AT527574B1

AT527574B1 - Structure and method for determining the speed of sound in a gas

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Publication number: AT527574B1
Application number: ATA50900/2023A
Authority: AT
Original assignee: Think And Vision Gmbh
Priority date: 2023-11-09
Filing date: 2023-11-09
Publication date: 2025-04-15
Also published as: AT527574A4

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

[0001] Die Erfindung betrifft einen Aufbau zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit in einem Gas, wobei der Aufbau eine Sensoreinheit zum Erzeugen eines akustischen Ausgangsignals und zum Erfassen eines akustischen Messsignals aufweist. [0001] The invention relates to a structure for determining the speed of sound in a gas, the structure comprising a sensor unit for generating an acoustic output signal and for detecting an acoustic measurement signal.

[0002] Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit in einem Gas. [0002] Furthermore, the invention relates to a method for determining the speed of sound in a gas.

[0003] 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 Olpumpe 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 ReservoirZuflussleistung und der Skin-Faktor. [0003] In order to monitor the performance of the oil pump in oil wells, it is common practice to determine the fluid level in the wellbore 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 wellbore over a certain period of time, such as the reservoir inflow capacity and the skin factor.

[0004] 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 Signal in die Tiefe und zurück fortpflanzen kann. [0004] 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 annular space is formed around the production string, through which the acoustic signal can propagate into the depths and back.

[0005] 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 werden: [0005] 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:

D=vV"tia"%, D=vV"tia"%,

wobei D die Entfernung zum Flüssigkeitsspiegel gemessen vom Ausgangsort des akustischen Signals, v die Schallgeschwindigkeit im Gas und tr die gemessene Zeitdifferenz ist. (Der vom Signal zurückgelegte Weg wird mit % multipliziert, da das akustische Signal sowohl zum Flüssigkeitsspiegel hin, als auch vom Flüssigkeitsspiegel zurückreisen muss.) 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 tr is the measured time difference. (The distance traveled by the signal is multiplied by % because the acoustic signal must travel both to and from the liquid level.)

[0006] Das in dem Spalt zwischen Förderstrang und Bohrloch enthaltene Gas kann je nach Standort des Bohrloches und Art des erschlossenen Reservoirs (z.B. Olreservoirs) 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 mittels „RohrmuffenZählen“. [0006] 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 accessed (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 by "pipe socket counting."

[0007] 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 Olreservoir 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. Uber die ermittelte zeitliche Differenz zwischen dem Aussenden des Druckimpulses und dem Erfassen der Reflexionen (d.h. dem Auftreten von Spitzen in der Amplitude des erfassten akustischen Signals) und aufgrund der bekannten oder einer angenommenen Länge eines jeden einzelnen der Teilstücke des Förderstranges kann die Schallgeschwindigkeit des den Förderstrang umgebenden Gases bestimmt werden. [0007] 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 downward toward the oil reservoir, passing through the joints (the socket-spigot connections) between the tubular sections of the production string. At the joints, the production string exhibits a widening of the outer diameter due to the expanded socket of one section, into which the spigot end of the adjacent section is inserted. This widening reflects 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 speed of sound of the gas surrounding the production string can be determined by taking into account the time difference between the emission of the pressure pulse and the detection of the reflections (i.e. the occurrence of peaks in the amplitude of the detected acoustic signal) and the known or assumed length of each of the sections of the production string.

[0008] Der Nachteil am „Muffen-Zählen“ liegt darin, dass dieses Verfahren sehr fehleranfällig ist, [0008] The disadvantage of “socket counting” is that this method is very error-prone,

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 Bestimmung der Schallgeschwindigkeit führt. because 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 determination of the speed of sound.

[0009] 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 störanfällig. [0009] CH 653 441 A5 discloses a device for determining the speed of sound propagation in a changing medium. The device comprises a measuring tube with an end opening, with a loudspeaker positioned at a distance from the end opening and a sound sensor 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 space 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 susceptible to failure due to its design, in particular due to the design of the measuring tube and the positioning and arrangement of the loudspeaker or sound sensor.

