AT527574A4 - Structure and method for determining the speed of sound in a gas - Google Patents
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Abstract
Ein Aufbau (1) zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit in einem Gas weist eine Sensoreinheit (3) zum Erzeugen eines akustischen Ausgangsignals und zum Erfassen eines akustischen Messsignals auf. Weiters weist der Aufbau (1) ein Kalibrierungselement (6) mit einer zwischen einem Eingang (7) und einem Ausgang (8) verlaufenden durchflutbaren Länge (L), die zumindest abschnittsweise von einer Rohrleitung (9) gebildet ist, auf. Der Eingang (7) ist akustisch leitend mit der Sensoreinheit (3) verbunden.A setup (1) for determining the speed of sound in a gas comprises a sensor unit (3) for generating an acoustic output signal and for detecting an acoustic measurement signal. Furthermore, the setup (1) comprises a calibration element (6) with a permeable length (L) extending between an inlet (7) and an outlet (8), which is formed at least in sections by a pipe (9). The inlet (7) is acoustically conductively connected to the sensor unit (3).
Description
zum Erfassen eines akustischen Messsignals aufweist. for detecting an acoustic measurement signal.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Furthermore, the invention relates to a method for determining the
Schallgeschwindigkeit in einem Gas. Speed of sound in a gas.
Um bei Ölbohrlöchern die Leistung der Ölpumpe überprüfen zu können, ist es üblich, in regelmäßigen zeitlichen Abständen die Höhe des Flüssigkeitsstands im Bohrloch zu ermitteln. Anhand der Position des Flüssigkeitsspiegels lässt sich berechnen, ob bzw. wie hoch die Flüssigkeitssäule über dem unteren Rohrende des Rohres ist. Dieses Wissen hilft zu verhindern, dass die Ölpumpe trocken läuft. Auch andere Parameter lassen sich aus der Überwachung der Höhe des Flüssigkeitsstands im Bohrloch über einen bestimmten Zeitraum ableiten, wie z.B. die Reservoir-To monitor the performance of oil pumps in oil wells, it is common practice to determine the fluid level in the well at regular intervals. Based on the position of the fluid level, it is possible to calculate whether and how high the fluid column is above the lower end of the pipe. This information helps prevent the oil pump from running dry. Other parameters can also be derived from monitoring the fluid level in the well over a certain period of time, such as the reservoir
Zuflussleistung und der Skin-Faktor. Inflow capacity and the skin factor.
Um die Höhe des Flüssigkeitsspiegels im Bohrloch messen zu können, wird in der Regel ein Druckimpuls (d.h. ein akustisches Signal) in das Bohrloch eingebracht und gemessen, wie lange es dauert, bis eine Reflexion des akustischen Signals (ein akustisches Echo) zum Ausgangspunkt zurückkehrt. Da der Förderstrang das Bohrloch nicht gänzlich ausfüllt, ist um den Förderstrang herum ein mit einem Gas gefüllter kreisringförmiger Spalt bzw. Ringraum gebildet, über den sich das akustische To measure the fluid level in the borehole, a pressure pulse (i.e., an acoustic signal) is typically introduced into the borehole, and the time it takes for a reflection of the acoustic signal (an acoustic echo) to return to the starting point is measured. Since the production string does not completely fill the borehole, a gas-filled circular gap or annulus is formed around the production string, across which the acoustic
Signal in die Tiefe und zurück fortpflanzen kann. Signal can propagate into the depths and back.
Wenn die Schallgeschwindigkeit in dem den Spalt ausfüllenden Gas bekannt ist, kann anhand der gemessenen Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden und dem Empfang der Reflexion des akustischen Signals die Höhe des Flüssigkeitsspiegels wie folgt ermittelt If the speed of sound in the gas filling the gap is known, the height of the liquid level can be determined from the measured time difference between the emission and reception of the reflection of the acoustic signal as follows:
werden: become:
wobei D die Entfernung zum Flüssigkeitsspiegel gemessen vom Ausgangsort des akustischen Signals, v die Schallgeschwindigkeit im Gas und t,g die gemessene Zeitdifferenz ist. (Der vom Signal zurückgelegte Weg wird mit % multipliziert, da das akustische Signal sowohl zum Flüssigkeitsspiegel hin, als auch vom where D is the distance to the liquid level measured from the source of the acoustic signal, v is the speed of sound in the gas and t,g is the measured time difference. (The distance traveled by the signal is multiplied by % since the acoustic signal travels both towards the liquid level and from
Flüssigkeitsspiegel zurückreisen muss.) fluid level must travel back.)
Das in dem Spalt zwischen Förderstrang und Bohrloch enthaltene Gas kann je nach Standort des Bohrloches und Art des erschlossenen Reservoirs (z.B. Ölreservoirs) eine andere Zusammensetzung aufweisen, sodass auch die Schallgeschwindigkeit in dem Gas (bzw. die Schallgeschwindigkeit des Gases) nicht von vornherein bekannt ist, sondern zwischen Bohrlöchern variiert und vor Ort ermittelt werden muss. Dies geschieht in der Regel The gas contained in the gap between the production string and the borehole can have a different composition depending on the location of the borehole and the type of reservoir being developed (e.g., oil reservoir), so the speed of sound in the gas (or the speed of sound of the gas) is not known in advance, but varies between boreholes and must be determined on-site. This is usually done
mittels „Rohrmuffen-Zählen”,. by means of “pipe socket counting”.
Beim „Rohrmuffen-Zählen“ wird ein Druckimpuls (d.h. ein akustisches Signal) in den Ringspalt zwischen Förderstrang und Bohrloch eingeleitet. Der Druckimpuls setzt sich nach unten in Richtung Ölreservoir fort und passiert dabei die Verbindungsstellen (die Muffe-Spitzende-Verbindungen) zwischen den rohrförmigen Teilstücken des Förderstrangs. An den Verbindungsstellen weist der Förderstrang aufgrund der aufgeweiteten Muffe des einen Teilstücks, in dem das Spitzende des anschließenden Teilstücks steckt, eine Verbreiterung des Außendurchmessers auf, an der ein Teil des Druckimpulses reflektiert und somit in Richtung Ausgangsort des Druckimpulses zurückgelenkt wird. Eine Messeinheit (z.B. ein Piezo-Sensor, eine Lautsprecher Membran, etc.) erfasst aus dem Bohrloch austretende akustische Signale, und daher auch die Reflexionen, die an den einzelnen Verbreiterungen des Förderstranges entstehen. Über die ermittelte zeitliche Differenz zwischen dem In "pipe socket counting," a pressure pulse (i.e., an acoustic signal) is introduced into the annular gap between the production string and the borehole. The pressure pulse travels downwards toward the oil reservoir, passing through the joints (the socket-spigot connections) between the tubular sections of the production string. At these joints, the production string exhibits a widening of the outer diameter due to the expanded socket of one section, into which the spigot of the subsequent section is inserted. This widens part of the pressure pulse and thus redirects it toward the source of the pressure pulse. A measuring unit (e.g., a piezo sensor, a loudspeaker membrane, etc.) records acoustic signals emerging from the borehole, and therefore also the reflections that occur at the individual widenings of the production string. The determined time difference between the
Aussenden des Druckimpulses und dem Erfassen der Reflexionen Sending the pressure pulse and detecting the reflections
Förderstrang umgebenden Gases bestimmt werden. gas surrounding the production string.
