DE19939391C2 - Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit mit Ultraschall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit mit Ultraschall unter Verwendung von zwei Ultraschallwandlern, insbesondere zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines größeren Flusses oder eines offenen Schleusenkanals.

Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit mittels Ultraschall ist bei einem herkömmlichen Ultraschall-Durchflußmesser abhängig von der Größe des Querschnitts des durchströmten Meßrohrs oder eines offenen Kanals. Heutzutage wird die Strömungsgeschwindigkeit durch ein Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Verfahren wie folgt gemessen:

Wobei Δt gleich der Differenz von t₁₂ und t₂₁ ist, wobei t₁₂ und t₂₁ Zeiten sind, in denen der Ultraschallstrahl in Flüssigkeit unter einem Winkel ϕ entgegen der Strömungsrichtung oder in Strömungsrichtung übertragen wird, L der Abstand zwischen zwei Ultraschallwandlern ist, d gleich Lcosϕ ist und C die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit ist.

Das Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung der Ultraschall-Übertragungszeitdifferenz ist gut bekannt und wird von den meisten Ultraschall- Durchflußmessern verwendet. Mit anderen Worten, um die Ultraschall-Übertragungszeiten t₁₂ und t₂₁ zu messen, wird die Zeit vom Moment der Ultraschallsendung bis zu demjenigen des Empfangs gemessen. Wenn der Abstand L zwischen den Ultraschallwandlern verhältnismäßig groß ist oder verschiedene Größen von Strudeln oder Wirbeln in der Flüssigkeitsströmung auftreten oder sich die Suspensionskonzentration der Flüssigkeit in einem natürlichen Fluß ändert, pulsiert der Schalldruck eines Ultraschallstrahls stark an einer Ultraschall- Empfangsstelle, da der Ultraschallstrahl reflektiert oder gestreut wird oder sich der Absorptionsdämpfungsfaktor ändert.

Selbst wenn ein idealer Ultraschallstrahl mit einer kurzen Wellenlänge übertragen wird, wird das Empfangssignal zu einem glockenförmigen Impuls, da die höhere Harmonische des Ultraschallstrahls stark gedämpft wird. Deshalb tritt gewöhnlich beim Erfassen des Moments, in dem der Ultraschallstrahl empfangen wird, ein Empfangsfehler auf, der einigen Perioden des Ultraschallstrahls entspricht, und der Fall mit Empfangsfehler ist nicht gerade selten.

Um den empfangenen Impuls beim Senden und Empfangen des Ultraschallstrahls nicht zu verzerren, wird ein Breitbandverstärker verwendet. Dabei werden aber verschiedene Rauschsignale verstärkt. Aufgrund der Rauschimpulse kommt es zu Fehlern beim Messen der Ultraschall-Übertragungszeit.

Wie vorstehend erwähnt, gab es aufgrund dieser Faktoren bei einem Meßrohr mit großem Durchmesser, einem größeren Fluß oder einem offenen Schleusenkanal viele Fälle, bei denen die Ultraschall-Übertragungszeiten t₁₂ und t₂₁ am Empfangspunkt nicht exakt gemessen wurden.

Folglich machen es diese Probleme schwierig, die Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung des Ultraschall- Übertragungszeitdifferenz-Verfahrens in einer Weise zu messen, daß der Ultraschallstrahl in dem offenen Schleusenkanal und dem Fluß mit einer größeren Breite gesendet und empfangen wird. Die Verwendung des Ultraschall-Durchflußmessers ist begrenzt.

