DE102004027546A1

DE102004027546A1 - Flow rate measuring method for a medium flowing through an acoustic resonator using calibrated parameters of two different resonator volumes

Info

Publication number: DE102004027546A1
Application number: DE200410027546
Authority: DE
Inventors: Gerd Prof. Dr.-Ing. Stange
Original assignee: Fachhochschule Kiel
Current assignee: Fachhochschule Kiel
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2024-06-05
Also published as: DE102004027546B4

Abstract

The method measures the speed of a medium flowing through volumes of an acoustic resonator (3) using an acoustic field generated in the resonator arrangement. The field stores the acoustic energy in the medium. The method involves determining a calibration relationship of any desired measurable parameter of each of a defined volume of the resonator with a given flow velocity. The resonator characteristics with respect to the calibrated parameters for two different volumes to which acoustic energy is applied are compared. Acoustic energy is transported between the two volumes by the flow of the medium. Independent claims also cover apparatus for carrying out the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines eine Messstrecke durchfließenden Mediums in Volumina einer akustischen Resonatoranordnung mittels einer schallaussendenden Einrichtung.The The invention relates to a method for measuring the flow rate a medium flowing through a measuring section in volumes an acoustic resonator arrangement by means of a sound-emitting Facility.

Es ist bekannt, akustische Methoden zur Durchfluss- und Strömungsmessung einzusetzen (Otto Fiedler, Strömungs- und Durchflussmesstechnik, R. Oldenbourg Verlag München 1992). Bei allen Unterschieden ist diesen Methoden gemeinsam, dass sie ein Schallfeld nutzen, das sich mit einer Komponente in Strömungsrichtung des Mediums ausbreitet. Grundsätzlich lassen sich zwei Gruppen von Messverfahren unterscheiden:
Bei der Gruppe der Verfahren nach dem Doppler-Effekt wird die Frequenzverschiebung einer Schallwelle nach Reflexion an Inhomogenitäten innerhalb des strömenden Mediums erfasst. Voraussetzung ist hier das Vorhandensein von Inhomogenitäten, zumeist in Form von mitgeführten Partikeln, verbunden mit dem Nachteil der lediglich punktweisen Erfassung der Partikelgeschwindigkeit. Daher lässt sich diese Gruppe von Verfahren nicht bei homogenen Medien einsetzen.It is known to use acoustic methods for flow and flow measurement (Otto Fiedler, flow and flow measurement, R. Oldenbourg Verlag Munich 1992). Despite all the differences, these methods have in common that they use a sound field that propagates with a component in the flow direction of the medium. Basically, two groups of measuring methods can be distinguished:
In the group of methods according to the Doppler effect, the frequency shift of a sound wave is detected after reflection on inhomogeneities within the flowing medium. Prerequisite here is the presence of inhomogeneities, mostly in the form of entrained particles, associated with the disadvantage of only pointwise detection of particle velocity. Therefore, this group of methods can not be used in homogeneous media.

Die für die industrielle Durchfluss- und Strömungsmessung wichtigere Gruppe der Verfahren nach dem Mitführungseffekt nutzt unmittelbar die Überlagerung der Fließgeschwindigkeit des Mediums mit der in ihrer Richtung liegenden Komponente der Schallgeschwindigkeit aus, indem dadurch entlang einer Messstrecke endlicher Ausdehnung in Strömungsrichtung hervorgerufene Änderungen von Signallaufzeiten, Phasendifferenzen oder Frequenzdifferenzen gemessen werden. Alle diese Messungen laufen im Ergebnis auf Zeitmessungen hinaus, die bei geringen Fließgeschwindigkeiten von z.B. 0.01 m/s bei einer Messstrecke von z.B. 0.1 m Länge eine Zeitauflösung im Subnanosekundenbereich erfordern. Der linear in die Zeitauflösung eingehenden Länge der Messstrecke sind aus praktischen Gründen enge Grenzen gesetzt.The for the industrial flow and flow measurement more important group of processes after the entrainment effect uses directly the overlay the flow rate of the medium with the component of the speed of sound in its direction by thereby along a measuring section finite extent in the flow direction caused changes of signal propagation times, phase differences or frequency differences be measured. All these measurements result in time measurements in addition, at low flow rates from e.g. 0.01 m / s at a measuring distance of e.g. 0.1 m length one time resolution in the subnanosecond range. The linear in the time resolution incoming Length of Measuring section are set narrow limits for practical reasons.

