Verfahren und Anordnung zur Geschwindigkeits-und Mengenmessung strömender
Flüssigkeiten mittels Ultraschall
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Geschwindigkeits-und Mengenmes sung strömender Flüssigkeiten durch Ultraschall.
Zweck und Aufgabe der Erfindung ist es, ohne Anderung der jeweiligen Strömungszustände eine Nullpunkt-Kontrolle (Eichung) vorzunehmen, wodurch es erst möglich ist, das bekannte Ultraschallprinzip auf Messungen an Maschinen und in der Hydrologie anzuwenden.
Das erfindungsgemässe Verfahren dient im wesentlichen zum Messen der mittleren Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten in begrenzten Querschnitten oder zur Flüssigkeitsmengenmessung unter Verwendung von wenigstens einem Paar von Ultraschallmess- strecken, die je einen Ultraschall-Sender-und-Empfänger aufweisen und in gleichen Winkeln zur Strö- mungsrichtung der Flüssigkeit durch dieselbe verlaufen, und zwar parallel zueinander oder einander kreuzend.
Das Neue des Verfahrens besteht darin, dass man über jede der Messstrecken eine Folge von Ultraschallimpulsen vom Sender zum Empfänger sendet, die im Empfänger ankommenden Schallimpulse in elektrische Impulse umwandelt und mit denselben die Schallimpulse des Senders synchronisiert, wobei sich eine der Laufzeit der Schallimpulse in der Flüssigkeit umgekehrt proportionale Impulsfolgefrequenz einstellt, und dass man die Differenz der Impulsfolgefrequenzen in den beiden Messstrecken ermittelt, welche Differenz proportional ist der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit.
Die erfindungsgemässe Messanordnung zum Durchführen dieses Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens bei einer Messstrecke des Messstreckenpaares die Funktionen des Ultraschall-Senders-und -Empfängers zwecks Nullpunkteinstellung (Eichung) gegeneinander vertauschbar sind.
Die Messanordnung nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in welcher rein beispielsweise und schematisch eine bisher bekannte und eine neue Messanordnung veranschaulicht sind, erläutert.
Fig. 1 zeigt die bisher gebräuchliche Messanordnung im horizontalen Schnitt.
Fig. 2 stellt die neue Messanordnung zum Durch führen des erfindungsgemässen Verfahrens ebenfalls im horizontalen Schnitt dar.
Wird ein Ultraschallsignal durch ein Medium gesendet, so wird zur Überquerung eines bestimmten Abstandes eine gewisse Zeit benötigt. Bewegt sich dieses Medium, so addieren sich die Geschwindigkeiten der einzelnen Partikel, welche die Schallwelle übertragen, vektoriell, das heisst in Richtung und Grösse zu der momentanen Schallgeschwindigkeit.
Soll nun in einem Querschnitt mit einer unbekannten Strömungsverteilung die durchfliessende Flüssigkeits- menge bestimmt werden, dann wird zweckmässig die Messebene unter einem konstanten Winkel S zur Strömungsrichtung gewählt (Fig. 1). Die Laufzeit ti bzw. t2 ist in diesem Fall abhängig von den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit, der Temperatur, dem Abstand zwischen Sender und Empfänger und der Geschwindigkeit der zu messenden Flüssigkeit.
Es sei vorerst das ebene Problem betrachtet :
Wird ein Ultraschallsignal unter einem Winkel jg schräg gegen die Strömung durch einen Kanal F von einem Sender A zu einem Empfänger B und gleich zeitig oder abwechselnd ein gleiches Signal schräg mit der Strömung von B nach A, wobei die Funktion der Sender und Empfänger vertauscht werden kann, über eine bestimmte Messstrecke gesendet, so werden die Laufzeiten t1 und t2 des Ultraschallsignals bei sich bewegender Flüssigkeit verschieden sein.
Bei gleicher Länge d der Messstrecke ist die zeitliche Differenz von t1 und t2 ein Mass für die mittlere Geschwindigkeit im Messquerschnitt. Unter der Voraussetzung, dass die Geschwindigkeit v der Flüssigkeit klein in bezug auf die Schallgeschwindig- keit a bleibt, können folgende Gleichungen aufgestellt werden für Sendung von A nach B (1) a-v. cos = d t1 und von B nach A (2) a + v COS ¯ = d t2 Durch Subtraktion wird folgende Formel erhalten : (3) v = d.(1 - 1) 2. cos ¯ t2 t1
Die beiden Laufzeiten t, und t2 müssen nun so gemessen werden, dass die Differenz noch genau genug ermittelt werden kann, eineForderung, derenErfüllung unter Berücksichtigung der sehr kleinen Laufzeiten auf erhebliche Schwierigkeiten stösst.