[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Aufbau und ein Verfahren zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit in einem Gas zur Verfügung zu stellen, der/das die angesprochenen Probleme so weit wie möglich vermeidet. Insbesondere sollen ein Aufbau und ein Verfahren bereitgestellt werden, mit dem sich die Schallgeschwindigkeit in einem Gas einfach, rasch und präzise ermitteln lässt. [0010] The invention is based on the object of providing a structure and a method for determining the speed of sound in a gas that avoids the aforementioned problems as far as possible. In particular, a structure and a method are to be provided with which the speed of sound in a gas can be determined simply, quickly, and precisely.

[0011] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Aufbau, der die Merkmale von Anspruch 1 aufweist, und mit einem Verfahren, das die Merkmale von Anspruch 10 aufweist. [0011] This object is achieved according to the invention with a structure having the features of claim 1 and with a method having the features of claim 10.

[0012] Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. [0012] Preferred and advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.

[0013] 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 Sensoreinheit verbunden ist. [0013] 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 the inlet is acoustically conductively connected to the sensor unit.

[0014] 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 Olbohrloch 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 geothermalen Kraftwerken (für die Tiefenmessung). [0014] The inventive design 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 design 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 geothermal power plants (for depth measurement).

[0015] 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 Ausgang des Kalibrierungselementes zugänglich ist, verstanden. [0015] Within the scope of the invention, the "predefined, permeable length" of the calibration element is understood to mean an elongated internal volume that is essentially closed to the outside or a space that is essentially closed to the outside, which has a predefined longitudinal extent and is in particular only accessible at its longitudinal ends via the inlet and the outlet of the calibration element.

[0016] Dieses Innenvolumen ist vom Eingang zum Ausgang im Wesentlichen vollständig mit Gas durchflutbar, sodass die durchflutbare Länge beim gasdurchfluteten Kalibrierungselement vollständig mit dem Gas (zu dem die Schallgeschwindigkeit bestimmt werden soll) gefüllt ist. Die durchflutbare Länge kann auch als gasdurchflutbare Länge bezeichnet werden. [0016] This internal volume is essentially completely permeable with gas from the inlet to the outlet, so that the permeable length of the gas-permeable calibration element is completely filled with the gas (for which the speed of sound is to be determined). The permeable length can also be referred to as the gas-permeable length.

[0017] 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 stehen. [0017] Within the scope 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.

[0018] Als Rohrleitung wird im Rahmen der Erfindung insbesondere ein im Wesentlichen starres Rohr verstanden, aber auch ein biegsames Rohr oder ein Schlauch. [0018] Within the scope of the invention, a pipeline is understood to mean in particular a substantially rigid pipe, but also a flexible pipe or a hose.

[0019] 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 verbunden ist. [0019] The invention also relates to a method for determining the speed of sound in a gas. The method utilizes a structure comprising a sensor unit for generating an acoustic output signal and for detecting an acoustic measurement signal, as well as a calibration element. 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 the inlet is acoustically conductively connected to the sensor unit.

[0020] Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die Schallgeschwindigkeit in dem Gas in den folgenden, zeitlich hintereinander erfolgenden, Schritten bestimmt werden: [0020] In the method according to the invention, the speed of sound in the gas can be determined in the following sequential steps:

[0021] 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 Aus-[0021] First, in step a., the calibration element is flooded (=filled) with the gas over its entire permeable length, i.e. from the inlet via the pipe to the outlet.

gang. [0022] Dann wird in einem Schritt b. mit der Sensoreinheit ein zeitlich begrenztes akustisches gang. [0022] Then, in a step b., a time-limited acoustic signal is generated by the sensor unit

Ausgangssignals erzeugt und über den Eingang in das gasdurchflutete Kalibrierungselement eingeleitet. Output signal is generated and introduced into the gas-filled calibration element via the input.

