DE19942138B4

DE19942138B4 - Verfahren zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit mittels Ultraschall

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Publication number: DE19942138B4
Application number: DE19942138A
Authority: DE
Inventors: Hak Soo Pungdank Chang
Original assignee: Changmin Techco Ltd Sungnam; Changmin Tech Co Ltd
Current assignee: Changmin Techco Ltd Sungnam; Changmin Tech Co Ltd
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2019-09-04
Also published as: RU2193208C2; CN1155831C; DE19942138A1; KR100298474B1; CA2279257A1; CN1248703A; KR20000018659A

Abstract

Laufzeit-Meßverfahren zur Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung der Hin- und Rücklaufzeit eines Ultraschallstrahls mit einer Komponente der Ausbreitungsrichtung in Strömungsrichtung, umfassend die folgenden Schritte:
Amplitudenmodulieren einer Ultraschallträgerfrequenz f_C mit einer Amplitudenmodulationsfrequenz f_M, die kleiner ist als die Trägerfrequenz f_C;
Übertragen des amplitudenmodulierten Signals sowohl in Hin- als auch in Rückrichtung zwischen einem ersten und zweiten Ultraschallwandler;
Demodulieren der empfangenen amplitudenmodulierten Signale nach der Übertragung in Hin- und Rückrichtung, um das Amplitudenmodulationssignal f_M zu erfassen;
Messen der Zeitdifferenz zwischen dem Modulieren der Ultraschallträgerfrequenz f_C und dem Erfassen des Amplitudenmodulationssignal f_M; und
Einsetzen der gemessenen Zeitdifferenzen in einen Zeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Meßausdruck und Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit,
wobei die Frequenz f_M des Amplitudenmodulationssignals der folgenden Bedingung genügt: f_M ≤0,05 f_C
dadurch gekennzeichnet, daß
die Trägerfrequenz f_C kontinuierlich abgestrahlt wird;
die Zeitdauer τ der Amplitudenmodulation bei jeder Laufzeitmessung mindestens τ = 5/f_M beträgt; und
wobei die Amplitudenmodulationsfrequenz...

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung einer Ultraschallwelle. Daraus ist dann eine Durchflussrate einer Flüssigkeit in einem größeren Fluss oder einem offenen Schleusenkanal und eine Durchflussrate von Flüssigkeit und Gas in einem Rohr mit einem größeren Innendurchmesser berechenbar.
Ein Kernteil eines modernen, gut bekannten Ultraschall-Durchflussraten-Messsystems für den größeren offenen Schleusenkanal und das Rohr mit einem größeren Innendurchmesser ist dazu ausgelegt, eine Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeit und Gas zu messen, so dass das System normalerweise als "Durchflussmesser" bezeichnet wird.
Die meisten der Durchflussraten-Messsysteme messen vermutlich eine Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis einer Ultraschall-Laufzeitdifferenz.
Wie in 1 dargestellt, ist das Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystem folgendermaßen aufgebaut: Ultraschallwandler 1 und 2 zum Senden/Empfangen einer Ultraschallwelle sind in einem Winkel α so montiert, dass sie einander zugewandt sind. Eine Schalteinrichtung 3 wirkt zum abwechselnden Schalten der Wandler 1 und 2 zu den Eingängen von Sende- und Empfangsschaltungen, beispielsweise einem Ultraschallimpuls-Oszillator 4 und einem Ultraschall-Empfangssignalverstärker 5. Eine Impulsformungsschaltung 6 empfängt ein verstärktes Signal und formt es in ein Impulssignal mit einer kürzeren Periode um. Eine Zeitintervall-Messvorrichtung 7 misst Laufzeiten t₁ und t₂ in einem Abstandsintervall L zwischen Sendezeitpunkt und Empfangszeitpunkt. Eine Arithmetik-Logik-Einheit 8 berechnet eine Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis des Ausdrucks (1).
Das heißt, die Laufzeit t₁, in der der Ultraschallimpuls vom Wandler 1 zum Wandler 2 übertragen wird (wie in 1 gezeigt), wird gemessen. Weiterhin wird die Laufzeit t₂, in der der Ultraschallimpuls vom Wandler 2 zum Wandler 1 übertragen wird, gemessen. Diese gemessenen Zeiten werden folgendermaßen dargestellt:
Die Laufzeitdifferenz (Δt = t₂ – t₁) kann folgendermaßen dargestellt werden:
Wobei C eine Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeit oder Gas ist, L ein Abstand zwischen den Wandlern 1 und 2 ist und V eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Intervall L ist.
Die Strömungsgeschwindigkeit V aus dem Ausdruck (1) wird folgendermaßen hergeleitet:
Es wird als "Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren" genannt, da die Strömungsgeschwindigkeit V proportional zur Laufzeitdifferenz Δt ist. Das Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren ist abhängig von der Schallgeschwindigkeit, da ein Term C² des Quadrats der Schallgeschwindigkeit im Ausdruck (2) vorhanden ist. Der Term C² der Schallgeschwindigkeit muss gemessen werden. Das Quadrat der Schallgeschwindigkeit wird folgendermaßen dargestellt:
Der Term der Schallgeschwindigkeit C² wird in den Ausdruck (2) eingesetzt, um den Ausdruck zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit folgendermaßen darzustellen:
Dann ist die Strömungsgeschwindigkeit durch Messen der Ultraschall-Laufzeiten t₂ und t₁ und Berechnen des Ausdrucks (3) erhältlich, da L²/2d = konst.
Der typische Stand der Technik ist im US-Patent 5 531 124, erteilt am 2. Juli 1996, und im Japanischen Patent Nr. 2 676 321, erteilt am 25. Juli 1998, offenbart.
Das Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren besitzt den großen Vorteil, dass die Strömungsgeschwindigkeitsmessung wie, im Ausdruck (3) dargestellt, einfach durchgeführt wird, selbst wenn sich die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeit stark ändert.
Die Differenz zwischen den Kehrwerten bezüglich der Laufzeiten t₁ und t₂ wird beispielsweise folgendermaßen erhalten:
Die Terme der Schallgeschwindigkeit C heben sich gegenseitig auf. Daher ergibt sich die Strömungsgeschwindigkeit V wie folgt:
Wobei d = Lcosα.
Folglich ist der erhaltene Ausdruck derselbe wie (3).
Es hat den großen Vorteil, dass das Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren keine Beziehung zur Änderung der Schallgeschwindigkeit C im großen Bereich in Flüssigkeit hat. Aber das Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren ist hinsichtlich seiner Verwendung begrenzt. Wenn die Laufstrecke L beispielsweise sehr klein ist und/oder die Strömungsgeschwindigkeit V sehr niedrig ist, ist es sehr schwierig, die Strömungsgeschwindigkeit genau zu messen. Wenn L = 0,05 m, V = 0,1 m/s, α = 45° und C ≈ 1500 m/s ist, gilt Δt ≈ 3,14·10^–9 s.
Wenn eine sehr kleine Zeitdifferenz innerhalb des Fehlerbereichs von 1 % gemessen werden soll, sollte der absolute Messfehler der Zeitdifferenz den Bereich von 3·10^–11 s nicht überschreiten. Das Messen der Zeitdifferenz auf der Basis eines solchen Verfahrens erfordert eine relativ komplexe Zeitintervall-Messvorrichtung. Eine Vorrichtung zum Erfassen der Momente des Sendens/Empfangens der Ultraschallimpulse muss außerdem sehr stabil und genau sein. Wie nachstehend erwähnt, verursacht das Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren viele Probleme, wenn die Gasströmungsgeschwindigkeit in dem Rohr gemessen wird oder die horizontale Strömungsgeschwindigkeit in einem Kanal oder Fluss gemessen wird.
Zusätzlich zu dem Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren ist auch ein Ultraschall-Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren gut bekannt. Beispielsweise gibt es die Deutsche Patentoffenlegungsschrift DE 19722140 , vom 12. November 1997, und die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 10-104039, veröffentlicht am 24. April 1998, beide mit dem Titel "A multi-channel flow rate measuring system".
