DE1244451B - Arrangement for measuring the speed of a flowing medium - Google Patents

Description

Anordnung zur Messung der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums, bei dem auf einer Meßstrecke von definierter Länge ein Ultraschallimpuls von einem Geber zu einem Empfänger gesendet wird und der empfangene Impuls jeweils den nächsten Sendeimpuis auslöst, so daß die Impulsfrequenz ein Maß für die Laufzeit des Impulses und der Unterschied der Impulsfrequenzen bei Messung in Richtung und entgegen der Richtung der Strömung ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist und bei dem die Funktionen von Geber und Empfänger in einem bestimmten Rhythmus vertauscht werden. Hierbei wird ein sogenanntes Kreislauf-Impulsverfahren angewendet.Arrangement for measuring the speed of a flowing medium The invention relates to an arrangement for measuring the speed of a flowing medium, in which an ultrasonic pulse over a measuring section of a defined length is sent from a transmitter to a receiver and the received pulse respectively triggers the next transmission pulse, so that the pulse frequency is a measure of the running time of the pulse and the difference in pulse frequencies when measuring in direction and against the direction of the flow is a measure of the flow velocity and in which the functions of giver and receiver in a certain rhythm be swapped. A so-called circulatory impulse method is used here.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art werden die Impulse einer elektronischen Zähleinrichtung zugeführt, die jeden n-ten, z. B. 1000sten Impuls heraushebt; dieser Impuls wird in einer Registriereinrichtung aufgezeichnet. Sodann wird die Sendeeinrichtung umgekehrt und wiederum jeder n-te Impuls aufgezeichnet, so daß der Abstand der beiden Markierungen ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. Hierbei wird also der Unterschied zwischen den Zeiten gemessen, die der Ultraschall zu einer Überquerung der Meßstrecke in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung benötigt. Es handelt sich somit um eine direkte Laufzeitdifferenzmessung. In a known arrangement of this type, the pulses are a electronic counter supplied, which every n-th, z. B. 1000th pulse highlights; this pulse is recorded in a recorder. Then the transmitter is reversed and every nth pulse is recorded again, so that the distance between the two marks is a measure of the flow velocity is. Here, the difference between the times that the ultrasound is measured is measured to cross the measuring section in the direction of flow and against the direction of flow needed. It is therefore a direct transit time difference measurement.

Die Schwierigkeit, extrem kurze Zeitspannen zu messen, wird bei der bekannten Anordnung dadurch umgangen, daß eine große Anzahl von Impulsumläufen gesammelt und dann erst eine Auswertung vorgenommen wird. Dieses Ansammeln hat den Nachteil, daß kurzzeitige Änderungen in den Strömungsbedingungen nicht wahrgenommen werden. The difficulty of measuring extremely short periods of time becomes apparent in the known arrangement bypassed in that a large number of pulse cycles are collected and only then is an evaluation carried out. This accumulation has the disadvantage that short-term changes in the flow conditions are not perceived.

Der Hauptnachteil des Verfahrens der direkten Laufzeitdifferenzmessung liegt jedoch darin, daß die Schallgeschwindigkeit in die Formel zur Berechnung der Durchflußgeschwindigkeit in voller Größe quadratisch eingeht, so daß geringfügige Änderungen der Schallgeschwindigkeit bereits die Meßunsicherheit vergrößern. Eine Temperaturänderung von nur 0,10 C bringt bereits eine Änderung der Schallgeschwindigkeit von 0,2 0/ovo mit sich, was bei höheren Anforderungen an die Meßgenauigkeit und/oder großen zu erwartenden Temperaturdifferenzen die bekannte Anordnung praktisch unbrauchbar werden läßt.The main disadvantage of the method of direct time difference measurement lies in the fact that the speed of sound is included in the formula for calculating the Flow rate is received in full size quadratically, so that insignificant Changes in the speed of sound already increase the measurement uncertainty. One A change in temperature of only 0.10 C brings about a change in the speed of sound of 0.2 0 / ovo with it, which is with higher demands on the measurement accuracy and / or large expected temperature differences, the known arrangement is practically unusable can be.