Es hat daher nicht an Bemühungen zu einer künstlichen Verlängerung der Messtrecke – z.B. durch das sog. Sing-around-Verfahren – gefehlt, bei dem ein von einem Schallsender nach Durchlaufen der Messstrecke vom Empfänger aufgenommenes Signal seinerseits zur Auslösung eines neuen Sendesignals führt. Durch vielfache Wiederholung dieses Vorganges lässt sich die scheinbare Länge der Messstrecke vervielfachen. Jedoch sind die dabei auftretenden Totzeiten zwischen Signalempfang und erneuter Signalsendung Ursache für zusätzliche Fehler. Ein weiteres Problem aller Verfahren dieser Gruppe stellt die empfindliche Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit dar. Sie erfordert entweder die gleichzeitige Messung der Schallgeschwindigkeit oder eine Temperaturmessung, verbunden mit einer Kalibrationsprozedur.It therefore has no efforts to an artificial one renewal the measuring section - e.g. by the so-called sing-around method - missing, in which one of a sound transmitter recorded by the receiver after passing through the measuring section Signal in turn for triggering a new transmission signal leads. By Repeated repetition of this process can be the apparent length of the Multiply measuring distance. However, the dead times that occur are between signal reception and new signal transmission cause for additional Error. Another problem posed by all the procedures of this group the sensitive temperature dependence the speed of sound. It requires either the simultaneous Measurement of the speed of sound or a temperature measurement, connected with a calibration procedure.

Grundsätzlich lässt sich jedoch auch mit solchen Schallfeldern, die keine Ausbreitungskomponente in Fließrichtung des Mediums haben, die Fließgeschwindigkeit des Mediums messen. Die Verwendung solcher Schallfelder bietet den Vorteil kurzer Baulängen. Eine entsprechende Vorrichtung wird in der Schrift JP 601 66 822 vorgeschlagen. Diese sieht eine akustische Messstrecke mit zur Strömungsrichtung transversalem Schallfeld innerhalb einer geschlossenen Regelschleife so vor, dass sie sich mittels eines Verstärkers selbst in Resonanz erregt und dabei die Amplitude des Schallfeldes auf einen konstanten Referenzwert geregelt wird. Die mit der Strömung transportierte Energie verursacht einen zur Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Leistungsabfluss, der bei vorausgesetzter Konstanz der Schallamplitude durch die Regelstrecke ausgeglichen wird und daher gemäß der JP 601 66 822 zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit herangezogen werden kann.In principle, however, even with such sound fields, which have no propagation component in the flow direction of the medium, the flow rate of the medium can be measured. The use of such sound fields offers the advantage of short overall lengths. A corresponding device is in the Scriptures JP 601 66 822 proposed. This provides an acoustic measuring section with transverse to the flow direction of the sound field within a closed loop in such a way that it excites itself by means of an amplifier in resonance while the amplitude of the sound field is controlled to a constant reference value. The energy transported with the flow causes a performance flow proportional to the flow velocity, which is compensated for given the constant amplitude of the sound amplitude through the controlled system and therefore according to the JP 601 66 822 can be used to measure the flow velocity.

Eine genauere Untersuchung der in der JP 601 66 822 vorgeschlagenen Vorrichtung zeigt jedoch, dass die Betrachtung der zugeführten Leistung allein unzureichend ist, um die Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln. Dies ist darauf zurückzuführen, dass auch ohne Strömung Energieverluste im Schallfeld auftreten, die sich auf zwei Ursachen zurückführen lassen: Die medien-, temperatur- und frequenzabhängige Ausbreitungsdämpfung einerseits und die geometrie- und frequenzabhängige Abstrahlungsdämpfung andererseits.A closer examination of the in the JP 601 66 822 However, the proposed device shows that the consideration of the supplied power alone is insufficient to determine the flow velocity. This is due to the fact that even without flow energy losses occur in the sound field, which can be attributed to two causes: The media, temperature and frequency-dependent propagation loss on the one hand and the geometry and frequency-dependent radiation attenuation on the other.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Durchfluss- bzw. Strömungsmessung zu schaffen, das Messanordnungen geringstmöglicher Baulänge bei einfachem Aufbau und hoher Auflösung in möglichst vielen Medien erlaubt, wobei die oben erwähnten Probleme umgangen werden.It Object of the invention, a method for flow or flow measurement to create the measuring arrangements of the least possible length simple construction and high resolution in as possible many media, bypassing the above-mentioned problems.