2A und 2B zeigen eine typische Anordnung eines Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystems. Ultraschallwandler 1, 1' und 2, 2' sind so angeordnet, dass sie einander zugewandt sind. Ein Sinuswellenoszillator 9 erzeugt eine Sinuswelle mit einer Frequenz f. Ein Phasenschieber 10 stellt die Phase von empfangenen Ultraschallsignalen ein. Ein Verstärker 11 verstärkt die empfangenen Signale vom Phasenschieber 10 und vom Wandler 1'. Ein Phasendifferenz-Diskriminator 12 misst die Phasendifferenz zwischen den empfangenen Phasensignalen. Bei Betrieb des Sinuswellenoszillators 9 übertragen die Wandler 2 und 2' Ultraschallwellen mit der gleichen Phase. Zu diesem Zeitpunkt sind die Phasensignale, die die Empfangswandler 1 und 1' empfangen, folgendermaßen: φ, = 2πf·t1 + φ0; φ2 = 2πf·t2 + φ0 wobei
φ₀ ist eine Anfangsphase, mit der die Ultraschallwelle zuerst übertragen wird. Daher ist die Phasendifferenz Δφ zwischen den empfangenen Signalen folgendermaßen:
Hierin ist die Strömungsgeschwindigkeit folgendermaßen:
Das Phasendifferenzverfahren besitzt die Merkmale, dass im Gegensatz zum Laufzeitdifferenz-Verfahren die Ultraschallwellen kontinuierlich übertragen werden können und die Phasendifferenz Δφ proportional zur Frequenz f ist. Selbst wenn L und V sehr klein sind, wird die Phasendifferenz bei höherer Ultraschallfrequenz f folglich größer, so dass die Phasendifferenzmessung zweckmäßig und genau durchgeführt wird.
Auch wenn L verhältnismäßig größer ist, ist der Dämpfungsfaktor über den Ultraschallimpuls sehr klein, da die kontinuierlichen Ultraschallwellen gesendet/empfangen werden. Selbst wenn die Amplitude des empfangenen Signals signifikant pulsiert, kann das empfangene Signal ferner ausreichend verstärkt werden, da die Zeit des Empfangs nicht gemessen wird. Und eine Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung kann bei dem Verfahren verwendet werden. Dies bedeutet, dass bei der Messung der Phasendifferenz überhaupt kein Problem besteht. Allerdings wird das Phasendifferenzverfahren vorzugsweise unter der Bedingung verwendet, dass sich die Schallgeschwindigkeit C fast nicht ändert, oder in Verbindung mit einem anderen Mittel zum Messen der Schallgeschwindigkeit C. Um die Gasdurchflussrate zu messen, kann beispielsweise die Schallgeschwindigkeit in Gas unter der Bedingung leicht berechnet werden, dass ein Druckmesser und ein Thermometer in dem Rohr montiert sind.
Wie vorstehend erwähnt, kann der große Vorteil des Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Verfahrens selbst in der Situation genutzt werden, dass sich die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeit signifikant ändert. Aber wenn der Abstand L zwischen den Wandlern größer wird, treten aufgrund des Sendens/Empfangens des Ultraschallimpulses die folgenden Probleme auf.
Erstens besitzt der Ultraschallimpuls einen größeren Dämpfungsfaktor gegenüber der Sinuswelle aufgrund seiner zusätzlichen Oberwellenkomponenten oder Obertöne. Wenn die Ultraschall-Laufstrecke L größer wird, ist es schwierig, die übertragene Ultraschallwelle au empfangen, und der empfangene Impuls wird aufgrund des starken Dämpfungsproblems glockenförmig. Aus all diesen Gründen ist es unvermeidbar, die Ultraschallwellenintensität zu erhöhen, die behelfsweise eingestellt werden kann. Wenn die Intensität höher wird, tritt in einem Fluss das Hohlraumbildungsphänomen (Kavitation) auf, so dass die Ultraschallwelle nicht übertragen wird. Insbesondere wenn die Impulsfrequenz niedriger wird, um den Dämpfungsfaktor zu verringern, wird die Ultraschallintensität ebenfalls geringer, was das Hohlraumbildungsphänomen verursacht.
Zweitens wird der Ultraschallimpuls bei dem Übertragungsvorgang nicht nur entlang der Strecke L gedämpft, sondern die Amplitude der Ultraschallwelle pulsiert stark, wodurch die Ultraschallwelle aufgrund von verschiedenen Größen von Wirbelströmen, der Konzentrationsänderung von schwimmenden Teilchen, der Temperaturänderung des Wassers usw. in dem offenen Schleusenkanal gestreut und reflektiert wird. Es passiert manchmal, dass die Ultraschallwelle nicht empfangen wird.
Wenn die Strömungsgeschwindigkeit in Gas gemessen wird, ist der Dämpfungsfaktor des Ultraschallimpulses größer als jener in Flüssigkeit. Die starke Dämpfung und Pulsierung des Ultraschallimpulses verursachen viele Fehler, wenn es von der Erfassung des Moments abhängig ist, in dem der Ultraschallimpuls eintrifft. Somit wird der Messfehler der Strömungsgeschwindigkeit vergrößert.
Wegen dieser Gründe ist die Ultraschall-Laufstrecke L insofern begrenzt, dass der Ultraschallimpuls gesendet/empfangen werden muss und die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis eines Zeitdifferenzverfahrens gemessen wird. Somit bestehen große Schwierigkeiten beim Messen der Strömungsgeschwindigkeit in größeren offenen Schleusenkanälen oder Flüssen und größeren Rohren.
Wenn das Phasendifferenzverfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit verwendet wird, ist der Dämpfungsfaktor zwei- oder dreifach gegenüber jenem des Ultraschallimpulses gesenkt, da die Ultraschallwellen (Sinuswellen) kontinuierlich gesendet/empfangen werden. Die Amplitudenpulsierung der empfangenen Signale ist auch nicht von Bedeutung für das Phasendifferenzverfahren, da es sich nicht auf die Erfassung des Moments bezieht, in dem der Ultraschallimpuls eintrifft, sondern die Phasendifferenz zwischen zwei Sinuswellen gemessen wird. Nichtsdestoweniger ist das Phasendifferenzverfahren hinsichtlich seiner Verwendung begrenzt. Wenn die Phasendifferenz Δφ zwischen zwei Sinuswellen gleich nπ + β ist, kann eine gewöhnliche Phasendifferenz-Messvorrichtung nicht n (1, 2, 3,...) erfassen. Wenn die Ultraschall-Laufstrecke L oder die Strömungsgeschwindigkeit V größer ist, wird Δφ größer als π. Wenn beispielsweise die Durchflussrate von Gas in dem Rohr mit einem Innendurchmesser Φ von 300 mm gemessen werden soll, ist die mittlere Querschnitts-Strömungsgeschwindigkeit V von Gas im Allgemeinen 10 – 30 m/s. Unter der Annahme, dass die Schallgeschwindigkeit C 400 m/s ist, die Ultraschallfrequenz f als 400 kHz gewählt wird, damit sie oberhalb des Rauschfrequenzbandes liegt, und ein Winkel α 45° ist, dann ist die Änderungsbreite der Phasendifferenz Δφ folgendermaßen: Δφ = 9,42 – 28,26 rad ≈ (2π + 0,998π) – (8π + 0,995π)
Das heißt, Δφ > π.
Wenn L = 10 m, V = 3 m/s, f = 200 kHz und C = 1500 m/s in einem verhältnismäßig kleineren offenen Kanal, ist die Phasendifferenz Δφ folgendermaßen: Δφ ≈ 16,746 rad = 5π + 0,33π > π
Somit kann das Phasendifferenzverfahren nicht zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit in dem verhältnismäßig kleineren offenen Kanal verwendet werden. Mit anderen Worten, das Laufzeitdifferenz-Verfahren besitzt einen Vorteil bei der Verwendung in der Situation, in der sich die Schallgeschwindigkeit in einem größeren Umfang ändert. Aber es besitzt insofern Nachteile, dass, wenn das Strömungsgeschwindigkeits-Messintervall L größer ist, der Ultraschallimpuls instabil wird, da der Ultraschallimpuls aufgrund seiner Eigenschaft während des Sendens/Empfangens stark gedämpft wird.
Das Phasendifferenzverfahren besitzt die Vorteile, dass der Dämpfungsfaktor verhältnismäßig kleiner ist und das empfangene Signal leicht verarbeitet wird, da die Ultraschall-Sinuswelle kontinuierlich gesendet/empfangen wird. Wenn jedoch die Phasendifferenz π Radiant übersteigt, wobei das Intervall L und die Strömungsgeschwindigkeit V größer ist oder die Schallgeschwindigkeit niedriger ist, ist es nicht möglich, die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis des Phasendifferenzverfahrens zu messen. Das Phasendifferenzverfahren besitzt auch den Nachteil, dass die Schallgeschwindigkeit separat gemessen werden sollte.
Aus der DE 29 43 810 C2 ist ein Ultraschall-Laufzeitmessverfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids bekannt. Um das dispersionsbedingte "Verschmieren" eines Rechteckimpulses im Verlauf der Messstrecke zu vermeiden, wird vor dem Aussenden des Messsignals der Rechteckimpuls als Amplitudenmodulationssignal einer Trägerfrequenz aufgeprägt. Dadurch wird ein Wellenpaket auf der Trägerfrequenz ausgesendet, empfangen und demoduliert. Die Laufzeit ergibt sich dann aus der Zeitdifferenz zwischen den Anstiegsflanken des Amplitudenmodulationssignals und des demodulierten Signals. Gemessen wird in Hin- und Rückrichtung zwischen zwei Ultraschallwandlern, deren Verbindungslinie zur Strömungsrichtung einen Winkel einnimmt. Aus der Phasendifferenz in Hin- und Rückrichtung wird die Strömungsgeschwindigkeit berechnet.
