DE2633003C2

DE2633003C2 - Strömungsmesser

Info

Publication number: DE2633003C2
Application number: DE2633003A
Authority: DE
Inventors: Herbert Annapolis Estrada jun., Md.
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1975-07-25
Filing date: 1976-07-22
Publication date: 1985-08-29
Also published as: NL7607054A; JPS5216261A; FR2331002B1; JPS5948327B2; DE2633003A1; CH611020A5; US4024760A; FR2331002A1; CA1050153A; GB1554564A

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser mit zumindest zwei Paaren akustischer Wandler zur Anordnung in einem fluiden Medium, wobei jedes Wandlerpaar aus einem stromaufmäßig angeordneten Wandler und einem stromabmäßig angeordneten Wandler zur Bildung eines akustischen Signalweges hinsichtlich der Richtung des Fluidstromes besteht, mit Impulserzeugungsschaltungen, die mit den Wandlern verbunden sind, um ' : gleichzeitig einen ersten Satz von zwei Impulsen zu erzeugen, einen in Stromaufwärtsrichtung laufenden Impuls

·; eines ersten Wandlers zur Aufnahme durch einen zweiten Wandler eines ersten Paares der Wandlerpaare, und

■ so einen in Stromabwärtsrichtung laufenden Impuls eines ersten Wandlers zur Aufnahme durch einen zweiten

■. Wandler eines zweiten Paares von Wandierpaaren zu erzeugen; mit Empfangsschaltungen, die mit den Wand-

Vi lern zum Empfang der Impulse verbunden sind; und mit Rechnerschaltungen zur Bestimmung der Fiuidströmung, die mit der impulserzeugenden und -empfangenden Schaltung verbunden sind, um die Differenz der Laufzeit zwischen zumindest einem stromaufwärts und einem stromabwärts laufenden Impuls zu bestimmen und die Fiuidströmung festzustellen.

Ein derartiger Strömungsmesser ist aus der US-PS 35 64 912 der Anmelderin bereits bekannt. Derartige

;/ Strömungsmesser, die die Fortpflanzung von akustischer Energie durch ein Fluid (Gas oder Flüssigkeit) nut/.cn,

haben gezeigt, daß die volumetrische Strömung selbst bei stark verzerrter Geschwindigkeitsverteilung mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann. Die aus der genannten Druckschrift bekannte Meßanordnung beruht auf Zeitmessungen von akustischen Impulsen, die über das Fluid in entgegengesetzte Richtungen sich

_;. fortgepflanzt haben. Messungen, die in mehreren akustischen Wegen vorgenommen werden, werden cntspre-

iJ chend einem numerischen Integrationsverfahren miteinander kombiniert, um die volumetrische Strömungsratc

;':· zu berechnen. Die akustischen Wandler für derartige Systeme sind im allgemeinen in einem Gehäuse eingc-

[': schlossen und die akustische Fortpflanzung erfolgt durch ein akustisches Fenster in dem Gehäuse. Bei einigen

/; 65 Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei der Berechnung der volumetrischen Strömungsrate von Flüssigkeiten

J· hoher Temperatur ist das akustische Fenster verhältnismäßig dick, wodurch Echo- oder Nachhallprobleme

■, auftreten. Als Nachhall wird hier das Nachschwingen bezeichnet, das sich im Wandler aufgrund seiner eigenen

if. Erregung bzw. im akustischen Fenster ergibt. Dieser Nachhall kann das von dem hinsichtlich des akustischen

Weges gegenüberliegenden Wandler empfangene Signal derart verzerren, daß die genaue zeitliche Ankunft dieses Signals, die zur Berechnung der volumetrischen Strömungsrate benötigt wird, nur noch ungenau meßbar ist. Wird die Größe des Nachhalls groß genug, kann sogar das Empfangsgerät den Nachhall fälschlicherweise für das empfangene Signal halten, was zu fehlerhaften Zeitmessungen führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Anordnung dahingehend zu verbessern, daß Nachkling- (bzw. Ausschwing-)probleme der Schallwandler beseitigt werden, wobei akustische Impulse über verschiedene akustische Wege gesendet und empfangen werden. Dabei sei erwähnt, daß aus der DE-OS 21 60 920 es prinzipiell bekannt ist, mit verschiedenen akustischen Empfängern einen gesendeten Impuls aufzunehmen.