[0023] 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 aufgezeichnet bzw. zumindest zwischengespeichert. [0023] In a step c, the sensor unit is capable of detecting an acoustic measurement signal emerging from the input directly after the generation and transmission of the acoustic output signal (or even during this process). For this purpose, the sensor unit can be switched from a transmission mode to a reception mode or can be configured to generate acoustic signals in parallel and simultaneously receive acoustic signals. The detected acoustic measurement signal is, in particular, recorded or at least temporarily stored.

[0024] 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 zurückgeworfen wird. [0024] 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 reflected in the region of the output of the calibration element.

[0025] In der Praxis bedeutet dies, dass die Sensoreinheit direkt nach dem Aussenden des Ausgangssignals das akustische Messignal erfasst, das zunächst eine unauffällig (d.h. durchgehend auf einem sehr niedrigen Level) verlaufende Amplitude und/oder ein im Wesentlichen gleichbleibendes Frequenzspektrum aufweist. Nach einem bestimmten Zeitintervall, nämlich der Zeit, die es benötigt bis das akustische Ausgangssignal die durchflutbare Länge des Kalibrierungselementes in Richtung Ausgangs zurückgelegt hat, im Bereich des Ausgangs reflektiert wird und wieder in umgekehrte Richtung bis zum Eingang zurückreist, tritt plötzlich ein Amplitudenanstieg bzw. eine Amplitudenspitze und/oder eine Veränderung im Frequenzspektrum auf, die von der Steuereinheit als Signalveränderung registriert wird/werden. [0025] In practice, this means that the sensor unit detects the acoustic measurement signal immediately after the output signal is transmitted. The signal initially exhibits an inconspicuous (i.e., consistently at a very low level) amplitude and/or a substantially constant frequency spectrum. After a certain time interval, namely the time required for the acoustic output signal to travel the permeable length of the calibration element toward the output, be reflected in the region of the output, and travel back in the opposite direction to the input, a sudden increase in amplitude or an amplitude peak and/or a change in the frequency spectrum occurs, which is/are registered by the control unit as a signal change.

[0026] 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 erzeugt). [0026] 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. In particular, 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).

[0027] 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 folgende Berechnungsformel verwendet: [0027] Subsequently, in step f, the speed of sound in the gas is calculated using the calculation logic based on the determined time difference and the known permeable length of the calibration element. The following calculation formula is essentially used for this purpose:

v=(2*U)/T wobei v die Schallgeschwindigkeit im Gas, L die bekannte durchflutbare Länge des Kalibrierungsv=(2*U)/T where v is the speed of sound in the gas, L is the known flowable length of the calibration

elementes (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 Ausgangssignals und dem Detektieren der Signalveränderung ist. element (which is traveled from the acoustic signal to the output and back again) and T is the specific time difference between the initiation (in particular generation) of the acoustic output signal and the detection of the signal change.

[0028] Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen somit eine möglichst einfache und ggf. auch präzise Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in einem Gas, insbesondere in einem einen Förderstrang in einem Bohrloch umgebenden Gas oder Gasgemisch (das beispielsweise gänzlich oder teilweise aus Methan besteht). [0028] The method according to the invention and the device according to the invention thus enable the speed of sound in a gas to be determined as simply and as precisely as possible, in particular in a gas or gas mixture surrounding a production string in a borehole (which, for example, consists entirely or partly of methane).

[0029] 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 Uberdruckes oder Gasstroms) in das Kalibrierungselement hineinströmt und dieses durchflutet oder mittels einer Vorrichtung in das Kalibrierungselement hineingepumpt wird. [0029] In order to flow through 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 flows through it or is pumped into the calibration element by means of a device.

[0030] 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 aufweisen. [0030] 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 may also comprise a device for generating acoustic signals and another, separate device for receiving acoustic signals.

[0031] 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 recht kompakt und klein ausgeführt sein. [0031] 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 designed as a whole to be quite compact and small.

