DE1962649A1

DE1962649A1 - Verfahren und Vorrichtung fuer die Messung von Gasstroemungsraten

Info

Publication number: DE1962649A1
Application number: DE19691962649
Authority: DE
Inventors: Parkinson Michael John
Original assignee: British Coal Utilization Research Association Ltd
Current assignee: British Coal Utilization Research Association Ltd
Priority date: 1968-12-16
Filing date: 1969-12-13
Publication date: 1970-07-02
Also published as: GB1274214A

Description

Beschreibung zum Patentgesuch

der British Coal Utilisation Research Association, Randalls Road, Leatherhead, Surrey, England

betreffend:

"Verfahren und Vorrichtung für die Messung von Gasströmungsraten"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Iiessung von Gasströmungsraten.

Bei der Steuerung industrieller Prozesse ist es oft erforderlich, Gasströmungsraten zu erfassen. Verfahren hierfür unter Benutzung von Ultraschallwellen sind vorgeschlagen worden, doch mtlßte bei diesen bekannten Verfahren zur Berechnung der Gasströrnungsrate die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in dem Gas ebenfalls bekannt sein. Diese bekannten Verfahren bestanden im allgemeinen darin, daß die ochallausbreitungsgeschwindigkeit durch Bestimmung der Partialdrücke der Gaskomponenten mittels Analyse einer Casprobe erfolgte. Diese Prozedur liefert jedoch im allgemeinen keine nehv genauen Werte für die Ausbreitungsgeschwindigkeit dos Schalls, und die Zeit, die für die erforderlichen Messungen benötigt wird, führt zu Schwierigkeiten, wenn, was oft der Pail lot, die Temperatur und die Zusammensetzung des Gases sich ychneLl ändern.

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BAD ORiGiNAL

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur L'essunr von Gasströmungsrai/en bzw. fcisgeschwindigkelten zu scha ff en, das mit Ultraschallwellen arbeite^ bei dem jedoch keine besondere Analyse von Gasproben erforderlich ist. Das Verfahren gemtlis der Erfindung ist zur Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet ₃ daß ein erstes akustisches Signal durch iias Gas stromaufwärts aus gesandt wird, daß ein zweites akustisches Signal durch das Gas stromabwärts ausresandt wird, v;elche beiden Signale die gleiche bekannte Frequenz und eine bekannte Phasenbeziehung an den Aussendepunkten besitzen j daß die ersten und zweiter: Signale nach ihrem Durchlauf über bekannte Laufstrecken empfangen v/erden, daß ein resultierendes von der Gesamtphasendifferenz zwischen den ersten und zweiten Signalen an ihren jeweiligen Empfangspunkten abhängendes Signal abgeleitet wird, daß ein drittes akustisches Signal bekannter Frequenz durch aas Gas in einer Ric-htung senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases ausgesandt wird, daß das dritte Signal nach dem Durchlauf über eine bestimmte Laufstreckenlänge empfangen wird, daß entweder ein von der Gesamtphasendifferenz des dritten Signals an seinem Ausseiidepunkt und an seinem Empfangspunkt abhängendes Signal abgeleitet wird bei bekannter Laufstr-ieckenlänge oder_ daß die Laufstreckenlänge desiüritten Signals im Gas um einen bekannten Betrag verändert wird und ein Signal abgeleitet wird abhängig von der Gesamtphasendifferenz des dritten Signals an seinem Empfangspunkt vor und nach der Laufstreckenänderung und daß schließlich das von der Gesamtphasendifferenz zwischen erstem und zweitem Signal abhängende Signal mit dem von der Gesamtphasendifferenz des dritten Signals abhängenden Signal kombiniert wird zur Ableitung eines Maßes für die Gasströmungsrate.

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Gemäß der Erfindung uird ferner eine Vorrichtung zur Durchführung deβ Verfahrens vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch eine Einrichtung für die Ausbreitung eines ersten akustischen "signals durch das Gas stromaufwärts, durch eine Einricht imp: für die Ausbreitung eines zweiten akustischen Signals j L welche Einrichtungen so ausgebildet sind, daß die beiden akustischen Signale die gleiche bekannte Frequenz besitzen und eine bekannte Phasenbeziehung an ihren jeweiligen Ausbreitungspunkten aufweisen, durch einen ersten Empfänger für den Empfang des ersten Signals, der an einem Punkt stromaufwärts und unter einem bekannten Abstand von dem Ausbreitun;-:;=- punkt des ernten Signals angeordnet ist, durch einen zweiten Empfänger für den Empfang des zweiten Signals an einem Punkt stromabwärts unter einem bekannten Abstand von dem Ausbreitungspunkt des zweiter Signals, durch eine Einrichtung für die Ermittlung eincfj resultierenden Signals in Abhängigkeit von der Gesamtphasencifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal an ihren jeweiligen Empfangspunkten, durch eine Einrichtung für aie Ausbreitung eines dritten akustischen Signals bekannter Frequenz durch das Gas in einer Richtung senkrecht zur Gasströi'-.ungsriehtung, durch einen dritten Empfänger für den Empfang des dritten Signals nach dessen Durchlaufen einer vorgegebenen Laufstrecke, durch entweder eine Einrichtung für die Ableitung eines Signals abhängig von der Gesamtphasendifferenz des dritten Signals an seinem Ausbreitungspurit und an seinen Empfangsnunkt, v/elcher dritte Empfänger angeordnet ist unter einem bekannten Abstand von der dritten Ausbreitungseinrichtung, oder durch eine Einrichtung für die Änderung der Laufstrecke des dritten Signals im Gas um einen bekannten Betrag und durch eine Einrichtung für das Ableiten eines Signals abhängig von der Gesamtphasendifferenz des dritten Signals an seinen Empfangspunkt vor und nach der Laufstreckenlängenänderung sowie durch eine Einrichtung für die Kombination

