DE102005042792B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeit und/oder Temperatur eines Fluides - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit (v) und/oder einer Temperatur (T) eines Fluides (6) mittels Ultraschall mit
einer zwischen einem Ultraschallgeber (10) und einem ersten in einem Strömungssystem in Bezug auf den Ultraschallgeber (10) stromabwärts platzierten Ultraschallempfänger (14) ausgebildeten ersten Messstrecke (20) und
einer zwischen dem Ultraschallgeber (10) und einem zweiten in Bezug auf den Ultraschallgeber (10) stromaufwärts platzierten Ultraschallempfänger (18) ausgebildeten zweiten Messstrecke (22),
wobei alle Messstrecken (20, 22) von dem Fluid (6) durchströmt sind,
wobei Laufzeiten (ta b, tauf) innerhalb der Messstrecken (20, 22) eines von dem Ultraschallgeber (10) zu einem Abgabezeitpunkt (tabgabe) abgegebenen Ultraschallsignals gleichzeitig ermittelt und daraus die Strömungsgeschwindigkeit (v) und/oder die Temperatur (T) abgeleitet werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass von dem das Ultraschallsignal aussendenden Ultraschallgeber (10) mindestens ein Impuls abgegeben wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit und/oder einer Temperatur eines Fluides mittels Ultraschall und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit und einer Temperatur eines Fluides werden Geräte eingesetzt, welche nach mechanischen, elektrothermischen oder laseroptischen Verfahren arbeiten. Diese Geräte erfordern eine vergleichsweise teure Elektronik, einen aufwendigen Aufbau und aufwendige Auswerteprogramme zur Berechnung von Zielgrößen, was ein Grund für die relativ geringe Verbreitung derartiger Geräte ist.
  • Im Gegensatz dazu ist der Aufwand zur Ermittlung von Richtung, Geschwindigkeit und Temperatur des Fluides mit Ultraschallmessgeräten – auch für anspruchsvolle Messaufgaben – vergleichsweise gering, was Ultraschallmessgeräte insbesondere für den Einsatz in offenen und geschlossenen Strömungssystemen geeignet macht.
  • Ultraschallmessgeräte zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur des Fluides sind derart aufgebaut, dass eine oder mehrere Messstrecken vorhanden sind, in welchen eine Laufzeit eines Signals zwischen einem Ultraschallgeber und einem Ultraschallempfänger gemessen wird. Die Laufzeit eines akustischen Signals in dem Fluid ist von der Bewegungsgeschwindigkeit des Fluides in Signalrichtung und von der spezifischen Schallgeschwindigkeit in diesem Fluid abhängig. Die Schallgeschwindigkeit wiederum unterliegt dem Einfluss der Temperatur und eventuell geringfügig dem Einfluss weiterer Eigenschaften des Fluides.
  • In der DE 196 27 199 A1 ist ein Verfahren zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit und ein Durchflussmesser zur Durchführung des Verfahrens offenbart. Dabei umfasst der Durchflussmesser zwei Ultraschallgeber und zwei Ultraschallempfänger, welche im Strömungssystem derart angeordnet sind, dass zwei sich zwischen den Ultraschallgebern und den Ultraschallempfängern erstreckende Messstrecken gebildet werden, welche entlang ein und derselben Linie verlaufen. Die erste Messstrecke verläuft hierbei stromaufwärts, wohingegen die zweite Messstrecke stromabwärts ausgerichtet ist. Zur Ermittlung beispielsweise der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist je ein Messvorgang pro Messstrecke erforderlich. Ein gleichzeitiges Aussenden von Ultraschallsignalen über beide in ein und derselben Linie antiparallel verlaufende Messstrecken würde mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Verfälschung des Messergebnisses führen. Deshalb ist eine stromauf- oder stromabwärts gerichtete Messung lediglich zeitverzögert zu einer stromab- bzw. stromaufwärts gerichteten Messung durchführbar.