Aus der GB 2 167 857 A ist ferner eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit mit Ultraschall bekannt, bei der zwei Wandler so angeordnet sind, daß sie zur Strömungsrichtung einen bestimmten Winkel bilden. Die beiden Wandler senden und empfangen in und gegen die Strömungsrichtung einen Ultraschallstrahl, wobei aus der Übertragungszeit die Strömungsgeschwindigkeit berechnet wird. Außerdem sind die beiden Wandler mit einem Wandlerschaltteil verbunden, das wiederum mit einem Frequenzmodulationsoszillator zum Erzeugen einer kontinuierlichen Welle mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenz verbunden. Ferner weist die Vorrichtung ein Zeitintervallmeßteil auf, das mit einer Arithmetik- Logik-Verarbeitungseinheit zur Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit verbunden ist. Dabei stellen ein spannungsgesteuerter Oszillator und ein Phasenkomparator, die beide Bauteile des Zeitintervallmeßteils sind, einen Frequenzdiskriminator dar.

Aus der US 4 320 666 ist eine Duchflußmeßeinrichtung mit zwei Wandlern bekannt, zwischen denen ein Ultraschallstrahl über das Medium, wie zu Beispiel über eine Flüssigkeit oder ein Gas übertragen wird. Der Strahl ist mit Hilfe eines Niederfrequenzsignals frequenzmoduliert, wobei die Frequenz oder Phase des empfangenen Modulationssignals und die des ausgesendeten Modulationssignals ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit oder des Gases darstellen. Die Ultraschallstrahlen werden dabei vorzugsweise in zwei gegenseitig entgegengesetzte Richtungen übertragen, beispielsweise durch Schalten der Wandler derart, daß diese alternativ als Sender bzw. Empfänger wirken. Der Meßwert wird aus den beiden Beziehungen berechnet.

Auch aus der US 4 787 252 ist eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit mit Ultraschall bekannt, bei der die Wandler ähnlich wie bei der GB 2 167 857 angeordnet sind. Das Ultraschallsignal ist gleichfalls frequenzmoduliert.

Aus der DE 43 22 849 C1 ist außerdem ein Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit von Schallsignalen über eine Meßstrecke zwischen wenigstens einem Schallsender und wenigstens einem Schallempfänger bekannt, bei dem ein zum in die Meßstrecke abgestrahlten Meß-Schallsignal äquivalentes Referenz-Sendesignal erzeugt und nach dem Durchlaufen der Referenzstrecke so an den Schallempfänger angelegt wird, daß die Wirkung dem Empfang des über die Meßstrecke gelaufenen Meß-Schallsignals entspricht.

Um die vorstehend erwähnten Probleme und Nachteile zu beseitigen, besteht die Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit mit einem Ultraschall- Laufzeitdifferenz-Verfahren, bei dem die Genauigkeit der Laufzeitmessung verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches gelöst.

Gemäß der Erfindung umfaßt die Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit mit Ultraschall zwei Wandler, die so angeordnet sind, daß sie zur Strömungsrichtung einen bestimmten Winkel bilden. Die beiden Wandler senden und empfangen einen Ultraschallstrahl in und gegen die Strömungsrichtung, um aus der Ultraschall-Übertragungszeit die Strömungsgeschwindigkeit zu berechnen. Die beiden Wandler sind mit einem Wandlerschaltteil verbunden. Der Wandlerschaltteil ist mit einem Ausgangsverstärker verbunden. Der Ausgangsverstärker ist mit einem Frequenzmodulationsoszillator zum Erzeugen einer kontinuierlichen Welle mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenz verbunden. Der Frequenzmodulationsoszillator ist mit einer stabilen Kippschaltung zum Schwingenlassen eines Impulses mit gegebener Frequenz verbunden, um den Frequenzmodulationsoszillator zu betreiben. Die stabile Kippschaltung ist mit einem mit einer gegebenen Periode zu betätigenden Steuerteil zum Erzeugen eines Rechteckimpulses verbunden. Der Steuerteil zum Erzeugen eines Rechteckimpulses ist mit einem Wandlerschaltteil und einem Ausgangsschaltteil verbunden, um deren Betrieb zu steuern, wobei der Ausgangsverstärker ein Ausgangssignal aus dem Frequenzmodulationsoszillator verstärkt, der Wandlerschaltteil ermöglicht, daß das Ausgangssignal aus dem Ausgangsverstärker in irgendeinen der Wandler eingegeben wird und dann das Ausgangssignal aus dem entsprechenden Wandler in einen Empfangsverstärker eingegeben wird, und der Ausgangsschaltteil ermöglicht, daß ein Ausgangssignal aus dem Empfangsverstärker an einen Frequenzdiskriminator angelegt wird. Der Ausgangsschaltteil ist an einem Eingangsanschluß mit dem Empfangsverstärker, am anderen Eingangsanschluß mit einem Dämpfungsglied zum Dämpfen der Ausgangsspannung des Ausgangsverstärkers und am Ausgangsanschluß mit dem Frequenzdiskriminator verbunden, um den Frequenzmodulationszeitpunkt zu erfassen. Der Frequenzdiskriminator ist mit einem Impulsformungsteil verbunden, um sein Ausgangssignal in einen Rechteckimpuls umzuformen. Der Impulsformungsteil ist mit einem Zeitintervall-Meßteil verbunden, um eine Zeitdifferenz zwischen zwei Impulsen aus dem Impulsformungsteil zu messen. Der Zeitintervall-Meßteil ist mit einer Arithmetik- Logik-Verarbeitungseinheit verbunden, um eine Strömungsgeschwindigkeit zu berechnen.

