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Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten oder
Gasen mittels Schallsignalen ist es bekannt, von einem Schallsender in Richtung
und in Gegenrichtung der Strömung Schallsignale über gleich große Meßstrecken zu
senden, wie in F i g. 1 der Zeichnung dargestellt ist. Ist v die Strömungsgeschwindigkeit,
c die Schallgeschwindigkeit im Medium, J T die Laufzeit und dl die Länge der beiden
Meßstrecken vom Sender 1 zu den beiden Empfängern 2 und 3, so kommen die Signale
in Richtung der Strömung um eine Zeit 2#d1 1T=##v @ c2 früher am Empfänger 3 an
als gegen die Strömungsrichtung am Empfänger 2. Um diese Laufzeitdifferenz 2 T zu
bestimmen, benutzt man in bekannten Anordnungen (vgl. deutsche Patentschrift 852
772) Einrichtungen zur Phasendifferenzmessung zwischen den beiden Empfangsspannungen.
Bei einer Arbeitsfrequenz = -« ergibt sich an den beiden Empfangern eine Phasendifferenz
2#d1##0 ##=#0##T=# C2 Die Ausnutzung der von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen
Phasendifferenz der Arbeitsfrequenz an den beiden Empfängern ist jedoch schwierig,
und es ergibt sich außerdem in der Praxis meist eine störanfällige Messung. Außerdem
ist es nachteilig, daß die Arbeitsfrequenz den jeweils vorliegenden Bedingungen,
insbesondere dem zu erfassenden Geschwindigkeitsbereich, umständlich angepaßt werden
muß.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man Anordnungen zur Bestimmung
der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten mittels Schallübertragung geschaffen,
bei denen ein anderes physikalisches Prinzip benutzt wird. So ist es bekannt, sogenannte
»singaround«-Messungen über zwei gleich große Meßstrecken in Richtung und Gegenrichtung
der Strömung über gleiche Zeitintervalle durchzuführen und die Differenz der sich
ergebenden Impulszahlen als Maß für die Geschwindigkeit zu benutzen. Dabei ist aber
nicht ohne weiteres eine Weg- und Mengenbestimmung möglich.
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Ferner ist es bekannt, auf einer in Richtung oder Gegenrichtung der
Strömung angeordneten Meßstrecke durch akustische Rückkopplung, die - durch Bandfilter
begrenzt - einen definierten Schwingungszustand erzeugt, zwischen Sender und Empfänger
eine stehende Welle zu erzeugen, wobei die Anzahl der sich dabei ergebenden halben
Wellenlängen zwischen Sender und Empfänger als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
benutzt werden kann. Als Vergleichsmessung führt man dabei eine entsprechende Schallübertragung
mit stehenden Wellen auf einer ungestörten Meßstrecke quer zur Strömungsrichtung
aus, wobei ein zweiter Sender benutzt wird, der mit einer anderen Frequenz arbeitet.
Eine solche Anordnung eignet sich nicht für digitale Messungen, und Weg- und Mengenbestimmung
sind umständlich.
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Bei den bekannten Anordnungen besteht ferner teilweise der Mangel,
daß die Größe der Schallgeschwindigkeit in das Meßergebnis eingeht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Bestimmung
der Strömungsgeschwindigkeit zu schaffen, die bei möglichst einfachem Aufbau zuverlässig
und in weitem Geschwindigkeitsbereich störfrei und mit hoher Genauigkeit sowie unbeeinflußt
von Änderungen der Schallgeschwindigkeit arbeitet und insbesondere auch eine einfache
Weg- und Mengenbestimmung ermöglicht.
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Bei der Lösung dieser Aufgabe geht man erfindungsgemäß von der Uberlegung
aus, daß das eingangs beschriebene Verfahren, bei welchem die Laufzeitdifferenz
1 Tzur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit benutzt wird, besonders gut geeignet
wäre, sowohl die Geschwindigkeit als auch den Weg und die Menge anzuzeigen, wenn
man die Laufzeitdifferenz I T, wie für andere Kurzzeitmessungen an sich bekannt,
mit Hilfe von Zählimpulsen bestimmen würde, deren Impulsfolgefrequenz sich mit der
Schallgeschwindigkeit ebenso verändert wie die Schallgeschwindigkeit selbst.