  • Das Messergebnis kann nicht nur durch in zeitlich auseinander fallenden Messintervallen ermittelte, unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten der Flüssigkeit, sondern auch durch eine Temperaturveränderung, welche sich von einer zur anderen Messung vollzieht, verfälscht werden. Somit sind der Genauigkeit einer Messung nach dem Verfahren der DE 196 27 199 A1 enge Grenzen gesetzt.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur verbesserten Messung einer Strömungsgeschwindigkeit und/oder einer Temperatur eines Fluides mit besonders hoher Messgenauigkeit und eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete und kostengünstige Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.
  • Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
  • Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 7. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
  • So umfasst die Vorrichtung einen einzigen Ultraschallgeber, welcher mit einem ersten Ultraschallempfänger eine erste Messstrecke und mit einem zweiten Ultraschallempfänger eine zweite Messstrecke bildet, wobei alle Messstrecken bestromt sind und der erste Ultraschallempfänger hinsichtlich des Ultraschallgebers im Strömungssystem stromabwärts und der zweite Ultraschallempfänger stromaufwärts angeordnet sind. Damit verläuft die erste Messstrecke hinsichtlich des Ultraschallgebers stromabwärts, während die zweite Messstrecke stromaufwärts ausgerichtet ist.
  • Das Verfahren umfasst die Messung einer Strömungsgeschwindigkeit und/oder einer Temperatur eines Fluides mittels Ultraschall. Dabei werden die Laufzeiten eines von dem Ultraschallgeber zu einem Abgabezeitpunkt abgegebenen Ultraschallsignals innerhalb der Messstrecken gleichzeitig ermittelt und daraus die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Temperatur abgeleitet.
  • Unter der Laufzeit ist der Zeitraum zwischen dem Abgabezeitpunkt des Ultraschallsignals am Ultraschallgeber und dem Empfangszeitpunkt des Ultraschallsignals am jeweiligen Ultraschallempfänger zu verstehen. Anders ausgedrückt beschreibt die Laufzeit genau die Zeitdauer, die das vom Ultraschallgeber abgegebene und von dem jeweiligen Ultraschallempfänger empfangene Ultraschallsignal zur Durchquerung des Strömungssystems entlang der jeweiligen Messstrecke benötigt.
  • Unter der gleichzeitigen Ermittlung der Laufzeiten ist zu verstehen, dass von dem Ultraschallgeber lediglich ein einziges Ultraschallsignal abgegeben wird, welches sowohl von dem ersten als auch von dem zweiten Ultraschallempfänger empfangen wird, da der erste und der zweite Ultraschallempfänger im Bereich einer Strahlungskeule des Ultraschallgebers angeordnet sind. Der Messvorgang entlang der ersten Messstrecke erfolgt somit gleichzeitig zum Messvorgang entlang der zweiten Messstrecke, weshalb eine Messung "stromabwärts" zeitlich mit einer Messung "stromaufwärts" zusammenfällt.
  • Erfindungsgemäß wird das von dem Ultraschallgeber abgegebene Ultraschallsignal in Form eines einfachen Impulses abgegeben, welcher sich bevorzugt für eine Zeitdauermessung eignet.
  • Zweckmäßigerweise wird die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides aus einer Differenz der Reziprokwerte der Laufzeiten des Ultraschallsignals und aus einer Weglänge der jeweiligen Messstrecke sowie einer Ausrichtung der jeweiligen Messstrecke abgeleitet. Der Reziprokwert der Laufzeit "stromaufwärts" – also der Laufzeit des Ultraschallsignals zwischen dem Abgabezeitpunkt des Ultraschallsignals durch den Ultraschallgeber und dem Empfangszeitpunkt durch den hinsichtlich des Ultraschallgebers stromaufwärts platzierten Ultraschallempfänger – wird geeigneterweise vom Reziprokwert der Laufzeit "stromabwärts" subtrahiert. Die Weglänge der jeweiligen Messstrecke – also die Distanz zwischen dem Ultraschallgeber und dem jeweiligen Ultraschallempfänger – entspricht dem vom Ultraschallsignal zurückgelegten Weg. Zudem ist der Einfluss durch die Ausrichtung der jeweiligen Messstrecke hinsichtlich einer Strömungsrichtung des Fluides bei der Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit zu beachten.