Die Erfindung wird nun im einzelnen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit mit Ultraschall darstellt;

Fig. 2 ein Diagramm, das den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit mit Ultraschall darstellt; und

Fig. 3A und 3B Ansichten, die die Frequenzmodulation eines Ultraschallstrahls darstellen.

Mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 sind ein Ultraschall- Sendewandler 1 und ein Ultraschall-Empfangswandler 2 so angeordnet, daß sie einander zugewandt sind. Beide Wandler 1, 2 sind mit einem Wandlerschaltteil 14 elektrisch verbunden, welcher mit einem Ausgangsverstärker 6 und einem Empfangsverstärker 7 gekoppelt ist. Um den Ultraschall- Sendewandler 1 zu betreiben, ist folglich der Ausgangsverstärker 6 mit einem Frequenzmodulationsoszillator 3 zum Erzeugen einer kontinuierlichen Welle mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenz verbunden. Der Frequenzmodulationsoszillator 3 ist mit einer stabilen Kippschaltung 4 zum Schwingenlassen eines Impulses mit einer gegebenen Frequenz verbunden, um ihn an den Oszillator 3 anzulegen. Die stabile Kippschaltung 4 ist mit einem Steuerteil 5 zum Erzeugen eines Rechteckimpulses verbunden, um zu ermöglichen, daß die stabile Kippschaltung 4 mit einer gegebenen Periode betätigt wird, während ein Ausgangsschaltteil 8 gesteuert wird. Der Ausgangsverstärker 6 verstärkt das Ausgangssignal aus dem Frequenzmodulationsoszillator 3, um es an den Sendewandler 1 auszugeben. Ein Dämpfungsglied 13 ist zwischen den Ausgangsverstärker 6 und der Ausgangsschaltteil 8 geschaltet, um die Ausgangsspannung des Verstärkers 6 zu dämpfen. Der Empfangsverstärker 7 legt das verstärkte Empfangssignal über den Ausgangsschaltteil 8 an einen Frequenzdiskriminator 9 an. Ein Impulsformungsteil 10 empfängt die Ausgangsspannung vom Ausgangsschaltteil 8, um sie in den Rechteckimpuls umzuformen. Ein Zeitintervall- Meßteil 11 mißt eine Zeitdifferenz zwischen zwei Impulsen aus dem Impulsformungsteil 10. Eine Arithmetik-Logik- Verarbeitungseinheit 12 für die Strömungsgeschwindigkeit berechnet eine Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung eines Ultraschall-Übertragungszeitdifferenz-Verfahrens. Das Dämpfungsglied 13 ist mit dem Ausgangsschaltteil 8 verbunden.

