt es, die Auswertefenster im Laufe einer andauernden Messung zu verkleinern und damit die Auswertezeit und die Wiederholtrequenz bzw. Abtast- rate zu erhöhen. Dass die Auswertefenster nicht lediglich automatisch verkleinert werden können, sondern in gleicher Wei- se vergrößerbar sind, sei erwähnt.
Es ist möglich, den Signaluntergrund zu erfassen und bei der Signalauswertung zu berücksichtigen. Dazu kann beispielsweise eine Messung ohne vorherige Emission von Ultraschallsignalen erfolgen. Die dabei erhaltenen Signale stellen einen zum Bei- spiel zu subtrahierenden Untergrund dar, durch dessen Berücksichtigung die Messgenauigkeit weiter erhöht werden kann.It is possible that a flow profile is generated and / or turbulence is detected by irradiation of ultrasound pulses in different directions-and the evaluation of the impulse responses obtained for this purpose. This increases the accuracy of the measurements that are performed. It should be noted that the ultrasonic phase array may be one-dimensional, that is, a line array is usable; in such a case, a fan-like sweep of a layer can take place. With a second line array, which is, for example, designed to be complementary, velocity vectors can be determined in the entire flow cross section. Typically, however, two-dimensional arrays of ultrasound transmitters / receivers will be used. Here, flow patterns can be detected three-dimensionally without mechanical movement of the sensor field and thus particularly well determine turbulence, etc. If correlation measurements are carried out, it is advantageous to adapt evaluation windows taking into account determined turbulences and / or flow profiles. This makes it possible to reduce the evaluation windows in the course of a continuous measurement and thus to increase the evaluation time and the repetition frequency or sampling rate. It should be mentioned that the evaluation windows can not only be reduced automatically, but can also be enlarged in the same way. It is possible to detect the signal background and to take it into account in the signal evaluation. For this purpose, for example, a measurement without prior emission of ultrasonic signals. The signals obtained thereby represent a background to be subtracted, for example, by means of which the measurement accuracy can be further increased.
Es ist möglich und bevorzugt, wenn mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung Sedimente erfasst werden. Auf diese Weise können die durch Ablagerungen in Rohrleitungen, Gewässern usw. bedingten Querschnittsverkleinerungen berücksichtigt werden, die bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit eine Verringerung der GesamtStrömungsmenge bedingen. Die Erfassung von Sedimenten trägt damit zur Erhöhung der Messgenauigkeit weiter bei .It is possible and preferred when sediments are detected by the method of the present invention. In this way, due to deposits in pipelines, bodies of water, etc., contraction of the cross-section can be taken into account, which at the same flow rate causes a reduction in the total flow rate. The detection of sediments thus contributes to increasing the accuracy of measurement further.
Es ist möglich, die Impulsantworten beziehungsweise die bei deren Analyse ermittelten Strömungsdaten auch zur Bestimmung von festen Marken und/oder zur Lagebestimmung des Ultra- schal1-Phasenarrays heranzuziehen. So wird die Lage von Sedimenten sich kurzfristig nicht verändern. Wenn nun ein Sensor, der auf der Oberfläche eines Fluids aufschwimmt, zum Beispiel schaukelt, wird dies zu einer vermeintlichen Bewegung der Sedimente führen; da eine solche aber nicht auftreten wird, kann darauf geschlossen werden, dass der Sensor sich bewegt hat, was kompensiert werden kann. Die hohe Messrate, mit der in unterschiedliche Richtungen abgetastet werden kann, erlaubt dabei in vorteilhafter Weise, dass auch vergleichsweise schnelle Bewegungen erfasst werden können. Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass erforderlichenfalls auch ein Beschleunigungsmesser oder dergleichen in den Sensor beziehungsweise dessen Gehäuse integriert werden kann, um auf Be-
wegungen desselben zu kompensieren. Die Integration kann dabei zum Beispiel durch Einbau auf eine Trägerplatine oder dergleichen erfolgen oder durch Integration auf ein und demselben Chip geschehen.It is possible to also use the impulse responses or the flow data determined during their analysis to determine fixed marks and / or to determine the position of the ultrasound phase array. So the location of sediments will not change in the short term. If, for example, a sensor floating on the surface of a fluid rocks, it will lead to a supposed movement of the sediments; but since such will not occur, it can be concluded that the sensor has moved, which can be compensated. The high measuring rate, with which it is possible to scan in different directions, advantageously allows comparatively fast movements to be detected. It should be noted, however, that if necessary, an accelerometer or the like can also be integrated into the sensor or its housing in order to avoid loading. compensate for movements of the same. The integration can be done for example by installation on a carrier board or the like or done by integration on one and the same chip.