Diese Nachteile werden bei einer Anordnung eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch >ermieden, daß die Funktionen von Geber und Empfänger nach konstanten Zeitintervallen vertauscht werden und die Impulse einem Differenzzähler zugeführt werden, in dem die Differenz der Impulszahl pro Zeitintervall bei Messung in Richtung der Strömung und bei Messung entgegen der Richtung der Strömung gebildet wird. These disadvantages are avoided in the case of an arrangement of the type mentioned at the beginning according to the invention thereby> avoided that the functions of transmitter and receiver swapped after constant time intervals and the pulses a differential counter in which the difference in the number of pulses per time interval during measurement in the direction of the flow and when measured against the direction of the flow will.

Es handelt sich hierbei um eine Weiterentwicklung des Kreislauf-Impulsverfahrens im Sinne einer Vereinfachung sowohl der Arbeitsweise als auch der benötigten Apparatur, ohne daß dabei die bei der bekannten Anordnung auftretenden Meßungenauigkeiten vorkommen. Die aufwendige Registriereinrichtung der bekannten Anordnung fällt weg; statt des dort verwendeten Zählers wird bei der Anordnung nach der Erfindung ein anzeigender, vor- und rückwärts zählender Zähler verwendet. This is a further development of the circulatory impulse process in the sense of a simplification of both the working method and the required equipment, without the measurement inaccuracies occurring in the known arrangement occurring. The complex registration device of the known arrangement is omitted; instead of The counter used there is in the arrangement according to the invention an indicating, up and down counting counter used.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. The invention will now be illustrated by means of one in the drawing Embodiment explained in more detail.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform nach der Erfindung zeigt; F i g. 2 zeigt elektrische Wellen, die in dem elektrischen Stromkreis der F i g. 1 auftreten. Fig. 1 is a block diagram showing an embodiment of the invention shows; F i g. FIG. 2 shows electrical waves generated in the electrical circuit of FIG F i g. 1 occur.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Wandler bezeichnet, der einen elektrischen Impuls in einen Ultraschallimpuls umwandelt. Dieser Wandler kann z. B. aus Quarz oder Bariumtitanatkeramik bestehen oder ein magnetostriktiver Vibrator sein. Der von dem Wandler 1 übertragene Ultraschallimpuls geht gerade durch einen Schuh 2 hindurch und trifft auf die Rohroberfläche in einem Auftreffwinkel Oj. Als Material für den Schuh ist in vielen Fällen Kunststoff am geeignetsten, durch das die Schallgeschwindigkeit als Cp angenommen wird. Die Ultraschallwelle, die auf die Rohrwand 3 auftrifft, wird in einem Brechungswinkel O-., gebrochen, wenn die Schallgeschwindigkeit durch die Rohrwand 3 mit Cw angenommen wird. Wenn man ferner annimmt, daß die Schallgeschwindigkeit durch die Flüssigkeit C beträgt, dann geht der Ultraschallstrahl in die Fliissigkeit mit einem Brechungswinkel 93 ein, In solchen Fällen gilt folgendes Snellsches Gesetz: Cp - Cw C sin 0, sin O2 - sin O (1) Es sei festgestellt, daß die obige Gleichung zutrifft, egal ob der Wellentyp in dem Rohr nun eine Längs- oder Scherwelle ist. Der Ultraschallstrahl, der gerade durch die Flüssigkeit 4 hindurchgegangen ist, tritt in die Rohrwand 5 ein, durchläuft den Schuh 6 und wird vom Wandler 7 empfangen. Hierbei kann die Beziehung der Brechungswinkel, wenn die entsprechenden Materialien den obenerwähnten ähnlich sind, ebenfalls durch Formel (1) dargestellt werden. In Fig. 1, 1 denotes a converter which has an electrical Converts pulse into an ultrasonic pulse. This converter can e.g. B. made of quartz or barium titanate ceramic or be a magnetostrictive vibrator. Of the The ultrasonic pulse transmitted by the transducer 1 is going straight through a shoe 2 through and hits the pipe surface at an angle of incidence Oj. As material for In many cases, the shoe is made of plastic, which increases the speed of sound is assumed to be Cp. The ultrasonic wave that hits the pipe wall 3, is refracted at a refraction angle O-., when the speed of sound passes through the pipe wall 3 is assumed to be Cw. If one also assumes that the speed of sound through the liquid is C, then the ultrasonic beam goes into the liquid with an angle of refraction 93, In such cases the following Snell's law applies: Cp - Cw C sin 0, sin O2 - sin O (1) It is noted that the above equation applies regardless of whether the wave type in the pipe is a longitudinal or a shear wave. The ultrasonic beam that has just passed through the liquid 4, enters the pipe wall 5, passes through the shoe 6 and is received by the transducer 7. Here, the relationship of the angle of refraction, if the appropriate materials similar to those mentioned above can also be represented by formula (1).