Die Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit mit Ultraschall wird folgendermaßen betrieben:
Der Steuerteil 5 zum Erzeugen eines Rechteckimpulses erzeugt einen rechteckförmigen langen Impuls T₁ mit einer gegebenen Periode, wie in Fig. 2(A) gezeigt. Die stabile Kippschaltung 4 arbeitet an der Vorderflanke des rechteckförmigen langen Impulses T₁, um einen Reckteckimpuls mit einer Periode T₂ zu erzeugen, wie in Fig. 2(B) gezeigt. Der Frequenzmodulationsoszillator 3 erzeugt ein Signal mit einer Schwingungs- oder Sinusfrequenz f, wobei die Schwingungsfrequenz f für die Periode T₂ des Rechteckimpulses zu einer Schwingungsfrequenz f₀ (= f + Δf) geändert wird und dann an der fallenden Flanke der Rechteckimpulsperiode T₂ in die Sinusfrequenz f zurückgeführt wird, wie in Fig. 2(C) gezeigt, wobei die Frequenz f₀ eine Resonanzfrequenz der Wandler 1 und 2 ist und Δf ein Frequenzhub ist. Als nächstes legt der Frequenzmodulationsoszillator 3 sein Ausgangssignal an den Ausgangsverstärker 6 an, der Ausgangsverstärker 6 verstärkt das frequenzmodulierte Signal, um es über den Wandlerschaltteil 14 an den Sendewandler 1 anzulegen. Der Sendewandler 1 sendet den Ultraschallstrahl in Flüssigkeit, wie in Fig. 2(D) gezeigt. Gleichzeitig wird das Signal aus dem Ausgangsverstärker 6 über das Dämpfungsglied 13 und den Ausgangsschaltteil 8 in den Frequenzdiskriminator 9 eingegeben. Somit erzeugt der Frequenzdiskriminator 9 für die Frequenzmodulationsperiode Δf [T₂] eine Ausgangsspannung, wie in Fig. 2(E) gezeigt. Die Signalspannung wird in den Impulsformungsteil 10 eingegeben, um einen Impuls zu erzeugen, wie in Fig. 2(F) dargestellt.

Anschließend, in dem Moment, in dem die Periode T₁ des rechteckförmigen langen Impulses die hintere Flanke erreicht, werden der Ausgangsschaltteil 8 und der Wandlerschaltteil 14 umgeschaltet, um zu veranlassen, daß ein aus dem Empfangsverstärker 7 ausgegebenes Signal in den Frequenzdiskriminator 9 eingegeben wird. Mit anderen Worten, der Ultraschallstrahl aus dem Sendewandler 1 wird in Flüssigkeit zum Empfangswandler 2 übertragen. Der Empfangswandler 2 arbeitet beim Empfang des Signals vom Sendewandler 1, um sein Ausgangssignal an den Empfangsverstärker 7 anzulegen. Der Empfangsverstärker 7 verstärkt das Empfangssignal, wie in Fig. 2(G) dargestellt, um es an den Frequenzdiskriminator 9 anzulegen. Der Frequenzdiskriminator 9 erzeugt das Signal, wie in Fig. 2(H) gezeigt, um den Impulsformungsteil 10 zu betätigen. Der Impulsformungsteil 10 erzeugt einen kurzen Impuls, wie in Fig. 2(I) gezeigt, wobei die Ausgangssignale (Fig. 2(E) und (H)) des Frequenzdiskriminators 9 einander gleich sind und ihre Verzögerungszeiten τ, die auf den Übergangsphänomenen basieren, gleich werden.

Der Zeitintervall-Meßteil 11 empfängt die kurzen Impulse von Fig. 2(F) und (I), um ein Zeitintervall t₁₂ dazwischen zu messen, wobei die kurzen Impulse aus dem Ausgangssignal des Frequenzdiskriminators 9 durch den Impulsformungsteil 10 geformt werden. Der Zeitintervall-Meßteil 11 gibt das Zeitintervallsignal in die Arithmetik-Logik- Verarbeitungseinheit 12 ein, um es in deren Speicher zu speichern. Hierbei wird angemerkt, daß t₁₂ eine Zeit ist, um den Ultraschallstrahl zwangsläufig vom Sendewandler 1 zum Empfangswandler 2 zu übertragen.