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des Signals, das abhängt von der Gesamtphasendifferens der ersten und zweiten Signale mit dem Signal, das abhängt von der Gesamtphasendifferenz.des dritten Signals ₃ welches Endsignal ein Haß für die Strümungsrate oder Strömungsgeschwindigkeit des Gases ist.

Sowohl die Gesamtphasendifferenz zwischen einem stromaufwärts ausgesandten Signal und einen stromabwärts ausgesandten Signal über bekannte Lauflängen wie auch die gesamte Phasendifferenz eines Signals, das quer zur Strömungsrichtung entweder an seinem Aussende- und seinem Empfangspunkt gemessen wird oder an seinem Empfangspunkt vor und nach der Längenänderung der Laufstrecke hängen von der Schallgeschwindigkeit im Gas und der mittleren Gasgeschwindigkeit ab. Darüber hinaus enthalten die Gleichungen für die Gesamtphasendifferenz sowohl Funktionen der Differenz zwischen dem-Quadrat der Schallgeschwindigkeit im Gas als auch dem Quadrat der mittleren Gasgeschwindigkeit. Demgemäß können die Messungen der Gesamtphasendifferenzen leicht kombiniert werden, um eine Messung der Gasstrümungsrate oder Gasgeschwindigkeit zu ergeben.

Vorzugsweise laufen die ersten und zweiten Signale über gleiche Strecken.

Wenn das dritte Signal als eine \ontinuierliche Sinuswelle ausgesandt wird und der Abstand zwischen seinem Aussendepunkt und seinem Empfangspunkt derart ist, daß die Laufzeit des Signals zwischen den Punkten kleiner ist als die Periode der Welle, so ist die Phasendifferenz des Signals an diesen beiden Punkten die Gesamtphasendifferenz. In der gesamten Beschreibung wird der Ausdruck "Gesamtphasendifferenz" gebraucht, um die Phasendifferenz einschließlich aller ganzen Vielfachen

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zu kennzeichnen
von 2TTjVmId der Ausdruck "Phasendifferenz" wird verwende für die Phasendifferenz unter Ausschluß Vielfacher von 2 TT'. In Fällen, wo die Gesamtphasendifferenz nicht Vielfache von 2Tf umfaßt, ist natürlich die Gesamtphasendifferenz gleich der Phasendifferenz. Wenn jedoch die Laufzeit langer ist als die Periode (und dies ist im allgemeinen der Fall), so wird die Gesamtphasendifferenz des Signals an seinem Aussendepunkt U:id an seinem Empfangspunkt ein ganzes Vielfaches von 2 Tf u.nfassen, welches Vielfache nicht von einer direkten Messung dar Phasendifferenz an diesen beiden Punkten aus ermittelt worden kann. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, kann ein einziger akustischer Imnuls übertragen werden. V/enn es jedoch erwünscht ist, eine kontinuierliche Sinuswelle zu verwenden, so kann die Amplitude oder die Frequenz der Welle moduliert v/erden mit einem periodischen Signal, dessen Periodendauer größer ist als die Laufzeit des Signals vom Aussendepunkt bis zum Empfangspunkt, so daß die Gesamtphasendifferenz des dritten Signals an den beiden Punkten gemessen wird bezüglich der Periode des I-Iodulationssignals (und daß die Gesamtphasendifferenz dann wieder gleich der Phasendifferenz ist). Wenn vorgesehen sein soll, die Änderung der Gesamtphasendifferenz zu messen, wenn das Gas von Ruhe bis auf die zu messende Strömungsgeschwindigkeit beschleunigt wird, so kann auch Frequenzteilung angewandt werden.

Vorzugsweise wird jedoch die Laufstrecke des dritten Signals um einen bekannten Betrag geändert, und die Gesarntlha3endifferenz des Signals an seinem Empfangspunkt vor und nach der Laufstreckenänderung wird gemessen. Um die Laufstrecke zu verändern, kann der Empfangspunkt beweglich gemacht sein. Falls ale Änderung der LaufstreckenMnge kleiner ist als ein - Oaazeu der auftretenden Wellenlänge (d.h. der Wellenlänge des ÜLifialüf bezüglich dessen die Phasendifferen-z zu messen ist), go kann die Phasendifferenz erhalten werden durch einen

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direkten Vergleich der Phasen des Signals vor unu nach der Laufstreckenänderung. Vorzugsweise wird jedoch die Laufstreckenlänsre geändert um einen E.etrarc₃ der größer ist als eine ,.-arize auftretende Wellenlänge^ und die Anzahl c.er ganzen auftretenden './ellenlangen, die in dem Abstanc ontl.-.. Iteri sind, urn. den die Laufstrecke geändert trirü, wird err.ilttolt. Dies l;ann mittels eines ^uIl-Durch-'angsmeßgeräts gesehen miu zugeordneten Schaltkreisen um zu rrühlen, wie oft axe wellenform des dritten Signals durch Juli r.eht während der ^uaerun- der LaufStreckenlänge für das dritte Signal.