Mittels einer Phasendifferenzmessung kann diese Schwierigkeit umgangen werden, wobei aber die Schallgeschwindigkeit in der aus (3) ableitbaren Umrechnungsformel erscheint.
Für genaue Messungen sollte die Formel unabhängig von der Schallgeschwindigkeit sein, da diese z. B. stark mit der Temperatur schwankt und daher nicht immer genau bestimmt werden kann.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird ein anderer Weg gewählt, um diese Schwierigkeit bei den kleinen Zeiten zu umgehen. In Fig. 2 ist das Prinzipschema der Messanordnung dargestellt. Es werden zwei unabhängige aber nebeneinander angeordnete Messstrecken M1 und M2 verwendet, die je an einen elektrischen Messkreis K3 bzw. K2 angeschlossen sind.
Die Arbeitsweise ist z. B. folgende :
Der Oszillator eines Impulssenders 11 im Messkreis Ki wird zu einer kurzen gedämpften Schwingung gebracht, so dass ein Impuls ausgelöst wird, der zum Sender S, gelant. Die mit der Geschwindigkeit v str¯mend Flüssigkeit wird vom Ultraschallimpuls in der Zeit t, schräg gegen die Strömungsrichtung durcheilt, und im Empfänger E1 wird die elastische Störung wieder in einen elektrischen Impuls zurückverwandelt.
Dieses Signal wird in einem Verstärker G1 verstärkt und mittels eines Apparates H1 in ein immer gleichbleibendes Startsignal für den Schwingkreis des Impuls-Oszillators I1 umgewandelt. Erreicht dieses Signal den Oszillator, so wird ein zweiter Impuls ausgelöst, der nach der gleichen Zeit ti wieder am Empfänger eintrifft, solange Strömungsgeschwindigkeit und Schallgeschwindigkeit unverändert bleiben. Es ergibt sich somit eine periodische Folge von Schallimpulsen über die Messstrecke, wobei die im Sender erzeugten Impulse durch die im Empfänger ankommenden Im- pulse synchronisiert werden.
Nun entspricht die gesamte Umlaufzeit praktisch der Signallaufzeit t1 = d aw - ?a in der Flüssigkeit, da ja im elektrischen Teil des Weges das Signal sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 30000 km/s, gegen 1500 m/s z. B. im Wasser, fortbewegt.
Es stellt sich also eine gewisse Impulsfolgefrequenz f1 = 1 t tl ein, die von der Linge d der Messstrecke, von der Schallgeschwindigkeit und von der Bewegung der Flüssigkeit abhängig ist.
Wird über die Messstrecke M, in der anderen Richtung, also schräg mit der Strömung gemessen, dann stellt sich analog eine Impulsfolgefrequenz f- @2 ein. Wird nun die Differenz fD dieser beiden Impulsfolgefrequenzen f1 und f2 mit Hilfe eines Frequenz differenz-Messgerätes D gemessen, so gilt, in Formel (3) eingesetzt, wenn die Länge beider Messstrecken M1 und M2 absolut gleich ist: ? = d (1 - 1) = d (f2 - f1)
2 . cos ¯ t2 t1 2.cos ¯ = D FD
2 . cos ¯ (4) ? = @ fD fa (4) ? @ fD 2 . cos ¯
Die mittlere Str¯mungsgeschwindigkeit ? ist also der Differenz f, der Impulsfolgefrequenzen f, und f2 direkt proportional und kann an einem GerÏt R abgelesen und gewünschtenfalis auch laufend registriert werden. Bisher wurde nur das ebene Problem betrachtet.
Die zu messende Flüssigkeit befindet sich z. B. in Kanälen, Rohrleitungen, Fl ssen usw., also in räumlichen Querschnitten. Es genügt meistens nicht, in einer bestimmten horizontalen Ebene die Geschwin digkeitsverteilung zu messen, da diese in anderen Punkten des Messquerschnittes sehr verschieden sein kann. Eine der neuen Ideen dieser Erfindung ist es, diese oben beschriebene ebene Messmethode in genü gender Anzahl auf verschiedenen Höhen durchzuführen, um dann durch z. B. eine graphische Integration die mittlere Geschwindigkeitsverteilung im gesamten Messquerschnitt zu ermitteln. Diese kann bei einfacher seitlicher Begrenzung durch Verschiebung der Sender und Empfänger, auch Geber genannt, auf die gewünschte Höhe erfolgen. Es können auch meh rere Geberpaare auf verschiedenen Messhöhen angeordnet werden.