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Die Erfindung betrifft demnach eine Anordnung zur Bestimmung der
Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten oder Gasen sowie des im Medium zurückgelegten
Weges oder der am Meßplatz vorbeiströmenden Menge mit Hilfe der Messung von Laufzeitunterschieden
akustischer Signale über gleiche Strecken in Richtung und Gegenrichtung der Strömung
mit zwei aus einem gemeinsamen Sender und zwei Empfängern bestehenden Schallübertragungsstrecken
von gleicher Länge, einem Impulsgenerator zur Erregung des Schallsenders, zwei Verstärkern
für die Empfangsimpulse und einer Einrichtung zur Messung der Laufzeitdifferenz
zwischen den Empfangsimpulsen als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit und ist dadurch
gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines quer zur Strömung angeordneten Schallempfängers
im Abstand d2 (« dl) vom Schallsender und einem daran angeschlossenen an sich bekannten
»sing-around«-Gerät eine Impulsfolgefrequenz fi gebildet wird, aus der ferner in
einem Frequenzvervielfacher eine Zählfrequenz n f1 gebildet wird, daß ein an die
Verstärker angeschlossenes elektronisches Tor, welches beim Eintreffen der Schallimpulse
am Empfänger in Strömungsrichtung geöffnet wird und beim Eintreffen der Schallimpulse
am Empfänger in Strömungsgegenrichtung wieder geschlossen wird, Zählimpulse der
Zählfrequenz n f1 auf die Zähleinrichtung schaltet, welche die Zahl der vom elektronischen
Tor pro Zeiteinheit durchgelassenen Zählimpulse als Maß für die Geschwindigkeit
und die Gesamtzahl aller Impulse als Maß für den zurückgelegten Weg oder die vorbeigeströmte
Menge anzeigt.
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Um eine zuverlässige Kompensation der Schallgeschwindigkeitsschwankungen
auch bei Messung der Strömungsgeschwindigkeit auf Schiffen im Seegang zu erzielen,
ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, das »sing-around«-Gerät zur Ableitung
der Zählfrequenz mit zwei in Querrichtung zur Strömung angeordneten gleich großen,
aber entgegengesetzt gerichteten Schallübertragungsstrecken zu versehen, die durch
einen Umschalter wechselweise in den »sing-around«-Kreis eingeschaltet werden, und
dabei den Mittelwert der sich ergebenden »sing-around«-Frequenzen zur Ableitung
der Zählfrequenz im Frequenzvervielfacher zu benutzen. Ferner ist es zweckmäßig,
den Zähler für die Auszählung der Zählimpulse über Zeitintervalle arbeiten zu lassen,
die groß gegenüber z. B. als Folge von Seegangsbewegungen
entstehenden
periodischen Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit sind.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Schallübertragung
bei der Längsmessung und Quermessung von einem gemeinsamen Sender aus erfolgt, so
daß die Impulsfolgefrequenz der Schallübertragung auf den Längsstrecken gleich der
»sing-around«-Frequenz auf der oder den Querstrecken ist.
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In F i g. 2 und 3 der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel
veranschaulicht.
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Von einem Schallsender 1, der am Schiff im frei strömenden Wasser
angeordnet ist, werden Schallimpulse ausgesandt. Diese Schallimpulse erreichen die
Empfänger 2, 3, 4 und 5, von denen 2 und 3 in Fahrtrichtung, 4 und 5 quer dazu,
rechts und links von der Basis 2-1-3, angeordnet sind.
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Die Schallübertragung in Längsrichtung vom Sender 1 zu den Empfängern
2 und 3 über die Meßstrecken der gleichen Länge d1 dienen zur Messung der von der
Strömungsgeschwindigkeit v abhängigen Laufzeitdifferenz 1 T, während die Schallübertragung
vom Sender 1 zu den Empfängern 4 und 5 in der Querrichtung über die Meßstrecken
gleicher Länge d2 zur Ableitung der Zählfrequenz fz dient.
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Solange keine Querströmung auftritt, ist grundsätzlich nur ein einziger
Querempfänger erforderlich, beispielsweise der Empfänger 4.
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Der am Empfänger 4 ankommende Schallimpuls löst über einen in Fig.3
dargestellten Verstärker 7 mit nachfolgender Triggerstufe 8 über einen Impulsgenerator
9 einen neuen Schallimpuls am Schallsender 1 aus. Bei dem Abstand d2 zwischen Schallsender
1 und Empfänger 4 kommt es zu einer Impulsfolgefrequenz f1' = d. Man nennt ein solches
Verfahren »sing-around«-Anregung. Um bei vorhandener Querströmung der Geschwindigkeit
vque,, wie sie bei Seitenwind oder Rollbewegungen eines Schiffes leicht vorhanden
ist, den Einfluß von vque, auszuschalten, werden von einem elektronischen Schalter
6, der von der Triggerstufe 8 nach jedem Impuls umgeschaltet wird, abwechselnd die
Empfänger 4 und 5 geschaltet, die beide den gleichen Abstand d2 (z. B. 1 m) vom
Sender 1 haben. Das fl, ergibt eine mittlere »sing-around«-Frequenz ti = 2 als von
quer unabhängige Größe, wenn man die aus der Summe der Laufzeiten sich ergebende
Gesamtperiode zugrunde legt.