Die US 4,787,252 schlägt die Ultraschall-Strömungsgeschwindigkeitsmessung mit einer Anordnung vor, die der eben beschriebenen entspricht und mit der ebenfalls die Laufzeit der Ultraschallwelle gemessen wird. Es werden verschiedene Arten der Modulation einer Trägerfrequenz vorgeschlagen, wobei dann das gesendete und empfangene Signal miteinander korreliert werden, um einen maximalen Korrelationskoeffizienten zu ermitteln. In Verbindung mit speziell ausgewählten Ultraschallwandlern kann die Amplitude eines Signals moduliert werden, um einen Signalburst mit mehreren Wellen zu erzeugen.
Auch die DE 43 02 368 C1 schlägt eine Ultraschallmessstrecke zwischen zwei Wandlern vor, die unter einem Winkel zur Strömungsrichtung verläuft. Die Laufzeit der Signale wird entweder über die Phasenverschiebung oder direkt gemessen. Zur Messung werden zwei verschiedene Sendefrequenzen verwendet, deren Verhältnis speziellen Bedingungen genügen muss, um auch kleinste Strömungsgeschwindigkeiten zu messen.
Mit einer ähnlichen Messanordnung wird bei der EP 0 535 364 A1 eine Phasendifferenz gemessen. Zur Umgehung der Messbeschränkung auf Phasendifferenzen kleiner 2π bei der Trägerfrequenz wird eine Modulationsfrequenz auf die Amplitude der Trägerfrequenz aufmoduliert, wobei deren Frequenz wesentlich niedriger als die Trägerfrequenz ist. Es wird damit eine Grob- und Feinphasenmessung ermöglicht, durch deren Kombination dann die absolute Phasenverschiebung folgt. Es ist jedoch nicht spezifiziert, wie die absolute Phasenverschiebung tatsächlich berechnet wird.
Aus der VDI/VDE-Richtlinie 2642 "Ultraschall-Durchflussmessung von Fluiden in voll durchströmten Körpern" von 1996 ist eine Formel zur Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit aus den gemessenen Phasenwinkeln bekannt.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, Verfahren zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit mittels Ultraschall-Laufzeit- bzw. Phasendifferenzmessung bereitzustellen, bei denen die Messgenauigkeit und -empfindlichkeit noch weiter erhöht ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 3 bzw. 4 gelöst. Unteranspruch 2 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Anspruchs 1.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung unter Bezugnahme auf den Stand der Technik näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm, das ein Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystem gemäß dem Stand der Technik darstellt;
2A und 2B schematische Blockdiagramme, die ein Ultraschall-Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystem gemäß dem Stand der Technik darstellen;
3 ein Ablaufdiagramm, das den Ablauf eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahrens darstellt;
4 ein schematisches Blockdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystem darstellt;
5 ein schematisches Blockdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystem darstellt; und
6 ein schematisches Blockdiagramm, das ein Ultraschall-Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Zuerst wird ein Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren der Erfindung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen im einzelnen erläutert:
3 ist ein Ablaufdiagramm oder eine Abfolge, die ein Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren darstellt. Es ist bekannt, dass eine Ultraschall-Trägerfrequenz f_C im allgemeinen unter Berücksichtigung eines Rauschfrequenzbandes, das in einer Flüssigkeitsströmung verursacht wird, der Sicherheit bezüglich des Richtdiagramms eines Ultraschallwandlers, eines Ultraschall-Dämpfungsfaktors in Flüssigkeit usw. ausgewählt wird.
Wenn eine Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird, wird der ausgewählte Ultraschallträger f_C (3, VI) für eine Periode τ₂ (3, V) auf eine Frequenz f_M (3, I), die niedriger ist als f_C, amplitudenmoduliert und dann in einer zur Strömung ähnlichen oder entgegengesetzten Richtung übertragen. Und unter Berücksichtigung eines vorbestimmten Moments der Amplitudenmodulation als Startpunkt wird eine Zeit vom Startpunkt bis zu einem bestimmten Moment der Amplitudenmodulation oder des Signals f_M gemessen, während die amplitudenmodulierte Ultraschallwelle über eine konstante Strecke L gesendet/empfangen wird und das empfangene Signal demoduliert wird. Die Zeiten werden als Ultraschall-Laufzeiten t₁ und t₂ bei der Ausbreitung in einer zur Strömung ähnlichen oder entgegengesetzten Richtung definiert. Mit anderen Worten, die amplitudenmodulierte Ultraschallwelle wirkt als Markierungssignal zum Messen der Laufzeit der Ultraschallwelle. Da die Ultraschallwelle im Wesentlichen eine Sinuswelle ist, die kontinuierlich übertragen wird und für ein konstantes Zeitintervall amplitudenmoduliert wird, ist das Ultraschall-Frequenzband f_C ± f_M bedeutend schmäler als das eines kurzen Ultraschallimpulses, so dass ihr Dämpfungsfaktor kleiner ist. Und selbst wenn sich der Dämpfungsfaktor zu sehr ändert, ist die Verarbeitung des Empfangssignals leicht und die Dämpfung wirkt sich nicht auf die Messung der Laufzeit aus.
Aber wenn die Ultraschall-Trägerwelle f_C auf das Amplitudenmodulationssignal f_M amplitudenmoduliert wird, sollte sie mit derselben Phase wie jener des Amplitudenmodulationssignals f_M amplitudenmoduliert werden, beispielsweise einer Phase von Null, wie in 3, V gezeigt. Ferner entspricht ein Signal, das durch Empfangen/Demodulieren der amplitudenmodulierten Ultraschallwelle erhalten wird, nicht der Form des Amplitudenmodulationssignals f_M. Das amplitudenmodulierte Signal, das an den Ultraschallwandler angelegt wird, wird in einen Demodulator eingeben, damit es demoduliert wird, und das Amplitudenmodulationssignal f_M wird aus dem Demodulationssignal erfasst. Der Zeitpunkt, in dem die erste Periode des Modulationssignals über das Nullpotential geht, wird unter Verwendung einer Nulldurchgangs-Unterscheidungsschaltung erfasst. Hierbei wird der erfasste Zeitpunkt als Startpunkt zum Messen der Ultraschall-Laufzeit betrachtet, wie in 3, VII und VIII gezeigt.
Ebenso wird das empfangene Amplitudenmodulationssignal durch den Demodulator auch demoduliert, wie vorstehend dargelegt, das Amplitudenmodulationssignal f_M wird aus dem Demodulationssignal erfasst und dann wird ein Zeitpunkt, in dem die erste Periode des Modulationssignals über einen Nulldurchgangspunkt geht, als Stoppsignal des Zeitintervalls erfasst, wie in 3, X und XI gezeigt.
Wie vorstehend beschrieben, kann die Genauigkeit der Messung der Ultraschall-Laufzeit bedeutend verbessert werden, wobei nur ein Demodulator die Sende-/Empfangssignale demoduliert, und die Zeitpunkte, in denen die erste Periode des Demodulationssignals über den Nulldurchgangspunkt geht, als Start- und Stoppsignale zur Zeitintervallmessung verwendet werden.
Wie in 3, VIII und XI gezeigt, ist es belanglos, als Zeitpunkte eineinhalb Perioden des Amplitudenmodulationssignals f_M an Stelle der ersten halben Periode über den Nulldurchgangspunkt als Start- und Stoppsignale zur Zeitintervallmessung zu verwenden. Die Verzögerungszeit wird natürlich im Demodulator, im Verstärker, in der Nulldurchgangsschaltung usw. erzeugt, aber es ist nicht erforderlich, die Verzögerungszeit zu kompensieren, da ein System dieselbe Verzögerungszeit erzeugt, jedes Mal wenn die Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird.
Und das Amplitudenmodulationssignal f_M sollte die folgenden Bedingungen einhalten: Die erste Bedingung ist, dass das Amplitudenmodulationssignal f_M bedeutend höher ist als eine Dämpfungspulsierungsfrequenz f_P, beispielsweise f_M >> f_p. Der Dämpfungsfaktor der Ultraschallwelle ändert sich aufgrund von vielen Faktoren während der Übertragung in Flüssigkeit. Wenn sich der Dämpfungsfaktor ändert, wird die Ultraschallwelle amplitudenmoduliert. Somit sollte die Amplitudenmodulationsfrequenz f_M höher sein als die Dämpfungspulsierungsfrequenz f_p, mit der der Dämpfungsfaktor pulsiert, welche keine in Flüssigkeit erzeugte Rauschfrequenz ist. Die Dämpfungspulsierungsfrequenz f_P ist nicht hoch und überschreitet 100 Hz im Allgemeinen nicht.