[0032] Vorzugsweise weist die Rohrleitung ein proximales Rohrende im Bereich des Eingangs auf. Dieses proximale Rohrende kann den Eingang des Kalibrierungselementes bilden, alternativ dazu kann aber auch an das proximale Rohrende ein insbesondere schlauchförmiges Verbindungselement mit einem Ende angeschlossen sein bzw. anschließbar sein, dessen anderes (nicht am proximalen Rohrende angeschlossenes) Ende den Eingang des Kalibrierungselementes bildet. Ein insbesondere schlauchförmiges Verbindungselement ermöglicht eine besonders flexible Möglichkeit des Verbindens des Kalibrierungselementes mit der Sensoreinheit. Wenn das proximale Rohrende direkt den Eingang des Kalibrierungselementes bildet, werden hingegen weniger Bauteile benötigt, wodurch geringere Kosten entstehen. [0032] Preferably, the pipeline has a proximal pipe end in the region of the inlet. This proximal pipe end can form the inlet of the calibration element; alternatively, however, a connecting element, in particular a tubular one, can be connected or connectable to the proximal pipe end, the other end of which (not connected to the proximal pipe end) forms the inlet of the calibration element. A connecting element, in particular a tubular one, enables a particularly flexible possibility of connecting the calibration element to the sensor unit. If the proximal pipe end directly forms the inlet of the calibration element, fewer components are required, resulting in lower costs.

[0033] 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 Verschlussventil am proximalen Rohrende geöffnet. [0033] Within the scope of the invention, it can be provided that a shut-off valve (i.e., a proximal shut-off valve) is arranged at the proximal pipe end of the pipeline. Such a shut-off valve can prevent continuous flow through the calibration element and therefore continuous gas leakage from the assembly. Preferably, the assembly is first connected to a device or facility carrying the gas (e.g., the borehole), and the shut-off valve at the proximal pipe end is opened only shortly before the speed of sound in the gas is determined.

[0034] 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 dem Ausgang austretenden Gases von einer den Aufbau benutzenden Person wegzulenken bzw. das Gas aus der Kalibrierungsbox hinauszuführen. [0034] In one possible embodiment, the pipeline has a distal end in the region of the outlet. The outlet can be formed directly by the distal end of the pipe. Alternatively, a ventilation element, particularly a tubular one, connected to the distal end of the pipe can form the outlet with its other, unconnected end. The ventilation element serves, in particular, to direct the flow of gas escaping from the outlet when flowing through the calibration element away from a person using the structure or to guide the gas out of the calibration box.

[0035] 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 Kalibrierungs-[0035] 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 construction, an acoustic signal indicating the flowable length of the calibration

elementes durchläuft, am verschlossenen Verschlussventil reflektiert werden. Das Verschlussventil am distalen Rohrende kann auch ein Überdruckventil sein. element, are reflected at the closed shut-off valve. The shut-off valve at the distal end of the tube can also be a pressure relief valve.

[0036] 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 werden kann. [0036] In embodiments with a proximal and a distal closure valve, these can be closed when the calibration box is removed from the drill string so that the gas contained in the permeable length does not escape or can be released or flushed out in a secure environment or outdoors.

[0037] 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 (ggf. 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 ein Abwickeln fixiert ist. [0037] 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 venting element, the entire pipeline (optionally with the closure valve arranged at the proximal pipe end and/or the distal pipe end) can in particular 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 into coils and secured in the housing to prevent unwinding.

[0038] 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 Gehäuse hinausragt. Bei derartigen Ausführungsformen kann auf ein Verbindungselement und/oder ein Lüftungselement verzichtet werden. [0038] Embodiments in which a portion of the pipe protrudes from the housing in the inlet region and/or a portion of the pipe protrudes from the outlet region are possible, although not preferred. In such embodiments, a connecting element and/or a ventilation element can be omitted.