Schutz wird im übrigen auch beansprucht für eine Fluidströ- mungsmessanordnung, insbesondere zur Ausführung nach einem der vorhergehend beschriebenen Verfahren mit einem Ultraschallimpulssende-/ -empfangsmittel zum Senden von Ultra- schallimpulsen in Fluide und zum Empfangen von Ultraschallim- pulsantworten aus dem Fluid und einem Auswertemittel zur Bestimmung von Fluidströmungen zur Auswertung der Ultraschall - impulsantworten. Es ist bevorzugt, dass das Ultraschallim- pulssende-/-empfangsmittel als zweidimensionales Ultraschall - array ausgebildet ist und das Auswertemittel zum Auswerten von Impulsantworten aus unterschiedlichen Richtungen. Das Ultraschallimpulssendemittel wird typisch ein mehrdimensionales Ultraschallphasenarray sein.Furthermore, protection is also claimed for a fluid flow measuring arrangement, in particular for the implementation according to one of the previously described methods with an ultrasound pulse transmitting / receiving means for transmitting ultrasound pulses in fluids and for receiving ultrasonic pulse responses from the fluid and an evaluation means for Determination of fluid flows for the evaluation of the ultrasonic impulse responses. It is preferred that the ultrasound pulse transmitting / receiving means is designed as a two-dimensional ultrasound array and the evaluation means for evaluating impulse responses from different directions. The ultrasonic pulse transmitting means will typically be a multi-dimensional ultrasonic phase array.
Die Erfindung wird im folgenden nur beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei dargestellt ist durchThe invention will be described in the following by way of example only with reference to the drawing, wherein is shown by
Fig. 1 eine Messanordnung der vorliegenden Erfindung während einer Messung.1 shows a measuring arrangement of the present invention during a measurement.
Nach Fig. 1 umfasst eine allgemein mit 1 bezeichnete Fluid- strömungsmessanordnung 1 ein Ultraschallimpulssende-/ -empfangsmittel 2 zum Senden von Ultraschallimpulsen 3 in Fluide 4 und zum Empfangen von Ultraschallimpulsantworten aus dem Fluid und einem Auswertemittel 5 zur Bestimmung vonReferring to Fig. 1, a fluid flow measuring assembly 1, generally designated 1, includes ultrasonic pulse transmitting / receiving means 2 for transmitting ultrasonic pulses 3 in fluids 4 and for receiving ultrasonic pulse responses from the fluid and an evaluation means 5 for determining
Fluidströmungen zur Auswertung der Ultraschallimpulsantworten, wobei das Ultraschallimpulssende-/-empfangsmittel 2 alsFluid flows for evaluation of the ultrasonic impulse responses, wherein the ultrasonic pulse transmitting / receiving means 2 as
- Ii -
Ultraschallarray ausgebildet ist und das Auswertemittel zum Auswerten von Impulsantworten aus unterschiedlichen Richtungen 6.- II - Ultrasonic array is formed and the evaluation means for evaluating impulse responses from different directions. 6
Die Fluidströmungsmessanordnung 1 dient vorliegend zur Messung von Fluidmengen, die durch ein Fluidbett strömen. Prinzipiell ist die Fluidströmungsmessanordnung geeignet, mit einer Vielzahl von Fluidbetten eingesetzt zu werden; dargestellt ist in den Figuren als Fluidbett 4a das Bett eines of- fenen Kanals, in dem der Sensor der Fluidströmungsmessanordnung 1 schwimmt . Die Fluidströmungsmessanordnung umfasst dazu für das Ultraschallimpulssende-/-empfangsmittel 2 ein geeignetes, fluiddichtes Gehäuse und eine Verbindung, die davon weg führt. Diese Verbindung kann zwar, wenn es gewünscht ist, drahtlos sein; in einem solchen Fall wird das Sensorgehäuse mit einer geeigneten