Der Nachteil am „Muffen-Zählen” liegt darin, dass dieses Verfahren sehr fehleranfällig ist, da deformierte Verbindungsstellen zwischen den Teilstücken des Förderstrangs, aber auch im Spalt befindliches Material sowie die Wände des Bohrloches, missverständliche, störende oder nicht einordenbare Reflexionen erzeugen können, was oft zu einer ungenauen The disadvantage of “joint counting” is that this method is very error-prone, since deformed joints between the sections of the production string, but also material in the gap and the walls of the borehole, can produce misleading, disturbing or unclassifiable reflections, which often leads to an inaccurate
Bestimmung der Schallgeschwindigkeit führt. Determination of the speed of sound.
Aus CH 653 441 A5 ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in einem sich ändernden Medium bekannt. Die Einrichtung weist ein Messrohr mit einer Stirnseitenöffnung auf, wobei von der Stirnseitenöffnung beabstandet ein Lautsprecher platziert und am Mantel des Messrohres ein Schallaufnehmer angeordnet ist. Nachteilig an einer derartigen Einrichtung ist, dass aufgrund der Ausgestaltung des Messrohres, dieses nur in einem gasdichten Behälter bzw. Raum verwendet werden kann, wenn mit der Einrichtung explosionssicher die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in einem zünd- oder explosionsfreudigen Gas gemessen werden soll. Weiters ist die Einrichtung gemäß CH 653 441 A5 aufgrund des Aufbaus der Einrichtung, insbesondere aufgrund der Ausgestaltung des Messrohres und aufgrund der Positionierung und Anordnung des Lautsprechers bzw. Schallaufnehmers, kompliziert, unpräzise und From CH 653 441 A5, a device for determining the speed of sound propagation in a changing medium is known. The device comprises a measuring tube with an end opening, wherein a loudspeaker is placed at a distance from the end opening and a sound sensor is arranged on the casing of the measuring tube. A disadvantage of such a device is that, due to the design of the measuring tube, it can only be used in a gas-tight container or room if the device is to be used to measure the speed of sound propagation in an explosion-proof manner in an ignitable or explosive gas. Furthermore, the device according to CH 653 441 A5 is complicated, imprecise and
störanfällig. susceptible to failure.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Aufbau und ein Verfahren zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit in einem Gas The invention is based on the object of providing a structure and a method for determining the speed of sound in a gas
zur Verfügung zu stellen, der/das die angesprochenen Probleme so which addresses the problems raised in such a way
ermitteln lässt. can be determined.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Aufbau, der die Merkmale von Anspruch 1 aufweist, und mit einem Verfahren, This object is achieved according to the invention with a structure having the features of claim 1 and with a method,
das die Merkmale von Anspruch 10 aufweist. which has the features of claim 10.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Preferred and advantageous embodiments of the invention are
Gegenstand der Unteransprüche. Subject matter of the subclaims.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Aufbau ein Kalibrierungselement mit einer zwischen einem Eingang und einem Ausgang verlaufenden vordefinierten, durchflutbaren Länge, die zumindest abschnittsweise von einer Rohrleitung gebildet ist, aufweist, und dass der Eingang akustisch leitend mit der According to the invention, the structure comprises a calibration element with a predefined, permeable length extending between an inlet and an outlet, which is formed at least in sections by a pipe, and that the inlet is acoustically conductively connected to the
Sensoreinheit verbunden ist. sensor unit is connected.
Der erfindungsgemäße Aufbau kann beispielsweise verwendet werden, um die Schallgeschwindigkeit in einem Gas, das sich in einem Ringspalt bzw. Ringraum um den Förderstrang in einem Ölbohrloch befindet, zu bestimmen. Der Aufbau kann jedoch auch in anderen technischen Gebieten zum Einsatz kommen, prinzipiell überall dort, wo die Schallgeschwindigkeit eines Gases bestimmt werden muss, beispielsweise bei Gasbohrlöchern oder bei The inventive setup can be used, for example, to determine the speed of sound in a gas located in an annular gap or annular space around the production string in an oil well. However, the setup can also be used in other technical fields, in principle wherever the speed of sound of a gas needs to be determined, for example in gas wells or in
geothermalen Kraftwerken (für die Tiefenmessung). geothermal power plants (for depth measurement).
Als „vordefinierte, durchflutbare Länge” des Kalibrierungselementes wird im Rahmen der Erfindung ein nach außen im Wesentlichen abgeschlossenes, langgestrecktes Innenvolumen bzw. ein nach außen im Wesentlichen abgeschlossener Raum, das/der eine vordefinierte Längserstreckung aufweist und insbesondere nur an seinen Längsenden über den Eingang und den Within the scope of the invention, the “predefined, permeable length” of the calibration element is defined as an elongated internal volume or a space that is essentially closed to the outside and has a predefined longitudinal extent and, in particular, is only enclosed at its longitudinal ends via the inlet and the
Ausgang des Kalibrierungselementes zugänglich ist, verstanden. Output of the calibration element is accessible.
gasdurchflutbare Länge bezeichnet werden. gas-permeable length.
Als „akustisch leitend“ wird im Rahmen der Erfindung verstanden, dass das Kalibrierungselement derart mit der Sensoreinheit verbunden ist, dass ein akustisches Signal von der Sensoreinheit durch den Eingang des Kalibrierungselementes in das in dem Kalibrierungselement enthaltene Gas eingeleitet werden kann und dass ein akustisches Signal von dem im Kalibrierungselement enthaltenen Gas zur Sensoreinheit zurückleitbar ist. Die Sensoreinheit muss nicht direkt am Eingang des Kalibrierungselementes angeordnet sein, sondern kann auch indirekt, z.B. über wenigstens eine Kammer und/oder wenigstens eine Leitung, mit dem Eingang in akustisch leitender Verbindung In the context of the invention, "acoustically conductive" means that the calibration element is connected to the sensor unit in such a way that an acoustic signal from the sensor unit can be introduced through the inlet of the calibration element into the gas contained in the calibration element, and that an acoustic signal from the gas contained in the calibration element can be conducted back to the sensor unit. The sensor unit does not have to be arranged directly at the inlet of the calibration element, but can also be indirectly connected to the inlet in an acoustically conductive manner, e.g., via at least one chamber and/or at least one line.
stehen. stand.
Als Rohrleitung wird im Rahmen der Erfindung insbesondere ein im Wesentlichen starres Rohr verstanden, aber auch ein biegsames Within the scope of the invention, a pipeline is understood to mean in particular a substantially rigid pipe, but also a flexible
Rohr oder ein Schlauch. pipe or hose.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit in einem Gas. Für das Verfahren wird ein Aufbau verwendet, der eine Sensoreinheit zum Erzeugen eines akustischen Ausgangsignals und zum Erfassen eines akustischen Messsignals und weiters ein Kalibrierungselement aufweist, wobei das Kalibrierungselement eine zwischen einem Eingang und einem Ausgang verlaufende, durchflutbare Länge, die zumindest abschnittsweise von einer Rohrleitung gebildet ist, aufweist, und wobei der Eingang akustisch leitend mit der Sensoreinheit The invention also relates to a method for determining the speed of sound in a gas. For the method, a structure is used which comprises a sensor unit for generating an acoustic output signal and for detecting an acoustic measurement signal and furthermore a calibration element, wherein the calibration element has a permeable length extending between an inlet and an outlet, which is formed at least in sections by a pipe, and wherein the inlet is acoustically conductively connected to the sensor unit
verbunden ist. is connected.
erfolgenden, Schritten bestimmt werden: following steps:
Zuerst wird in einem Schritt a. das Kalibrierungselement über seine gesamte durchflutbare Länge mit dem Gas durchflutet (=gefüllt), d.h. vom Eingang über die Rohrleitung bis zum First, in step a. the calibration element is flooded (=filled) with the gas over its entire flowable length, i.e. from the inlet via the pipe to the
Ausgang. Exit.