Gelöst wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs, also im wesentlichen dadurch, daß mittels dem Senden und Empfangen akustischer Impulse längs verschiedener akustischer Wege und durch entsprechende zeitliche Steuerung der ausgesendeten Impulse erreicht wird, daß Ausschwingvorgänge abgeklungen sind, bevor ein Wandler erneut erregt wird.

Durch diese Maßnahmen läßt sich erreichen, daß zum einen die Empfindlichkeit erhöht werden kann, da noch wesentlich kleinere Signale störungsfrei empfangen werden können, als es bisher möglich war, zum anderen läßt sich die Entfernung zwischen jeweils zwei Wandlerpaaren wesentlich erhöhen, da die dann noch eintreffende Schallenergie immer noch ausreichend genau empfangen werden kann, wobei diese größere Entfernung eine wesentlich größere Meßgenauigkeit ergibt Aus den gleichen Gründen sind auch Messungen in größeren Rohren und Leitungen, selbst bei starkem störenden Hintergrundgeräusch möglich.

Die erfindungsgemäße Schaltsteuerung der Wandler, die ein elektrisches Austauschen der Wandler ergibt, reduziert auch den Einfluß von örtlichen Abweichungen in einem bestimmten Weg. Während nämlich beim Stand der Technik akustische Impulse gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen längs einem c-'^zigen akustischen Weg übertragen werden. Hefen das erfindunssgemäße Strömungsmeßsystem ein Verfahren, bsi dem ein akustischer Impuls in der einen Richtung längs einem Weg und ein akustischer Impuls in entgegengesetzer Richtung längs einem zweiten ähnlichen, aber getrennten akustischen Weg übertragen wird. Nachdem der Nachhall abgeklungen ist, wird das Verfahren umgekehrt, so daß den Laufzeitdifferenzen auch die Laufzeiten der akustischen Impulse ermittelt werden können. Dies Verfahren kann mit weiteren akustischen Wegen durchgeführt werden und die erhaltenen Messungen können dann so verarbeitet werden, daß sie Daten für die Fluidströmung ergeben.

Gemäß einer Abwandlung, die für Anordnungen mit weniger starkem Nachhall günstig sein kann, werden von Wandlern akustische Impulse gleichzeitig in der gleichen Richtung längs den zwei Wegen übertragen und danach akustische Impulse in umgekehrter Richtung längs diesen beiden Wegen übertragen. Durch dieses weitere Verfahren können zusätzliche Daten erhalten werden, die die Berechnung der Strömung längs den einzelnen akustischen Wegen gestattet

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt

F i g. i einen Teii einer ein Fluid führenden Leitung mit einer akustischen Vielwegewandieranordnung,

Fig. la die Orientierung eines typischen akustischen Weges hinsichtlich der Fluidströmung für die Leitung der Fig. 1,

F i g. 2 einen Abschnitt der Leitung mit dem akustischen Wandler in Stellung, F i g. 3 erläutert einen Teil der Wandlerhalterung der F i g. 2,

F i g. 4A stellt eine idealisierte Wellenform für Aussendung und Empfang eines akustischen Impulses dar, der längs dem akustischen Weg durch einen Wandler übertragen wurde, während

F i g. 4B die tatsächlich auftretende Wellenform darstellt,

F i g. 5 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und F i g. 5A bis 5F Illustrationen zur Frläuterung der Betriebsweise dieser Ausführungsform,

F i g. 6 ein Blockdiagramm einer anderen Anordnung für eine zweite Betriebsart und

F i g. 6A bis 6F Illustrationen zur Erläuterung der Arbeitsweise dieser weiteren Ausführungsform.

In F i g. 1 ist ein Abschnitt einer Leitung 10 zum Übertragen eines Fluidums dargestellt, wobei die Strömungsrichtung (Aufstrom nach Abstrom) durch den Pfeil 12 angedeutet wird. In einem Vielwegesystem sind mehrere Wandlf.rpaare vorgesehen, wobei ein Wandler eines jeden Wandlerpaares einen Aufstromwandler darstellt, während der andere Wardler ein Abstromwandler ist, wobei beide Wandler über das Fluidum in der Leitung miteinander in akustischer Verbindung stehen und zwischen sich einen akustischen Weg definieren.