Energieversorgung versehen sein. Es sei erwähnt, dass eine Auswertung oder Vorauswertung am Ultraschallimpulssende-/ -empfangsmittel 2 bevorzugt ist und dieses mit entsprechenden Schaltungen usw. einen gemeinsam umhüllten Sensor bilden kann, wodurch erforderlichenfalls nur eineIn the present case, the fluid flow measuring arrangement 1 is used for measuring quantities of fluid which flow through a fluid bed. In principle, the fluid flow meter assembly is adapted to be used with a plurality of fluid beds; in the figures, the bed of an open channel in which the sensor of the fluid flow measuring arrangement 1 floats is shown as fluid bed 4a. The fluid flow measuring arrangement for this purpose comprises for the ultrasonic pulse transmitting / receiving means 2 a suitable, fluid-tight housing and a connection leading away therefrom. Although this connection may be wireless if desired; in such a case, the sensor housing will be provided with a suitable power supply. It should be noted that an evaluation or preliminary evaluation at the ultrasonic pulse transmitting / receiving means 2 is preferred and this can form together with corresponding circuits, etc., a co-enveloped sensor, whereby, if necessary, only one
Übertragung von Fluidströmungsdaten, beispielsweise als Ge- samtströmungsdaten erforderlich ist. Falls gewünscht, kann im übrigen auch eine Aufzeichnung der Daten erfolgen und ein Auslesen nach Beendigung einer Messung und Anschluss an eine geeignete Schnittstelle vorgenommen werden.Transmission of fluid flow data, for example, as a total flow data is required. If desired, it is also possible for the data to be recorded and a reading to be made after completion of a measurement and connection to a suitable interface.
Bevorzugt, typisch und dargestellt ist aber, dass der Sensor in seinem fluiddichten Gehäuse lediglich eine Signalkonditio- nierung 7, beispielsweise eine Verstärkung der mit den ein- zelnen Ultraschallphasenarray-Elementen empfangenen Signale, eine Verknüpfungsstufe und eine Digitalisierung umfasst und dann die digitalisierten Daten für eine weitere Auswertung
über einen hier mehradrigen Leiter 8 an eine hinreichend leistungsstarke Zentralrecheneinheit, die als Auswertemittel 5 dient, speist, in der die Daten miteinander verknüpft werden, um dort aus den (digitalisierten) Impulsantworten, die aus den unterschiedlichen Richtungen empfangen werden, fluid- strömungsindikative Werte zu bestimmen. Auf diese Weise kann zugleich das Forttreiben des Sensors verhindert werden. Neben der Signalgenerierung und -konditionierung kann aber auch die gesamte weitere Auswertung im Sensor erfolgen, das Forttreiben des Sensors kann dann zum Beispiel mit der Strom- /Spannungsversorgung verhindert werden.However, it is preferred, typical and illustrated that the sensor in its fluid-tight housing comprises only one signal conditioning 7, for example a gain of the signals received with the individual ultrasound phase array elements, a linking stage and a digitization and then the digitized data for one further evaluation fed via a multicore conductor 8 to a sufficiently powerful central processing unit, which serves as evaluation means 5, in which the data are linked together in order to obtain fluid flow-indicative values from the (digitized) impulse responses received from the different directions determine. In this way, at the same time the driving of the sensor can be prevented. In addition to the signal generation and conditioning but also the entire further evaluation can be done in the sensor, the driving of the sensor can then be prevented, for example, with the power / voltage supply.