Durch den im Wandler 7 empfangenen Ultraschallimpuls wird ein elektrischer Impuls erzeugt, der als Eingangssignal über einen Umschalter 8 einem elektrischen Sender-Empfänger 9 zugeführt wird. Hierbei wird das Eingangssignal verstärkt und das Ausgangssignal über den Schalter 8 an den Wandler 1 angelegt. Der Wandler 1 wandelt einen elektrischen Impuls in einen Ultraschallimpuls um, der in den Schuh 2 übertragen wird. The ultrasonic pulse received in the transducer 7 becomes an electrical Pulse generated as an input signal via a switch 8 to an electrical Transceiver 9 is supplied. The input signal is amplified and the output signal is applied to the converter 1 via the switch 8. The converter 1 converts an electrical impulse into an ultrasound impulse that enters the shoe 2 is transmitted.

Solch ein beschriebenes bekanntes System wird als Kreislaufsystem (sing-around system) bezeichnet, in welchem elektrische Impulse und Ultraschallimpulse im Wechsel zueinander umgewandelt werden, um im Kreis zu laufen, wobei eine Umlaufperiode eine Kreislaufperiode und ihr Reziprnkwert Kreislauffrequenz genannt wird. Such a described known system is called a circulatory system (sing-around system) denotes in which electrical impulses and ultrasonic impulses are converted in alternation to each other to go in a circle, being a period of revolution a circulatory period and its reciprocal is called the circulatory frequency.

Wenn die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung mit V und der Winkel zwischen der Vorwärtsrichtung des Ultraschallstrahles und der Richtung der Flüssigkeitsströmung mit 0 bezeichnet wird, wobei 0- = 9(}O - Q ist, dann ist die für die Fortpflan zung des Ultraschallimpulses durch die Flüssigkeit erforderliche Zeit, im Falle, daß die Fortpflanzungsrichtung in Richtung der Strömung ist, D sin 0 C+Vcosowobei D der Durchmesser des Rohres ist. Im Falle der Fortpflanzungsrichtung entgegen der Strömung ist die erforderliche Zeit D sin 8 C-VcosO-Wird nun angenommen, daß die Summe der für die Fortpflanzung der Ultraschallwelle durch die Schuhe und die Wände erforderlichen Zeit und der Yerzögerungszeit der elektrischen Schaltung in dem elektrischen Sender-Empfänger gleich T ist, dann ist die Kreislaufperiode für den Fall, daß der Ultra- schallstralal niit oder entegengesetzt der Strömung verläuft: Da in normalen Fällen die Schallgeschwindigkeit C durch die Flüssigkeit sehr groß ist, verglichen mit der Strömungsgeschwindigkeit V, und für große Rohrdurchmesser die Fortpfianzungszeit größer ist als andere Verzögerungszeiten T, ergibt sich die Kreislauffrequenz, entsprechend Formeln (2) und (3), als: wobei angenommen wird, daß 1> sinD-Wenn man die Differenz zwischen beiden nimmt, ist Daraus ergibt sich, daß die Strömungsgeschwindigkeit gefunden werden kann, indem die Kreislauffrequenz in beiden Richtungen, in denen der Ultraschallstrahl mit und entgegengesetzt der Strömung verläuft, gemessen und die Differenz zwischen diesen beiden Werten angenommen wird.If the velocity of the liquid flow is denoted by V and the angle between the forward direction of the ultrasonic beam and the direction of the liquid flow is denoted by 0, where 0- = 9 (} O - Q, then that is necessary for the propagation of the ultrasonic pulse through the liquid Time, in the case that the direction of propagation is in the direction of the flow, D sin 0 C + Vcoso, where D is the diameter of the pipe. In the case of the direction of propagation against the flow, the time required is D sin 8 C-VcosO-It is now assumed that the sum of the time required for the propagation of the ultrasonic wave through the shoes and the walls and the delay time of the electrical circuit in the electrical transceiver is equal to T, then the cycle period in the event that the ultrasonic wave is at or opposite to the flow runs: Since in normal cases the speed of sound C through the liquid is very high compared to the flow speed V, and for large pipe diameters the propagation time is greater than other delay times T, the circulatory frequency, according to formulas (2) and (3), results as: where it is assumed that 1> sinD-If one takes the difference between the two It follows that the flow velocity can be found by measuring the circulatory frequency in both directions in which the ultrasonic beam travels with and opposite the flow and by assuming the difference between these two values.