  • Im Gegensatz zur Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich die Temperatur des Fluides aus den gemessenen Laufzeiten "stromabwärts" und "stromaufwärts", der Weglänge der jeweiligen Messstrecke und der Schallgeschwindigkeit des Ultraschallsignals bei einer Temperatur von 0°C.
  • Um Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur im Strömungssystem über die Zeit zu messen, ist es zweckmäßig, über den Ultraschallgeber eine Mehrzahl von zeitlich aufeinander folgenden Impulsen abzugeben. In zweckmäßiger Weiterbildung werden die zeitlich aufeinander folgenden Impulse in festgelegten Zeitintervallen wiederholt von dem Ultraschallgeber abgegeben, um einer Verfälschung von Messergebnissen durch Störeinflüsse vorzubeugen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Zeitintervalle derart ausgebildet, dass jeder Impuls frei von Reflexionen zeitlich vorangehender Impulse ist. Reflexionen eines oder mehrere Impulse entstehen insbesondere an randseitigen Begrenzungen eines geschlossenen Strömungssystems. Durch die Festlegung der Zeitintervalle wird eine Verfälschung der Messergebnisse aufgrund von Reflexionen von Impulsen nahezu ausgeschlossen.
  • Die erste und die zweite Messstrecke sind zweckmäßgerweise derart im Strömungssystem ausgerichtet, dass eine besonders einfache Ermittlung der Laufzeitunterschiede des Ultraschallsignals vom Ultraschallgeber zum ersten Ultraschallempfänger und vom Ultraschallgeber zum zweiten Ultraschallempfänger und dadurch eine besonders einfache Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Temperatur des Fluides möglich sind. Dazu ist es zweckmäßig, dass der erste Ultraschallempfänger und der zweite Ultraschallempfänger hinsichtlich des Ultraschallgebers im Bereich dessen Strahlungskeule derart angeordnet sind, dass ein sicherer Empfang des Ultraschallsignals gegeben ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Ultraschallempfänger in einem Abstand zum Ultraschallgeber anzuordnen, welcher einem Abstand zwischen dem Ultraschallgeber und dem zweiten Ultraschallempfänger entspricht. Infolgedessen ist der vom Ultraschallsignal zurückzulegende Weg vom Ultraschallgeber zu jedem der Ultraschallempfänger gleich lang.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung sind der erste Ultraschallempfänger und der zweite Ultraschallempfänger in einem bestimmten Winkel zur Strömungsrichtung des Fluides im Strömungssystem derart platziert, dass eine besonders zuverlässige, eindeutige und besonders genaue Messung der Laufzeiten des Ultraschallsignals durchführbar ist. Damit ist auch der Laufzeitunterschied zwischen der Laufzeit des Ultraschallsignals entlang der ersten Messstrecke "stromabwärts" und der Laufzeit des Ultraschallsignals entlang der zweiten Messstrecke "stromaufwärts" deutlich messbar.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung und zur besonders einfachen Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Temperatur des Fluides aus den gemessenen Laufzeiten entspricht der Betrag des Winkels zwischen der stromabwärts ausgerichteten ersten Messstrecke und der Strömungsrichtung des Fluides dem Betrag des Winkels zwischen der stromaufwärts ausgerichteten zweiten Messstrecke und der der Strömungsrichtung entgegen gesetzten Richtung. Somit ist der Einfluss der Bewegungsgeschwindigkeit des Fluides auf das Ultraschallsignal entlang der ersten Messstrecke betragsmäßig gleich dem entlang der zweiten Messstrecke. Hierbei wird das Ultraschallsignal entlang der stromabwärts ausgerichteten ersten Messstrecke positiv beschleunigt, wohingegen das Ultraschallsignal auf der stromaufwärts ausgerichteten zweiten Messstrecke negativ beschleunigt wird.
  • Zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur weist die Vorrichtung zweckmäßigerweise eine Prozessoreinrichtung auf, welche mit dem Ultraschallgeber sowie mit dem ersten und dem zweiten Ultraschallempfänger signalverbindbar ist. Der Prozessoreinrichtung werden Daten über den Abgabezeitpunkt des Ultraschallsignals vom Ultraschallgeber und Daten über Empfangzeitpunkte des Ultraschallsignals von den Ultraschallempfängern zur Verfügung gestellt. In zweckmäßiger Weiterbildung sind die Prozessoreinrichtung sowie der Ultraschallgeber und gegebenenfalls auch die Ultraschallempfänger zum gegenseitigen Austausch von Daten ausgebildet. Der gegenseitige Datenaustausch dient beispielsweise zur Ansteuerung des Ultraschallgebers.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung in einem geschlossenem Strömungssystem vorgesehen, welches insbesondere als Rohrleitung ausgeführt und beispielsweise als Kühlgerät zur Kühlung eines Hochfrequenzsenders einsetzbar ist.
  • In einem geschlossenen Strömungssystem ist es zweckmäßig, den Ultraschallgeber sowie den ersten und zweiten Ultraschallempfänger randseitig des geschlossenen Strömungssystems anzuordnen. Zur Schaffung einer besonders zuverlässigen Ultraschallmessvorrichtung ist der Ultraschallgeber an einer ersten Randseite angeordnet, wohingegen der erste und zweite Ultraschallempfänger an einer der ersten Randseite gegenüberliegenden Randseite des geschlossenen Strömungssystems platziert sind.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Anordnung des ersten und zweiten Ultraschallempfängers im Bereich der Strahlungskeule eines Ultraschallgebers lediglich ein einziger Messvorgang erforderlich ist, welcher eine einmalige Aussendung vorzugsweise eines Ultraschallsignalimpulses umfasst, um Laufzeiten des Impulses entlang einer ersten Messstrecke zwischen dem Ultraschallgeber und dem ersten Ultraschallempfänger und entlang einer zweiten Messstrecke zwischen dem Ultraschallgeber und dem zweiten Ultraschallempfänger zu ermitteln.
  • Des Weiteren ist durch die einmalige Aussendung des Ultraschallsignals in einem festgelegten Zeitintervall die Wahrscheinlichkeit eines Eintretens einer Fehlmessung durch Reflexionen zeitlich vorangehender Impulse oder eines zeitlich vorangehenden kontinuierlichen Signals vergleichsweise gering.
  • Da für die erfindungsgemäße Vorrichtung lediglich ein einziger Ultraschallgeber erforderlich ist, sind ferner Anschaffungs- und Wartungskosten der erforderlichen Bauteile zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vergleichsweise gering. Durch die Möglichkeit der Zusammenschaltung der in der Vorrichtung vorgesehenen Bauteile mit beispielsweise einfachen, abgeschirmten NF-Kabeln sind auch Materialkosten vergleichsweise gering.
  • Dadurch, dass die Messstrecken in deren Weglänge übereinstimmen und der Winkel zwischen der stromabwärts verlaufenden, ersten Messstrecke und der Strömungsrichtung des Fluides dem Winkel zwischen der stromaufwärts verlaufenden, zweiten Messstrecke und der der Strömungsrichtung entgegen gesetzten Richtung entspricht, ist zudem die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Temperatur des Fluides aus gegebenen und gemessenen Größen mit vergleichsweise wenigen Rechenschritten besonders einfach und zügig durchführbar.
  • Außerdem sind das Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Temperatur und die Vorrichtung zu dessen Durchführung sowohl in geschlossenen als auch in offenen Strömungssystemen einsetzbar.
    •
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
  • 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsmäßen Vorrichtung, welche an einer Rohrleitung angeordnet ist, zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit und einer Temperatur eines Fluides gezeigt.