Zum Beispiel bildet ein Aufstromwandler iU in Verbindurg n.lt »lern entgegengesetzt abstrommäßig liegenden Wandler !Deinen akustischen Weg zwischen sich, der die Länge l\ besitzt. Ein zweites Paar von Wandlern 2 t/und 2D definieren einen zweiten Weg mit der Länge h. Die sich gegenübu liegenden Wandler 3 C und 3D definieren einen noch anderen akustischen Weg von der Länge /3, während die Wandler 4U und 4D einen akustischen Weg einer Länge U bilden. Gemäß einem System für numerische Integration sind die Wandler an vorbestimmten Stellen genau angeordnet, so daß die akustischen Wege jeweilig vorbestimmte Entfernungen von einem Bezugspunkt besitzen. Für ein Vierwegesystem und für eine kreisförmige Leitung werden die Wandler im allgemeinen so angeordnet, daß /1 gleich k und h gleich /3 ist.

F i g. 1A erläutert den allgemeinen Fall einer akustischen Übertragung zwischen Wandlern ur.d die Beziehung des akustischen Weges zur Richtung der Fluidströmung. Der Aufstromwandler ist mit Tu bezeichnet, während der Abstromwandler die Bezeichnung Td erhalten hat, während der akustische Weg zwischen diesen beiden Wandlern die Länge /besitzt Die sich ergebende Fluidumgeschwindigkeit wirf⁴ durch den Pfeil Vangedeutet, der einen Winkel O hinsichtlich des akustischen Weges aufweist, so daß die Komponente der Strömungsgeschwindigkeit V^längs dem akustischen Weg gleich V cos ^ist

F i g. 2 erläutert die Befestigung des Wandlers hinsichtlich der Leitungswand. Ein Vorsprung oder eine Nase

20. die eine Mittelöffnung besitzt, ist an der Leitungswand 10 befestigt, wobei eine genau ausgerichtete öffnung vorgesehen wird, beispielsweise durch Einbohren an der genau vorbestimmten Wandlcrstelle. Der Wandler selbst ist innerhalb eines Wandlerhalters 22 angeordnet, der durch die öffnung in der Nase 20 in die Leitungswand 10 eingepaßt und danach an Ort und Stelle befestigt ist. Im allgemeinen ist eine Fluidumdichlung vorgcsc- ', hen, wie beispielsweise ein O-Ring 25, und elektrische Verbindungen v/erden mit Hilfe einer elektrischen Kupplung 27 hergestellt.

Für einige Anwendungen, wie beispielsweise bei der Messung der Strömung von Fluiden mit extrem hoher Temperatur, kann der Halter 22 an der Nase 20 festgeschweißt sein und eine Konstruktion besitzen, die den hohen auftretenden Drücken und Temperaturen standhält. Das akustische Fenster für einen derartigen Halter

ίο wird im allgemeinen aus einem Metall, wie rostfreier Stahl, hergestellt, wobei ein Beispiel in F i g. 3 dargestellt ist. Der Körper des Halters 22 besitzt ein akustisches Fenster 30, das beispielsweise mittels einer Schweißung 31 an dem Halter befestigt ist. Das aktive Element 35 des Wandlers ist sandwichartig zwischen keramischen Isolatoren 37 und 38 angeordnet, wobei die Komponenten mit Hilfe einer Zentrierführungseinheit 40 unter Druck in Stellung gehalten werden. Zur größeren Deutlichkeit sind die Wandlerelektroden und die elektrischen Anschlüsse nicht dargestellt. Für eine solche Konstruktion wie auch für andere Konstruktionen mag die akustische Energie, die von dem aktiven Element abgegeben wird, dazu neigen, innerhalb des akustischen Fensters nachzuklingen, indem sie an den Vorder- und Hinterflächen des Fensters reflektiert wird. Die Wirkung davon kann anhand der F i g. 4A und 4B erläutert werden.

In F i tr 4A cinlli dip Wellenform 45 einen von dem Wandler zur Zeil in ideal abgesandten Impuls dar. Zur Zeit to wird ein ähnlicher Impuls von dem längs dem akustischen Wegen gegenüberliegenden Wandler ausgesandt und von dem erstgenannten Wandler zur Zeit /| empfangen. Die Wellenform 46 stellt den Ausgang dieses Wandlers aufgrund des Empfangs eines derartigen akustischen Impulses dar. Da die Gcschwindigkeitsbestirnmungen auf den Laufzeiten von entgegengesetzt gerichteten akustischen Impulsen beruhen, ist die genaue Messung dieser Zeiten von vordringlicher Wichtigkeit.