Zu diesem Zweck werden die Wandler 1 und 2 wechselweise auf Übertragung und Empfang in gleichen Zeitintervallen umgeschaltet. Genauer gesagt, wird in einem Generator 10 für periodische Signale ein Synchronsignal in gleichen Zeitintervallen erzeugt, wie in Fig. 2 bei (A) gezeigt. Durch dieses Signal wird der Schalter 8 umgeschaltet und damit die Umschaltung der erwähnten Wandler bewirkt. For this purpose, converters 1 and 2 are alternately on transmission and reception switched at equal time intervals. More precisely, is in one Periodic signal generator 10 sends a synchronous signal at equal time intervals is generated as shown in Fig. 2 at (A). This signal turns switch 8 switched and thus causes the switching of the converters mentioned.

Hierdurch wird das Ausgangssignal des Sender-Empfängers 9 aufeinanderfolgend so geschaltet, daß die Richtung des Ultraschallstrahles stromabwärts, stromaufwärts, stromabwärts usw. in gleichen Zeitabständen verläuft, so daß sich das in F i g. 2 (B) gezeigte Ergebnis ergibt.This makes the output signal of the transceiver 9 successive switched so that the direction of the ultrasonic beam downstream, upstream, downstream etc. runs at equal time intervals, so that the in FIG. 2 (B) gives the result.

Als nächstes wird an Hand von Fig. 1 eine Anordnung beschrieben, durch die A f f1 -f-, wie in F i g. 2 (C) gezeigt, von dem obenerwähnten Signal erhalten wird. Dieses Beispiel bezieht sich auf eine integrale Anzeige, aber um einen sofortigen Strömungswert zu erhalten, kann ein umkehrbarer Zähler verwendet werden. Next, an arrangement will be described with reference to FIG. 1, by the A f f1 -f-, as shown in FIG. 2 (C) of the above-mentioned signal is obtained. This example refers to an integral display, but um To get an instant flow reading, a reversible counter can be used will.

Ein Impulsmotor 11 wird verwendet, dessen Ausgangssignal einen ZähIerl2 betreibt. Die Umdrehung des Impulsmotors 11 wird in Abhängigkeit vom Synehronsignal umgekehrt. Durch das Ausgangssignal des Synchron-Signaigenerators 10 wird nämlich sowohl der Schalter 8 als auch ein Schalter 13 umgeschaltet. Hierdurch wird durch Einschalten eines Phasenschieberkondensators 14 die Drehrichtung des Impulsmotors aufeinanderfolgend synchron mit der Umschaltung der Wandler umgekehrt, wodurch man, wie oben erwähnt, sf 1 = f,-fn erhält. A pulse motor 11 is used, the output of which is a counter2 operates. The rotation of the pulse motor 11 is dependent on the sync signal vice versa. By the output signal of the synchronous signal generator 10, both the switch 8 and a switch 13 are switched over. Through this is by switching on a phase shift capacitor 14, the direction of rotation of the Pulse motor reversed in succession synchronously with the switchover of the converter, whereby, as mentioned above, one obtains sf 1 = f, -fn.