Die zweite Bedingung ist, dass eine Trägerperiode mehr als 20 mal in einer Amplitudenmodulationsperiode enthalten sein sollte, beispielsweise f_M ≤ f_C/20. Die Bedingung betrifft die Amplitudenmodulation des Trägers f_C, wobei die Phase des Trägers f_C am Startpunkt der Amplitudenmodulation nicht immer gleichmäßig ist, selbst wenn der Träger f_C an einem Nulldurchgangspunkt amplitudenmoduliert wird, wie in 3, V dargestellt. Deshalb verursacht die amplitudenmodulierte Ultraschallwelle Übergangsphänomene und verzerrt die Wellenform in dem Intervall einer ersten viertel Periode des Amplitudenmodulationssignals f_M. Um zu verhindern, dass ein verzerrter Wellenabschnitt eine viertel Periode übersteigt, sollte der Träger f_C mindestens fünf Perioden in der ersten viertel Periode des Amplitudenmodulationssignals f_M umfassen. Somit sollte das Signal des Trägers f_C über 20 mal (= 4 × 5) in einer Periode des Amplitudenmodulationssignals f_M vorhanden sein. Außerdem ist es bevorzugt, dass die Frequenz des Trägers f_C höher ist als jene des Amplitudenmodulationssignals f_M, um das Amplitudenmodulationssignal f_M aus der Pulsierungsfrequenz des Trägers f_C zu filtern.
Die dritte Bedingung ist, dass eine kontinuierliche Zeit der amplitudenmodulierten Signale wünschenswerterweise mindestens fünf Perioden des Amplitudenmodulationssignals f_M (5/f_M) übersteigt, wenn das amplitudenmodulierte Signal demoduliert wird, um das Amplitudenmodulationssignal f_M zu erfassen. Wenn das amplitudenmodulierte Signal, dessen Amplitudenmodulationsperiode zwei- oder dreimal wiederholt wird, demoduliert wird, wird das Ausgangssignal aus dem Demodulator verzerrt.
Die vierte Bedingung ist: Wenn die Ultraschallwelle abwechselnd in einer zur Strömungsgeschwindigkeit ähnlichen oder entgegengesetzten Richtung gesendet/empfangen wird, ist es erwünscht, dass die Zeit der kontinuierlichen Amplitudenmodulation der Ultraschallwelle die Hälfte der Ultraschall-Laufzeit nicht überschreitet. Das Beispiel ist folgendermaßen:
Wie vorstehend beschrieben, wird das Amplitudenmodulationssignal f_M, das die vier Bedingungen erfüllt, durch den folgenden Ausdruck ausgewählt:
Wobei C_max eine maximale Schallgeschwindigkeit ist, die in Flüssigkeit erwartet werden kann, und ν_max (=V_maxcosα,) ein maximaler Strömungsgeschwindigkeits-Messwert ist.
Es ist bei der Auswahl des Amplitudenmodulationssignals f_M, das den Ausdruck (6) erfüllt, bevorzugt, dass eine vergleichsweise niedrige Frequenz ausgewählt wird, da Übergangsphänomene stattfinden, wenn sich die an den Ultraschallwandler angelegte Spannung schnell ändert. Es ist erwünscht, dass der Amplitudenmodulationsprozentsatz m 50% nicht übersteigt. Gemäß der Experimente ist ein Amplitudenmodulationsprozentsatz m von 25-30% sehr vernünftig. Der Ultraschall-Dämpfungsfaktor pulsiert mit der niedrigeren Frequenz f_P, dessen Änderungsverhältnis im Allgemeinen etwa 50% beträgt. Wenn m > 50% ist, ist folglich zu befürchten, dass die amplitudenmodulierte Welle abgeschnitten wird. Unter der Annahme, dass beispielsweise L = 10 m, α = 45°, C_max = 1500 m/s, f_C = 500 kHz ist, gilt f_p << 1507 ≤ f_M ≤ 25·10³ Hz. Somit kann f_M aus dem Bereich von 10 bis 20 kHz ausgewählt werden. In Anbetracht der Übergangsphänomene der Ultraschallwelle ist es nicht erforderlich, die höhere Frequenz des Amplitudenmodulationssignals f_M auszuwählen.
4 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die Anordnung eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Durchführen eines Verfahrens zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit, wie vorstehend beschrieben, darstellt.
Ultraschallwandler 1 und 2 sind mit einer Wandlerumschalteinrichtung 3 verbunden, damit sie in den Sende- oder Empfangszustand geschaltet werden. Ein Ausgangsverstärker 18 regt den Ultraschallwandler 1 oder 2 an. Ein Empfangsverstärker 19 verstärkt die Signale aus dem Ultraschallwandler 1 oder 2, welcher ein Schmalbandverstärker ist, der die Funktion der automatischen Verstärkungsregelung (AGC) besitzt und nur das Frequenzband eines Amplitudenmodulationssignals verstärkt.
Ein Amplitudenmodulator 17 führt eine Amplitudenmodulation eines Ultraschall-Trägersignals f_C durch. Ein Trägeroszillator 13 erzeugt ein Ultraschall-Trägersignal f_C. Ein Modulationsoszillator 14 erzeugt ein Modulationssignal f_M, das geringer ist als das Trägersignal f_C. Hierbei sind sowohl der Trägeroszillator 13 als auch der Modulationsoszillator 14 Sinuswellen-Oszillatoren. Ein Demodulator 20 demoduliert das amplitudenmodulierte Signal, um die Modulationsfrequenz f_M zu erfassen. Ein Schmalbandverstärker 21 verstärkt das Modulationssignal f_M. Eine Nulldurchgangsschaltung 22 gibt einen Rechteckimpuls aus, wenn eine erste Periode des Ausgangssignals f_M aus dem Schmalbandverstärker 21 durch den Nullpunkt geht. Eine Zeitintervall-Messvorrichtung 7 mißt das Zeitintervall zwischen zwei Impulsen. Eine Arithmetik-Logik-Einheit 8 berechnet eine Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis der Ultraschall-Laufzeitdifferenz. Eine Schalteinrichtung 23 läßt das Ausgangssignal mit der Modulationsfrequenz f_M aus dem Modulationsoszillator 14 in einem gegebenen Zeitintervall durch diese hindurch. Eine Nulldurchgangsschaltung 15 erzeugt einen Rechteckimpuls, wenn eine erste Periode des Modulationssignals f_M durch den Nullpunkt geht. Eine monostabile Kippstufe 16 wird durch die Nulldurchgangsschaltung 15 betätigt, um einen Impuls mit einer gegebenen Länge zu erzeugen.
Eine Schalteinrichtung 24 wird durch den Impuls der monostabilen Kippstufe 16 umgeschaltet, um zu ermöglichen, dass das Ausgangssignal des Modulationsoszillators 14 an den Amplitudenmodulator 17 angelegt wird. Eine Schalteinrichtung 25 ermöglicht, dass ein moduliertes Ultraschall-Ausgangssignal an den Demodulator 20 angelegt wird, und wird dann umgeschaltet, um zu ermöglichen, dass das Ausgangssignal aus dem Empfangsverstärker 19 in den Amplitudenmodulator 20 eingegeben wird. Ein Spannungsdämpfungsglied 27 stellt die Ausgangsspannung des Ausgangsverstärkers 18 ein. Eine Schalteinrichtungs-Steuereinheit 26 steuert die Schalteinrichtungen 3 und 23 und 25.
Der Betrieb des in 4 gezeigten Ultraschall-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystems wird nachstehend mit Bezug auf 3 im einzelnen erläutert.
Der Trägeroszillator 13 und der Modulationsoszillator 14 werden zuerst in Schwingungen versetzt, um Sinuswellen mit der Ultraschall-Trägerfrequenz f_C bzw. der Modulationsfrequenz f_M zu erzeugen, wie in 3, VI und I dargestellt. Wenn ein Messzeitpunkt für die Strömungsgeschwindigkeit erreicht ist, legt die Schalteinrichtungs-Steuereinheit 26 einen Rechteckimpuls mit einer Länge τ₁ (siehe 3, II) an die Schalteinrichtung 23 an. Die Schalteinrichtung 23 ermöglicht, dass das Signal mit der Modulationsfrequenz f_M aus dem Modulationsoszillator 14 in die Nulldurchgangsschaltung 15 eingegeben wird. Wenn der Betriebspotentialpegel der Nulldurchgangsschaltung 15 auf einen niedrigen Pegel "-" gesetzt wird, dann erzeugt die Nulldurchgangs schaltung 15 einen Rechteckimpuls (siehe 3, III), wenn die erste halbe Periode des Ausgangssignals aus dem Modulationsoszillator 14 durch den Nullpunkt geht (U = 0). Der Rechteckimpuls wird in die monostabile Kippstufe 16 eingegeben und die monostabile Kippstufe 16 erzeugt einen Rechteckimpuls mit einer Länge τ₂ (3, IV). Die Schalteinrichtung 24 wird durch den Rechteckimpuls von τ₂ umgeschaltet, um zu ermöglichen, dass das Signal mit der Modulationsfrequenz f_M aus dem Modulationsoszillator 14 in den Amplitudenmodulator 17 eingegeben wird. Folglich wird das Signal mit der Ultraschall-Trägerfrequenz f_C für die Zeit von τ₂ amplitudenmoduliert, wie in 3, VI gezeigt. Ebenso soll die Ultraschall-Trägerfrequenz f_C immer mit derselben Phase wie die Modulationsfrequenz f_M amplitudenmoduliert werden.