Es wurde festgestellt, dass sich alle diese Eigenschaften in ihren komplexen Abhängigkeiten und Wechselwirkungen zutreffend durch das Modell einer akustischen Resonatoranordnung und durch die diese beschreibenden Parameter erfassen lassen. Zuverlässige Rückschlüsse auf die Fließgeschwindigkeit des Mediums sind möglich, wenn die Veränderung der Resonatorparameter durch das fließende Medium in Betracht gezogen wird.It has been found that all of these properties are complex in their dependencies and Interactions can be detected by the model of an acoustic resonator arrangement and by the parameters describing it. Reliable conclusions about the flow rate of the medium are possible if the change in the resonator parameters due to the flowing medium is considered.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen ermöglichen dies. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.The inventive method and allow the corresponding device according to the independent claims this. Advantageous versions are in the subclaims listed.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines Mediums, das Volumina einer akustischen Resonatoranordnung durchfließt, wird mittels eines in der Resonatoranordnung erzeugten Schallfeldes Schallenergie im Medium gespeichert. Der Vergleich einer die Resonatoreigenschaften charakterisierenden Größe für zwei unterschiedliche mit Schallenergie beaufschlagte Volumina, zwischen denen durch den Fluss des Mediums Schallenergie transportiert wird, erlaubt dann, wie im folgenden mathematisch hergeleitet, die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit, integriert über die Vo lumina. Vorangehend muss nur einmal für die gewählte Geometrie ein Kalibrierzusammenhang dieser Messgröße des Resonators mit der Fließgeschwindigkeit anhand einer vorbekannten Strömungsgeschwindigkeit hergestellt werden.at the proposed method for measuring the flow rate a medium, the volumes of an acoustic resonator arrangement flows through is by means of a sound field generated in the resonator arrangement Sound energy stored in the medium. The comparison of a characterizing the resonator properties Size for two different with sound energy acted upon volumes, between which through the Flow of medium sound energy is allowed, then mathematically derived as follows, the determination of the flow velocity, integrated over the vo lumens. Previously, only once has a calibration relationship for the selected geometry this measure of the resonator with the flow rate on the basis of a previously known flow velocity getting produced.

Die Erfindung sieht die Verwendung einer akustischen Resonatoranordnung vor, die senkrecht zur Richtung der Schallanregung vom Medium durchströmt wird. Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn Schallgeber und Resonatorreflektoren integrale Bestandteile eines Messrohres sind, das somit hindernisfrei vom Medium durchströmt werden kann. Weiterhin sieht die Erfindung das Anordnen wenigstens zweier, entlang der Strömungsrichtung räumlich getrennter Schallempfänger vor, die vorteilhaft ebenfalls in die Rohrwandungen integriert sind. Es eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, dass die Schallempfänger symmetrisch um die Position des Schallgebers angeordnet werden.The The invention provides the use of an acoustic resonator arrangement , which is traversed perpendicular to the direction of the sound excitation of the medium. It is considered to be particularly advantageous when sounder and Resonator reflectors are integral components of a measuring tube, thus the obstacle-free flow through the medium. Continues to see the invention arranging at least two, along the flow direction spatial separate sound receiver before, which are advantageously also integrated into the pipe walls. It is a particularly preferred embodiment of the invention that the sound receiver be arranged symmetrically about the position of the sounder.

Das vom Schallgeber in die – erfindungsgemäß offene – Resonatoranordnung eingespeiste Schallfeld wird sich im ruhenden Medium symmetrisch ausbilden. Insbesondere werden zwei relativ zur Symmetrieachse spiegelbildlich positionierte Volumina im Innern der Resonatoranordnung – insbesondere im Innern des Messrohres mit Medium – identische Schallfeldverhältnisse aufweisen. Folglich müssen symmetrisch angeordnete Schallempfänger diesen Verhältnissen gerecht werden, indem sie identische Signale aufzeichnen. Jede Strömung des Mediums stört nun die Symmetrie. Die Abweichung von der Symmetrie gilt es messtechnisch zu erfassen und für den Rückschluss auf die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung zu benutzen.The from the sounder in the - open according to the invention - resonator fed sound field becomes symmetrical in the stationary medium form. In particular, two are mirror images relative to the axis of symmetry positioned volumes in the interior of the resonator arrangement - in particular inside the measuring tube with medium - identical sound field conditions exhibit. Consequently, must symmetrically arranged sound receiver these conditions by recording identical signals. Every flow of the Mediums disturbs now the symmetry. The deviation from the symmetry is measured to capture and for the inference on the flow velocity and direction.