?s In Wirklichkeit verursacht jedoch, wie es in Fig. 4B dargestellt ist. der anfängliche Impuls, der zur Zeit to ausgesandt wird, ein Nachklingen, wie es von der Wellenform 48 dargestellt wird, wobei das Nachklingen mit der Zeit langsam abnimmt, aber zur Zeit /ι, zu der der entgegengesetzt gerichtete akustische Impuls empfangen wird, immer noch vorhanden sein kann. Die Wellenform 49 ste!'¹ diesen empfangenen Impuls dar. Bei der Berechnung der Laufzeiten der akustischen Impulse wird die Vorderkante oder die erste Halbwelle des empfangenen Impulses allgemein benutzt. Wenn das Nachklingen 48 zur Zeit fi noch nicht verschwunden ist, kann die genaue Erkennung des empfangenen Impulses behindert sein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden außerordentlich genaue Strömungsmessungen erreicht, selbst wenn das Problem des Nachklingens vorhanden ist. Bevor jedoch eine genauere Beschreibung, wie sie beispielsweise in Fig.5 dargestellt ist, vorgenommen wird, ist es günstig, zunächst die für die Strömungsmessungen benutzten akustischen Impulslaufzeiten näher zu untersuchen.

Im allgemeinen kann für ein System mit nur einem akustischen Weg, wie es z. B. in F i g. 1A dargestellt ist, die Geschwindigkeit und die volumetrische Strömungsrate dadurch bestimmt werden, daß gleichzeitig die Wandler Tu und To erregt und die Abstromlaufzeit des akustischen Impulses (von Tu nach Td) die aufstrommäßige Laufzeit des akustischen Impulses (von Tp nach Tu) gemessen wird. Wenn ί 1 die Laufzeit in Abstromrichtung ist und 12 die Laufzeit in Aufstromrichtung, kann die volumetrische Strömungsrate ζ) durch die Beziehung

OK <■>

4-, ermittelt werden, wobei K eine Konstante ist, die von Faktoren wie /, θ und Umrechnungseinheiten abhängt. Die Differenz der Laufzeitunterschiede der entgegengesetzt gerichteten Impulse längs dem Weg ist Δι und

Jt=t2-ii (2)

Da 12= 11+ At ist,gilt

Gleichung 3 kann dadurch verwirklicht werden, daß zwei Zähler vorgesehen werden, wobei ein Zähler 11 zur Zeit der akustischen Aussendung eingeschaltet wird und wieder abgeschaltet wird, wenn der abstrommäßig gelegene Wandler den akustischen Impuls empfängt Ein zweiter Zähler, ein Jf-Zähler, wird eingeschaltet, wenn der Abstromimpuls empfangen wird und wird wieder abgeschaltet, wenn der Aufstromimpuls empfangen wird, wobei die sich ergebende Zählung die Laufzeitdifferenz anzeigt

Eine genauere Bestimmung der volumetrischen Strömungsrate in einer Leitung kann mit einem Vielwegesystem erhalten werden, bei dem numerische Integrationsverfahren benutzt werden, wie beispielsweise die Gaußsche Technik, bei der gilt:

Dabei werden folgende Definitionen verwendet:

Q ist die volumetrische Strömungsrate; >{

D ist der Durchmesser der Leitung; j

η iM die Anzahl tier Wege: A

i ist die jeweilige Wcgnummcr; außerdem gill ■}]

</, = W₁I] tan Θ, ^L I

l\(ti + A,) -j

IV, ist der Gaußsche Wichtungsfaktor für den /-ten Weg. Somit ergibt sich für ein Vierwegesystem, wie es in F i g. I erläutert ist:

Untersucht man lediglich die kurzen Wege 1 und 4, ergibt sich:

Q=R. \_W[i] tan 0, ) + W₄ Ii tan 0₄ (-—-AL·——) + q_{2 +} q_} }. (6)