In der praktischen Anwendung sind ein Wandler und ein Schuh miteinander befestigt, so daß sie eine Sonde darstellen. Ein Ultraschalldetektor kann verwendet werden, wodurch die Sonden an solchen Stellen montiert werden, daß die kräftigste Welle durch die Flüssigkeit empfangen werden kann. Dann trifft die Gleichung (1) zu. In practical use, a transducer and a shoe are related to each other attached so that they represent a probe. An ultrasonic detector can be used be mounted, whereby the probes are mounted in such places that the strongest Wave can be received through the liquid. Then equation (1) applies to.

Als nächstes wird (ft+2) durch einen elektronischen Rechner erhalten. Da dann ist, wird aus Formel (6): d f = fs C t V. (8) C, Da 0, bekannt ist und Cp vorher experimentell bestimmt werden kann, kann man die Strömungsgeschwindigkeit erhalten, ohne das Material, die Wandstärke und den Durchmesser des Rohres, und die Art, Temperatur und Druck usw. der Flüssigkeit zu kennen.Next, (ft + 2) is obtained by an electronic calculator. There then is, from formula (6): df = fs C t V. (8) C, Since 0, is known and Cp can be determined experimentally beforehand, the flow velocity can be obtained without the material, the wall thickness and the diameter of the Pipe, and to know the type, temperature and pressure etc. of the fluid.

Obwohl sich die Beschreibung auf eine Strömungsmessung von in Rohren fließenden Flüssigkeiten bezieht, kann das Rohr auch als offener Kanal ausgebildet sein. Although the description refers to a flow measurement in pipes refers to flowing liquids, the pipe can also be designed as an open channel be.

Weiterhin kann, wenn die Messung von außerhalb des Rohres schwierig ist, im Falle von Gas u. ä. die Vorderfläche der Sonden mit dem zu messenden Fluidum in Berührung sein. Furthermore, if the measurement from outside the pipe can be difficult is, in the case of gas and the like, the front surface of the probes with the fluid to be measured be in touch.

Claims (1)

Patentanspruch: Anordnung zur Messung der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums, bei dem auf einer Meßstrecke von definierter Länge ein Ultraschallimpuls von einem Geber zu einem Empfänger gesendet wird und der empfangene Impuls jeweils den nächsten Sendeimpuls auslöst, so daß die Impulsfrequenz ein Maß für die Laufzeit des Impulses und der Unterschied der Impulsfrequenzen bei Messung in Richtung und entgegen der Richtung der Strömung ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist und bei dem die Funktionen von Geber und Empfänger in einem bestimmten Rhythmus vertauscht werden, d a -durch gekennzeichnet, daß die Funktionen von Geber und Empfänger nach konstanten Zeitintervallen vertauscht werden und die Impulse einem Differenzzähler zugeführt werden, in dem die Differenz der Impulszahl pro Zeitintervall bei Messung in Richtung der Strömung und bei Messung entgegen der Richtung der Strömung gebildet wird. Claim: Arrangement for measuring the speed of a flowing Medium in which an ultrasonic pulse is generated over a measuring section of a defined length is sent from a transmitter to a receiver and the received pulse respectively triggers the next transmission pulse, so that the pulse frequency is a measure of the running time of the pulse and the difference in pulse frequencies when measuring in direction and against the direction of the flow is a measure of the flow velocity and in which the functions of giver and receiver in a certain rhythm be interchanged, d a -characterized in that the functions of the transmitter and receiver are swapped after constant time intervals and the pulses a differential counter in which the difference in the number of pulses per time interval during measurement in the direction of the flow and when measured against the direction of the flow will. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1076 980; britische Patentschrift Nr. 855 650; USA.-Patentschrift Nr. 2844961; Zeitschrift »Voith Forschung und Konstruktion«, H. 3 vom August 1958, S, 1,1 bis 1,40. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1076 980; British Patent No. 855,650; U.S. Patent No. 2844961; magazine "Voith Research and Construction", issue 3 from August 1958, p. 1.1 to 1.40.