Das erfindungsgemäße Vorgehen zur messtechnischen Erfassung ist die Messung der an den (piezoelektrischen) Schallempfängern auftretenden Spannungsamplituden normiert auf die speisende Stromamplitude am Schallgeber. Im klassischen Fall eines Resonators mit einem kontinuierlich sinusförmig anregenden Schallgeber und einem einzelnen Schallempfänger (der baulich mit dem Schallgeber identisch sein kann) entspräche dies der Messung der Resonatorgüte Q.The inventive approach for metrological detection is the measurement of the (piezoelectric) sound receivers occurring voltage amplitudes normalized to the feeding current amplitude at the sounder. In the classic case of a resonator with a continuous sinusoidal stimulating sounder and a single sound receiver (the structurally identical with the sound generator) would correspond the measurement of the resonator quality Q.

Das erfindungsgemäße Verfahren bedarf somit der Definition einer differentiellen Güte, die der Bezugnahme auf mehrere Volumina innerhalb der Resonatoranordnung gerecht wird. Es bietet sich an, bezogen auf die Strömungsrichtung eingangs- und ausgangsseitige Gütewerte zu erklären, in die die Spannungsamplituden der jeweils dort befindlichen Schallaufnehmer eingehen. Die Differenz dieser Güten, eben die differentielle Güte, re flektiert die Schallfeldsymmetrie und Abweichungen davon in vorteilhafter Weise und wird erfindungsgemäß als Messgröße vorgeschlagen. Bei Vorliegen einer symmetrisch aufgebauten Resonatoranordnung und in Abwesenheit jeglicher Strömung ist diese Gütedifferenz offenbar aus Symmetriegründen Null. Wenn das Medium strömt, findet Energietransport aus einem eingangsseitigen in ein ausgangseitiges Volumen der Resonatoranordnung statt. Der eingangsseitige Gütewert wird dadurch gegenüber dem ausgangsseitigen verringert, und zwar in einem Ausmaß, welches direkt mit der Strömungsgeschwindigkeit korreliert ist.The inventive method thus requires the definition of a differential goodness, the referring to multiple volumes within the resonator assembly does justice. It makes sense, based on the flow direction Input and output quality values to explain, in which the voltage amplitudes of each located there sound pickup received. The difference between these qualities, just the differential goodness, re flexes the sound field symmetry and deviations thereof in an advantageous manner Way and is proposed according to the invention as a measure. In the presence of a symmetrically constructed resonator and in the absence of any flow is this difference in quality apparently for reasons of symmetry Zero. When the medium flows, finds energy transport from an input side to an output side Volume of the resonator arrangement instead. The input-side quality value is by comparison the output side decreases, and to an extent, which directly with the flow velocity is correlated.

Neben dem gewünschten, durch die Strömung hervorgerufenen Energietransport treten weitere Energieverluste auf, die sich aufteilen lassen in die medien-, frequenz- und temperaturabhängigen Ausbreitungsverluste einerseits und die bei offenen Resonatoren unvermeidlichen, nur von der Resonatorgeometrie abhängigen Abstrahlungsverluste sowie die an den Resonatorwandungen auftretenden Verluste andererseits. Auch Abstrahl- und Wandverluste verteilen sich wegen der vorausgesetzten Symmetrie des Resonators symmetrisch auf seine eingangs- und ausgangsseitigen Hälften. Alle genannten Verlustarten führen ebenfalls zu einer Änderung der Resonatorgüte, nicht jedoch zur Störung der konstruktiv vorgesehenen Symmetrie. Diese kann nur durch die einseitig gerichtete Strömung selbst erfolgen.Next the desired, through the flow caused energy transport occur further energy losses on, which can be divided into the media, frequency and temperature-dependent propagation losses on the one hand and those inevitable in open resonators, only dependent on the resonator geometry Radiation losses and occurring at the Resonatorwandungen Losses on the other hand. Also distribute radiation and wall losses symmetrical due to the presumed symmetry of the resonator on its input and output halves. All mentioned types of loss to lead also a change the resonator quality, not however to the disturbance the constructively provided symmetry. This can only be done by the unidirectional flow yourself.

Während sich der Einfluss der geometrieabhängigen Abstrahlungsverluste sowie der Wandverluste auf die Güte einfach im Wege einer Kalibration berücksichtigen lässt, führen die stark von der Temperatur abhängigen Ausbreitungsverluste zu einer unerwünschten Temperaturabhängigkeit der Güte und damit der aus ihr ermittelten Fließgeschwindigkeit. Dies lässt sich jedoch bei Betrachtung zweier Volumina herausrechnen. Auch die gleichzeitige Messung der Gesamtgüte erlaubt die Elimination temperaturabhängiger Einflüsse der Ausbreitungsdämpfung.While the influence of geometry-dependent radiation losses and wall losses On the quality can be considered simply by means of a calibration, lead the highly dependent on the temperature propagation losses to an undesirable temperature dependence of the quality and thus the flow rate determined from it. However, this can be calculated when considering two volumes. The simultaneous measurement of the overall quality also allows the elimination of temperature-dependent influences of the propagation loss.