Das amplitudenmodulierte Signal aus dem Amplitudenmodulator 17 wird durch den Ausgangsverstärker 18 verstärkt und dann an den Ultraschallwandler 1 angelegt. Der Ultraschallwandler 1 überträgt die amplitudenmodulierte Ultraschallwelle durch Flüssigkeit zum Wandler 2.
Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des Ausgangsverstärkers 18 über das Spannungsdämpfungsglied 27 und die Schalteinrichtung 25 in den Demodulator 20 eingegeben, um das Modulationssignal f_M (3, VII) zu erfassen. Der Schmalbandverstärker 21 verstärkt das durch den Demodulator 20 demodulierte Modulationssignal und legt das verstärkte Signal an die Nulldurchgangsschaltung 22 an. Die Nulldurchgangsschaltung 22 erzeugt einen kürzeren Rechteckimpuls (3, VIII) in dem Moment, in dem die erste halbe Periode "-" des Modulationssignals f_M durch den Nullpunkt geht. Der kürzere Rechteckimpuls wird in die Zeitintervall-Messvorrichtung 7 eingegeben, um als Startsignal für die Zeitmessung zu wirken.
Anschließend sperrt die Schalteinrichtung 25 die Eingabe in das Dämpfungsglied 27 und veranlasst, dass das Ausgangssignal aus dem Empfangsverstärker 19 an den Demodulator 20 angelegt wird. Mit anderen Worten, die amplitudenmodulierte Ultraschallwelle, die der Wandler 1 aussendet, läuft durch eine Strecke L, wird vom Wandler 2 empfangen und vom Empfangsverstärker 19 verstärkt. Das Ausgangssignal (3, IX) aus dem Empfangsverstärker 19 wird über den Demodulator 20 und den Verstärker 21 an die Nulldurchgangsschaltung 22 angelegt. Die Nulldurchgangsschaltung 22 erzeugt den kürzeren Rechteckimpuls (3, XI) und legt ihn an die Zeitintervall-Messvorrichtung 7 an, damit er als Stoppsignal für die Zeitmessung wirkt.
Folglich misst die Zeitintervall-Messvorrichtung 7 das Zeitintervall t₁ zwischen dem ersten und dem zweiten Rechteckimpuls aus der Nulldurchgangsschaltung 22. Nach Beendung der Messung des Zeitintervalls t₁ wird die Wandlerumschalteinrichtung 3 umgeschaltet, um den Wandler 2 mit dem Ausgangsverstärker 18 zu verbinden. Dann wird die Schalteinrichtung 25 mit dem Dämpfungsglied 27 verbunden und die Schalteinrichtung 23 wird wieder umgeschaltet. Und die nächsten Operationen werden mit denselben Vorgängen wie jenen zum Messen des Zeitintervalls t₁ wiederholt. Folglich wird eine Zeit t₂ gemessen, bis die amplitudenmodulierte Ultraschallwelle vom Wandler 2 gesendet und vom Wandler 1 empfangen wird.
Die Zeitintervalle t₁ und t₂ werden in die Arithmetik-Logik-Einheit 8 für die Strömungsgeschwindigkeit eingegeben, um die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis des Ausdrucks (3) zu berechnen. Die Arithmetik-Logik-Einheit 8 für die Strömungsgeschwindigkeit gibt ein Signal aus, das der Strömungsgeschwindigkeit V entspricht. Das Ausgangssignal der Strömungsgeschwindigkeit V wird zu einer Arithmetik-Logik-Einheit zur Messung der Durchflussrate (nicht dargestellt) geliefert, wenn das System ein Durchflussraten-Messsystem ist.
Zur Messung der Zeitintervalle t₁ und t₂ werden das amplitudenmodulierte Ausgangssignal, das in den Wandler 1 (oder 2) eingegeben wird, und das Signal, das vom Wandler 2 (oder 1) empfangen wird, mittels des Demodulators und der Nulldurchgangsschaltung sowie die Start- und Stopp-Impulssignale, die in die Zeitintervall-Messvorrichtung 7 eingegeben werden, in einen Rechteckimpuls umgeformt.
Der Ausdruck (5), der als Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messausdruck gut bekannt ist, hängt vom Quadrat der Schallgeschwindigkeit C² ab. Im Ausdruck (5) ist Δφ auch eine Phasendifferenz zwischen den Ultraschallwellen, die in und entgegen der Richtung der Strömung übertragen werden. Neben dem Ausdruck (5) kann ein Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messausdruck, der nicht von der Schallgeschwindigkeit C abhängt, hergeleitet werden.
Die Phasendifferenz Δψ₁ zwischen der gesendeten Ultraschallwelle und der empfangenen Welle nach der Übertragung in die Richtung der Strömung und die Phasendifferenz Δψ₂ zwischen dem gesendeten Ultraschallsignal und dem empfangenen Signal nach der Übertragung in eine zur Strömung entgegengesetzten Richtung sind folgendermaßen:
wobei ν = Vcosα ist und L ein Abstand zwischen den Ultraschallwandlern ist. Die Differenz zwischen den Kehrwerten der Phasendifferenzen Δψ₁ und Δψ₂ ist folgendermaßen:
Wobei V folgendermaßen ist:
Beim Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren ist es nicht notwendig, die Schallgeschwindigkeit separat zu messen, selbst unter der Bedingung, dass sich die Schallgeschwindigkeit signifikant ändert. Aber nur wenn der Messfehler der Phasendifferenzen Δψ₁ und Δψ₂ klein genug ist, um ignoriert zu werden, könnte die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis des Ausdrucks (9) gemessen werden.
Beispielsweise Δψ₁ = 2,0 rad und Δψ₂ = 2,2 rad. Unter der Annahme, dass die Phasendifferenzen im Fehlerbereich von 0,5% gemessen werden, sind die gemessenen Phasendifferenzen folgendermaßen: Δψ1' = 2,0(1 + 0,005) = 2,01 Δψ2' = 2,2(1 – 0,005) = 2,189
Es ergibt sich
Der tatsächliche Wert ist jedoch folgendermaßen:
Daher ergibt sich der Fehler wie folgt:
Das heißt, die Phasendifferenz wurde im Fehlerbereich von 0,5% gemessen, aber der Fehler zwischen den Differenzen der Kehrwerte bezüglich der Phasendifferenzen wurde mehr als 20fach erhöht. Somit würde der Messfehler der Strömungsgeschwindigkeit größer als 10% werden.
Um das Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messverfahren, das nicht von der Schallgeschwindigkeit C abhängt, durchzuführen, muss die Phasendifferenz sehr genau gemessen werden.
Der Ausdruck (7) ist mit dem folgenden Problem verbunden: Wenn der Abstand L vergrößert wird, die Schallgeschwindigkeit C gesenkt wird und die Ultraschallfrequenz erhöht wird, wird die Phasendifferenz Δψ_1,2 mehr als π. Wenn L, C und ν gegeben sind, könnte natürlich die Ultraschallfrequenz f, die es ermöglicht, dass die Phasendifferenz Δ ψ den Messbereich π eines gewöhnlichen Phasendifferenz-Diskriminators nicht überschreitet, ausgewählt werden, aber sie muss weitaus höher sein als ein in Flüssigkeit erzeugtes Rauschfrequenzband.
Unter der Annahme, dass beispielsweise der Innendurchmesser D eines Erdgasrohrs gleich 0,3 m ist, C ≈ 420 m/s, V = 30 m/s, α = 45° und L = 0,425 m ist, ist die Ultraschallfrequenz f, die keine Überschreitung der Phasendifferenz π verursacht, folgendermaßen:
Ein solches Frequenzband ist in einem Rauschfrequenzband enthalten. Es macht es ferner unmöglich, einen kompakten Wandler herzustellen, der die Schallwelle von 165 Hz überträgt.
Um aus dem Rauschband herauszukommen, wenn die Ultraschall-Trägerfrequenz f_C gleich 40 kHz gewählt wird, ist die Phasendifferenz in den Beispielen folgendermaßen:
Hierbei kann 76π durch den gewöhnlichen Phasendifferenz-Diskriminator nicht gemessen werden.