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Aus dieser Folge f1 wird eine Sinus-Folgefrequenz in einem Siebteil
10 hergestellt, die in einem Frequenzvervielfacher 11 eine Zählfrequenz fz = n f,
bildet. Durch Klippen in einem Klipper 12 und Differenzieren und Gleichrichten entsteht
daraus in einem Zählimpulsgenerator 13 eine Folge von n Zählimpulsen. Diese Zählimpulse
werden einem elektronischen Tor 16 zugeleitet. Das Tor wird bei Vorwärtsfahrt jeweils
von jedem am Empfänger 3 ankommenden Impuls über einen Verstärker 14 geöffnet und
von jedem am Empfänger 2 ankommenden Impuls über einen Verstärker 15 wieder geschlossen.
Dazwischen liegt bei jedem Schallimpuls die Zeitspanne 2#d1 #T=# c2 Während dieser
Effnungszeit werden Zählimpulse
durchgelassen und von der Zähleinrichtung 17 gezählt.
Diese zählt einmal die Impulse pro Zeiteinheit und zeigt damit ein Maß für die Geschwindigkeit
v an. Ferner zählt sie laufend sämtliche Zählimpulse als Maß für den im Wasser zurückgelegten
Weg.
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Das Tor wird pro Sekunde f,-mal geöffnet. Während jeder Uffnungszeit
#T = 2.d1/c² # v zählt es Impulse der Folgefrequenz fz = n fl Da f1=c/2d2 ist, werden
sekundlich n#d1 N = #T # f1 # fzähl=##v] d22 Zählimpulse durchgelassen. Damit ist
N von c unabhängig.
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Die Zähleinrichtung zählt N in passenden Schritten, bei Seegang z.
B. über Zeitintervalle, die groß sind gegenüber Schwankungszeiten der Strömungsgeschwindigkeit
als Folge von Seegangsbewegungen.
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Außerdem zählt sie fortlaufend sämtliche Impulse.
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Das Weiterzählen ergibt den Wert n#d1 N # t=##v#t. d22 Darin ist v
t der in der Zeit t im Wasser zurückgelegte Weg. Um zu einfachen Zählfolgen zu kommen,
macht man beispielsweise n = 210 = 1024, I0 d2 = im, d1 = 11°4 = 9,77m. Dann wird
N = 104'V ; v; das sind 104 Zählimpulse je 1 m/sec Fahrt und ebenfalls 104 Zählimpulse
für 1 m Weg.
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Bei einer Schallgeschwindigkeit in Wasser von etwa 1500 m/sec wird
dabei f1 z 1500, fz z 3/4 Millionen Impulse/sec, ferner T ~ 1 s je 1 ín/sec Fahrtgeschwindigkeit
v.
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Die Erfindung läßt sich auf vielerlei Weise abwandeln. Um beispielsweise
bei einer Fahrtmeßanlage auf Schiffen zu unterscheiden, ob Vorwärts-oder Rückwärtsbewegung
durch das Wasser stattfindet, läßt sich eine logische Schaltanordnung einsetzen,
die unterscheidet, ob die im Verhältnis zur Impulswiederholperiode T = l kurze Offnungszeit
A T des Tores 16 vom Empfänger 3 oder 2 eingeleitet wird.
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Bei der Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und Durchflußmengen
durch Rohre oder Kanäle lassen sich auch Schallführungen über gekrümmte Wege verwenden
oder Umrechnungsfaktoren berücksichtigen, die den Abfall der Strömungsgeschwindigkeit
zum Rand hin erfassen.
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Um das Zählergebnis von der Schallgeschwindigkeit c unabhängig zu
machen, muß, wenn wie beim Erfindungsgegenstand die Zeit zl T zur Messung herangezogen
wird, die Vorrichtung so ausgebildet werden, daß die Geschwindigkeit zur Kompensation
des in der Größe #T enthaltenen Reziprokwertes 1/c2 zweimal als Faktor eingeführt
wird. Im dargestellten Beispiel erfolgt dies einmal durch die Multiplikation der
von den Empfängern 2 und 3 über das Tor 16 auf den Zähler 17 gegebenen Einzelöffnungszeiten
T
T mit der von der Schallgeschwindigkeit abhängigen Impulsfolgefrequenz f1 = du2,
und es erfolgt eine zweite Multiplikation dadurch, daß die Gesamtöffnungszeit f1
J T mit der aus der Impulsfolgefrequenz f1 abgeleiteten Zählfrequenz fZahl = n d
multipliziert wird. Es ist klar, daß man diese beiden Multiplikationen auch auf
andere Weise und an anderen Stellen durchführen kann.