Eine ähnliche Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht die Anordnung symmetrisch ein- und ausgangsseitig benachbarter Resonatoren zu den bisher vorausgesetzten Resonatoren vor. In diesem Falle lässt sich die Kopplung der Nachbarresonatoren zur Auswertung nach der Strömungsgeschwindigkeit heranziehen. In Abwesenheit einer Strömung ist die Kopplung allein durch Abstrahlungs- und Wandverluste bedingt und damit voraussetzungsgemäß symmetrisch. Eine vorhandene Strömung verursacht unsymmetrische Kopplungen mit einer höheren Kopplung des stromabwärts gelegenen Nachbarresonators. In ähnlicher Weise wie in der vorangehenden Variante, lässt sich die Kopplung durch in den Nachbarresonatoren vorhandene Schallempfänger erfassen. In ebenfalls ähnlicher Weise lässt sich durch Differenzbildung der Kopplungsamplituden auf die Strömungsgeschwindigkeit schließen. Schließlich lassen sich auch hier temperaturbedingte Einflüsse durch gleichzeitige Messung der Güte des zentralen Resonators eliminieren.A similar Variant of the method according to the invention the arrangement looks symmetrically on the input and output side adjacent Resonators to the previously assumed resonators before. In this Trap the coupling of neighboring resonators for evaluation according to flow rate use. In the absence of a flow, the coupling is alone due to radiation and wall losses and thus symmetrically according to the prerequisite. An existing flow causes unbalanced couplings with a higher coupling downstream Nachbarresonators. In similar As in the previous variant, the coupling can be through record existing sound receivers in neighboring resonators. In likewise similar Way lets by subtraction of the coupling amplitudes on the flow velocity shut down. After all Here, too, temperature-induced influences can be achieved by simultaneous measurement the goodness of the central resonator.

Es bedarf der besonderen Erwähnung, dass nach dem erfindungsgemäßen Verfahren neben der Güte als Messgröße auch weitere Resonatorgrößen, wie z.B. die Bandbreite und die Dämpfungszeitkonstante zur Auswertung benutzt werden können. Diese Größen stehen in einfachen, bekannten Zusammenhängen mit der Güte, so dass sich jederzeit eine Umrechnung vornehmen lässt. Dies kann von Bedeutung sein, wenn unterschiedliche Betriebsarten des Resonators in Betracht gezogen werden.It needs special mention, that according to the inventive method in addition to the goodness as Measurements too other resonator sizes, like e.g. the bandwidth and the damping time constant can be used for evaluation. These sizes are available in simple, well-known contexts of goodness, so that can be converted at any time. This can be important be, if different modes of the resonator into consideration to be pulled.

Grundsätzlich erlaubt die Erfindung eine Reihe unterschiedlicher zeitlicher Verläufe der akustischen Anregung. Bei quasistationärem Betrieb des Resonators wird dieser sinusförmig bei seiner Resonanzfrequenz betrieben. In dieser Betriebsart ist die Güte als Messgröße besonders nahe liegend. Bei impulsförmiger Anregung entsteht durch Reflexion an den Resonatorwänden eine Folge gleichabständiger Impulse mit abnehmender Amplitude, aus denen die Dämpfungszeitkonstante ermittelt und aus ihr auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden kann.Basically allowed the invention a number of different time courses of the acoustic stimulation. In quasi-stationary operation of the resonator this becomes sinusoidal operated at its resonant frequency. In this mode is the goodness especially as a measured variable obvious. At impulsive Excitation is created by reflection at the resonator walls Follow more equidistant Pulses of decreasing amplitude that make up the damping time constant determined and closed from it to the flow rate can be.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Prinzipskizze in einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:The The invention is described below with reference to a schematic diagram in a Drawing closer explained. Showing:

die einzige 1 einen schematischen Längsschnitt durch die Messtrecke.the only 1 a schematic longitudinal section through the measuring section.