Vorzugsweise wird aas dritte akustische Signal in einer Richtung senkrecht zur Strümungsrichtung des Gases ausgesandt, reflektiert von einem Reflektor in die entgegengesetzte fiichtung und empfangen an einem Punkt na^e seinem Aussendepunkt. Diese Anordnung ermöglicht, daß die Pfadlänge des Signals durch Einstellung des Abstands des Reflektors von dem Aussende- bzw. Empfangspunkt verändert werden kann, welche selbst nicht bewegt zu werden brauchen. Vorzugsweise wlrdiüer Reflektor mittels einer pneumatischen oder hydraulischen Betätigungseinrlchtunt; bewegt.

Wenn die ersten und zweiten Signale selbst atich kontinuierliche Sinuswellen sind, können die Laufstreckenlängen der Signale vorzugsweise so gewählt werden₃ daß für eine vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit des Gases der Unterschied der Laufzeit des ersten und zweiten Signals geringe*· ist als eine Periode der Welle. Wenn die Laufzeitdlfferenz länger ist als diese Periode, so können einzelne akustische Impulse übertragen werden,oder das erste und zweite Signal können kontinuierliche Sinuswellen sein, deren Amplitude oder Frequenz in ähnlicher Welse,wie für das dritte Signal bescliieben, von einem periodischen Signal moduliert werden kann, dessen Periode größer 1st als die Zeitdifferenz, wobei also die Gesamtphasendifferenz der beiden Signale an ihren beiden jeweiligen Empfangspunkten gemessen wird bezüglich der

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Periode des Ilodulationssignals (derart, daß also die Gesamtphasendifferenz wiederum der einfachen Phasendifferenz gleich ist). Auch liier kann gegebenenfalls eine Frequenzteilung vorgesehen werden.

Bei der Messung der Phasendifferenz zwischen den ersten und zweiten Signalen können Schwierigkeiten auftauchen, falls Streuwellen, welche von den Wandungen der Leitung, in der sich das Gas bewegt, die Empfangspunkte erreichen. Vorzugsweise werden deshalb Sender eingesetzt, die ein akustisches Strahlenbündel von so geringer Uinkclausdehnung aussenden und die so relativ zu i; ren Jeweiligen Empfängern angeordnet sind, daß reflektierte Streuwellen, die den Empfänger erreichen könnten, in wesentlichen ausgelöscht v/erden oder ihre Intensität erheblich herabgesetzt wird. Vorzugsweise ist ein solcher enger· Winkel jeweils eines der Bündel kleiner alc 50°, und j edel⁴ der die Sender und Empfänger verbindenden Achsen steht unter einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung des Gases zwischen i)9° und 16°.

Vorzugsweise wird ein akustische Wellen absorbierendes i-Iaterial, beispielsweise Gummi, verwendet, um die Streuwellen zu absorbieren, die sonst von den Wandungen der Leitung reflektiert würden*

Vorzugsweise wird das erste akustische Signal durch das Gas/stronaufwärts ausgebreitet, reflektiert und dann empfangen, und dann wird das zweite akustische Signal stromabwärts ausgebreitet, reflektiert und empfangen. Demgemäß kann jeder der ersten und zweiten Empfänger auf derselben Seite der Leitung positioniert weraen, durch die das Gas strömt, wie sein entsprechender Sender, was die Kessung des Abstandes zwischen jedem Empfänger und seinem entsprechenden Sender leichter macht.

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Wenn darüber hinaus die Gasströinungsgeschv.indigkeit sich so stark ändert, daß - um eine Zeitdifferenz zwischen den Signalen beim Empfang zu erreichen,, die kleiner ist als eine ganze Periode der Welle sowohl bei den niedrigsten als auch bei den höchsten Gasströmungsgeschwindigkeiten - der Abstand, gemessen in einer Fichtung parallel zur Strömungsrichtung des Gases zwischen dem Sender und dem Empfänger für jedes der ersten und zweiten Signale sehr klein gemacht v/erden muß, ist es leichter,, einen solchen kleinen Abstand genau einzustellen, wenn der Sender und der Emr fänger für jedes Signal auf der gleichen Seite der Leitung angeordnet werden. Haterial für die Absorption der akustischen Wellen kann angeordnet werden zwischen dem Sender und dem Empfänger für jedes der ersten und zweiten Signale, um solche Wellen nu absorbieren, die sonst von Cw Wandung der Leitung mehr als einmal reflektiert würden.

Die ersten und aweiten Signale können durch das Gas in Axialebenen gestrahlt werden, die um 90 zueinander versetzt werden. Diese.Anordnung ist dann zweckmäßig, wenn die Sender und Empfänger sich auf der gleichen Seite der Leitung befinden und eine aussagekräftigere riessung der Gasströmungsrate erzielt v/erden soll.