Dann wird in einem Schritt b. mit der Sensoreinheit ein zeitlich begrenztes akustisches Ausgangssignals erzeugt und über den Then, in step b, a time-limited acoustic output signal is generated with the sensor unit and transmitted via the
Eingang in das gasdurchflutete Kalibrierungselement eingeleitet. Inlet into the gas-filled calibration element.
Die Sensoreinheit ist in der Lage, in einem Schritt c. direkt nach dem Erzeugen und Aussenden des akustischen Ausgangssignals (oder auch schon währenddessen) ein aus dem Eingang austretendes akustisches Messsignal zu erfassen. Die Sensoreinheit kann dafür von einem Sendemodus in einen Empfangsmodus umgestellt werden oder dazu eingerichtet sein, parallel akustische Signale zu erzeugen und gleichzeitig auch akustische Signale zu empfangen. Das erfasste akustische Messsignal wird insbesondere The sensor unit is capable of detecting, in step c, an acoustic measurement signal emerging from the input directly after generating and transmitting the acoustic output signal (or even during this process). For this purpose, the sensor unit can be switched from a transmit mode to a receive mode or can be configured to generate acoustic signals in parallel and simultaneously receive acoustic signals. The detected acoustic measurement signal is, in particular,
aufgezeichnet bzw. zumindest zwischengespeichert. recorded or at least temporarily stored.
Mit einer mit dem (erfindungsgemäßen) Aufbau verbundenen Steuereinheit wird in einem Schritt d. eine Signalveränderung im akustischen Messsignal ermittelt, die aufgrund einer Reflexion des akustischen Ausgangssignals am Ausgang des Kalibrierungselementes erzeugt wird oder auftritt. Diese Signalveränderung ist ein Echo des akustischen Ausgangssignals, das im Bereich des Ausgangs des Kalibrierungselementes In a step d., a control unit connected to the (inventive) structure determines a signal change in the acoustic measurement signal that is generated or occurs due to a reflection of the acoustic output signal at the output of the calibration element. This signal change is an echo of the acoustic output signal that is generated in the area of the output of the calibration element.
zurückgeworfen wird. is thrown back.
In der Praxis bedeutet dies, dass die Sensoreinheit direkt nach dem Aussenden des Ausgangssignals das akustische Messignal In practice, this means that the sensor unit immediately after sending the output signal sends the acoustic measurement signal
erfasst, das zunächst eine unauffällig (d.h. durchgehend auf which initially shows an inconspicuous (i.e. consistently
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Steuereinheit als Signalveränderung registriert wird/werden. Control unit is/are registered as a signal change.
Die Steuereinheit bestimmt in einem Schritt e. mit Hilfe einer Berechnungslogik eine zeitliche Differenz zwischen dem Einleiten des akustischen Ausgangssignals in das Kalibrierungselement und dem Detektieren der Signalveränderung, d.h. das Zeitintervall bis zum Auftreten der Signalveränderung. Das Einleiten des akustischen Signals passiert insbesondere (nahezu) zeitgleich mit dem Erzeugen des akustischen Signals (d.h. das akustische Signal wird vorzugsweise direkt vor der Kalibrierungsbox In a step e., the control unit uses calculation logic to determine a time difference between the introduction of the acoustic output signal into the calibration element and the detection of the signal change, i.e., the time interval until the signal change occurs. The introduction of the acoustic signal occurs (almost) simultaneously with the generation of the acoustic signal (i.e., the acoustic signal is preferably generated directly in front of the calibration box).
erzeugt). generated).
Anschließend wird in einem Schritt f. die Schallgeschwindigkeit im Gas mit der Berechnungslogik auf Grundlage der bestimmten zeitlichen Differenz und der bekannten durchflutbaren Länge des Kalibrierungselementes berechnet. Dafür wird im Wesentlichen die Subsequently, in a step f, the speed of sound in the gas is calculated using the calculation logic based on the determined time difference and the known flowable length of the calibration element. For this purpose, the
folgende Berechnungsformel verwendet: The following calculation formula is used:
v= (2+*L)/T v= (2+*L)/T
wobei v die Schallgeschwindigkeit im Gas, L die bekannte durchflutbare Länge des Kalibrierungselementes (die vom akustischen Signal bis zum Ausgang hin und wieder zurück zurückgelegt wird) und T die bestimmte zeitlichen Differenz zwischen dem Einleiten (insbesondere Generieren) des akustischen where v is the speed of sound in the gas, L is the known traversable length of the calibration element (which is traveled from the acoustic signal to the output and back again) and T is the determined time difference between the initiation (in particular generation) of the acoustic
Ausgangssignals und dem Detektieren der Signalveränderung ist. output signal and detecting the signal change.
teilweise aus Methan besteht). partly consists of methane).
Zum Durchfluten der durchflutbaren Länge des Kalibrierungselementes kann der Aufbau mit dem Bohrloch oder einer anderen das Gas führenden Vorrichtung verbunden werden, wobei das Gas entweder selbstständig (aufgrund eines bestehenden Überdruckes oder Gasstroms) in das Kalibrierungselement hineinströmt und dieses durchflutet oder mittels einer To flood the flowable length of the calibration element, the structure can be connected to the borehole or another device carrying the gas, whereby the gas either flows into the calibration element independently (due to an existing overpressure or gas flow) and floods it or by means of a
Vorrichtung in das Kalibrierungselement hineingepumpt wird. device is pumped into the calibration element.
Die Sensoreinheit umfasst vorzugsweise eine Druckbox mit integriertem Lautsprecher, der sowohl akustische Signale erzeugen als auch empfangen kann (d.h. aus elektronischen Signalen akustische Signale erzeugen kann und vice versa). Alternativ dazu kann die Sensoreinheit auch eine Einrichtung zum Erzeugen von akustischen Signalen und eine andere, davon separate, Einrichtung zum Empfangen von akustischen Signalen The sensor unit preferably comprises a pressure box with an integrated loudspeaker that can both generate and receive acoustic signals (i.e., generate acoustic signals from electronic signals and vice versa). Alternatively, the sensor unit can also comprise a device for generating acoustic signals and another, separate device for receiving acoustic signals.
aufweisen. have.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Rohrleitung im Kalibrierungselement in mehreren übereinanderliegenden und/oder nebeneinanderliegenden Windungen aufgewickelt ist. Das bedeutet insbesondere, dass die Rohrleitung in der aufgewickelten Form fixiert ist. Durch die aufgewickelte Form der Rohrleitung nimmt diese nur einen geringen Platz ein, wobei gleichzeitig die durchflutbare Länge des Kalibrierungselementes ausreichend lang ist, um eine präzise Bestimmung der Schallgeschwindigkeit zu ermöglichen. Der erfindungsgemäße Aufbau kann daher als Ganzes It is particularly preferred if the pipeline is wound in the calibration element in several superimposed and/or adjacent turns. This means, in particular, that the pipeline is fixed in the wound form. Due to the wound form of the pipeline, it takes up only a small amount of space, while at the same time the flowable length of the calibration element is sufficiently long to enable a precise determination of the speed of sound. The structure according to the invention can therefore be used as a whole
recht kompakt und klein ausgeführt sein. be quite compact and small.