Das Ultraschallimpulssende-/-empfangsmittel 2 zum Senden von Ultraschallimpulsen 3 ist im vorliegenden Fall als zweidimen- sionales Array von Ultraschallemittierenden und empfangenden Elementen ausgebildet. Dem Array ist ein Frequenzgenerator (nicht gezeigt) zugeordnet, der eine einstellbare Ultraschall-Frequenz erzeugt, im dargestellten Ausführungsbeispiel zum Beispiel zwischen 800 und 1 200 kHz. Der Frequenzgenera- tor erlaubt die Änderung, und damit auch die Durchstimmbar- keit der erzeugten Frequenz während des Impulses, das heißt er chirpt um einem von einer Steuerung vorgebbaren Frequenz- betrag. Jedes Element des Arrays ist über einen durch Programmierung einstellbaren Phasenschieber (nicht gezeigt) und einen Verstärker mit dem Frequenzgenerator verbunden. DieThe ultrasound pulse transmitting / receiving means 2 for transmitting ultrasound pulses 3 in the present case is designed as a two-dimensional array of ultrasound emitting and receiving elements. Associated with the array is a frequency generator (not shown) which generates an adjustable ultrasonic frequency, for example between 800 and 1200 kHz in the illustrated embodiment. The frequency generator permits the change, and thus also the tunability, of the frequency generated during the pulse, that is to say it chirps by a frequency which can be predetermined by a controller. Each element of the array is connected to the frequency generator via a programmable phase shifter (not shown) and an amplifier. The
Phasenschieber sind von einer Steuerung (nicht gezeigt) programmierbar, mit welcher die relative Phasenlage zweier Elemente zueinander so genau einstellbar ist, dass sich bei Überlagerung der aus allen Elementen emittierten Ultraschall- wellen eine Emission in der Flüssigkeit in einer gewünschten Richtung ergibt. Es sei darauf hingewiesen, dass sich bei chirpenden Impulsen - das heißt, dass sich während eines Im-
pulses die abgestrahlte Frequenz ändert - und gleich bleibender Einstellung der Phasenschieber die Richtung der Einstrahlung von Ultraschallimpulsen ändern wird. Diese Richtungsänderung wird im Allgemeinen klein sein, und da der entspre- chende Chirpfrequenz-Richtungszusammenhang bekannt, beziehungsweise für ein gegebenes Array bestimmbar ist, kann darauf kompensiert werden. Die Verstärkung der vom Generator erzeugten Ultraschallfrequenz ist ausreichend, um die einzelnen Elemente so stark zu erregen, dass ein hinreichend star- ker Ultraschallimpuls in das Fluid emittiert wird.Phase shifters are programmable by a controller (not shown) with which the relative phase angle of two elements relative to one another can be set so precisely that when the ultrasound waves emitted from all elements are superimposed, an emission in the liquid results in a desired direction. It should be pointed out that in the case of chirping impulses - that is, that during an im- Pulses the radiated frequency changes - and constant setting of the phase shifter will change the direction of the irradiation of ultrasonic pulses. This change in direction will generally be small, and since the corresponding chirp frequency directional relationship is known or determinable for a given array, it can be compensated for. The amplification of the ultrasonic frequency generated by the generator is sufficient to excite the individual elements so strongly that a sufficiently strong ultrasonic pulse is emitted into the fluid.
Die Ultraschallimpulse 3 durchlaufen das Fluid 4. Dabei sind sie durch das Fluid und die darin befindlichen Partikel 9 einer Absorption/Reflektion sowie einer Dopplerverschiebung un- terworfen. Aus den emittierten Ultraschallimpulsen gelangen so Ultraschallimpulsantworten zurück an den Sensor, wo sie von den Elementen des Ultraschallphasenarrays empfangen werden.The ultrasound pulses 3 pass through the fluid 4. In this case, they are subject to absorption by the fluid and the particles 9 therein, as well as to a Doppler shift. From the emitted ultrasound pulses, ultrasonic impulse responses are returned to the sensor, where they are received by the elements of the ultrasound phase array.
Die Fluide 4 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel Abwässer in offenen Kanälen, hier beispielsweise in Kläranlagen, in denen sie durch die offenen Kanäle Klärbecken zugeführt werden.The fluids 4 are in the illustrated embodiment effluents in open channels, here for example in sewage treatment plants, where they are fed through the open channels clarifier.
Das Auswertemittel 5 umfasst einen Rechner zur Auswertung der vom Sensor empfangenen und dort konditionierten Impulsantworten. Das Auswertemittel 5 ist dazu ausgebildet, die Strömungsgeschwindigkeit in Volumina zu bestimmen, die entlang der jeweils angestrahlten Richtung liegen; es ist weiter dazu ausgebildet, anhand der bestimmten Strömungsgeschwindigkeiten von Volumina auf das Vorhandensein von Turbulenzen im erfass- ten Fluidvolumen zu schließen, Auswertefenster unter Berück-
sichtigung momentan oder typisch vorhandener Turbulenzen anzupassen und unter Integration der Strömungsmenge über die einzelnen Volumina die Gesamtströmungsmengen durch einen Querschnitt des Fluidbettes zu bestimmen. Weiter ist das Aus- wertemittel dazu bestimmt, das Vorhandensein von Sedimenten zu berücksichtigen, das heißt eines am Boden befindlichen Bereiches mit Fließgeschwindigkeit Null und hoher Reflektivi- tät, ohne dass es erforderlich ist, Informationen über die Fluidbettgeometrie vorzugeben.The evaluation means 5 comprises a computer for evaluating the impulse responses received from the sensor and conditioned there. The evaluation means 5 is designed to determine the flow velocity in volumes which lie along the respectively illuminated direction; it is further designed to conclude, based on the determined flow velocities of volumes, on the presence of turbulences in the detected fluid volume, evaluation windows taking into account to adjust the instantaneous or typically present turbulence and to determine the total flow through a cross-section of the fluid bed by integrating the flow rate over the individual volumes. Furthermore, the evaluation means is designed to take into account the presence of sediments, that is, a zero-flow, high-reflectance, zero-flow area without the need to provide information about the fluid bed geometry.