Wenn die Messung der Ultraschall-Übertragungszeit vom Sendewandler 1 zum Empfangswandler 2 beendet ist, wird der Wandlerschaltteil 14 an der hinteren Flanke des Impulssignals vom Steuerteil 5 zum Erzeugen eines Rechteckimpulses betätigt, um den Empfangswandler 2 zu veranlassen, den Ultraschallstrahl zum Sendewandler 1 zu senden. Ebenso wird eine Ultraschall-Übertragungszeit t₂₁ gemessen, die in die Arithmetik-Logik-Verarbeitungseinheit 12 einzugeben ist.

Die Arithmetik-Logik-Verarbeitungseinheit 12 speichert das Abstandsintervall L zwischen zwei Wandlern und den Abstand d (= Lcosϕ), der vorher im Speicher festgelegt wurde, und berechnet die Strömungsgeschwindigkeit V durch den Ausdruck (1) mit den Ergebnissen der Ultraschall-Übertragungszeiten t₁₂ und t₂₁. Wenn eine Durchflußrate berechnet werden soll, kann der berechnete Strömungsgeschwindigkeitswert in eine Durchflußraten-Berechnungsvorrichtung eingegeben werden.

Hierbei wird angemerkt, daß der Wirkungsgrad des Sendewandlers auf das drei- bis fünffache der Größe im Fall der Verwendung des Ultraschallimpulses erhöht wird, da kein Ultraschallimpuls übertragen wird und die frequenzmodulierte Ultraschall-Sinuswelle verwendet wird. Die Intensität des Ultraschallstrahls wird ebenfalls erhöht. Was wichtiger ist, ist die Tatsache, daß der Moment, in dem die Empfangssignalfrequenz geändert wird, und nicht die Amplitude des Empfangssignals erfaßt wird, um die Ultraschall-Übertragungszeit zu messen. Und der infolge der Erfassungsverzögerungszeit verursachte Fehler wird beseitigt, da ein Frequenzdiskriminator die Empfangs- und Sendesignale erfaßt.

Selbst wenn die Amplitude des Empfangssignals stark pulsiert, wird folglich das Empfangssignal ausreichend verstärkt. Das Empfangssignal wird beispielsweise bis auf einen gesättigten Zustand verstärkt (der die zulässige Eingangsspannung des Frequenzdiskriminators erreicht), damit es in den Frequenzdiskriminator eingegeben werden kann. Es ist leicht, das Rauschen unter Verwendung eines Bandpaßfilters für die Frequenz f₀ - f zu beseitigen, da die Sinuswelle kontinuierlich gesendet und empfangen wird. Es beseitigt auch die Verwirrung, die beim Messen der Ultraschall-Übertragungszeit auftritt, da ein Breitbandverstärker verwendet wird, um die Verzerrung der Wellenform zu verhindern, wenn der Ultraschallimpuls verwendet wird.

Fig. 3A zeigt eine Wellenform des Ausgangssignals aus einem Empfangswandler. Eine Differenz zwischen einer Amplitude a₂ eines Empfangssignals bei einer Resonanzfrequenz f₀ und einer Amplitude a₁ des Empfangssignals bei einer Frequenz f (= f₀ + Δf oder f₀ - Δf) wird viel größer, wenn der Frequenzhub erhöht wird. Aber wenn die Frequenz [das Frequenzverhältnis] Δf/f₀ ungefähr gleich 0,1 ist, ist die Differenz zwischen den Amplituden a₁ und a₂ nicht viel größer.