Es ist unvermeidlich, dass z. B. beim Verschieben der Ultraschall-Sender und-Empfänger kleine Län- genunterschiede zwischen den beiden Messstrecken Mi und M2 auftreten. Ausserdem können auch elektronisch bedingte Änderungen der Impulsfolgefre- quenzen bei längeren Messungen sich störend bemerkbar machen. In den wenigsten Fällen ist es möglich, bei ruhender Flüssigkeit eine Nullpunkteinstellung g bzw. Kontrolle vorzunehmen. Um eine solche Nullpunkteinstellung aber auch bei strömender Flüssigkeit während der Messung jederzeit durchführen zu kön- nen, wird die in Fig. 2 schematisch dargestellte Anordnung vorgeschlagen.
Vor der eigentlichen Messung werden mittels eines Umschalters U Empfänger El und Sender SI bei der einen Messstrecke Mi vertauscht, d. h. dass die Signale in beiden Messstrecken in gleicher Richtung gesendet werden. Besteht nun ein kleiner Längenunterschied derMessstrecken,dann wird sich unabhängig von der Strömungsgeschwindig- keit eine Differenzfrequenz fX oder Schwebungsfrequenz einstellen. Diese Anordnung hat den grossen Vorteil, dass dadurch eine Möglichkeit gegeben ist, diese Nullpunkteinstellungen jederzeit unabhängig von störenden Fremdeinflüssen, z.
B. vor und nach jeder Messung, zu kontrollieren, wobei eventuelle Anderun- gen der Strömungsgeschwindigkeiten sich nicht stö- rend bemerkbar machen können. Sind die Me¯strecken nahe beieinander angeordnet, so ist es notwendig, scharf bimdelnde Ultraschallsender zu verwenden, was durch den Durchmesser der Sender und eine geeignete Wahl der Ultraschall-Trägerfrequenz erreicht werden kann. Die mittlere Geschwindigkeit errechnet sich nach der leicht abzuleitenden Formel d 1 1 (5) ? = @ (@ - @)
2 . cos ¯ fD FE
Die zu messenden Differenzfrequenzen sind, z. B. für Strömungsmessungen in Wasser, sehr klein, je grösser der Abstand, desto geringer wird die Differenz, wobei Grössenordnungen von 0 bis 1 Hz auftreten können.
Um diese kleinen Werte zu messen, wurde ein Koinzidenzverfahren entwickelt. Das Prinzip dieses Verfahrens ist folgendes :
Werden die beiden Impulsfolgefrequenzen fi und f2 miteinander verglichen, so wird es einen Moment geben, in welchem die Impulse beider Messkreise zeitlich gleichzeitig erscheinen. In diesem Augenblick wird elektronisch ein Signal ausgelöst. Dieses Spiel wiederholt sich, wenn beide Impulse von neuem koinzidieren. Der zeitliche Abstand dieser beiden Signale ist der reziproke Wert der Differenzfrequenz fl, bzw. flS-Mittels dieses Verfahrens können handels- übliche Messgeräte z. B. graphische Schreiber mit Zeitmarke oder elektronische Kurzzeitmesser zur genauen Frequenzdifferenzbestimmung verwendet werden.
Sollen nicht sehr regelmässig fliessende Strö- mungen gemessen werden, so kann über einen länge- ren Zeitabschnitt gemessen werden, wobei dann der Quotient Koinzidenzanzahl dividiert durch Gesamtzeit direkt die integrierte mittlere Differenzfrequenz ergibt.
Besonders bei kleineren Messquerschnitten ist der Einfluss der Anordnung von den Ultraschallgebern zu berücksichtigen. Um eindeutige Messverhältnisse zu schaffen, wurde folgende Anordnung entwickelt : Die Ultraschall-Sender und-Empfänger werden ausserhalb des Messquerschnittes hinter einer flüssigkeitsundurch- lässigen aber schalldurchlässigen Wand so angebracht, dass von der Flüssigkeitsseite her kein Unterbruch von der seitlichen Begrenzung zu erkennen ist. Die Umrechnungsformel wird dann folgende : (6) ? = d2 tg ¯(fD - fE)
2b Hierhin bedeutet b die Breite des Fl ssigkeitskanals.
Durch die aufgezählten Massnahmen ist es mit der beschriebenen Messanordnung möglich, mittlere Strö- mungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten in begrenzten Querschnitten ohne Zuhilfenahme von empirischen Korrekturfaktoren zu bestimmen. Die Umrechnungsformel der gemessenen Grössen, um von den gemessenen Grössen auf die mittlere Geschwin digkeit zu gelangen, ist nur von den geometrischen Abmessungen de, r Begrenzungen abhängig.