[0039] Wenn die Rohrleitung wenigstens ein Verschlussventil wie oben beschrieben aufweist, kann das Gehäuse insbesondere öffenbar und schließbar (z.B. über einen Deckel) sein, um Zugriff auf das/die im Gehäuse angeordnete/n Ventil/e zu haben. [0039] 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 have access to the valve(s) arranged in the housing.

[0040] 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. zu groß/schwer wird. [0040] 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 maximum length of 100 m, in particular of a maximum length of 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 inventive structure becoming unwieldy or too large/heavy.

[0041] 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 recht groß bzw. schwer. [0041] 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 quite large or heavy.

[0042] 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 durchzuführen. Es versteht sich, dass Merkmale, die nur zum Aufbau beschrieben sind, auch in adäquater Weise beim Verfahren verwirklicht werden können und umgekehrt. [0042] The inventive structure for determining the speed of sound in a gas is particularly suitable or intended for use in the inventive method or for carrying out the inventive method. It is understood that features described only for the structure can also be adequately implemented in the method, and vice versa.

[0043] 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 akustischen Ausgangssignals verschlossen wird. [0043] In the method according to the invention, the reflection causing a signal change can be the acoustic output signal encountering a closed outlet of the calibration element and being reflected back. 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 flow has completely passed through the calibration element and before the acoustic output signal is generated.

[0044] 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 Schallgeschwindigkeit, durch das Kalibrierungselement strömt. [0044] However, the reflection causing a signal change can also be a pressure wave formed due to a reflection at the open end of the pipe. In this variant, the gas can flow through the calibration element essentially continuously, i.e., even during the determination of the speed of sound.

[0045] Beim erfindungsgemäßen Verfahren weist das akustische Ausgangssignal bevorzugt eine [0045] In the method according to the invention, the acoustic output signal preferably has a

x hes AT 527 574 B1 2025-04-15 x hes AT 527 574 B1 2025-04-15

8 NN 8 NN

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 durch Austritt aus dem offenen Ausgang) erzeugt wird. predefined time duration, starting 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 the same as the first frequency (constant frequency band). Scanning through a frequency spectrum when generating the acoustic output signal produces a particularly well-measurable reflection or a particularly clearly detectable signal change, as this ensures that the output signal reaches the output at the (previously unknown) frequency at which the strongest reflection is generated (in particular by being thrown back at the closed output or by exiting the open output).

[0046] 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 Kalibrierungselementes erreicht. [0046] 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, as the case may be, dependent on 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 calibration element.

[0047] 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 führt. [0047] 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.

[0048] 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 (beispielsweise ca. 20 Hertz) auf. [0048] 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 (for example, approximately 20 Hertz).

[0049] Insbesondere wird das akustisches Ausgangssignal in der Sensoreinheit aus einem elektronischen Ausgangssignal (einem Audiosignal) generiert und das erfasste akustische Messsignal in der Sensoreinheit in ein elektronisches Messignal umgewandelt. [0049] In particular, the acoustic output signal in the sensor unit is generated from an electronic output signal (an audio signal) and the detected acoustic measurement signal is converted into an electronic measurement signal in the sensor unit.

[0050] 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 werden. [0050] 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 detected at an analogue input monitored by the control unit.

[0051] 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 Ausgangsignals (d.h. des analogen Audiosignals) vorgesehen. [0051] In particular, the analog 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 analog output to the sensor unit and a connection of the analog input to the sensor unit by a digital output signal also generated by the control unit. An amplifier for amplifying the electronic output signal (i.e., the analog audio signal) is preferably provided between the analog output and the switching relay.

[0052] Die Berechnungslogik ist insbesondere in einer Recheneinheit der Steuereinheit implementiert. [0052] The calculation logic is implemented in particular in a computing unit of the control unit.

[0053] Weiters kann die Steuereinheit mit einem Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Gases, zu dem die Schallgeschwindigkeit bestimmt werden soll, verbunden sein bzw. einen derartigen Temperatursensor aufweisen. [0053] 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 or can have such a temperature sensor.