Die Steuerung im Sensor ist dazu ausgebildet, durch entsprechende Einstellungen der Phasenschieber eine Emission in unterschiedliche Richtungen 6 zu bewirken und aus diesen Richtungen 6 Impulsantworten zu empfangen. Dabei wechseln die Richtungen nicht wie per se ebenfalls möglich, durch fächerartiges Überstreichen, sondern es werden beabstandete Punkte auf einer Ebene angestrahlt, wie in Fig. 1 anhand der die jeweilige Hauptachse der sukzessive emittierten Ultraschall- Strahlkeulen kennzeichnenden Linien 6a - 6f ersichtlich; dass die Steuerung so ausgebildet ist, dass nach und nach alle Punkte einer vorgegebenen Projektionsfläche 10 angestrahlt werden, wird einsichtig sein.The controller in the sensor is designed to effect an emission in different directions 6 by appropriate settings of the phase shifter and to receive 6 impulse responses from these directions. In this case, the directions do not change as per se also possible by fan-like sweeping, but spaced points are illuminated on a plane, as shown in Figure 1 on the basis of the respective main axis of the successively emitted ultrasonic beam lobes characterizing lines 6a - see 6f; that the control is designed so that all points of a given projection surface 10 are illuminated gradually, will be obvious.
Die Anordnung wird verwendet wie folgt :The arrangement is used as follows:
Zunächst wird der fluiddicht und schwimmfähig umhüllte Sensor in das Fluid verbracht, was durch Einwerfen des bereits mit dem Auswertemittel verbundenen Sensors geschehen kann. Durch die Auswerteleitung ist der Sensor zugleich am Abtreiben ge- hindert .
Dann wird die Steuerung aktiviert und im Frequenzgenerator werden chirpende Impulse erzeugt. Zugleich werden die den einzelnen Elementen zugeordneten Phasenschieber so eingestellt, dass sich für eine Mittelfrequenz eine erste Emis- sionsrichtung ergibt. Die Impulserzeugung wird für eine bestimmte Dauer - die Impulsdauer- fortgesetzt und während dieser Zeit werden die Elemente des Ultraschallphasenarrays mit Ultraschallleistung beaufschlagt, wobei die Frequenz der Ultraschallwellen durch die jeweilige Frequenz am Frequenzgene- rator und die relative Phasenlage zueinander durch die Phasenschieber so bestimmt wird, dass sich (für eine gegebene Mittelfrequenz) eine Emission in eine gewünschte Richtung, zum Beispiel 6a, ergibt.First, the fluid-tight and buoyant coated sensor is spent in the fluid, which can be done by inserting the sensor already connected to the evaluation. Due to the evaluation line, the sensor is prevented from driving off at the same time. Then the control is activated and chirping pulses are generated in the frequency generator. At the same time, the phase shifters assigned to the individual elements are adjusted such that a first emission direction results for a center frequency. The pulse generation is continued for a certain duration - the pulse duration - and during this time the elements of the ultrasonic phase array are subjected to ultrasound power, the frequency of the ultrasonic waves being determined by the respective frequency at the frequency generator and the relative phase position relative to one another by the phase shifters. that emission (for a given center frequency) results in a desired direction, for example 6a.