Um diese Probleme zu lösen, zieht die Erfindung eine Ultraschallfrequenz f_C als Träger in Betracht, die vom Rauschband weit entfernt ist, und führt auf dieser eine Amplitudenmodulation mit einer Frequenz f_M durch, die niedriger ist als die Ultraschallfrequenz f_C. Der Ultraschall wird in und entgegen der Richtung der Strömung übertragen und man misst die Phasendifferenzen zwischen dem gesendeten Signal und dem empfangenen Signal folgendermaßen:
Zuerst wird die Amplitudenmodulationsfrequenz f_M so gewählt, dass die Phasendifferenzen Δψ_M1 und Δψ_M2 zwischen der gesendeten Welle eines amplitudenmodulierten Signals und empfangenen und demodulierten Signalen nach der Übertragung in und entgegen der Strömungsrichtung die folgenden Bedingungen erfüllen:
wobei π = konst. (1, 2, 3,...); a < 1,0, b < 1,0, C_max und C_min maximale und minimale Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeit sind und ν_max = V_maxcosα ist, welches ein maximaler Strömungsgeschwindigkeits-Messbereich ist.
Wenn nπ bereits bekannt ist, sollen in diesem Fall die Phasendifferenzen Δψ_M1 und Δψ_M2 nur dann gemessen werden, wenn aπ und bπ gemessen werden, und als nächstes wird nπ hinzuaddiert. Hierbei ist an eine maximale Messgrenze und bπ ist eine niedrigste Messgrenze. Da es instabil ist, wenn a = 1 und b = 0, ist es erwünscht, dass a gleich 0,95 gewählt wird und b gleich 0,2 gewählt wird.
Das n, das den Ausdruck (10) erfüllt, ist folgendermaßen:
(hergeleitet aus dem Ausdruck (10))
wobei n folgendermaßen ist:
Die Modulationsfrequenz f_M auf der Basis eines so erhaltenen n ist folgendermaßen:
oder
Daher wird der Träger f_C auf die ausgewählte Modulationsfrequenz f_M amplitudenmoduliert und das amplitudenmodulierte Signal wird gesendet/empfangen. Wenn die Phasendifferenzen Δψ_M1 und Δψ_M2 zwischen den Modulationsfrequenzen f_M in dem Bereich eines konstanten Fehlers δ_M gemessen werden, sind die Berechnungsergebnisse für die Phasendifferenzen Δψ_M1 und Δψ_M2 folgendermaßen: ΔψM1' = nπ + bπ(1 ± δM) (12-a) ΔψM2' = nπ + aπ(1 ± δM) (12-b)wobei aπ = Δψ_MM1 und bπ = Δψ_MM2, welche Phasendifferenzen sind, die der Phasendifferenz-Diskriminator messen kann. Das Multiplizieren der Phasendifferenz mit f_C/πf_M ergibt einen Wert, der die Phasendifferenzen Δψ_C1 und Δψ_C2 zwischen den Trägern durch π teilt.
Wobei β < 1,0, γ < 1,0 ist und m₁ und m₂ ganze Zahlen (1, 2, 3, 4,...) sind.
Es wird angemerkt, dass, wenn die Phasendifferenzen Δψ_C1 und Δψ_C2 wie vorstehend beschrieben gemessen werden, m₁π + βπ und m₂π + γπ erhältlich sind.
Die Werte, die der Diskriminator als Phasendifferenz zwischen den Trägern misst, sind folgendermaßen: ΔψCM1' = βπ(1 ± δc) (14-a) ΔψCM2' = γπ(1 ± δC) (14-b)
Wenn min und m₂π zu den gemessenen Werten addiert werden, ist die Differenz zwischen einer Phase beim Senden der Trägerwelle und der Phase des empfangenen Signals nach der Übertragung in und entgegen der Strömung folgendermaßen: ΔψC1' = miπ + βπ(1 ± δc) (15-a) ΔψC2' = m2π + γπ(1 ± δc) (15-b)
Die wie vorstehend erhaltenen Phasendifferenzen Δψ_C1' und Δψ_C2' werden in den Ausdruck zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eingesetzt, um die Strömungsgeschwindigkeit folgendermaßen zu berechnen:
Wenn die Phasendifferenz der Träger nach dem obigen Verfahren gemessen wird, wird der Messfehler gegenüber dem Fehler δ_C des Phasendifferenz-Diskriminators zehn- oder hundertfach verringert.
wobei gilt m₁ und m₂ >> 1, β und γ < 1,0. Somit sind δ_ΔψC1 und δ_ΔψC2 sehr viel kleine als δ_C.
Da wie vorstehend beschrieben gemäß der Erfindung die Phasendifferenz genau gemessen wird, wenn die Ultraschallwelle gesendet und empfangen wird, könnte die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis des Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Messausdrucks, der nicht von der Schallgeschwindigkeit abhängt, gemessen werden. Selbst wenn L und V größer sind, C geringer ist und die Phasendifferenz zwischen den Ultraschallwellen π rad weit überschreitet, kann die Strömungsgeschwindigkeit einfach gemessen werden.
Wenn beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit von Erdgas, das in einem Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm strömt, gemessen wird, sowie unter Annahme von C_min = 420 m/s, C_max = 450 m/s, L = 0,425 m, V_maxcosα = 30 m/s, wird in Anbetracht des Rauschens in dem Rohr die Ultraschall-Trägerfrequenz f_C 40 kHz gewählt. Unter der Annahme, dass der Messbereich des Phasendifferenz-Diskriminators als 0 – π gewählt wird, gilt bπ = 0,2π, beispielsweise b = 0,2, wenn die Phasendifferenz in dem Bereich minimal wird, und aπ = 0,95π, beispielsweise a = 0,95, wenn die Phasendifferenz in dem Bereich maximal wird. Daher ist die Modulationsfrequenz f_M folgendermaßen:
Unter der Annahme, dass n als 3 gewählt wird und im Speicher des Systems gespeichert wird, gilt
Unter der Annahme, dass f_M = 1830 Hz gewählt wird, wird während der Übertragung der mit dem Amplitudenmodulationssignal f_M = 1830 Hz amplitudenmodulierten Ultraschallwelle in und entgegen der Strömung das empfangene Signal demoduliert, um das Amplitudenmodulationssignal f_M zu erfassen. Wenn die Phasendifferenz zwischen der Phase des Amplitudenmodulationssignals f_M der Sendeseite und der Empfangssignalphase gemessen wird, sind die Ergebnisse folgendermaßen: Wenn die Strömungsgeschwindigkeit Vcosα gleich 20 m/s ist und C gleich 450 m/s ist, gilt
Hierbei ist bekannt, dass die Phasendifferenz, die der Diskriminator messen kann, 0,30178π und 0,60893π ist. Unter der Annahme, dass die Phasendifferenzen mit einem Messfehler im Bereich von ±1% gemessen werden, ist die berechnete Phasendifferenz folgendermaßen: ΔψM1' = 3π + 0,30178π(1 + 0,01) = 10,382328 rad ΔψM2' = 3π + 0,60893π(1 – 0,01) = 11,31865 rad
Die nächste Prozedur ist folgendermaßen:
Hierbei wird m₁ (=72) im Speicher des Systems gespeichert.
Hierbei wird m₂ (=78) im Speicher des Systems gespeichert.
Die tatsächliche Phasendifferenz zwischen den Trägern ist folgendermaßen:
Wobei angemerkt wird, dass m₁ (=72) mit dem gespeicherten Wert übereinstimmte und die Phasendifferenz Δψ_CM1 zwischen den Trägern, die direkt gemessen werden könnte, gleich 0,17021276 ist.
Wobei m₂ (=78) mit dem gespeicherten Wert übereinstimmte und die Phasendifferenz Δψ_CM2 zwischen den Trägern gleich 0,88372094 ist.
Wenn die Phasendifferenzen Δψ_CM1 und Δψ_CM2 im Fehlerbereich von ±1 % gemessen werden, gilt ΔψCM1' = 0,54 rad, ΔψCM2' = 2,748 rad
Die Berechnungsergebnisse der Phasendifferenz Δψ_C1 und Δψ_C2 sind folgendermaßen: ΔψC1' = 72π + 0,54 = 226,73467 rad ΔψC2' = 78π + 2,748 = 247,7922 rad
Diese Phasendifferenzen werden in den Ausdruck zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eingesetzt, um die Strömungsgeschwindigkeit folgendermaßen zu berechnen:
Die erste Strömungsgeschwindigkeit Vcosα war gleich 20 m/s, aber die tatsächliche gemessene Strömungsgeschwindigkeit wurde 19,95 m/s. Somit betrug der Messfehler etwa -0,15%. Das heißt, die Phasendifferenzen wurden zweimal im Bereich von 1 gemessen. Nichtsdestoweniger wurde der Messfehler der Strömungsgeschwindigkeit folglich um 0,15% verringert.
Wegen einem solchen Grund einer Fehlerverringerung werden die Messfehler der Phasendifferenz Δψ_C1 und Δψ_C2 signifikant gesenkt.