2 { \t \_t (t I₇ +At₁)J ViI₄ (/I₄ + /Ii₄)/ J

In der Gleichung 6 ist <4i| der Laufzeitunterschied der entgegengesetzt gerichteten akustischen Impulse im Weg 1 und Au die Laufzeitdifferenz von entgegengesetzt gerichteten akustischen Impulsen im Weg 4. In der vorliegenden Anordnung werden die Zeitmessungen des einen Weges mit den Zeitmessungen des anderen Weges kombiniert. Genauer gesagt, die Laufzeitdifferenz wird von den akustischen Impulsen erhalten, die in entgegengesetzten Richtungen in zwei unterschiedlichen Wegen auftreten, im Gegensatz zu dem Fall, wo nur ein einziger Weg vorhanden ist. Beispielsweise wird bei einer Gaußsehen Integrationsanordnung, wie sie « vorstehend beschrieben wurde, ein q\ und ein q₄ abgeleitet, wobei gilt:

wobu

WJ? tan ft - _(g)

Obwohl die gleiche Behandlung auch bei den langen Wegen, den Wegen 2 und 3, angewendet werden könnte, werden nur die kurzen Wege, Wege 1 und 4. in Einzelheiten erläutert. Bei Gleichung 7 ist AtA die Laufzeitdifferenz zwischen einem akustischen Impuls, der im Weg 4 aufstrommäßig, und einem Impuls der im Weg 1 abstrommäßig abgesandt wurde, während Ate die Laufzeitdifferenz zwischen einem akustischen Impuls, der im Weg 1 aufstrommäßig und einem Impuls der im Weg 4 abstrommäßig ausgesendet wurde, darstellt, d. h.:

I Il φ)

At_B=t2,— da

O)	45
(10)
00	50
(12)

ί2ι = ί Ii +At₁ und gilt, kann gezeigt werden,daß

At_A+ Ate=At,+Au (13)

Eine Ausführung dieses Konzeptes ist in F i g. 5 dargestellt, auf die nunmehr Bezug genommen werden soll. Entgegengesetzt angeordnete Wandlerpaare 1Uund ID bzw. 4t/und 4D stehen in Signalverbindung mit dem Rest der Schaltung über entsprechende Schaltnetzwerke 50 bis 53, wie dem Fachmann bekannt ist.

Sendeeinrichtungen bewirken unter der Steuerung einer zentralen Taktgeber- und Steuerungsschaltung 56 eine selektive Erregung vorbestimmter Wandler. Die Sendeeinnchtungen können einen ersten Sender 58 für die gleichzeitige Erregung von Wandler 1U über Leitung 60, Wandler 4D über Leitung 61 umfassen und auch den Zählprozeß im r 11 -Zähler 63 über Leitung 64 einleiten.

In einer ähnlichen Weise und zu einem späteren Zeitpunkt bewirkt der Sender 67 die gleichzeitige Erregung der Wandler ID über Leitung 69 und 4LJ über Leitung 70. Der t U-Zähler 73 empfängt auch ein Signal vom Sender 67 über Leitung 74. um seine Zählfunktion einzuleiten.

Um den Empfang der durch z. B. das Wassermedium übertragenen akustischen Impulse anzuzeigen, sind mehrere Empfänger vorgesehen, die mit den verschiedenen Wandlern in wirksamer Verbindung stehen. Der Empfänger 80 ist so angeschlossen, daß er das Ausgangssignal von dem Wandler 1D über Leitung 81 erhält. Der

Empfänger 83 ist so angeschlossen, daß er das Ausgangssignal vom Wandler AU über Leitung 84 erhält, während der Empfänger 86 so geschaltet ist, daß er das Ausgangssignal des War.,!lers \U über Leitung 87 aufnimmt. Schließlich ist der Empfänger 89 so geschaltet, daß er das Ausgangssignal vom Wandler 4D über Leitung 90 aufnimmt.

Für Erläuterungszwecke und zur Erleichterung der Erklärung wurden verschiedene Verzögerungseinrichtungen, die mit den Schaltungen verbunden sind, weggelassen, so daß die von den Empfängern gelieferten Ausgangssignale akustische Impulse darstellen, die an den empfangenen Wandlern ankommen. Die Verwirklichung der Gleichung 7 bedeutet die Bestimmung von nicht nur t Ii und t U, sondern auch von ΔΙα und Ata , uno entsprechend sind Schaltkreiseinrichtungen in der Form von ^//-Zählern für diesen Zweck vorgesehen, nämlich ^-Zähler 93 und Λίβ-Zähler 94.