  • In 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung 2 gezeigt, welche an einer Rohrleitung 4 angeordnet ist. Die Vorrichtung 2 ist zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit v und einer Temperatur T eines Fluides 6 ausgebildet, welches im Ausführungsbeispiel als Kühlmedium zur Kühlung eines Hochfrequenzsenders ausgebildet ist und z. B. aus Luft oder Wasser besteht. Das Fluid kann also gasförmig als auch flüssig sein. Das Fluid 6 strömt in einer Strömungsrichtung 8, welche in 1 durch Pfeile gekennzeichnet ist, durch die Rohrleitung 4.
  • Die Vorrichtung 2 umfasst einen Ultraschallgeber 10, welcher an einer ersten Randseite 12 der Rohrleitung 4 angeordnet ist. Weiter umfasst die Vorrichtung 2 einen ersten Ultraschallempfänger 14, welcher hinsichtlich des Ultraschallgebers 10 stromabwärts an einer der ersten Randseite 12 gegenüberleigenden zweiten Randseite 16 der Rohrleitung 4 platziert ist. Zusätzlich zum ersten Ultraschallempfänger 14 ist an der zweiten Randseite 16 ein zweiter Ultraschallempfänger 18 vorgesehen, welcher hinsichtlich des Ultraschallgebers 10 stromaufwärts angeordnet ist.
  • Zwischen dem Ultraschallgeber 10 und dem ersten Ultraschallempfänger 14 erstreckt sich eine erste Messstrecke 20, welche aufgrund der Anordnung des ersten Ultraschallempfängers 14 hinsichtlich des Ultraschallgebers 10 und der im Ausführungsbeispiel gewählten Strömungsrichtung 8 stromabwärts verläuft. Im Gegensatz dazu verläuft eine zweite Messstrecke 22, welche sich zwischen dem Ultraschallgeber 10 und dem zweiten Ultraschallempfänger 18 erstreckt, stromaufwärts.
  • Zudem sind der Ultraschallgeber 10 sowie der erste Ultraschallempfänger 14 und der zweite Ultraschallempfänger 18 im gezeigten Ausführungsbeispiel derart angeordnet, dass ein Abstand sab = s zwischen dem Ultraschallgeber 10 und dem ersten Ultraschallempfänger 14 einem Abstand sauf = s zwischen dem Ultraschallgeber 10 und dem zweiten Ultraschallempfänger 18 entspricht. Der Abstand zwischen dem Ultraschallgeber 10 und dem jeweiligen Ultraschallempfänger 14, 18 entspricht der Weglänge der jeweiligen Messstrecke 20, 22. Dies dient einer besonders einfachen Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit v und der Temperatur T des Fluides 6.
  • Des Weiteren ist sowohl zwischen der Ausrichtung der stromabwärts verlaufenden ersten Messstrecke 20 und der Strömungsrichtung 8 des Fluides 6 ein Winkel αab als auch zwischen der Ausrichtung der stromaufwärts verlaufenden zweiten Messstrecke 22 und einer der Strömungsrichtung 8 entgegen gesetzten Richtung ein Winkel αauf definiert. Zur weiteren Vereinfachung der Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit v und der Temperatur T des Fluides 6 aus gegebenen und gemessenen Größen entspricht im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Ausrichtung der stromabwärts verlaufenden ersten Messstrecke 20 hinsichtlich des Ultraschallgebers 10 in Strömungsrichtung 8 der Ausrichtung der stromaufwärts verlaufenden zweiten Messstrecke 22 entgegen der Strömungsrichtung 8. Demnach entspricht der Winkel αab = α dem Winkel αauf = α. Damit ist der Einfluss der Bewegungsgeschwindigkeit des Fluides 6 auf ein Messsignal entlang der ersten Messstrecke betragsmäßig gleich dem auf das Messsignal entlang der zweiten Messstrecke. Das Messsignal entlang der stromabwärts ausgerichteten ersten Messstrecke wird somit um den gleichen Betrag positiv beschleunigt, um den das Messsignal entlang der stromaufwärts ausgerichteten zweiten Messstrecke negativ beschleunigt wird. Die Erfindung ist jedoch auch für unterschiedliche αauf und αab einsetzbar.