Fig. 3B zeigt eine Wellenform, auf die ein Empfangssignal bis auf einen gesättigten Zustand verstärkt wird. Das verstärkte Signal kann in einen Frequenzdiskriminator eingegeben werden. Natürlich sollte eine Amplitude des auf einen gesättigten Zustand verstärkten Signals gleich der maximalen zulässigen Eingangsspannung des Frequenzdiskriminators sein. Und ein Dämpfungsglied 13, wie in Fig. 1 gezeigt, wirkt zur Verringerung der Ausgangsspannung eines Verstärkers 6 auf die maximale zulässige Eingangsspannung des Frequenzdiskriminators.

Die Erfindung gewährleistet den Ultraschallempfang, selbst wenn das Abstandsintervall L zwischen zwei Wandlern mehrere hundert Meter beträgt, und daß die Ultraschall- Übertragungszeit-Messung die Genauigkeit einer Strömungsgeschwindigkeit selbst unter der Bedingung erhöht, daß der Schalldruck am Ultraschall-Empfangspunkt aufgrund von vielen Faktoren stark pulsiert.

Claims (1)

1. Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit mit Ultraschall, die zwei Wandlern aufweist, die so angeordnet sind, daß sie zur Strömungsrichtung einen bestimmten Winkel bilden, wobei die beiden Wandler einen Ultraschallstrahl in und gegen die Strömungsrichtung aussenden und empfangen und aus der Ultraschall-Übertragungszeit die Strömungsgeschwindigkeit berechnet wird, wobei:
die beiden Wandler (1, 2) mit einem Wandlerschaltteil (14) verbunden sind;
der Wandlerschaltteil (14) mit einem Ausgangsverstärker (6) verbunden ist;
der Ausgangsverstärker (6) mit einem Frequenzmodulations­ oszillator (3) zum Erzeugen einer kontinuierlichen Welle mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenz verbunden ist;
der Frequenzmodulationsoszillator (3) mit einer stabilen Kippschaltung (4) zum Schwingenlassen eines Impulses mit vorbestimmter Frequenz verbunden ist, um den Frequenzmodulationsoszillator (3) zu betreiben, wobei die stabile Kippschaltung (4) mit einem mit einer vorbestimmten Periode zu betätigenden Steuerteil (5) zum Erzeugen eines Rechteckimpulses verbunden ist;
der Steuerteil (5) zum Erzeugen eines Rechteckimpulses mit dem Wandlerschaltteil (14) und einem Ausgangsschaltteil (8) zum Steuern eines Schaltvorganges verbunden ist;
der Ausgangsverstärker (6) ein Ausgangssignal aus dem Frequenzmodulationsoszillator (3) verstärkt, wobei der Wandlerschaltteil (14) ermöglicht, daß das Ausgangssignal aus dem Ausgangsverstärker (6) in irgendeinen der Wandler (1, 2) eingegeben wird und dann das Ausgangssignal aus dem entsprechenden Wandler in einen Empfangsverstärker (7) eingegeben wird;
der Ausgangsschaltteil (8) mit dem Empfangsverstärker (7) zum Schalten des Ausgangssignals vom Empfangsverstärker (7) zu einem Frequenzdiskriminator (9) verbunden ist;
der Ausgangsschaltteil (8) mit einem Dämpfungsglied (13) zum Dämpfen der Ausgangsspannung des Ausgangsverstärkers (6) verbunden ist;
der Ausgangsschaltteil (8) mit dem Frequenzdiskriminator (9) zum Erfassen des Frequenzmodulationszeitpunkts verbunden ist;
der Frequenzdiskriminator (9) mit einem Impulsformungsteil (10) zum Umformen des Ausgangssignals des Frequenzdiskriminators (9) in einen Rechteckimpuls verbunden ist;
der Impulsformungsteil (10) mit einem Zeitintervall-Meßteil (11) zum Messen einer Zeitdifferenz zwischen zwei Impulsen aus dem Impulsformungsteil (10) verbunden ist; und
der Zeitintervall-Meßteil (11) mit einer Arithmetik-Logik- Verarbeitungseinheit (12) zum Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit verbunden ist.