Selbst wenn ein Geschwindigkeitsg.^adient quer zur Leitung vorliegt, können das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung immer noch Anwendung finden, um die mittlere Gasströmungsgeschwindigkeit zu messen.

Es ist vorteilhaft, daß jedes der ersten, zweiten und dritten akustischen Signale eine Frequenz von mehr als 20 kHz besitzt, doch empfiehlt es sich, daß die Frequenz nicht so hoch ist, daß eine merkbare Dämpfung der Wellen durcn das Gas

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erfolgt, welches von ihnen durchlaufen wird. Die ersten, zweiten und dritten Signale können alle von einer gemeinsamen Quelle abgeleitet werden.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sind besonders brauchbar für die Messung von Strömungsraten von Gasen, in denen Peatstoffpartikel suspendiert sind. Dies liegt daran, daß sich herausgestellt hat, daß die Dämpfung akustischer Wellen mit Frequenzen oberhalb 20 kHz durch Partikel in der Größenordnung von etwa 500 bis 1 Mikron Durchmesser gering ist. Eine Messung der Geschwindigkeit der suspendierten Partikel kann auch erzielt werden, wenn eine brauchbare Korrektur eingeführt wird für den Schlupf der suspendierten Partikel relativ zu dem Gas. Falls die Konzentration der Feststoffpartikel im Gas bekannt ist, kann die Massenströmungsrate der Feststoffe ermittelt v/erden.

Die Konzentration der Feststoffpartikel wird vorteilhafterweise durch Messung der Schwächung von ß-Strahlen bestimmt, die durch die Gasströmung gesandt werden,, wie in der brLtischen Patentanmeldung 26822/68 beschrieben. Dieses Konzentrat ionsmeßverfahren kann derart durchgeführt werden, daß es nicht wesentlich beeinflußt wird durch Veränderungen der Partikelkonzentration quer zur Strömung. Sov/ohl das Verfahren der Strömungsratenmessung gemäß vorliegender Erfindung als auch das Verfahren zur Konzentrationsmessung gemäß der britischen Patentanmeldung 26822/68 können für eine niedrige Ansprechzeit ausgebildet v/erden, was das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung brauchbar macht für die Messung mittlerer Strömungsraten einer Feststoffsuspension in einer Gasströmung, wobei die Zusammensetzung des Gases die Konzentration der Fe«tstoffpartikel und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases sich ändern.

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Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert v/erden.

Fig. 1 zeigt in Diagrammform einen Schnitt durch

einen Teil eier Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,

Pig. 2 ist eine Einzelheit der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 1st ein Blockschaltbild, daß der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 zugehörig 1st,

Fig. 4 zeigt in Diagrarr.mform einen Schnitt durch einen anderen ¹IeIl der Vorrichtung, und

Fig. 5 1st ein Blockschaltbild für die Vorrichtung nach Fig. ^}\.

In dem Vorrlchtungsabschnltt nach den Pig. I bis 3 der Zeichnungen sind MagnetoscriLtivsencler 1 bzw, 2 für die Aussendung von Ultraschallax^nalen mit einer Frequenz von kO khs vorgesehen, Vielehe Frequenz von einem gemeinsamen Oszillator abgeleitet wird, der allgemein mit den: Bezugszeichen 3 bezeichnet ist und einen kristallstabilisierten Schwingkreis ^l\ _y ein Filter Γ>, einen Verstärker C und einen Pufferkreis 7 umfaßt, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Sender 1 und 2 sind jeweils an Kugeln 8 aus Fhospliorbronse befestigt, die drehbar in der Wandung einer Leitung 9 angeordnet sind, so daß der Winkel der Achse jedes der Sender 1 und 2 bezüglich der Wandung der Leitung 9 einre^uliert werden kann.

Jeder der Sender 1 und 2 ist für die Aussendung eines Ultraschallsignals zu einem von zwei magnetostriktiven

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.Vel-.allenipfüiV'orn ^1O ::.n:. 13 ausgebildet« I?le Lmrf "'m-er

r-7-±tzen die -^loicMe Konstruktion uie oi·.. Cender ^T;nd sir^.: _:-.:enfalls 1.7 der '/anä-ui-τ; der Leitung 9 in gleicher '.,'eise befestigt, 've α.\Ά die *-^Tinkel der r.mpfüngerachsen Lesüplici: ■ior Leiuunr.Bi/ari.ainc einreguliort '..-orden k"nnen. Einer der "T-ertrar-er lot u';^r;erdera so ai;s.^r-;eLilc-Gi,₃ oaß er lün;;s der nr: i o'.:e;-]icli ist.