  • Ferner umfasst die Vorrichtung eine Prozessoreinrichtung 24, welche mit dem Ultraschallgeber 10 sowie mit dem ersten Ultraschallempfänger 14 und dem zweiten Ultraschallempfänger 18 zum Austausch von Daten signalverbunden ist.
  • Im Folgenden wird das Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit v und der Temperatur T des Fluides 6 anhand des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert.
  • Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit v und der Temperatur T des durch die Rohrleitung 4 fließenden Fluides 6 wird von dem Ultraschallgeber 10 ein gepulstes Ultraschallsignal abgegeben. Die in einer Strahlungskeule der Ultraschallgebers 10 angeordneten Ultraschallempfänger 14, 18 empfangen einen Impuls des Ultraschallsignals nach einer jeweiligen Laufzeit tab, tauf.
  • Unter der Laufzeit tab ist die Zeit zu verstehen, welche der Impuls benötigt, um die Weglänge s entlang der stromabwärts ausgerichteten ersten Messstrecke 20 von dem Ultraschallgeber 10 zum ersten Ultraschallempfänger 14 zurückzulegen. Unter der Laufzeit tauf ist die Zeit zu verstehen, welche der Impuls benötigt, um die Weglänge s entlang der stromaufwärts ausgerichteten zweiten Messstrecke 22 von dem Ultraschallgeber 10 zum zweiten Ultraschallempfänger 18 zurückzulegen. Die jeweilige Laufzeit tab, tauf ergibt sich aus der Differenz zwischen einem Empfangszeitpunkt tempfang,ab, tempfang,auf bei Empfang des Impulses durch den jeweiligen Ultraschallempfänger 14, 18 und einem Abgabezeitpunkt tabgabe bei Aussendung des Impulses durch den Ultraschallgeber 10. Daten bezüglich des Abgabezeitpunktes tabgabe und der Empfangszeitpunkte tempfang,ab, tempfang, auf werden der Prozessoreinrichtung 24 über Signalleitungen 26, 28, 30 zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit v und der Temperatur T zur Verfügung gestellt.
  • Die Prozessoreinrichtung 24 ermittelt die Strömungsgeschwindigkeit v und die Temperatur T des Fluides 6 durch Berechnung, wie im Folgenden näher erläutert ist.
  • Die Strömungsgeschwindigkeit v ergibt sich aus der Differenz der von der Strömung des Fluides 6 beeinflußten Geschwindigkeiten νab, νauf νdes Ultraschallsignals hinsichtlich der Strömungsrichtung 8 entlang der ersten Messstrecke 20 "stromabwärts" und entlang der zweiten Messstrecke 22 "stromaufwärts", wie folgt:
    Aus
    Figure 00140001
    und
    Figure 00140002
    ergibt sich
    Figure 00150001
    wobei die temperaturabhängige Komponente νT (Schallgeschwindigkeit bei der Temperatur T) bei Subtraktion νab – νauf entfällt und lediglich der Einfluss der Bewegungsgeschwindigkeit να = νcosα des Fluides 6 auf das Ultraschallsignal verbleibt. Durch die Bewegungsgeschwindigkeit να des Fluides 6 wird das Ultraschallsignal entlang der stromabwärts verlaufenden, ersten Messstecke 20 positiv und entlang der stromaufwärts verlaufenden, zweiten Messstrecke 22 negativ beschleunigt.
  • Nach Umformung ergibt sich aus
    Figure 00150002
    die Beziehung
  • Figure 00150003
  • Schließlich ergibt sich hinsichtlich der Strömungsrichtung 8 des Fluides 6 die Strömungsgeschwindigkeit v über να = νcosα aus
    Figure 00150004
  • Letztere Beziehung setzt sich lediglich aus der Weglänge s, der Ausrichtung der Messstrecken 20, 22 hinsichtlich der Strömungsrichtung 8 des Fluides 6 und aus der Differenz der Reziprokwerte der Laufzeiten tab,tauf zusammen.