Die in 1 gezeigte Meßstrecke 1 wird in der mit 'v' gekennzeichneten Richtung vom Messmedium durchströmt. Innerhalb des akustischen Resonators 3, der durch die Wandungen 2 begrenzt und durch den Wandler 4 angeregt wird, bildet sich ein in Bezug auf die Strömungsrichtung orthogonales Schallfeld 5 aus, das Träger der gespeicherten Schallfeldenergie mit einer auf die Längeneinheit in Strömungsrichtung bezogenen Energiedichte W' ist.In the 1 shown measuring section 1 the measuring medium flows through in the direction marked 'v'. Inside the acoustic resonator 3 passing through the walls 2 limited and through the converter 4 is excited, forms an orthogonal with respect to the flow direction of sound field 5 which is carrier of the stored sound field energy with an energy density W 'related to the unit length in the flow direction.

Die mit 'P' bezeichneten Pfeile geben die Richtung von Leistungsflüssen an. Darin bedeutet P_in die durch den Wandler 4 eingestrahlte Schalleistung, während P_int die interne Verlustleistung des Resonators repräsentiert. P_left und P_right sind die links- bzw. rechtssei tig aus dem offenen Resonator abgestrahlten Leistungen. P_flow kennzeichnet den durch die Strömung transportierten Energiefluss und damit die Leistung, die – wie weiter unten gezeigt wird – der gespeicherten Energiedichte W' und der Strömungsgeschwindigkeit v proportional ist.The arrows labeled 'P' indicate the direction of power flows. Therein P means _in through the transducer 4 radiated sound power, while P _{int represents} the internal power dissipation of the resonator. P _left and P _right are the powers radiated from the open resonator on the left or the right. P _flow characterizes the flow of energy transported through the flow and thus the power which, as will be shown below, is proportional to the stored energy density W 'and flow velocity v.

Die folgenden Betrachtungen unter Zuhilfenahme bekannter formelmäßiger Zusammenhänge dienen lediglich der weiteren Erläuterung der Beziehungen zwischen der Strömungsgeschwindigkeit v einerseits und den Parametern des Resonators andererseits, wie sie der Erfindung zugrunde liegen. Ausgehend von der grundlegenden Definition der Resonatorgüte Q,

in der w die Resonanzkreisfrequenz, P_in die Eingangsleistung und W die im Resonator gespeicherte Energie bedeuten, führt die Leistungsbilanz unter Verwendung der weiter oben definierten Leistungen zu Pin = Pint + Pleft + Pright + Pflow [2]. The following considerations with the aid of known formulary relationships merely serve to further explain the relationships between the flow velocity v on the one hand and the parameters of the resonator on the other hand, on which the invention is based. Starting from the fundamental definition of the resonator Q,

in the w the resonance angular frequency, P _in the input power and W is stored in the resonator energy, the current account results of the services defined above for using P in = P int + P left + P right + P flow [2].

Die durch die Strömung transportierte Leistung P_flow entspricht der zeitlichen Änderung der im Resonator gespeicherten Energie W mit

The power P _flow transported by the _flow corresponds to the temporal change of the energy W stored in the resonator

Darin ist x die Längenkoordinate in Richtung der Strömung und v die Strömungsgeschwindigkeit. W' ist die in x-Richtung genommene, längenbezogene Energiedichte des Schallfeldes im Resonator, die hier näherungsweise als konstant angenommen wird. Unter Annahme einer Ausdehnung σ des Schallfeldes in x-Richtung gilt dann

Where x is the length coordinate in the direction of flow and v is the flow velocity. W 'is the length-related energy density of the sound field in the resonator taken in the x-direction, which is approximately assumed to be constant here. Assuming an expansion σ of the sound field in the x direction then applies

Mittels symmetrisch zur Resonatormitte stromauf- und stromabwärts angebrachter Schallempfänger lassen sich die nach links bzw. rechts fließenden Schalleistungen P_left bzw. P_right + W'v, wie diese in 1 dargestellt sind, erfassen,. Dann ist deren Differenz gegeben durch ΔP = Pflow = Pright + W'·ν – Pleft = W'·ν [5],da wegen der vorausgesetzten Symmetrie für die reinen Abstrahlverluste P_left = P_right gilt. Auflösung nach der Geschwindigkeit führt zu

By means of symmetrically to the resonator upstream and downstream mounted sound receiver can be left or right flowing sound power P _left or P _right + W'v, as these in 1 are shown, capture ,. Then their difference is given by ΔP = P flow = P right + W '· ν - P left = W '· ν [5], because of the assumed symmetry for the pure radiation losses P _left = P _right . Resolution after the speed leads to