LGr ■ :..} f^;i.v;-er 10 isi, für die- Elnsreisun^; oes Si^nalrs, da:.: er emnf;":;,[-t. in einen VerstärkerschalLkreis ausgebildet_; :er ai'i ~eii.e..-:i .··<: ; dem üesnr-nseichen 12 ^i^vennzeichnet Ist,, v.'ährenci der "rnpfünper 11 für die Ein speisung des von ihm enpfenrene;: r'^priialn in einen allfeinein mit dem rezur."weichen IZ ^eliennsei c;:neton Vcrstärkerschaltkreio aus^eb j. 1-iet- iot. Jeder Versi-^iMrer.Tchali-kreis 12 1:κν;. 13 besteht au« ej.no:;". 7orvorstürker 1^;: und einem liauntver^t^irker 15, wie in Fig. ;" dargestellt. Jedes Sirnal viird dann einem Eingang eines Pnaseniaeß^eräte™ rju.^eführt, allgemein gel.ennseichnet mit r-OKU^pzoichrn l«:-, welches einen Phasenschieber 17 für jedes ."ignal umfaßt, der so justiert werden kr.nn_s daß den Fehl-ausfluchtunren der Sender oder Empfänger Rechnung get rarer. ;;erderi kann, und Filter 18 sind für die Verbesserung des Sirnal/Rausehverhaltnisses vorgesehen. IIull-Durchgangsdetektoren 19 dienen der Umwandlung der Signale mit sich ändernder Amplitude in Signale konstanter Amplitude. Ein Gatterschaltkreis 20 ist für den Empfang der Signale vorgesehen, nachdem diese jeweils durch Pulsverstärker 21 gelaufen sind, sowie für die Erzeugung einer Pulsfolge mit konstanter Amplitude, v.'obei jedoch die Pulsdauer abhängt von der Länge der Zeit, während der beide Signale von den Pulsverstärkern 21 positiv sind. Ein Integrierschaltkreis 22 ist vorgesehen, um die Pulsfolf.e in einen Gleichspannungspegel umzuformen, der einem Voltmeter 23 zugeführt wird zur Erzeugung eines direkt ablesbaren Wertes der Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen.

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In Fig. 4 ist ein dritter magnetostriktiver Sender 24 dargestellt, der ebenfalls in der Wandung der Leitung 9 angeordnet ist zur Aussendung eines dritten Ultraschallsignals, das von dem Oszillatorschaltkreis 3 abgeleitet wird und quer zur Leitung ausgesandt wird. Ein konkaver Reflektor 25, der an einem Ende eines Betätigungsgliedes 26 angeordnet ist, welches mit Druckluft betätigbar ist, dient der Reflexion des Ultraschallsignals zu einem Empfänger 27 zurück, der unmittelbar bei dem Sender 24 angeordnet ist. Der Empfänger speist das von ihm empfangene Signal in einen Verstärkerschaltkreis ein_y bestehend aus dem Vorverstärker 28 und einem Hauptverstärker 29, von wo das Signal in ein Phasenmeßgerät gelangt, das allgemein mit dem Bezugszeichen 30 versehen ist. Das Phasenmeßgerät 30 ist so ausgebildet und angeschlossen, daß das Signal nacheinander durch einen Phasenschieber 31, ein Filter 32, einen Null-Durchgangsdetektor 33, einen Pulsverstärker 34 und an einen Eingang eines Gatterschaltkreises 35 in ähnlicher Weise gelangt, wie für die ersten und zt^eiten Signale beschrieben. Ein direkt vom Oszillatorschaltkreis 3 abgeleitetes Signal wird über einen Null-Durchgangsdetektor 36 und einen Pulsverstärker 37 dem anderen Eingang des Gatterschaltkreises 35 zugeführt. Die Schaltung ist so ausgebildet, daß das Signal vom Gatterschaltkreis 35 einem Integrierschaltkreis 38, einem Komparatorschaltkreis 39, einem Differenzierschaltkreis 40, einem Vollwellengleichrichter 4l sowie einem Binärzähler 42 zugeführt wird, um eine Messung der Gesamtphasendifferenz des Signals zu erlangen, bevor und nachdem der Reflektor 25 quer zur Leitung 9 mittels der Betätigungseinrichtung 26 bewegt worden ist.

Beispiele für typische Abmessungen sind 60 cm als Radius für die Leitung und 12 cm als Radius für den Reflektor.

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Wenn während des Betriebes Gas mit einer Geschwindigkeit Ug längs der Leitung 9 strömt, wird ein Ultraschallsignal mit der Frequenz ^O kHz vom Oszillatorschaltkreis 3 quer zur Leitung 9 mittels des Senders 1 stromaufwärts ausgesandt. Das Signal wird vom Empfänger 10 empfangen, der mit einem Abstand L₃ gemessen parallel zur Richtung der Gasströmung, von dem Sender 1 angeordnet ist. Ein zweites Ultraschallsignal vom Oszillatorschaltkreis 3 mit derselben Frequenz wie das erste Signal und mit einer bekannten Phasenbeziehung relativ zu diesem wird gleichzeitig mit dem ersten Signal quer zur Leitung 9 mittels des Senders 2 stromabwärts ausgesandt. Das Signal wird vom Empfänger 11 empfangen, der mit einem bekannten Abstand L vom Sender 2 angeordnet ist, welcher Abstand gleich dem des Empfängers 10 vom Sender 1 ist, gemessen parallel zur Strömungsrichtung des Gases. Die empfangenen Signale werden durch die Verstärker 12 und 13 verstärkt und dann dem Phasenmeßgerät l6 zugeführt zur Erzeugung eines Signals, das abhängig ist von dem Phasenunterschied zwischen beiden Signalen. Um sicherzustellen, daß die Abstände L gleich sind, kann die Phasendifferenz zwischen den Signalen gemessen werden und auf Null eingestellt werden, wenn in der Leitung 9 keine Gasströmung vorliegt. Die Abstände L sind ferner so gewählt, daß die Gesanitphasendifferenz der Signale bei Empfang nicht größer als 2Tf 1st, wenn das Gas mit der zu messenden Strömungsrate strömt. Die Zeitdifferenz Δ t₁ zwischen den beiden Signalen, wenn sie ihre zugeordneten Empfänger erreichen und für die de Phasendifferenz ein Maß ist, ergibt sich durch die Gleichung