  • Im Gegensatz zur Strömungsgeschwindigkeit v ergibt sich die Temperatur T des Fluides 6 aus der Beziehung
    Figure 00160001
    welche die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von dem Temperatur beschreibt. Zur Bestimmung der Temperatur ist oben angegebene Beziehung umzuformen in
    Figure 00160002
    wobei K = 273,15K(Kelvin) und ν0 ≈ 331,5 m/s (Schallgeschwindigkeit bei 0°C) zu setzen ist.
  • Im Weiteren ergibt sich die Schallgeschwindigkeit νT aus den gemessenen Laufzeiten tab, tauf und der gegebenen Weglänge s über die Addition der von dem Fluid 6 beeinflußten Geschwindigkeiten νab, νauf des Ultraschallsignals hinsichtlich der Strömungsrichtung 8 des Fluides 6 entlang der ersten Messstrecke 20 "stromabwärts" und entlang der zweiten Messstrecke 22 "stromaufwärts", wie folgt:
    Aus
    Figure 00160003
    und
    Figure 00170001
    ergibt sich durch Addition von νab + νauf die Beziehung
    Figure 00170002
    wobei der Einfluss der Bewegungsgeschwindigkeit να = νcosα des Fluides 6 bei der Addition von νab + νauf eliminiert wird.
  • Nach Umformung der Beziehung
    Figure 00170003
    ergibt sich somit die Schallgeschwindigkeit νT bei gesuchter Temperatur T in Abhängigkeit der gemessenen Laufzeiten tab, tauf und der gegebenen Weglänge s zu
    Figure 00170004
  • Die Temperatur T ergibt sich schließlich aus
    Figure 00180001
  • Zur Vereinfachung wurde im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel von einer laminaren Fluidströmung ausgegangen. Da im Ausführungsbeispiel auch von einem als Gasgemisch (Luft) ausgebildeten Fluid ausgegangen wurde, wurde nicht weiter auf die Frequenzabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit eingegangen. Außerdem wurde von einer Betrachtung der Komprimierbarkeit und der Viskosität des Fluides abgesehen.
  • Wie im Ausführungsbeispiel beschrieben, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur besonders exakten Ermittlung von Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur eines durch ein Strömungssystem fließenden Fluides, da die Messung der Laufzeit eines Messsignals entlang einer Messstrecke "stromabwärts" zeitgleich zu einer Messung der Laufzeit des Messsignals entlang einer Messstrecke "stromaufwärts" durchführbar ist. Des Weiteren sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren alle Messstrecken bestromt. Eine unbestromte und als Referenzstrecke dienende Messstrecke ist somit nicht erforderlich. Ferner weist die zur Durchführung des Verfahrens angegebene, erfindungsgemäße Vorrichtung eine vergleichsweise geringe Anzahl an Bauteilen auf.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit (v) und/oder einer Temperatur (T) eines Fluides (6) mittels Ultraschall mit einer zwischen einem Ultraschallgeber (10) und einem ersten in einem Strömungssystem in Bezug auf den Ultraschallgeber (10) stromabwärts platzierten Ultraschallempfänger (14) ausgebildeten ersten Messstrecke (20) und einer zwischen dem Ultraschallgeber (10) und einem zweiten in Bezug auf den Ultraschallgeber (10) stromaufwärts platzierten Ultraschallempfänger (18) ausgebildeten zweiten Messstrecke (22), wobei alle Messstrecken (20, 22) von dem Fluid (6) durchströmt sind, wobei Laufzeiten (ta b, tauf) innerhalb der Messstrecken (20, 22) eines von dem Ultraschallgeber (10) zu einem Abgabezeitpunkt (tabgabe) abgegebenen Ultraschallsignals gleichzeitig ermittelt und daraus die Strömungsgeschwindigkeit (v) und/oder die Temperatur (T) abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass von dem das Ultraschallsignal aussendenden Ultraschallgeber (10) mindestens ein Impuls abgegeben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Strömungsgeschwindigkeit (v) aus einer Differenz der Reziprokwerte der Laufzeiten (ta b, tauf) der stromabwärts ausgerichteten ersten Messstrecke (20) und der stromaufwärts ausgerichteten zweiten Messstrecke (22), einer Ausrichtung der jeweiligen Messstrecke (20, 22) in Bezug auf eine Stromflussrichtung (8) des