Bauteile benötigt, wodurch geringere Kosten entstehen. components are required, resulting in lower costs.
Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass an dem proximalen Rohrende der Rohrleitung ein Verschlussventil (d.h. ein proximales Verschlussventil) angeordnet ist. Ein derartiges Verschlussventil kann ein kontinuierliches Durchfluten des Kalibrierungselementes und daher einen kontinuierlichen Gasaustritt aus dem Aufbau verhindern. Vorzugsweise wird der Aufbau zuerst an eine das Gas führende Vorrichtung bzw. Einrichtung (z.B. das Bohrloch) angeschlossen und erst kurz vor der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Gas das Within the scope of the invention, it can be provided that a closure valve (i.e., a proximal closure valve) is arranged at the proximal pipe end of the pipeline. Such a closure valve can prevent continuous flow through the calibration element and therefore a continuous gas escape from the assembly. Preferably, the assembly is first connected to a gas-carrying device or facility (e.g., the borehole) and only shortly before the determination of the sound velocity in the gas is the
Verschlussventil am proximalen Rohrende geöffnet. Shut-off valve at the proximal end of the tube opened.
In einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Rohrleitung ein distales Rohrende im Bereich des Ausgangs aufweist. Der Ausgang kann direkt vom distalen Rohrende gebildet sein. Stattdessen kann aber auch ein mit einem Ende an das distale Rohrende angeschlossenes, insbesondere rohrförmiges, Lüftungselement mit seinem anderen, nicht angeschlossenen Ende den Ausgang bilden. Das Lüftungselement dient insbesondere dazu, den Strom des beim Durchfluten des Kalibrierungselementes aus In one possible embodiment, the pipeline has a distal pipe end in the region of the outlet. The outlet can be formed directly by the distal pipe end. Alternatively, a particularly tubular ventilation element connected to the distal pipe end with one end can form the outlet with its other, unconnected end. The ventilation element serves, in particular, to direct the flow of the fluid from the calibration element when flowing through the calibration element.
dem Ausgang austretenden Gases von einer den Aufbau benutzenden the gas exiting the outlet from a device using the structure
Person wegzulenken bzw. das Gas aus der Kalibrierungsbox person away or release the gas from the calibration box
hinauszuführen. to lead out.
Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass an dem distalen Rohrende der Rohrleitung ein Verschlussventil (d.h. ein distales Verschlussventil) angeordnet ist. Bei einem derartigen Aufbau kann ein akustisches Signal, das die durchflutbare Länge des Kalibrierungselementes durchläuft, am verschlossenen Verschlussventil reflektiert werden. Das Verschlussventil am Within the scope of the invention, it can be provided that a closure valve (i.e., a distal closure valve) is arranged at the distal end of the pipeline. With such a configuration, an acoustic signal passing through the flowable length of the calibration element can be reflected by the closed closure valve. The closure valve at the
distalen Rohrende kann auch ein Überdruckventil sein. distal end of the tube can also be a pressure relief valve.
Bei Ausführungsformen mit einem proximalen und einem distalen Verschlussventil können diese beim Entfernen der Kalibrierungsbox vom Bohrstrang geschlossen werden, damit das in der durchflutbaren Länge enthaltene Gas nicht austritt bzw. in gesicherter Umgebung oder im Freien ausgelassen oder ausgespült In versions with a proximal and a distal closure valve, these can be closed when the calibration box is removed from the drill string to prevent the gas contained in the permeable length from escaping or to allow it to be released or flushed out in a secure environment or outdoors.
werden kann. can be.
Besonders bevorzugt ist wenigstens ein Teil der Rohrleitung in einem Gehäuse angeordnet. Bei Ausführungsformen, bei denen der Eingang am Verbindungselement und/oder der Ausgang am Lüftungselement ausgebildet ist, kann insbesondere die gesamte Rohrleitung (gg£. mit dem am proximalen Rohrende und/oder dem distalen Rohrende angeordneten Verschlussventil) innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Ein derartiges Gehäuse schützt das Kalibrierungselement und ermöglicht einen einfachen Transport desselben. Besonders bevorzugt ist bei derartigen Ausführungsformen, wenn die Rohrleitung - wie bereits beschrieben - in Windungen aufgewickelt und in dem Gehäuse gegen Particularly preferably, at least part of the pipeline is arranged in a housing. In embodiments in which the inlet is formed on the connecting element and/or the outlet on the ventilation element, the entire pipeline (optionally with the closure valve arranged on the proximal pipe end and/or the distal pipe end) can be arranged within the housing. Such a housing protects the calibration element and enables easy transport thereof. In such embodiments, it is particularly preferred if the pipeline - as already described - is wound up in windings and secured in the housing against
ein Abwickeln fixiert ist. unwinding is fixed.
Möglich, wenn auch nicht bevorzugt, sind Ausführungsformen, bei denen ein Stück der Rohrleitung im Bereich des Eingangs und/oder ein Stück der Rohrleitung im Bereich des Ausgangs aus dem Possible, although not preferred, are embodiments in which a section of the pipeline in the area of the inlet and/or a section of the pipeline in the area of the outlet from the
Gehäuse hinausragt. Bei derartigen Ausführungsformen kann auf In such embodiments,
ein Verbindungselement und/oder ein Lüftungselement verzichtet a connecting element and/or a ventilation element is omitted
werden. become.
Wenn die Rohrleitung wenigstens ein Verschlussventil wie oben beschrieben aufweist, kann das Gehäuse insbesondere öÖffenbar und schließbar (z.B. über einen Deckel) sein, um Zugriff auf das/die If the pipeline has at least one closure valve as described above, the housing can in particular be openable and closable (e.g. via a cover) in order to access the
im Gehäuse angeordnete/n Ventil/e zu haben. to have valve(s) arranged in the housing.
Im Rahmen der Erfindung weist die Rohrleitung bevorzugt eine Länge von wenigstens 0,5 m, vorzugsweise wenigstens 2 m, insbesondere wenigstens 5 m auf. Ebenso weist die Rohrleitung bevorzugt eine Länge von maximal 100 m, insbesondere von maximal 70 m, auf. Besonders bevorzugt ist die Rohrleitung ca. 50 m lang. Eine derartig lange Rohrleitung ermöglicht die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Gas mit ausreichend hoher Präzision, Ohne dass der erfindungsgemäße Aufbau unhandlich bzw. Within the scope of the invention, the pipeline preferably has a length of at least 0.5 m, preferably at least 2 m, in particular at least 5 m. Likewise, the pipeline preferably has a length of at most 100 m, in particular at most 70 m. The pipeline is particularly preferably approximately 50 m long. Such a long pipeline enables the determination of the speed of sound in the gas with sufficiently high precision, without the structure according to the invention becoming unwieldy or cumbersome.
zu groß/schwer wird. becomes too big/heavy.