¹ (a² - Ug²)
wobei a die Schallgeschwindigkeit in dem Gas ist.

Das dritte Ultraschallsignal vom Oszillatorschaltkreis wird quer zur Leitung 9 in einer Richtung ausgesandt senkrecht

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zur Strömungsrichtung des Gases, und zwar mittels des Senders 24. Das Signal wird vom Reflektor 25 quer zur. Strömungsrichtung reflektiert und vom Empfänger 27 empfangen. Die Laufstreckenlänge wird dann um einen bekannten Betrag x durch Bewegen des Reflektors 25 mittels der Betätigungseinrichtung 26 in Richtung auf den Sender 24 verändert,und ein Signal, das abhängt von der Gesamtphasendifferenz der Signale, welche von dem Empfänger 27 aufgenommen werden, wird abgeleitet Die gesamte Anzahl von Wellenlängen, durch die der Reflektor bewegt wird, wird gezählt mittels der Null-Durchgangsmeßeinrichtung und der zugeordneten Sehaltkreise.

Die Zeitdifferenz Δ.to zwischen dem dritten Signal, das über die zwei Laufstrecken unterschiedlicher Länge läuft,(für die die Gesamtphasendifferenz ein Maß ist), ist gegeben durch die Gleichung

2x

^{2 =} 7P^?>^1/2

worin 2x die Änderung der LaufStreckenlänge ist.

Aus den beiden Gleichungen läßt sich ein Ausdruck für die Strömungsrate des Gases Ug ableiten zu

Da L und χ bekant sind, läßt sich durch entsprechende Kombination der Signale, welche von der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal abhängen, und dem Signal, das abhängt von der Gesamtphasendifferenz des dritten Signals vor und nach der Änderung der LaufStreckenlänge, ein Maß für die Strömunpsrate des Gases ableiten. Ein Signal, das abhängt von der Konzentration

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von Peststoffteilchen, die als Suspension im Gas vorliegen, kann ebenso abgeleitet werden durch Messung der Dämpfung von ß-Strahlen durch das Gas, so daß mithin der Massenfluß gemessen werden kann.

Patentansprüche :

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Claims

4b

Patentansprüche

[X)) Verfahren zur Messung der Strömungsrate eines Gases, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes akustisches Signal durch das Gas stromaufwärts ausgesandt wird, daß ein zweites akustisches Signal durch das Gas stromabwärts ausgesandt wird, welche beiden Signale die gleiche bekannte Frequenz und eine bekannte Phasenbeziehung an den Aussendepunkten besitzen, daß die ersten und zweiten Signale nach ihrem Durchlauf über bekannte Laufstrecken empfangen werden, daß ein resultierendes von der Gesamtphasendifferenz zwischen den ersten und zweiten Signalen an ihren jeweiligen Empfangspunkten abhängendes Signal abgeleitet wird, daß ein drittes akustisches Signal bekannter Frequenz durch das Gas in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases ausgesandt wird, daß das dltte Signal nach dem Durchlauf über eine bestimmte Laufstreckenlänge empfangen wird, daß entweder ein von der Gesamtphasendifferenz des dritten Signals an seinem Aussendepunkt und an seinem Empfangspunkt abhängendes Signal abgeleitet wird bei bekannter Laufstreckenlänge oder daß die Laufstreckenlänge des dritten Signals im Gas um einen bekannten Betrag verändert wird und ein Signal abgeleitet wird abhängig von der Gesamtphasendifferenz des dritten Signals an seinem Empfangspunkt vor und nach der Laufstreckenänderung und daß schließlich das von der Gesamtphasendifferenz zwischen erstem und zweitem Signal abhängende Signal mit dem von der Gesamtphasendifferenz des dritten Signals abhängenden Signal kombiniert wird zur Ableitung eines Maßes für die Gasströmungsrate.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man für die ersten und zweiten Signale gleiche Laufstreckenlängen vorsieht.

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3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte akustische Signal ein einziger akustischer Impuls ist.

4) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte akustische Signal eine kontinuierliche Sinuswelle ist, deren Amplitude oder Frequenz durch ein periodisches Signal moduliert wird mit einer Periode, die größer ist als die Zeit, die das dritte Signal für die Ausbreitung vom Aussendepunkt zum Empfangspunkt benötigt, und daß die Gesamtphasendifferenz des dritten Signals bezüglich der Periode des Modulationssignals gemessen wird.

5) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufstreckenlänge des dritten Signals um einen bekannten Betrag geändert wird und die Gesamtphasendifferenz des Signals an seinem Empfangspunkt vor und nach der Laufstreckenänderung gemessen wird.

6) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufstreckenänderung durch Verschiebung des Empfangspunkts erfolgt.

7) Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauf3treckenänderung um einen Betrag erfolgt, der größer ist als eine gesamte auftretende Wellenlänge und daß die Anzahl der gesamten auftretenden Wellenlängen, die in dem Betrag, um den die Laufstrecke verändert wird, enthalten sind, festgestellt wird.

8) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der ganzen auftretenden Wellenlängen, die in dem Abstand, um den die Laufstrecke verändert wird, enthalten ist, festgestellt wird mittels eines Nulldurchgangs·

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detektors und zugeordneten Schaltkreisen für die Zählung, wie oft die Wellenform des dritten Signals durch Null geht während der Änderung der Laufstrecke des dritten Signals.

9) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte akustische Signal in eine Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases ausgesandt wird, von einem Reflektor in umgekehrte Richtung reflektiert wird und an einem Punkt nahe dem Aussendepunkt empfangen wird.

10) Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufstreckenlänge des dritten Signals geändert wird durch Änderung des Abstandes Reflektors von den Aussende- bzw. Empfangspunkten.

11) Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor mittels einer pneumatischen oder hydraulischen Betätigungseinrichtung bewegt wird.

12) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Signale kontinuierliche Sinuswellen sind und die Laufstrecken der Signale so gewählt sind, daß für eine gegebene Gasströmungsrate die Zeitdifferenz zwischen der Laufzeit des ersten und zweiten Signals über ihre jeweiligen Laufstrecken kleiner ist als eine Periode der Wellen.

13) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdifferenz zwischen den Laufzeiten der ersten und zweiten Signale größer ist als eine Periode der Wellen und daß die ersten und zweiten Signale einzelne akustische Impulse sind.

I¹I) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitdifferenz zwischen den ersten

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und zweiten Signalen größer ist als eine Periode der Welle, daß die ersten und zweiten Signale kontinuierliche Sinuswellen sind, deren Amplitude oder Frequenz durch ein periodisches Signal moduliert wird mit einer Periode, die größer ist als die Laufzeitdifferenz, und daß die Gesamtpliasendifferenz zwischen den ersten und zweiten Signalen nach ihren jeweiligen Empfangspunkten gemessen wird bezüglich der Periode des Modulationssirnals.

15) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Signale akustische Strahlenbündel sind mit einem so kleinen AusSendungswinkel, daß streureflektierte empfangene Wellen im wesentlichen gelöscht oder ihre Intensität erheblich herabgesetzt wird.

16) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas durch eine Leitung strömen läßt, die mit Schallabsorptionsmitteln für die streureflektierten akustischen Wellen ausgekleidet ist.

17) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das erste akustische Signal durch das Gas stromaufwärts ausgebreitet wird, reflektiert wird, empfangen wird und daß dann das zweite akustische Signal abwärts ausgesandt, reflektiert und empfangen wird. .

18) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Signale durch das Gas in um 90 zueinander versetzte Axialebenen ausgebreitet werden.

19) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten, zweiten und dritten akustischen Signale eine Frequenz von mehr als 20 kHz besitzen, „daß jedoch die Frequenz niedriger ist als eine starker Dämpfung durch das

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Gas, dessen Strömungsgeschwindigkeit zu messen ist, unterliegende Frequenz.

20) Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten, zweiten und dritten Signale alle von einer gemeinsamen Quelle abgeleitet v/erden.

21) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß man die Strömungsgeschwindigkeit eines Feststoffpartikel in Suspension enthaltenden Gases mißt.

22) Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zugleich die Konzentration der Feststoffpartikel im Gas gemessen wird.

23) Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffpartikelkonzentration mittels Beta-Strahlung gemessen wird.

2k) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung für die Ausbreitung eines ersten akustischen Signals durch das Gas stromaufwärts, durch eine Einrichtung für die Ausbreitung eines zweiten akustischen Signals^ welche Einrichtungen so ausgebildet sind, daß die beiden akustischen Signale die
gleiche bekannte Frequenz besitzen und eine bekannte Phasenbeziehung an ihren jeweiligen Ausbreitungspunkten aufweisen, durch einen ersten Empfänger für den Empfang des ersten Signals, der an einem Punkt stromaufwärts und unter einem bekannten Abstand von dem Ausbreitungspunkt des ersten Signals angeordnet ist, durch einen zweiten Empfänger für den Empfang des zweiten Signals an einem Punkt stromabwärts unter einem bekannten Abstand von dem Ausbreitungspunkt des zweiten Signals, durch eine Einrichtung für die Ermittlung eines resultierenden