Nach Ablauf der Impulsdauer wird dann der Frequenzgenerator abgeschaltet und die Leistungsbeaufschlagung der Elemente beendet. Zugleich wird begonnen, das jetzt an den Elementen vorhandene Signal als Impulsantwortsignal zu konditionieren, das heißt zu verstärken und zu digitalisieren. Das digitali- sierte Signal wird dann mit weiterer Information, etwa betreffend die jeweils angestrahlte Richtung, an das Auswertemittel übertragen.After expiration of the pulse duration of the frequency generator is then turned off and the power application of the elements terminated. At the same time, the signal which is now present at the elements is started to be conditioned, ie amplified and digitized, as an impulse response signal. The digitized signal is then transmitted to the evaluation means with further information, for example regarding the respectively illuminated direction.
Nach Ablauf einer Impulsantwortzeit wird eine neue Phasenein- Stellung an den Phasenschiebern vorgenommen und eine Ultraschall-Einstrahlung in eine andere Richtung, zum Beispiel 6b, wie zuvor beschrieben vorgenommen. Die andere Richtung wird so gewählt, dass auf einer Projektionsfläche um den Sensor herum verschiedene Punkte angestrahlt werden, aber die Mög- lichkeit besteht, aus den für in unterschiedlichen Richtungen 6a, 6b liegenden Volumina IIa, IIb Differenzgeschwindigkeiten zu bestimmen.
Auf diese Weise werden nach und nach alle Richtungen, die mit dem Sensor erreicht werden sollen, abgetastet.After expiration of an impulse response time, a new phase adjustment is made to the phase shifters and ultrasound irradiation in another direction, for example 6b, is performed as previously described. The other direction is chosen so that different points are illuminated on a projection surface around the sensor, but it is possible to determine differential speeds from the volumes IIa, IIb lying in different directions 6a, 6b. In this way, all directions that are to be achieved with the sensor are scanned step by step.
Weiter wird regelmäßig eine Abtastung nach unterschiedlichen Richtungen 6c bis 6f vorgenommen, ohne dass zuvor Impulse ausgestrahlt wurden. Dies erlaubt es, den Signaluntergrund, der beispielsweise durch Eigenrauschen von Elementen und der Signalkonditionierungselektronik hervorgerufen wird, zu sub- trahieren.Furthermore, scanning is carried out regularly in different directions 6c to 6f without pulses having previously been emitted. This makes it possible to subtract the signal background, which is caused, for example, by the inherent noise of elements and the signal conditioning electronics.
Es ist einsichtig, dass wahlweise ein eigener Signaluntergrund für jede Richtung bestimmbar ist, was eine bestmögliche Anpassung erlaubt, aber die Abtastrate wegen der erhöhten Zeitdauer für Signaluntergrundmessungen verringert. Alternativ wäre es möglich, nur wenige Messungen in unterschiedlichen Richtungen vorzunehmen und erforderlichenfalls eine Interpolation zwischen dem Signaluntergrund unterschiedlicher Richtungen vorzunehmen. Dies kann bereits hilfreich sein, um lokale Unterschiede zu berücksichtigen. Noch einfacher wird die Berücksichtigung des Signaluntergrundes, wenn nur eine einzige Signaluntergrundmessung global für alle Richtungen vorgenommen wird. Welche Art der Untergrundbestimmung im einzelnen am sinnvollsten ist, wird unter anderem vom Verhalten des Untergrundes abhängig sein. So wird es bei ausgeprägter Richtungsstabilität, das heißt zumindest weitgehend isotropem Untergrund, aber zugleich starker zeitlicher Variabilität bevorzugt sein, den Signaluntergrund global zu berücksichtigen, aber häufig zu erfassen. Ist hingegen eine große Richtungsab- hängigkeit gegeben, die aber weitgehend zeitlich konstant ist, kann eine gelegentliche Erfassung des Untergrundes in unterschiedlichen Richtungen bevorzugt sein. Es sei darauf
hingewiesen, dass das Untergrundverhalten wiederum von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst sein kann, wie mögliche Temperaturschwankungen des Fluids, Einstreuungen usw. Dass die Untergrundberücksichtigung im Laufe einer Messung geän- dert werden kann, zum Beispiel weil sich der Untergrund zeitlich stabilisiert, aber statt dessen RichtungsSchwankungen auftreten, sei erwähnt.It will be appreciated that optionally a separate signal background can be determined for each direction, allowing for best fit, but reducing the sampling rate because of the increased time for signal background measurements. Alternatively, it would be possible to make only a few measurements in different directions and, if necessary, to perform interpolation between the signal ground of different directions. This can already be helpful to consider local differences. Even easier is the consideration of the signal background, if only a single signal background measurement is made globally for all directions. Which type of underground determination makes the most sense in each case will depend, among other things, on the behavior of the ground. Thus, with pronounced directional stability, that is, at least largely isotropic background, but at the same time strong temporal variability, it will be preferable to consider the signal background globally, but to record it frequently. If, on the other hand, a large directional dependence is given, but which is largely constant over time, occasional detection of the background in different directions may be preferred. It is important It may be pointed out that the background behavior may in turn be influenced by a large number of factors, such as possible temperature fluctuations of the fluid, interference, etc. That the background consideration can be changed during the course of a measurement, for example because the background stabilizes over time, but changes in direction instead occur, should be mentioned.