Besonders bevorzugt weist die Rohrleitung einen Innendurchmesser von maximal 20 mm, vorzugsweise maximal 15 mm, insbesondere maximal 10 mm, auf. Ein derartiger Innendurchmesser ist für eine möglichst präzise Bestimmung der Schallgeschwindigkeit ausreichend und ermöglicht gleichzeitig eine platz- und gewichtsparende Ausführungsform des Aufbaus. Im Rahmen der Erfindung sind auch Ausführungsformen mit einer Rohrleitung mit größerem Innendurchmesser denkbar, beispielsweise maximal 30 mm oder maximal 40 mm, derartige Ausführungsformen sind jedoch Particularly preferably, the pipeline has an inner diameter of a maximum of 20 mm, preferably a maximum of 15 mm, in particular a maximum of 10 mm. Such an inner diameter is sufficient for the most precise determination of the speed of sound and, at the same time, enables a space- and weight-saving design of the structure. Within the scope of the invention, embodiments with a pipeline with a larger inner diameter are also conceivable, for example, a maximum of 30 mm or a maximum of 40 mm; however, such embodiments are
recht groß bzw. schwer. quite large or heavy.
Der erfindungsgemäße Aufbau zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit in einem Gas ist insbesondere dafür geeignet bzw. vorgesehen, um in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet zu werden bzw. um das erfindungsgemäße Verfahren The structure according to the invention for determining the speed of sound in a gas is particularly suitable or intended to be used in the method according to the invention or to implement the method according to the invention
durchzuführen. Es versteht sich, dass Merkmale, die nur zum It is understood that features that are only
Aufbau beschrieben sind, auch in adäquater Weise beim Verfahren Structure are described, also in an adequate manner in the process
verwirklicht werden können und umgekehrt. can be realized and vice versa.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die Reflexion, aufgrund derer eine Signalveränderung auftritt, das auf einen verschlossenen Ausgang des Kalibrierungselementes stoßende und daran zurückgeworfene akustische Ausgangssignal sein. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Rohrleitung des Kalibrierungselementes mit einem Verschlussventil an ihrem distalen Rohrende ausgestattet ist, das nach dem vollständigen Durchfluten des Kalibrierungselementes und vor dem Erzeugen des In the method according to the invention, the reflection causing a signal change can be the acoustic output signal encountering and being reflected back from a closed outlet of the calibration element. This is the case, for example, if the pipeline of the calibration element is equipped with a closure valve at its distal end, which is closed after the calibration element has been completely flooded and before the
akustischen Ausgangssignals verschlossen wird. acoustic output signal is closed.
Die Reflexion, aufgrund derer eine Signalveränderung auftritt, kann jedoch auch eine Druckwelle sein, die aufgrund einer Reflexion am offenen Rohrende gebildete wird. Bei dieser Variante kann vorgesehen sein, dass das Gas im Wesentlichen kontinuierlich, d.h. auch während der Bestimmung der However, the reflection causing a signal change can also be a pressure wave formed due to a reflection at the open end of the tube. In this variant, the gas can be continuously released, i.e., even during the determination of the
Schallgeschwindigkeit, durch das Kalibrierungselement strömt. speed of sound flowing through the calibration element.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren weist das akustische Ausgangssignal bevorzugt eine vordefinierte zeitliche Dauer auf, wobei es bei einer ersten Frequenz beginnt und bei einer zweiten Frequenz endet. Die zweite Frequenz kann von der ersten Frequenz verschieden, insbesondere höher, sein (sich veränderndes Frequenzband) oder gleich der ersten Frequenz sein (konstantes Frequenzband). Das Durchlaufen eines Frequenzspektrums beim Erzeugen des akustischen Ausgangssignals erzeugt eine besonders gut messbare Reflexion bzw. eine besonders eindeutig ermittelbare Signalveränderung, da damit sichergestellt wird, dass das Ausgangssignal mit jener (vorher nicht bekannten) Frequenz auf den Ausgang trifft, bei der die stärkste Reflexion (insbesondere durch Zurückwerfen am verschlossenen Ausgang oder In the method according to the invention, the acoustic output signal preferably has a predefined duration, beginning at a first frequency and ending at a second frequency. The second frequency can be different from the first frequency, in particular higher (changing frequency band), or equal to the first frequency (constant frequency band). Passing through a frequency spectrum when generating the acoustic output signal produces a particularly well-measurable reflection or a particularly clearly detectable signal change, since this ensures that the output signal reaches the output at the (previously unknown) frequency at which the strongest reflection (in particular due to reflection at the closed output or
durch Austritt aus dem offenen Ausgang) erzeugt wird. by exiting the open outlet).
Bevorzugt ist es, wenn beim erfindungsgemäßen Verfahren die vordefinierte zeitliche Dauer des akustischen Ausgangssignals maximal 250 Millisekunden, vorzugsweise maximal 200 Millisekunden, insbesondere maximal 150 Millisekunden, beträgt. Die Dauer kann auch weniger als 150 Millisekunden, z.B. zwischen 50 und 100 Millisekunden betragen (aber auch weniger als 50 Millisekunden). Insbesondere ist die vordefinierte zeitliche Dauer kürzer als jene Zeit, die das akustische Signal benötigt, um sich entlang der durchflutbaren Länge bis zum Ausgang und wieder zurück zu bewegen, und daher abhängig von der Länge der durchflutbaren Länge bzw. abhängig von der Länge der Rohrleitung. Dies soll sicherstellen, dass das Erzeugen des akustischen Ausgangssignals endet, bevor die Reflexion des Beginns des Ausgangssignals den Eingang des It is preferred if, in the method according to the invention, the predefined duration of the acoustic output signal is a maximum of 250 milliseconds, preferably a maximum of 200 milliseconds, in particular a maximum of 150 milliseconds. The duration can also be less than 150 milliseconds, e.g., between 50 and 100 milliseconds (but also less than 50 milliseconds). In particular, the predefined duration is shorter than the time required for the acoustic signal to travel along the permeable length to the outlet and back again, and is therefore dependent on the length of the permeable length or the length of the pipeline. This is intended to ensure that the generation of the acoustic output signal ends before the reflection of the beginning of the output signal reaches the input of the
Kalibrierungselementes erreicht. calibration element is reached.
Die erste Frequenz beträgt bevorzugt mindestens 1 Hertz (Hz), vorzugsweise mindestens 3 Hertz, insbesondere ca. 5 Hertz, und die zweite Frequenz beträgt bevorzugt maximal 200 Hertz, vorzugsweise maximal 100 Hertz, insbesondere ca. 50 Hertz. Ein akustisches Ausgangssignal, das ein derartiges Frequenzspektrum aufweist, erzeugt mit hoher Wahrscheinlichkeit eine besonders starke Reflexion, die zu einer deutlichen Signalveränderung The first frequency is preferably at least 1 Hertz (Hz), preferably at least 3 Hertz, in particular approximately 5 Hertz, and the second frequency is preferably at most 200 Hertz, preferably at most 100 Hertz, in particular approximately 50 Hertz. An acoustic output signal having such a frequency spectrum is highly likely to generate a particularly strong reflection, which leads to a significant signal change.
führt. leads.