[0054] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen, in welchen bevorzugte Ausführungsformen dargestellt sind. Es zeigt: [0054] Further details, features, and advantages of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings, in which preferred embodiments are illustrated. It shows:

[0055] Fig. 1 eine stark vereinfachte Konzeptansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus in Verbindung mit einer Steuereinheit, [0055] Fig. 1 is a highly simplified conceptual view of an embodiment of the structure according to the invention in conjunction with a control unit,

[0056] Fig. 2 eine stark vereinfachte Draufsicht auf ein Kalibrierungselement des erfindungsgemäßen Aufbaus, und [0056] Fig. 2 is a highly simplified plan view of a calibration element of the inventive structure, and

[0057] Fig. 3 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. [0057] Fig. 3 is a flow chart of a method according to the invention.

[0058] 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 Funktionsgruppe gekennzeichnet. [0058] 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 each identified as a functional group in Fig. 1 by dashed lines.

[0059] 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 akustische Signale sowohl erzeugen als auch empfangen. [0059] The structure 1 according to the invention comprises a sensor unit 3, which in the illustrated embodiment consists of a pressure box 4 with an integrated loudspeaker 5. The loudspeaker 5 can both generate and receive acoustic signals.

[0060] 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 durchflutet ist. [0060] A calibration element 6 is connected to the sensor unit 3 and has an input 7 and an output 8. Between the input 7 and the output 8, the calibration element 6 has a permeable length L, which is permeated with a gas in the operating state of the structure 1 according to the invention.

[0061] Die durchflutbare Länge L wird zumindest abschnittsweise von einer Rohrleitung 9 gebildet. [0061] The flowable length L is formed at least in sections by a pipeline 9.

[0062] 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 Rohrende 12 ausgebildet ist (bzw. durch dieses gebildet ist). [0062] In Fig. 1, the flowable length L is formed entirely by the pipeline 9, wherein the inlet 7 of the calibration element 6 is formed at a proximal pipe end 11 connected to the sensor unit 3 and the outlet 8 of the calibration element 6 is formed at a freely projecting distal pipe end 12 (or is formed by this).

[0063] Der Eingang 7 des Kalibrierungselementes 6 ist akustisch leitend mit der Sensoreinheit 3 verbunden, d.h. dass ein akustisches 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 6 in die Sensoreinheit 3 zurückleitbar. [0063] The input 7 of the calibration element 6 is acoustically conductively connected to the sensor unit 3, i.e., an acoustic signal can be introduced from the sensor unit 3 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 contained in the calibration element 6. Likewise, an acoustic signal propagating from the output 8 to the input 7 through the gas contained in the permeable length L can be fed back from the calibration element 6 to the sensor unit 3.

[0064] 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 eines elektrischen Signals, auf. [0064] 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 an electrical signal.

[0065] 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 Sensoreinheit 3 hin und her geschaltet werden. [0065] 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 back and forth between a first conductive connection of the analog output 13 to the sensor unit 3 and a second conductive connection of the analog input 14 to the sensor unit 3.

[0066] 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 jedoch auch ohne einen Temperatursensor 18 durchgeführt werden. [0066] 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 setup or method can be determined and recorded. However, the measurement can also be performed without a temperature sensor 18.

[0067] Die Steuereinheit 2 weist weiters eine, insbesondere in einer Recheneinheit 19 implementierte, Berechnungslogik zum Berechnen der Schallgeschwindigkeit des Gases bzw. im Gas auf. [0067] The control unit 2 further comprises a calculation logic, implemented in particular in a computing unit 19, for calculating the speed of sound of the gas or in the gas.

[0068] Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm des Ablaufes eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Verfahrensschritten a. bis f., die in zeitlicher Reihenfolge hintereinander stattfinden. [0068] Fig. 3 shows a flow chart of the sequence of a method according to the invention with the method steps a. to f., which take place one after the other in chronological order.

[0069] 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 ist. [0069] 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.