Fluides (6) und aus einer Distanz (s) zwischen dem Ultraschallgeber (10) und dem jeweiligen Ultraschallempfänger (14, 18) abgeleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Temperatur (T) aus einer Addition der Reziprokwerte der Laufzeiten (tab, ta uf) der jeweiligen Messstrecke (20, 22) und einer Distanz (s) zwischen dem Ultraschallgeber (10) und dem jeweiligen Ultraschallempfänger (14, 18) abgeleitet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der Impuls von dem Ultraschallgeber (10) in einem bestimmten Zeitintervall wiederholt abgegeben wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das Zeitintervall derart ausgebildet wird, dass jeder Impuls frei von Reflexionen eines diesem Impuls zeitlich vorangehenden Impulses ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem einer Prozessoreinrichtung (24) Daten über den Abgabezeitpunkt (tabgabe) und Empfangszeitpunkte (tempfang) des Ultraschallsignals von dem Ultraschallgeber (10) bzw. dem jeweiligen Ultraschallempfänger (14, 18) zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit (v) und/oder der Temperatur (T) zur Verfügung gestellt werden.
  7. Vorrichtung (2) zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit (v) und/oder einer Temperatur (T) eines Fluides (6), mit einer zwischen einem Ultraschallgeber (10) und einem ersten in einem Strömungssystem in Bezug auf den Ultraschallgeber (10) stromabwärts platzierten Ultraschallempfänger (14) ausgebildete erste Messstrecke (20) und einer zwischen dem Ultraschallgeber (10) und einem zweiten in Bezug auf den Ultraschallgeber (10) stromaufwärts platzierten Ultraschallempfänger (18) ausgebildete zweite Messstrecke (22), wobei alle Messstrecken (20, 22) von dem Fluid (6) durchströmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Ultraschallgeber (10) ausgesandte Ultraschallsignal gepulst ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Distanz (sab) zwischen dem Ultraschallgeber (10) und dem ersten Ultraschallempfänger (14) einer zweiten Distanz (sauf) zwischen dem Ultraschallgeber (10) und dem zweiten Ultraschallempfänger (18) entspricht.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messstrecke (20) in einem ersten Winkel (αab) zu einer Stromflußrichtung (8) und die zweite Messstrecke (22) in einem zweiten Winkel (αauf) zu einer der Stromflussrichtung (8) entgegen gesetzten Richtung ausgerichtet sind, wobei der Betrag des ersten Winkels (αab) dem Betrag des zweiten Winkels (αauf) entspricht.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ultraschallempfänger (14) und der zweite Ultraschallempfänger (18) zum Empfang des Ultraschallsignals im Bereich einer Strahlungskeule des Ultraschallgebers (10) angeordnet sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine mit dem Ultraschallgeber (10), dem ersten Ultraschallempfänger (14) und dem zweiten Ultraschallempfänger (18) signalverbindbare Prozessoreinrichtung (24) zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit (v) und/oder der Temperatur (T) aus von dem Ultraschallgeber (10) zur Verfügung gestellten Daten über einen Abgabezeitpunkt (tabgabe) des Ultraschallsignals und aus von dem ersten Ultraschallempfänger (14) und dem zweiten Ultraschallempfänger (18) zur Verfügung gestellten Daten über Empfangszeitpunkte (tempfang,ab, tempfang,auf) des Ultraschallsignals.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallgeber (10) an einer ersten Randseite (12) des Strömungssystems, welches als geschlossenes Strömungssystem ausgeführt ist, und der erste Ultraschallempfänger (14) sowie der zweite Ultraschallempfänger (18) an einer der ersten Randseite (12) gegenüberliegenden zweiten Randseite (16) angeordnet sind.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungssystem als Rohrleitung (4) ausgeführt ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das als ein Kühlmedium ausgebildete Fluid (6) zur Kühlung eines Hochfrequenzsenders durch die Rohrleitung (4) fließt.
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