Wenn die Frequenz bzw. das Frequenzband des akustischen Ausgangssignals gleichbleibend ist, weist das Ausgangssignal eine Frequenz zwischen 1 und 100 Hertz, vorzugsweise zwischen 5 und 50 Hertz, insbesondere zwischen 10 und 30 Hertz If the frequency or frequency band of the acoustic output signal is constant, the output signal has a frequency between 1 and 100 Hertz, preferably between 5 and 50 Hertz, in particular between 10 and 30 Hertz
(beispielsweise ca. 20 Hertz) auf. (for example, approx. 20 Hertz).
Insbesondere wird das akustisches Ausgangssignal in der Sensoreinheit aus einem elektronischen Ausgangssignal (einem Audiosignal) generiert und das erfasste akustische Messsignal in In particular, the acoustic output signal in the sensor unit is generated from an electronic output signal (an audio signal) and the recorded acoustic measurement signal in
der Sensoreinheit in ein elektronisches Messignal umgewandelt. the sensor unit into an electronic measuring signal.
Das elektronische Ausgangssignal kann beispielsweise durch einen über die Steuereinheit gesteuerten analogen Ausgang erzeugt (und insbesondere über einen vor der Sensoreinheit angeordneten Verstärker verstärkt) und das elektronische Messignal an einem von der Steuereinheit überwachten analogen Eingang erfasst The electronic output signal can be generated, for example, by an analogue output controlled by the control unit (and in particular amplified by an amplifier arranged in front of the sensor unit) and the electronic measurement signal can be recorded at an analogue input monitored by the control unit
werden. become.
Insbesondere können der analoge Aus- und Eingang über ein Schaltrelais mit der Sensoreinheit verbunden sein, wobei das Schaltrelais durch ein ebenfalls von der Steuereinheit erzeugtes digitales Ausgangssignal zwischen einer Verbindung des analogen Ausgangs mit der Sensoreinheit und einer Verbindung des analogen Eingangs mit der Sensoreinheit hin und her geschaltet werden kann. Zwischen dem analogen Ausgang und dem Schaltrelais ist vorzugsweise ein Verstärker zum Verstärken des elektronischen In particular, the analogue output and input can be connected to the sensor unit via a switching relay, wherein the switching relay can be switched back and forth between a connection of the analogue output to the sensor unit and a connection of the analogue input to the sensor unit by a digital output signal also generated by the control unit. An amplifier for amplifying the electronic
Ausgangsignals (d.h. des analogen Audiosignals) vorgesehen. output signal (i.e. the analog audio signal).
Die Berechnungslogik ist insbesondere in einer Recheneinheit der The calculation logic is particularly in a computing unit of the
Steuereinheit implementiert. Control unit implemented.
Weiters kann die Steuereinheit mit einem Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Gases, zu dem die Schallgeschwindigkeit bestimmt werden soll, verbunden sein bzw. Furthermore, the control unit can be connected to a temperature sensor for measuring the temperature of the gas for which the speed of sound is to be determined.
einen derartigen Temperatursensor aufweisen. have such a temperature sensor.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen, in welchen bevorzugte Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description with reference to the attached drawings, in which preferred
Ausführungsformen dargestellt sind. Es zeigt: Embodiments are shown. It shows:
Fig. 1 eine stark vereinfachte Konzeptansicht einer Fig. 1 a highly simplified conceptual view of a
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus in Embodiment of the structure according to the invention in
Verbindung mit einer Steuereinheit, Connection to a control unit,
Fig. 2 eine stark vereinfachte Draufsicht auf ein Kalibrierungselement des erfindungsgemäßen Aufbaus, und Fig. 2 is a highly simplified plan view of a calibration element of the inventive structure, and
Fig. 3 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 3 is a flow chart of a method according to the invention.
Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau 1 in einer stark vereinfachten Konzeptansicht, wobei der erfindungsgemäße Aufbau 1 mit einer Steuereinheit 2 verbunden ist. Sowohl der erfindungsgemäße Aufbau 1 als auch die Steuereinheit 2 sind in Fig. 1 durch strichlierte Eingrenzungen jeweils als Fig. 1 shows the structure 1 according to the invention in a highly simplified conceptual view, wherein the structure 1 according to the invention is connected to a control unit 2. Both the structure 1 according to the invention and the control unit 2 are indicated in Fig. 1 by dashed lines as
Funktionsgruppe gekennzeichnet. Functional group marked.
Der erfindungsgemäße Aufbau 1 weist eine Sensoreinheit 3 auf, die in der dargestellten Ausführungsform aus einer Druckbox 4 mit integriertem Lautsprecher 5 besteht. Der Lautsprecher 5 kann The structure 1 according to the invention has a sensor unit 3, which in the illustrated embodiment consists of a pressure box 4 with an integrated loudspeaker 5. The loudspeaker 5 can
akustische Signale sowohl erzeugen als auch empfangen. both generate and receive acoustic signals.
Mit der Sensoreinheit 3 ist ein Kalibrierungselement 6 verbunden, das einen Eingang 7 und einen Ausgang 8 aufweist. Zwischen dem Eingang 7 und dem Ausgang 8 weist das Kalibrierungselement 6 eine durchflutbare Länge L auf, die im Einsatzzustand des erfindungsgemäßen Aufbaus 1 mit einem Gas A calibration element 6 is connected to the sensor unit 3 and has an inlet 7 and an outlet 8. Between the inlet 7 and the outlet 8, the calibration element 6 has a permeable length L, which, in the operating state of the structure 1 according to the invention, is filled with a gas
durch£flutet ist. is flooded.
Die durchflutbare Länge L wird zumindest abschnittsweise von The floodable length L is at least partially
einer Rohrleitung 9 gebildet. a pipeline 9.
In Fig. 1 wird die durchflutbare Länge L gänzlich von der Rohrleitung 9 gebildet, wobei der Eingang 7 des Kalibrierungselementes 6 an einem an der Sensoreinheit 3 angeschlossenen proximalen Rohrende 11 und der Ausgang 8 des Kalibrierungselementes 6 an einem frei wegragenden distalen In Fig. 1, the flowable length L is formed entirely by the pipe 9, with the inlet 7 of the calibration element 6 being connected to a proximal pipe end 11 connected to the sensor unit 3 and the outlet 8 of the calibration element 6 being connected to a freely projecting distal
Rohrende 12 ausgebildet ist (bzw. durch dieses gebildet ist). Pipe end 12 is formed (or is formed by it).
Der Eingang 7 des Kalibrierungselementes 6 ist akustisch leitend The input 7 of the calibration element 6 is acoustically conductive
mit der Sensoreinheit 3 verbunden, d.h. dass ein akustisches connected to the sensor unit 3, i.e. that an acoustic
Signal von der Sensoreinheit 3 in die durchflutbare Länge L des Kalibrierungselementes 3 einleitbar ist. Das akustische Signal kann sich somit entlang der durchflutbaren Länge L durch das im Kalibrierungselement 6 aufgenommene Gas fortpflanzen bzw. fortbewegen. Ebenso ist ein sich vom Ausgang 8 zum Eingang 7 durch das in der durchflutbaren Länge L aufgenommene Gas fortpflanzendes, akustisches Signal aus dem Kalibrierungselement Signal from the sensor unit 3 can be introduced into the permeable length L of the calibration element 3. The acoustic signal can thus propagate or move along the permeable length L through the gas absorbed in the calibration element 6. Likewise, an acoustic signal propagating from the output 8 to the input 7 through the gas absorbed in the permeable length L from the calibration element
6 in die Sensoreinheit 3 zurückleitbar. 6 can be fed back into the sensor unit 3.