Wie in der einleitenden Beschreibung erwähnt, lässt sich die im Betrieb durch die Medienströmung verursachte Nichtsymmetrie des Resonators durch die Definition von ein- und austrittsseitigen Güten für die ein- bzw. austrittsseitigen Volumina im Resonatorinnern beschreiben. Dann lässt sich der Kehrwert der eintrittsseitigen (links) Güte 1/Q_L unter Benutzung der in 1 angegebenen Leistungen definieren als

und entsprechend für die austrittsseitige (rechts)

wobei von der Symmetrie der links- und rechtsseitigen Abstrahlverluste Gebrauch gemacht wurde. Darüber hinaus wurde berücksichtigt, dass die aus dem linksseitigen Volumen durch Strömung abtransportierte Energie dem rechtsseitigen Volumen zugute kommt, das jedoch seinerseits die gleiche Energie nach rechts verliert, so dass im Ergebnis die rechts- bzw. austrittseitige Güte unverändert bleibt. Dann folgt aus diesen Gleichungen

und schließlich für die Strömungsgeschwindigkeit

As mentioned in the introductory description, the non-symmetry of the resonator caused by the media flow during operation can be described by the definition of inlet and outlet qualities for the inlet and outlet volumes in the interior of the resonator. Then the reciprocal of the incoming (left) quality 1 / Q _L can be determined using the in 1 define defined services as

and accordingly for the exit side (right)

wherein use was made of the symmetry of the left and right side radiation losses. In addition, it was considered that the energy transported away from the left-hand volume by flow benefits the right-hand volume, which, however, in turn loses the same energy to the right, so that, as a result, the right-side or outlet-side quality remains unchanged. Then follow from these equations

and finally for the flow velocity

Diese einfache Beziehung veranschaulicht die Bedeutung der durch die Strömung verursachten Nichtsymmetrie der Resonatoreigenschaften. Interessant ist, dass keine Bezugsgröße für v=0 benötigt wird. Daher spielt auch die Temperaturabhängigkeit der Ausbreitungsdämpfung und der Schallgeschwindigkeit keine Rolle.This simple relationship illustrates the importance of the non-symmetry of the resonator properties caused by the flow. It is interesting that no reference variable for v = 0 is needed. Therefore Also, the temperature dependence of the propagation loss and the speed of sound does not matter.

Für die praktische Durchführung von Messungen lassen sich z.B. die Spannungsamplituden an den symmetrisch zur Resonatormitte stromauf- und stromabwärts angebrachten Schallempfängern – U_L bzw. U_R – und die Spannungsamplitude U am mit konstanter Stromamplitude gespeisten Schallsender messen. Die Quadrate der Quotienten U_L/U und U_R/U sind den Güten Q_L bzw. Q_R proportional. Die Proportionalitätskonstante K lässt sich vorab bei einer bekannten Geschwindigkeit v ermitteln. Dann nimmt die vorangegangene Gleichung die Form

an.For the practical implementation of measurements, it is possible, for example, to measure the voltage amplitudes at the upstream and downstream sound receivers symmetrically to the resonator center - U _L or U _R - and the voltage amplitude U at the sound transmitter fed with a constant current amplitude. The squares of the quotients U _L / U and U _R / U are proportional to the Q _L and Q _R grades. The proportionality constant K can be determined in advance at a known speed v. Then the previous equation takes the form

at.

Jedoch lassen sich auch weitere die Resonatoreigenschaften beschreibende Parameter, wie z.B. die Bandbreite B und die Dämpfungszeitkonstante r zur Auswertung nach der Strömungsgeschwindigkeit heranziehen.however can also be further describing the resonator properties Parameters, e.g. the bandwidth B and the damping time constant r to Evaluation according to the flow velocity use.

Die Bandbreite B, angegeben als Kreisfrequenz, steht mit der Güte in der folgenden Beziehung

so dass sich die obige Gleichung [10] für v umformen lasst in

The bandwidth B, indicated as the angular frequency, is related to the quality in the following relationship

so that the above equation [10] can be transformed into v

Diese Gleichung ist ebenso wie Gleichung [10] auf den quasistationären Betrieb zugeschnitten.These Equation is as well as equation [10] on the quasi-stationary operation tailored.

Für impuls- bzw. burstförmigen Betrieb lassen sich die obigen Beziehungen mittels der Zusammenhänge

worin α die Dämpfungskonstante des Resonators ist, und

worin τ die Zeitkonstante des Resonators kennzeichnet, in die Beziehungen ν = σ·[αL – αR] [16]bzw.

umformen, wobei die Indizes 'L' bzw. 'R' entsprechend der oben getroffenen Konvention gelten.For burst operation, the above relationships can be understood by means of the relationships

where α is the attenuation constant of the resonator, and

where τ denotes the time constant of the resonator in the relationships ν = σ · [α L - α R ] [16] respectively.

with the indices 'L' and 'R' respectively according to the convention above.