[0070] 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 Sensoreinheit 3 herstellt) an die Sensoreinheit 3 eingeleitet. [0070] Subsequently, an analogue electrical output signal is generated by the control unit 2, amplified by the amplifier 15 and fed to the sensor unit 3 via the relay switch 16 (which establishes a conductive connection between the analogue output 13 and the sensor unit 3).

[0071] 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 Kalibrierungselementes 6 fort. [0071] 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 from a first frequency to a second frequency over this duration. The acoustic output signal is introduced into the calibration element 6 during its predefined duration and propagates through the flow-through length L toward the output 8 of the calibration element 6.

[0072] 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 umgeschaltet, sodass eine leitende Verbindung zwischen dem 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 Kalibrierungselementes 6 austretendes akustisches Messignal. [0072] Immediately after the acoustic output signal is generated (i.e., after the predefined time period has elapsed), the relay switch 16 (which may comprise one or more relays) is switched by a digital signal from the digital output 17, so that a conductive connection is established between the analog input 14 and the sensor unit 3. From this point in time (or even during the generation of the acoustic output signal), the sensor unit 3 detects, in a step c., an acoustic measurement signal emerging from the input 7 of the calibration element 6.

[0073] 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 angesehen werden kann, pflanzt sich in Richtung Eingang 7 fort. [0073] 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 can be regarded as a reflection or echo of the acoustic output signal, propagates toward the inlet 7.

[0074] 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 d. mit der Steuereinheit 2 ermittelt. [0074] 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 determined by the control unit 2 in a step d.

[0075] 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 Gas. [0075] 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 permeable length L, the speed of sound in the gas.

[0076] Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des im erfindungsgemäßen Aufbau 1 zum Einsatz kommenden Kalibrierungselementes 6. [0076] Fig. 2 shows a preferred embodiment of the calibration element 6 used in the structure 1 according to the invention.

[0077] In dieser Ausführungsform ist das Kalibrierungselement 6 in einem Gehäuse 21 angeordnet, das insbesondere mit Hilfe eines nicht dargestellten Deckels oder Schiebers öffen- und schließbar ist. [0077] 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 slider (not shown).

[0078] Die Rohrleitung 9 ist in mehreren über- und/oder nebeneinander liegenden Windungen aufgewickelt und mit Befestigungen 22 in dem Gehäuse 21 fixiert. [0078] The pipeline 9 is wound in several turns lying one above the other and/or next to the other and is fixed in the housing 21 by means of fastenings 22.

[0079] 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 Verschlussventil 23 angeordnet. [0079] A proximal closure valve 23 is arranged at the proximal pipe end 11, i.e. that end of the pipe 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 region of the inlet 7 of the calibration element 6.

[0080] 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 den Eingang 7 [0080] A tubular connecting element 24, which is guided 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 opens the inlet 7

des Kalibrierungselementes 6 bildet. of the calibration element 6.

[0081] 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 distales Verschlussventil 25 angeordnet. [0081] A distal closure valve 25 is also arranged at the distal pipe end 12 of the pipe 9, i.e. at that end of the pipe 9 which, when the calibration element 6 is connected to the sensor unit 3 (seen in the flow direction), is arranged further away from the sensor unit 3 and in the region of the outlet 8 of the calibration element 6.

[0082] 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 Kalibrierungselementes 6 bildet. [0082] 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 calibration element 6.

[0083] 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 Länge des Lüftungselementes 26 gebildet. [0083] In the embodiment according to Fig. 2, the flowable length L of the calibration element 6 is thus formed by a length of the connecting element 25, a length of the pipe 9 and a 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 12 distales Rohrende 11 proximal tube end 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 25 distales Verschlussventil 23 proximal closure valve 24 connecting element 25 distal closure valve

26 Lüftungselement 26 Ventilation element

L durchflutbare Länge L floodable length

Claims

Patent claims

1. Structure (1) for determining the speed of sound in a gas, the structure (1) comprising a sensor unit (3) for generating an acoustic output signal and for detecting an acoustic measurement signal, characterized in that the structure (1) comprises a calibration element (6) with a predefined flowable length (L) running between an inlet (7) and an outlet (8), which is formed at least in sections by a pipe (9), and in that the inlet (7) is acoustically conductively connected to the sensor unit (3).