Die mit dem erfindungsgemäßen Aufbau 1 verbundene und für das erfindungsgemäße Verfahren benötigte Steuereinheit 2 weist in der dargestellten Ausführungsform einen analogen Ausgang 13 und einen analogen Eingang 14, jeweils zum Erzeugen und Empfangen The control unit 2 connected to the structure 1 according to the invention and required for the method according to the invention has, in the embodiment shown, an analog output 13 and an analog input 14, each for generating and receiving
eines elektrischen Signals, auf. an electrical signal.
Der analoge Ausgang 13 ist zum Verstärken des analogen Audiosignals (Ausgangssignals) über einen Verstärker 15 mit einem Relaisschalter 16 verbunden. Auch der analoge Eingang 14 ist mit dem Relaisschalter 16 verbunden, ebenso wie ein digitaler Ausgang 17 der Steuereinheit 2. Über ein durch den digitalen Ausgang 17 erzeugtes, digitales Signal kann der Relaisschalter 16 zwischen einer ersten leitenden Verbindung des analogen Ausgangs 13 mit der Sensoreinheit 3 und einer zweiten leitenden Verbindung des analogen Eingangs 14 mit der The analog output 13 is connected to a relay switch 16 via an amplifier 15 to amplify the analog audio signal (output signal). The analog input 14 is also connected to the relay switch 16, as is a digital output 17 of the control unit 2. Via a digital signal generated by the digital output 17, the relay switch 16 can be switched between a first conductive connection of the analog output 13 with the sensor unit 3 and a second conductive connection of the analog input 14 with the
Sensoreinheit 3 hin und her geschaltet werden. Sensor unit 3 can be switched back and forth.
In der dargestellten Ausführungsform weist die Steuereinheit 2 weiters einen Temperatursensor 18 zum Erfassen der Temperatur des in der durchströmbaren Länge L aufgenommenen Gases auf, damit festgestellt und festgehalten werden kann, bei welcher Temperatur das Gas die mit dem Aufbau bzw. dem Verfahren bestimmte Schallgeschwindigkeit aufweist. Die Messung kann In the illustrated embodiment, the control unit 2 further comprises a temperature sensor 18 for detecting the temperature of the gas contained in the flow-through length L, so that the temperature at which the gas exhibits the speed of sound determined by the structure or method can be determined and recorded. The measurement can
jedoch auch ohne einen Temperatursensor 18 durchgeführt werden. but can also be carried out without a temperature sensor 18.
Die Steuereinheit 2 weist weiters eine, insbesondere in einer Recheneinheit 19 implementierte, Berechnungslogik zum Berechnen The control unit 2 further comprises a calculation logic, implemented in particular in a computing unit 19, for calculating
der Schallgeschwindigkeit des Gases bzw. im Gas auf. the speed of sound of the gas or in the gas.
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm des Ablaufes eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Verfahrensschritten a. bis Fig. 3 shows a flow chart of the sequence of a method according to the invention with the method steps a. to
f., die in zeitlicher Reihenfolge hintereinander stattfinden. f., which take place one after the other in chronological order.
Zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit in dem Gas wird das Gas zuerst in einem Schritt a. in das Kalibrierungselement 6 (über dessen Eingang 7) eingeleitet, bis das Kalibrierungselement 6 über seine gesamte durchflutbare Länge L mit dem Gas durchflutet To determine the speed of sound in the gas, the gas is first introduced into the calibration element 6 (via its inlet 7) in a step a. until the calibration element 6 is flooded with the gas over its entire permeable length L
ist. is.
Anschließend wird von der Steuereinheit 2 ein analoges elektrisches Ausgangssignal erzeugt, über den Verstärker 15 verstärkt und über den Relaisschalter 16 (der eine leitende Verbindung zwischen dem analogen Ausgang 13 und der Subsequently, an analogue electrical output signal is generated by the control unit 2, amplified by the amplifier 15 and transmitted via the relay switch 16 (which provides a conductive connection between the analogue output 13 and the
Sensoreinheit 3 herstellt) an die Sensoreinheit 3 eingeleitet. Sensor unit 3) is introduced to the sensor unit 3.
In der Sensoreinheit 3 wird in einem Schritt b. aus dem elektrischen Ausgangssignal ein akustisches Ausgangssignal erzeugt, das eine vordefinierte zeitliche Dauer aufweist und das beispielsweise über diese Dauer von einer ersten Frequenz zu einer zweiten Frequenz ansteigt. Das akustische Ausgangssignal wird während seiner vordefinierten Dauer in das Kalibrierungselement 6 eingeleitet und pflanzt sich durch die durchströmbare Länge L in Richtung Ausgang 8 des In the sensor unit 3, in a step b, an acoustic output signal is generated from the electrical output signal, which has a predefined duration and which, for example, increases over this duration from a first frequency to a second frequency. The acoustic output signal is introduced into the calibration element 6 during its predefined duration and propagates through the flow-through length L towards the output 8 of the
Kalibrierungselementes 6 fort. Calibration element 6 continues.
Direkt nach dem Erzeugen des akustischen Ausgangssignals (d.h. nach Ablauf der vordefinierten zeitlichen Dauer) wird der Relaisschalter 16 (der ein oder mehrere Relais aufweisen kann) durch ein digitales Signal vom digitalen Ausgang 17 Immediately after the acoustic output signal has been generated (i.e. after the predefined time period has elapsed), the relay switch 16 (which may have one or more relays) is activated by a digital signal from the digital output 17
umgeschaltet, sodass eine leitende Verbindung zwischen dem switched so that a conductive connection is established between the
analogen Eingang 14 und der Sensoreinheit 3 hergestellt ist. Ab diesem Zeitpunkt (oder auch schon während des Erzeugens des akustischen Ausgangssignals) erfasst die Sensoreinheit 3 in einem Schritt c. ein aus dem Eingang 7 des analog input 14 and the sensor unit 3 is established. From this point on (or even during the generation of the acoustic output signal), the sensor unit 3 detects in a step c. a signal coming from the input 7 of the
Kalibrierungselementes 6 austretendes akustisches Messignal. Acoustic measuring signal emerging from calibration element 6.
Am offenen Ausgang 8 des Kalibrierungselementes 6 - der in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform das distale Rohrende 12 ist bzw. am distalen Rohrende 12 ausgebildet ist - findet eine Reflexion statt. Eine durch diese Reflexion am offenen Rohrende gebildete und in umgekehrte Richtung, d.h. vom Ausgang 8 zum Eingang 7 des Kalibrierungselementes 6, laufende Druckwelle, die als Reflexion bzw. Echo des akustischen Ausgangssignals A reflection occurs at the open outlet 8 of the calibration element 6 - which in the embodiment shown in Fig. 1 is the distal tube end 12 or is formed at the distal tube end 12. A pressure wave formed by this reflection at the open tube end and traveling in the opposite direction, i.e., from the outlet 8 to the inlet 7 of the calibration element 6, which is a reflection or echo of the acoustic output signal
angesehen werden kann, pflanzt sich in Richtung Eingang 7 fort. can be seen, propagates towards entrance 7.