Die Phasendifferenz Δψ_CM1 wurde mit δ_C (=1%) gemessen. Nichtsdestoweniger wurde der Messfehler Δψ_C1 mit einen Faktor von m₁/β (=72/0,1702 ≈ 423) verringert (mit Bezug auf den Ausdruck 17). Es wird angenommen, dass die Phasendifferenzen Δψ_MM1, Δψ_MM2, Δψ_CM1 und Δψ_CM2 mit dem Fehler von 1% aus dem obigen Beispiel gemessen werden, aber eigentlich ist es normal, dass die Phasendifferenz mit dem Fehler von 0,5% gemessen wird.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der Erfindung die Strömungsgeschwindigkeit von Gas bei hoher Strömungsgeschwindigkeit und niedriger Schallgeschwindigkeit auf der Basis des Phasendifferenzverfahrens in einem Rohr mit einem größeren Innendurchmesser genau gemessen werden.
In 5 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die Anordnung eines Systems zum Durchführen eines Verfahrens zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis eines Phasendifferenzverfahrens darstellt, als eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
Ultraschallwandler 1 und 1' sind ein Ultraschall-Empfangswandler zum Empfangen einer Ultraschallwelle und ein Ultraschallwandler 2 ist ein Ultraschall-Sendewandler zum Senden von Ultraschallwellen in einem breiteren Richtungswinkel. Ein Trägeroszillator 13 und ein Modulationswellen-Oszillator 14 erzeugen eine Ultraschall-Trägerfrequenz f_C bzw. eine Amplitudenmodulationsfrequenz f_M. Ein Amplitudenmodulator 17 führt eine Amplitudenmodulation einer Ultraschall-Trägerfrequenz f_C durch. Ein Ausgangsverstärker 18 regt den Ultraschallwandler 2 an. Empfangsverstärker 19, 19' verstärken jeweils die Signale aus den Ultraschallwandlern 1, 1'. Demodulatoren 20, 20' demodulieren das amplitudenmodulierte Signal, um die Modulationsfrequenz f_M zu erfassen. Schmalbandverstärker 21, 21' verstärken die aus dem Demodulator 20, 20' ausgegebenen Signale. Phasendifferenz-Diskriminatoren 28, 28' erfassen die Phasendifferenzen Δψ_MM1 und Δψ_MM2 zwischen den Amplitudenmodulationswellen f_M. Phasendifferenz-Diskriminatoren 31, 31' erfassen die Phasendifferenzen Δψ_CM1 und Δψ_CM2 zwischen den Trägern f_C. Verstärker-Begrenzer 30, 30' verstärken und begrenzen die amplitudenmodulierten Signale auf einen vorbestimmten Pegel. Phasenschieber 29, 29' sind erforderlich zum Veranlassen, dass das Ausgangssignal der Phasendifferenz-Diskriminatoren 28, 28' auf Null eingestellt wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit V Null ist. Eine Arithmetik-Logik-Einheit 32 berechnet die Phasendifferenzen Δψ_C1 und Δψ_C2 zwischen den Trägern f_C und dann die Strömungsgeschwindigkeit gemäß der Erfindung.
Das Ultraschall-Strömungsgeschwindigkeits-Messsystem wird folgendermaßen betrieben:
Der Amplitudenmodulator 17 führt eine Amplitudenmodulation der durch den Trägeroszillator 13 erzeugten Trägerfrequenz f_C auf die Modulationsfrequenz f_M, die durch den Modulationsoszillator 14 erzeugt wird, durch. Der Verstärker 18 verstärkt das amplitudenmodulierte Signal und liefert es zum Ultraschall-Sendewandler 2. Wenn der Wandler 2 das amplitudenmodulierte Signal in und entgegen der Strömung überträgt, empfängt der Empfangswandler 1 das in und entgegen der Strömung V übertragene Signal und wandelt es in elektrische Signale um. Das Ausgangssignal aus dem Empfangswandler 1 wird vom Empfangsverstärker 19 im Frequenzband von f_C ± f_M verstärkt und wird in den Demodulator 20 eingegeben. Am Ausgang des Demodulators 20 wird das Amplitudenmodulationssignal f_M erzeugt. Die Signale werden über den Phasenschieber 29 in den Schmalbandverstärker 21 eingegeben. Der Schmalbandverstärker 21 filtert wieder das amplitudenmodulierte Signal und legt es an den Phasendifferenz-Diskriminator 28 mit einer niedrigeren Frequenz f_M an. Der Diskriminator 28 erfasst das Signal entsprechend der Phasendifferenz Δψ_MM2, die kleiner ist als π, und gibt sein Ausgangssignal in die Arithmetik-Logik-Einheit 32 ein, die die Phasendifferenz und die Strömungsgeschwindigkeit berechnet.
Die in die Richtung der Strömung übertragene Ultraschallwelle wird vom Empfangswandler 1' empfangen und die Phasendifferenz Δψ_MM1 wird durch einen Empfangsverstärker 19', einen Demodulator 20', einen Schmalbandverstärker 21', den Diskriminator 28', wie vorstehend erwähnt, erfasst. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal aus dem Empfangsverstärker 19' durch den Verstärker-Begrenzer 30' auf einen gesättigten Zustand verstärkt und in den Phasendifferenz-Diskriminator 31' eingegeben. Der Phasendifferenz-Diskriminator 31' erzeugt die Signale, die den Phasendifferenzen Δψ_C _M1 und Δψ_CM2 entsprechen, und gibt sie in die Arithmetik-Logik-Einheit 32 ein.
In die Arithmetik-Logik-Einheit 32 sind die ganzen Zahlen von n, f_M, f_C, L und cosα im Voraus eingegeben worden. m₁ und m₂ werden gemäß dem Ausdruck (13) berechnet. Weiterhin werden die Phasendifferenzen Δψ_C1 und Δψ_C2 der Träger gemäß dem Ausdruck (15) sowie die Strömungsgeschwindigkeit V gemäß dem Ausdruck (16) berechnet. Eine so erhaltene Strömungsgeschwindigkeit kann zur Berechnung der Durchflussrate verwendet werden, wenn sie für einen Durchflussmesser ausgelegt ist.
Es gibt einen Grund dafür, die Schallgeschwindigkeit C auf eine andere Weise zu messen. Wenn beispielsweise ein Durchflussmesser zum Messen einer Volumendurchflussrate installiert ist, um die Massendurchflussrate von Gas zu messen, werden der Gasdruck und die Temperatur separat gemessen. In diesem Fall kann die Schallgeschwindigkeit unter Verwendung der Messergebnisse des Gasdrucks und der Temperatur berechnet werden. Wenn die Flüssigkeitsdurchflussrate manchmal gemessen wird, gibt es einen Grund dafür, dass die Schallgeschwindigkeit C in Flüssigkeit vorher bekannt sein kann, wobei sie sich nicht ändert. In diesem Fall wird die in und entgegen der Strömung übertragene Ultraschallwelle empfangen und die Phasendifferenz Δφ_C zwischen den Empfangssignalen wird gemessen, so dass die Strömungsgeschwindigkeit V auf der Basis des Ausdrucks (5) gemessen wird. Wenn Δφ_C >> π gilt, wird die Phasendifferenz Δφ_C zu diesem Zeitpunkt folgendermaßen gemessen: um am Ultraschallträger f_C eine Amplitudenmodulation auf die Modulationsfrequenz f_M durchzuführen, wird die Modulationsfrequenz f_M folgendermaßen ausgewählt:
wobei C_min die niedrigste Schallgeschwindigkeit ist, die in Flüssigkeit erwartet werden kann.
Die Phasendifferenz Δφ_M zwischen den Empfangssignalen von so ausgewählten amplitudenmodulierten Frequenzen überschreitet π in dem maximalen Strömungsgeschwindigkeits-Messwert nicht. Das empfangene amplitudenmodulierte Signal wird demoduliert, so dass die Phasendifferenz Δφ_M zwischen den modulierten Frequenzen gemessen wird, und dann wird m durch den folgenden Ausdruck (19) erhalten.
wobei a < 1,0 gilt.
Das an im Ausdruck (19) ist ein Teil, der die Phasendifferenz zwischen den Trägern messen können soll. Gleichzeitig wird die Phasendifferenz an zwischen den Trägersignalen gemessen und Δφ_C wird durch den folgenden Ausdruck berechnet. ΔφC = mπ + aπ (20)
Als nächstes wird Δφ_C in den Ausdruck (5) eingesetzt, um die Strömungsgeschwindigkeit V zu berechnen. Hierbei ist die zu messende Phasendifferenz an. Wenn der absolute Fehler Δaπ bei der Messung von an gleich δ_aπ·aπ ist (San ist ein relativer Fehler), ist der Messfehler von Δφ_C folgendermaßen:
Daher gilt δ_ΔφC << δ_π _a und die Genauigkeit der Strömungsgeschwindigkeitsberechnung wird verbessert. Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit ist als schematisches Diagramm in 6 dargestellt.