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Signals in Abhängigkeit von der Gesamtphasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal an ihren jeweiligen Empfangsρunkten, durch eine Einrichtung für die Ausbreitung eines dritten akustischen Signals bekannter Frequenz durch das Gas in einer Richtung senkrecht zur Gasströmungsrichtung, durch einen dritten Empfänger für den Empfang des dritten Signals nach dessen Durchlaufen einer vorgegebenen Laufstrecke, durch entweder eine Einrichtung für die Ableitung eines Signals abhängig von der Gesamtphasendifferenz des dritten Signals an seinem Ausbreitungspunkt und an seinem Empfangspunkt, welcher dritte Empfänger angeordnet ist unter einem bekannten Abstand von der dritten Ausbreitungseinrichtung, oder durch eine Einrichtung für die Änderung der Laufstrecke des dritten Signals im Gas um einen bekannten Betrag und durch eine Einrichtung für das Ableiten eines Signals abhängig von der Gesamtphasendifferenz des dritten Signals an seinem Empfangspunkt vor und nach der Laufstreckenlängenänderung sowie durch eine Einrichtung für die Kombination des Signals, das abhängt von der Gesamtphasendifferenz der ersten und zweiten Signale 'mit dem Signal, das abhängt von der Gesamtphasendifferenz des dritten Signals, welches Endsignal ein Maß für die Strömungsrateoder Strömungsgeschwindigkeit des Gases ist.

25) Vorrichtung nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch gleiche Laufstreckenlänge für das erste und zweite Signal.

26) Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, gekennzeichnet durch eine Einrichtung für für die Änderung der Laufstrecke des dritten Signals im Gas um einen bekannten Betrag und durch eine Einrichtung für die Ableitung eines Signals, das abhängt von der Gesamtphasendifferenz des dritten Signals an seinem Empfangspunkt vor und nach der Laufstreckenänderung.

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27) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2Ά bis 26 ₃ dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Empfänger beweglich ausgebildet ist.

28) Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, gekennzeichnet durch einen Null-Durchgangsdetektor und zugeordnete Schaltkreise für die Zählung, wie oft die Wellenform des dritten Signals durch Null geht während der Änderung der Laufstreckenlänge des dritten Signals.

29) Voiüchtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28,

dadurch gekennzeichnet ₃ daß die Einrichtung für die Ausbreitung des dritten akustischen Signals angeordnet ist für die Ausbreitung des Signals in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases und daß ein Reflektor vorgesehen ist für die Reflexion.des Signals in entgegengesetzter Richtung, wobei der dritte Empfänger für den Empfang des dritten Signals an einem Punkt nahe der Einrichtung für die Ausbreitung des dritten Signals angeordnet ist.

30) Vorrichtung nach Anspruch 29, gekennzeichnet'durch einen beweglichen Reflektor für die Einstellung des Abstands des Reflektors von der Ausbreitungseinrichtung des dritten Signals und von dem dritten Empfänger.

31) Vorrichtung nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch eine pneumatische oder hydraulische Betätigungseinrichtung ' für die Reflektorbewegung.

32) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen für die Ausbreitung der ersten und zweiten Signale Sender sind für die Ausbreitung akustischer Strahlenbündel so kleiner . Ausbreitungswinkel und die Sender so angeordnet sind relativ zu ihren jeweiligen Empfängern, daß reflektierte Streuwellen^

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welche die Empfänger erreichen kennten. Im wesentlichen ausgelöscht werden oder Ihre Intensität erheblich herabgesetzt ist.

33) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausbreitungswinkel jedes der Strahlenbündel kleiner ist als 50° und daß jede der Empfänger-Sender-Achsen sich unter einem spitzen Winkel zur Richtung der Gasströmung zwischen 49° und l6° erstreckt.

3¹O Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 33» gekennzeichnet durch eine von dem Gas durchströmte Leitung mit schallabsorbierendem Material für die Absorption von Streuwellen, die sonst von der Leitungswand reflektiert würden,

35) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reflektor für die Reflexion des ersten akustischen Signals vorgesehen ist, bevor es von dem ersten Empfänger empfangen wird, und daß ein weiterer Reflektor vorgesehen ist für die Reflexion des zweiten akustischen Signals, bevor es von dem zweiten Empfänger e rap fan ß-en wird.

36) Vorrichtung nach Anspruch 35₃ dadurch gekennzeichnet, daß jeder der ersten und zweiten Empfänger auf der gleichen Seite der Leitung angeordnet ist_s die von dem Gas durchströmt wird₃ wie der zugehörige Sender.

37) Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß schallwellenabsorbierendes Material zwischen dem Sender und Empfänger jedes der ersten und zweiten Signale angeordnet ist für die Absorption von Hellen, die sonst durch die Wandung der Leitung mehr als einmal reflektiert würden.

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BAD ORIGINAL

38) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 37 ₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen für die Ausbreitung der ersten und zweiten Signale so angeordnet sind, daß die Signale durch das Gas in Axialebenen, die um 90° zueinander liegen, ausgebreitet werden.

39) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 38, gekennzeichnet durch eine Quelle für akustische Signale, von denen die ersten, zweiten und dritten Signale sämtlich abgeleitet werden.

40) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß sie für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Feststoffpartikel führendem Gas ausgebildet ist.

41) Vorrichtung nach Anspruch 4o, gekennzeichnet durch eine zusätzlich vorgesehene Einrichtung für die Messung der Peststoffpartikelkonzentration in dem Gas.

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