Zusammenfassend sei festgehalten, dass die Erfindung die Überwachung des Schallfeldes in einer Resonatoranordnung lehrt, welches per Konstruktion bei ruhendem Medium bezüglich der Schalleinstrahlachse symmetrisch ausgebildet ist. Die Strömung des Mediums bedingt Abweichungen von dieser Symmetrie, die sich anhand geeigneter Observablen messtechnisch erfassen lassen und direkt – im Zuge einer einmaligen Kalibration – mit der Strömungsgeschwindigkeit in Zusammenhang zu bringen sind. Die differentielle Güte der Resonatoranordnung ist eine, aber keinesfalls die einzige, Möglichkeit zur Definition einer günstigen Observablen. Mit Ausnahme der in Bezug auf die Strömung orthogonalen Ausrichtung werden keine weiteren Bedingungen an die An und Form des Schallfeldes gestellt.In summary, it should be noted that the invention teaches the monitoring of the sound field in a resonator, which is constructed symmetrically by construction with a stationary medium with respect to the sound beam axis. The flow of the medium causes deviations from this symmetry, which can be detected by appropriate observables metrologically and directly - in the course of a one-time calibration - are related to the flow velocity. The differential quality of the resonator arrangement is one, but by no means the only, possibility for defining a favorable observa ble. With the exception of the orthogonal orientation with respect to the flow, no further conditions are imposed on the shape and form of the sound field.

Das Verfahren bildet eine allgemeine Grundlage für eine Vielfalt von Anordnungen (sowohl apparativ als auch bezüglich der gewählten Messgrößen) zur Messung der Fließgeschwindigkeitflüssiger und gasförmiger Medien. Die hier im Einzelnen präsentierten Varianten (z.B. Integration in ein Messrohr, differentielle Resonatorgüte, Kopplungen mehrerer Resonatoren) sind dabei bevorzugte, aber nur beispielhafte, Ausführungsmöglichkeit.The Method provides a general basis for a variety of arrangements (both apparatus and with respect the chosen one Measured variables) for Measurement of the flow rate liquid and gaseous Media. The presented here in detail Variants (e.g., integration into a measuring tube, differential resonator quality, couplings several resonators) are preferred, but only by way of example, Execution ability.

Allgemein lassen sich die Vorrichtungen als eine zwei Volumina aufweisende akustische Resonatoranordnung im Durchflußbereich des hindurchfließenden Mediums mit einem Schallerzeuger bezeichnen, wobei eine Recheneinheit zur Speicherung eines Kalibrierzusammenhangs einer beliebigen Meßgröße jedes definierten Volumens der Resonatoranordnung dient, und eine Vergleichereinheit für zwei die Resonatoreigenschaften charakterisierenden in unterschiedlichen mit der Schallenergie des Schallerzeugers beaufschlagten Volumina gemessenen Größen vorhanden ist, deren Ergebnisse nach Interpretation die Fließgeschwindigkeit angeben, wobei zwischen den Volumina aufgrund deren Anordnung durch den Fluß des Mediums Schallenergie transportiert wird.Generally let the devices be as a two-volume acoustic resonator arrangement in the flow area of the flowing medium denote a sound generator, wherein a computing unit for Storage of a calibration relationship of any measurand each defined volume of the resonator arrangement, and a comparator unit for two the resonator properties characterizing in different with the sound energy of the sound generator acted upon volumes measured sizes available whose results indicate the flow velocity after interpretation, wherein between the volumes due to their arrangement by the flow of the medium Sound energy is transported.

Claims

Method for measuring the flow rate a medium flowing through volumes of an acoustic resonator assembly by means of a sound field generated in the resonator arrangement, which stores the sound energy in the medium characterized by - Determine a calibration relationship of any measurable size for each of a defined volume of a Resonator based on a previously known flow rate, - Comparison the resonator properties with respect to the calibrated sizes of two different volumes of sound energy, between those through the flow of Medium sound energy is transported.

Method according to Claim 1, characterized in that two resonator qualities of two symmetrically arranged volumes are given by the formula

be used to determine the flow rate.

Apparatus for carrying out the method according to one of the preceding claims, characterized by a two-volume acoustic resonator arrangement in the flow area of the flowing through Medium with a sound generator, characterized by a computing unit for storing a calibration relationship of any measurand each defined volume of the resonator, and a comparator unit for two the resonator properties characterize in different with the sound energy of the sound generator acted upon volumes measured sizes, with between the volumes due to their arrangement by the flow of the medium Sound energy is transported.