2, Structure according to claim 1, characterized in that the pipeline (9) is wound in the calibration element (6) in several superimposed or adjacent turns.

3. Structure according to claim 1 or 2, characterized in that the pipeline (9) has a proximal pipe end (11) in the region of the inlet (7), and that the proximal pipe end (11) forms the inlet (7), or that a connecting element (24), in particular a hose-shaped one, is connected to the proximal pipe end (11) with one end, the other end of which forms the inlet (7).

4. Structure according to claim 3, characterized in that a proximal closure valve (23) is arranged at the proximal pipe end (11) of the pipeline (9).

5. Structure according to one of claims 1 to 4, characterized in that the pipeline (9) has a distal pipe end (12) in the region of the outlet (8), and that the distal pipe end (12) forms the outlet (8), or that a particularly tubular ventilation element (26) is connected to the distal pipe end (12) with one end, the other end of which forms the outlet (8).

6. Structure according to claim 5, characterized in that a distal closure valve (25) is arranged at the distal pipe end (12) of the pipeline (9).

7. Structure according to one of claims 1 to 6, characterized in that the pipeline (9) is arranged in a housing (21).

8. Structure according to one of claims 1 to 7, characterized in that the pipeline (9) has a length of at least 5 m and/or a length of at most 60 m.

9. Structure according to one of claims 1 to 8, characterized in that the pipeline (9) has an internal diameter of a maximum of 20 mm, preferably a maximum of 15 mm, in particular a maximum of 10 mm.

10. A method for determining the speed of sound in a gas, wherein a structure (1) is used for the method, which has a sensor unit (3) for generating an acoustic output signal and for detecting an acoustic measurement signal and further a calibration element (6), wherein the calibration element (6) has a predefined flowable length (L) running between an inlet (7) and an outlet (8), which is formed at least in sections by a pipe (9), and wherein the inlet (7) is acoustically conductively connected to the sensor unit (3), characterized by the following steps, which take place one after the other:

a. Flowing the calibration element (6) over its entire flowable length (L) with the gas,

b. generating a time-limited acoustic output signal with the sensor unit (3) and introducing the acoustic signal via the input (7) into the gas-filled calibration element (6),

c. detecting an acoustic measurement signal emerging from the input (7) immediately after the acoustic output signal has been emitted,

d. Determining a signal change in the acoustic measurement signal generated by a reflection of the acoustic output signal at the output (8) of the calibration element (6) with a control unit (2),

e. Determining a time difference between the introduction of the acoustic output signal into the calibration element (6) and the occurrence of the signal change with a calculation logic of the control unit (2), and

f. Calculating the speed of sound in the gas using the calculation logic based on the determined time difference and the known predefined flowable length (L) of the calibration element (6).

11. Method according to claim 10, characterized in that a structure (1) according to one of claims 1 to 9 is used to carry out the method.

12. Method according to claim 10 or 11, characterized in that the reflection is the acoustic output signal striking a closed outlet (8) of the calibration element (6) and reflected therefrom, or that the reflection is a pressure wave formed due to a reflection at the open outlet (8).

13. Method according to one of claims 10 to 12, characterized in that the acoustic output signal has a predefined duration, starting at a first frequency and ending at a second frequency, preferably different from the first frequency.

14. The method according to claim 13, characterized in that the predefined time duration is a maximum of 250 milliseconds, preferably a maximum of 200 milliseconds, in particular a maximum of 150 milliseconds.

15. The method according to claim 13 or 14, characterized in that the first frequency is at least 1 Hertz, preferably at least 3 Hertz, in particular 5 Hertz, and the second frequency is at most 200 Hertz, preferably at most 100 Hertz, in particular 50 Hertz.

2 sheets of drawings