Mit Bezug auf 6 beziehen sich die Bezugsziffern mit denselben Zahlen auf dieselben Teile wie jene von 5. Bei der Arithmetik-Logik-Einheit werden die ganzen Zahlen von f_M, f_C, L und cosα im Voraus in diese eingegeben und die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis der Ausdrücke (18), (19) und (5) berechnet.
Folglich kann die Erfindung eine Amplitudenmodulation einer Ultraschallwelle durchführen und eine Strömungsgeschwindigkeit mit einer höheren Zuverlässigkeit auf der Basis eines Ultraschall-Zeitdifferenzverfahrens in einem größeren Fluss, einem größeren Schleusenkanal oder einem Rohr mit einem größeren Innendurchmesser messen. Die Erfindung stellt auch ein Phasendifferenz-Schallgeschwindigkeitsunabhängiges Messverfahren unter Verwendung eines gewöhnlichen Phasendifferenz-Diskriminators mit einem Phasendifferenz-Messbereich von π bereit. Dabei kann die Phasendifferenz π rad übersteigen.

Claims

Laufzeit-Meßverfahren zur Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung der Hin- und Rücklaufzeit eines Ultraschallstrahls mit einer Komponente der Ausbreitungsrichtung in Strömungsrichtung, umfassend die folgenden Schritte: Amplitudenmodulieren einer Ultraschallträgerfrequenz f_C mit einer Amplitudenmodulationsfrequenz f_M, die kleiner ist als die Trägerfrequenz f_C; Übertragen des amplitudenmodulierten Signals sowohl in Hin- als auch in Rückrichtung zwischen einem ersten und zweiten Ultraschallwandler; Demodulieren der empfangenen amplitudenmodulierten Signale nach der Übertragung in Hin- und Rückrichtung, um das Amplitudenmodulationssignal f_M zu erfassen; Messen der Zeitdifferenz zwischen dem Modulieren der Ultraschallträgerfrequenz f_C und dem Erfassen des Amplitudenmodulationssignal f_M; und Einsetzen der gemessenen Zeitdifferenzen in einen Zeitdifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Meßausdruck und Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit, wobei die Frequenz f_M des Amplitudenmodulationssignals der folgenden Bedingung genügt: f_M ≤0,05 f_C dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfrequenz f_C kontinuierlich abgestrahlt wird; die Zeitdauer τ der Amplitudenmodulation bei jeder Laufzeitmessung mindestens τ = 5/f_M beträgt; und wobei die Amplitudenmodulationsfrequenz f_M weiterhin den folgenden Bedingungen genügt:
wobei f_p die maximale Amplitudenänderungsmodulation ist, die durch das zu messende Fluid selbst verursacht wird, C_max die maximale Schallgeschwindigkeit im Fluid ist, L die Ultraschall-Laufstrecke ist, V_max eine maximale Strömungsgeschwindigkeit ist, die im Intervall L erwartet werden kann, und α ein Winkel ist, den die Laufstrecke L und die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit bilden.
Ultraschall-Strömungsgeschwindigkeits-Meßverfahren nach Anspruch 1, wobei: das Verfahren zum Messen einer Zeit, in der die Ultraschallwelle übertragen wird, die folgenden Schritte umfaßt: Eingeben eines Spannungssignals in einen Amplitudenmodulator zur Amplitudenmodulation, wobei das Spannungssignal von 0 V zu einer positiven Spannung erhöht wird, Eingeben der amplitudenmodulierten Ausgangsspannung in einen der Ultraschallwandler, während die Ausgangsspannung abwechselnd in einen Demodulator eingegeben wird, um das Amplitudenmodulationssignal f_M zu erfassen, Festlegen des Startzeitpunkt für die Ultraschall-Laufzeitmessung als denjenigen Zeitpunkt, in dem eine erste Periode oder eineinhalb Perioden des Amplitudenmodulationssignals über das Nulldurchgangspotential gehen, Übertragen der amplitudenmodulierten Ultraschallwelle durch das Streckenintervall L und dann Empfang dieser Ultraschallwelle durch den anderen Ultraschallwandler, Demodulieren des empfangenen Signals durch den Demodulator und Erfassen des Amplitudenmodulationssignals f_M, Festlegen des Empfangszeitpunkts für die Ultraschall-Laufzeitmessung als den Zeitpunkt, in dem eine erste Periode oder eineinhalb Perioden des Amplitudenmodulationssignals über das Nulldurchgangspotential gehen, und Messen der Ultraschall-Laufzeiten unter Verwendung der Start- und Empfangszeitpunkte der Ultraschall-Laufzeit.
Phasendifferenz-Strömungsgeschwindigkeits-Meßverfahren zum Senden/Empfangen einer Ultraschallwelle unter einem konstanten Winkel α zur Strömungsgeschwindigkeit in Hin- und Rückrichtung und unter Auswertung der proportional zur Strömungsgeschwindigkeit geänderten Ultraschall-Phasendifferenz, umfassend die folgenden Schritte: Amplitudenmodulieren einer Ultraschallwellenträgerfrequenz f_C mit einer Amplitudenmodulationsfrequenz f_M, die geringer ist als f_C; gekennzeichnet durch – Festlegen der Amplitudenmodulationsfrequenz f_M gemäß der Bedingungen:
wobei a (< 1,0) ein Faktor zur Auswahl eines maximalen Meßbereichs (aπ)_max eines Phasendifferenz-Diskriminators ist, wobei b (< 1,0) ein Faktor zur Auswahl eines maximalen Meßbereichs (bπ)_max eines Phasendifferenz-Diskriminators ist, wobei C_max und C_min maximale und minimale zu erwartenden Schallgeschwindigkeiten sind, und wobei ν_max (= V_maxcosα) ein maximaler Strömungsgeschwindigkeits-Meßbereich ist – Speichern von n; – Messen der Phasendifferenzen an und bπ in Hin- und Rückrichtung durch einen Phasendifferenz-Diskriminator, – Addieren von nπ zu den Phasendifferenzen an und bπ, um die Phasendifferenzen Δψ_M1 und Δψ_M2 zu erhalten gemäß: ΔψM1 = nπ + bπ ΔψM2 = nπ + aπ , – Demodulieren des mit der Frequenz f_M modulierten, empfangenen Ultraschallsignals nach der Übertragung durch die Strecke L in Hin- und Rückrichtung, um das Signal mit der Amplitudenmodulationsfrequenz f_M zu erfassen; – Erhalten der Vielfachen m₁ und m₂ von π aus den durch Phasendiskriminatoren gemessenen Phasendifferenzen Δψ_C1 und Δψ_C2 zwischen der Trägerfrequenz f_C beim Senden und Empfangen durch den folgenden Ausdruck:
wobei β < 1, 0 und γ < 1, 0 gilt, – Speichern von m, und m₂, – Bestimmen der Phasendifferenzkomponenten βπ und γπ, – Addieren von m₁π und m₂π zu den gemessenen Ergebnissen, um die Phasendifferenzen Δψ_C1 und Δψ_C2 zu berechnen, und – Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis des folgenden Ausdrucks:
Verfahren zum Messen der Phasendifferenz Δφ_C einer Ultraschallwelle, die sich unter einem Winkel α in Hin- oder Rückrichtung zur Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids ausbreitet, wobei unter der Voraussetzung, daß die Schallgeschwindigkeit C separat gemessen wird oder konstant ist, die Strömungsgeschwindigkeit V durch den folgenden Ausdruck berechnet wird:
mit den Schritten: – Amplitudenmodulieren einer Ultraschallträgerfrequenz f_C mit einer Amplitudenmodulationsfrequenz f_M, wobei die Amplitudenmodulationsfrequenz f_M durch den folgenden Ausdruck ausgewählt wird:
mit: L = Länge der Ultraschallmeßstrecke, C_min = minimal mögliche Schallgeschwindigkeit, V_max = maximal mögliche Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, α = Winkel zwischen der Meßstrecke und der Strömungsgeschwindigkeit; – Übertragen der amplitudenmodulierten Signale in Hin- und Rückrichtung; – Demodulieren von mindestens zwei empfangenen Signalen nach der Übertragung, – Messen einer Phasendifferenz Δφ_M (< n) der Modulationsfrequenz zwischen dem hin- und rückgesendeten Signal und – Erhalten des Vielfachen m von mπ der Phasendifferenz Δφ_C der Trägerfrequenz abzüglich an, durch den folgenden Ausdruck:
– Messen der Phasendifferenz an zwischen den empfangenen Ultraschallsignalen f_C gleichzeitig durch den Phasendiskriminator, – Addieren von mπ zu aπ, um Δφ_C zu erhalten, und – Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit V gemäß obigem Ausdruck.