Die Reflexion des akustischen Ausgangssignals erzeugt eine Signalveränderung (d.h. einen Amplitudenanstieg) in dem von der Sensoreinheit 3 erfassten akustischen Messignal und ebenso in dem an die Steuereinheit 2 weitergeleiteten elektronischen Messignal. Die durch die Reflexion des akustischen Ausgangssignals erzeugte Signalveränderung wird in einem Schritt The reflection of the acoustic output signal generates a signal change (i.e., an amplitude increase) in the acoustic measurement signal detected by the sensor unit 3 and also in the electronic measurement signal forwarded to the control unit 2. The signal change generated by the reflection of the acoustic output signal is
d. mit der Steuereinheit 2 ermittelt. d. determined with control unit 2.
Die Berechnungslogik bestimmt in einem Schritt e. eine zeitliche Differenz zwischen dem Einleiten (insbesondere Generieren) des akustischen Ausgangssignals und dem Auftreten der Signalveränderung und berechnet in einem Schritt £f. anhand dieser zeitlichen Differenz und der bekannten Distanz zwischen dem Eingang 7 und dem Ausgang 8 des Kalibrierungselementes 6, d.h. der durchflutbaren Länge L, die Schallgeschwindigkeit im The calculation logic determines in a step e. a time difference between the initiation (in particular generation) of the acoustic output signal and the occurrence of the signal change and calculates in a step £f. based on this time difference and the known distance between the input 7 and the output 8 of the calibration element 6, i.e. the traversable length L, the speed of sound in
Gas. Gas.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des im erfindungsgemäßen Aufbau 1 zum Einsatz kommenden Fig. 2 shows a preferred embodiment of the structure 1 used in the invention.
Kalibrierungselementes 6. Calibration element 6.
In dieser Ausführungsform ist das Kalibrierungselement 6 in einem Gehäuse 21 angeordnet, das insbesondere mit Hilfe eines nicht dargestellten Deckels oder Schiebers 6öffen- und schließbar In this embodiment, the calibration element 6 is arranged in a housing 21, which can be opened and closed in particular by means of a cover or slide 6 (not shown).
ist. is.
Die Rohrleitung 9 ist in mehreren über- und/oder nebeneinander liegenden Windungen aufgewickelt und mit Befestigungen 22 in dem The pipe 9 is wound in several turns lying above and/or next to each other and is fixed with fastenings 22 in the
Gehäuse 21 fixiert. Housing 21 fixed.
Am proximalen Rohrende 11, d.h. jenem Ende der Rohrleitung 9, das bei an die Sensoreinheit 3 angeschlossenem Kalibrierungselement 6 (in Strömungsrichtung gesehen) näher an der Sensoreinheit 3 und im Bereich des Eingangs 7 des Kalibrierungselementes 6 angeordnet ist, ist ein proximales At the proximal pipe end 11, i.e. that end of the pipeline 9 which, when the calibration element 6 is connected to the sensor unit 3 (seen in the flow direction), is arranged closer to the sensor unit 3 and in the area of the inlet 7 of the calibration element 6, a proximal
Verschlussventil 23 angeordnet. Shut-off valve 23 is arranged.
Ein durch eine Öffnung im Gehäuse 21 hindurchgeführtes, schlauchförmiges Verbindungselement 24 verbindet das proximale Verschlussventil 23 mit der Sensoreinheit 3, sodass ein an der Sensoreinheit 3 angeschlossenes Ende des Verbindungselementes 24 A tubular connecting element 24 passed through an opening in the housing 21 connects the proximal closure valve 23 to the sensor unit 3, so that an end of the connecting element 24 connected to the sensor unit 3
den Eingang 7 des Kalibrierungselementes 6 bildet. forms the input 7 of the calibration element 6.
Auch an das distale Rohrende 12 der Rohrleitung 9, d.h. an jenes Ende der Rohrleitung 9, das bei an die Sensoreinheit 3 angeschlossenem Kalibrierungselement 6 (in Strömungsrichtung gesehen) weiter weg von der Sensoreinheit 3 und im Bereich des Ausgangs 8 des Kalibrierungselementes 6 angeordnet ist, ist ein A pressure sensor is also provided on the distal pipe end 12 of the pipe 9, i.e. on that end of the pipe 9 which, when the calibration element 6 is connected to the sensor unit 3 (seen in the direction of flow), is arranged further away from the sensor unit 3 and in the area of the outlet 8 of the calibration element 6.
distales Verschlussventil 25 angeordnet. distal closure valve 25 is arranged.
An das distale Verschlussventil 25 ist ein rohrförmiges Lüftungselement 26 angeschlossen, das durch eine weitere Öffnung im Gehäuse hinausgeführt ist und dessen nicht an das distale Verschlussventil 25 angeschlossenes Ende den Ausgang 8 des A tubular ventilation element 26 is connected to the distal closure valve 25, which is led out through a further opening in the housing and whose end not connected to the distal closure valve 25 forms the outlet 8 of the
Kalibrierungselementes 6 bildet. Calibration element 6 forms.
Die durchflutbare Länge L des Kalibrierungselementes 6 ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 somit durch eine Länge des Verbindungselementes 25, eine Länge der Rohrleitung 9 und eine The flowable length L of the calibration element 6 in the embodiment according to Fig. 2 is thus determined by a length of the connecting element 25, a length of the pipe 9 and a
Länge des Lüftungselementes 26 gebildet. Length of the ventilation element 26.
Bezugszeichenliste: List of reference symbols:
1 Aufbau 1 Structure
2 Steuereinheit 2 control unit
3 Sensoreinheit 3 Sensor unit
4 Druckbox 4 print box
5 Lautsprecher 5 speakers
6 Kalibrierungselement 7 Eingang 6 Calibration element 7 Input
8 Ausgang 8 Exit
9 Rohrleitung 9 Pipeline
10 .--10 .--
11 proximales Rohrende 11 proximal tube end
12 distales Rohrende 12 distal tube end
13 analoger Ausgang 13 analog output
14 analoger Eingang 14 analog input
15 Verstärker 15 amplifiers
16 Relaisschalter 16 relay switches
17 digitaler Ausgang 17 digital output
18 Temperatursensor 18 Temperature sensor
19 Recheneinheit 19 Computing unit
20 .--20 .--
21 Gehäuse 21 housings
22 Befestigung 22 Fastening
23 proximales Verschlussventil 24 Verbindungselement 23 proximal closure valve 24 connecting element
25 distales Verschlussventil 25 distal closure valve
26 Lüftungselement 26 Ventilation element
L durchf£flutbare Länge L Floodable length
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| ATA50900/2023A AT527574B1 (en) | 2023-11-09 | 2023-11-09 | Structure and method for determining the speed of sound in a gas |
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| TU Ilmenau "Schallgeschwindigkeit in Gasen" 21.09.2022, Physikalisches Grundpraktikum, Versuch 5, Institut für Physik; abgerufen am 14.10.2024 im Internet unter dem Link: <https://www.tu-Ilmenau.de/fileadmin/Bereiche/MN/phys/ Grundpraktikum/Dokumente/Anleitungen/M5.pdf> * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AT527574B1 (en) | 2025-04-15 |
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