Aus den Impulsantworten die für eine jeweilige Richtung er- halten werden, werden dann in der Auswerteeinheit unter Berücksichtigung des gegebenenfalls gewichtet richtungsinterpo- lierten Signal -Untergrundes in per se bekannter Weise Strömungsgeschwindigkeiten für gegebene Volumina bestimmt. Dabei kann anhand jener Volumina, die eine Strömungsgeschwindigkeit Null besitzen und besonders weit vom Sensor liegen, auf das Vorhandensein von Ablagerungen, das heißt Sedimenten und dergleichen geschlossen werden. Aus der Lage einer Oberfläche, die von diesen Volumina aufgespannt wird, kann dann rückgeschlossen werden, ob der Sensor sich bewegt hat oder nicht. Auf eine etwaige Schaukelbewegung kann dabei bei einer hinreichend hohen Abtastrate kompensiert werden, indem eine Rotationstransformation um den Sensor dergestalt durchgeführt wird, dass sich eine konstante, typische mittlere Lage der Sedimentoberfläche ergibt . Dass bei NichtVorhandensein von Sedimenten einleuchtenderweise eine Fluidbettwandung als Fix- flache herangezogen werden kann, sei erwähnt. Gleichfalls erwähnt seien andere Transformationen, um zum Beispiel auf translative Bewegungen um eine Mittellage zu kompensieren.From the impulse responses which are received for a respective direction, flow velocities for given volumes are then determined in per se known manner in the evaluation unit taking into account the possibly weighted direction-interpolated signal background. It can be concluded on the basis of those volumes which have a zero flow velocity and are particularly far from the sensor, on the presence of deposits, that is, sediments and the like. From the position of a surface, which is spanned by these volumes, it can then be deduced whether the sensor has moved or not. In this case, a possible swinging motion can be compensated for at a sufficiently high sampling rate by carrying out a rotation transformation around the sensor in such a way that a constant, typical average position of the sediment surface results. It is worth mentioning that a fluid bed wall can be used as a fix flat in the absence of sediments. Likewise, other transformations may be mentioned in order to compensate, for example, for translational movements about a central position.
Im übrigen ist es möglich, gegebenenfalls eine Schaukelfrequenz zu bestimmen und zu unterschiedlichen Zeiten während einer Abtastung aufgenommene Signale auf unterschiedliche
Weise zu kompensieren. Dies ist besonders bei sprunghaftem Wechsel der Richtungen vorteilhaft.Moreover, it is possible to optionally determine a rocking frequency and recorded at different times during a scan signals to different Way to compensate. This is particularly advantageous in sudden changes of directions.
Nach der gegebenenfalls durchgeführten und bevorzugten, wenn auch nicht zwingenden Kompensation auf die Untergrundsignale und die Schwankungen, kann ein Strömungsmuster erstellt werden und der Gesamtdurchfluss durch einen Querschnitt des Fluidbettes bestimmt werden. Dabei können insbesondere auch Differenzgeschwindigkeiten von unterschiedlichen Volumina und damit Geschwindigkeitsvektoren in der Flüssigkeit ermittelt werden.After the optionally performed and preferred, although not mandatory, compensation for the background signals and the fluctuations, a flow pattern can be established and the total flow through a cross section of the fluidized bed can be determined. In particular, differential speeds of different volumes and thus velocity vectors in the liquid can also be determined.
Auf diese Weise wird eine erhöhte Genauigkeit bei der Messung ermöglicht .
In this way, an increased accuracy in the measurement is possible.