Der Satz von Signalen, der zu den Laufzeiten der akustischen Impulse in Beziehung steht, die von den verschiedenen Zählern 63,93,73 und 94 geliefert werden, werden den Rechenkreisen 96 und 97 zugeführt, wo die dort angedeuteten mathematischen Verfahren durchgeführt werden. Das Ergebnis dieses mathematischen Prozesses wird durch entsprechende Konstanten k in den Schaltkreisen 100 und 101 modifiziert, wobei k nicht nur den geeigneten Skalenfaktor für die darzustellenden Einheiten umfaßt, sondern auch den gemittelten Gaußschen Wichtungsfaktor sowie andere Terme der Gleichung 8. Die Ergebnisse der Multiplikation werden auf entsprechenden Leitungen 103 und 104 zu einem Summier- und Mittelungskreis 106 geführt, wo z. B. die Summierung der Gleichung 7 ausgeführt werden kann, und der zusätzlich vergleichbare Signale von den anderen Wegen (von nicht dargestellten Schaltungen) auf Leitungen 108 und 109 empfängt. Der Prozeß kann mehrfach wiederholt werden, so daß eine gemittelte Ablesung für eine Anwendungseinrichtung erhalten und geliefert werden kann, wie beispielsweise Darstellung 110.

Eine typische Operation wird nun hinsichtüch der Fig.5A bis 5F beschrieben, bei der die jeweils aktiven Komponenten mit dicken Linien illustriert sind. In Fig. 5A wird aufgrund der Erregung von dem Sender 58 ein akustischer Impuls 120 längs dem Weg 1 in Abstromrichtung ausgesandt und ein akustischer Impuls 121 längs Weg 4 in Aufstromrichtung. Gleichzeitig mit der Auslösung dieser Impulse wird der / 1|-Zäh!er 63 eingeschaltet. Der in Abstromrichtung gerichtete Impuls kommt zuerst bei seinem gegenüberliegenden Wandler an, wie es in F i g. 5B erläutert ist, wodurch der Empfänger 80 veranlaßt wird, ein Ausgangssignal zu liefern, das den 11 i-Zähler 63 abschaltet und den Jt_A-Zäh\er93 einschaltet.

Nachdem der Impuls 121 vom Wandler 4 t/empfangen wurde, wie in Fig. 5C erläutert ist, liefert der Empfänger 83 ein Ausgangssignal, um den ^-Zähler 93 abzuschalten. Die Zählung in dem f Ii-Zähler zeigt daher die Laufzeit in Abstromrichtung an, während die Zählung in dem z/k-Zähler 93 die Differenz der Laufzeiten von entgegengesetzt gerichteten akustischen Impulsen anzeigt, jedoch nicht auf dem gleichen Weg, wie es bei bekannten Systemen der Fall ist, sondern auf zwei getrennten, aber gleichartigen Wegen.

F i g. 5D erläutert eine Übertragung zu einem nachfolgenden Zeitpunkt durch den Sender 67, die bewirkt, daß ein akustischer Impuls 124 längs dem Weg 1 in Aufstromrichtung übertragen wird, und daß ein akustischer Impuls 125 längs dem Weg 4 in Abstromrichtung übertragen wird. Zu diesem Zeitpunkt beginnt der t U-Zähler 73 seine Zählfunktion.

wie in F i g. 5E erläutert ist, erreicht der absirommäßig laufende impuis 125 den Wandler 4D und veranlaßt den Empfänger 89, den / U-Zähler 73 abzuschalten und den ^i/i-Zähler 94 einzuschalten.

Wenn der akustische Impuls 124, der in Aufstromrichtung läuft, beim Wandler 1U ankommt, wie in F i g. 5F erläutert, schaltet der Empfänger 86 den /4fs-Zähler 94 ab.

Somit wird mit der dargestellten Anordnung ein einzelner Wandler einen akustischen Impuls längs einem bestimmten Weg senden und einen akustischen Impuls längs diesem Weg zu einer Zeit empfangen, zu der das Nachklingen abgeklungen ist, so daß eine genaue Erkennung des Signals stattfinden kann.

Eine ähnliche Anordnung könnte für beide Wege 2 und 3 vorgesehen sein. Falls jedoch die Geometrie derartig ist, daß die Weglängen dieser Wege groß genug sind, so daß das Nachklingen zu der Zeit verschwunden ist, zu der ein Impuls empfangen wird, kann für diese Wege eine herkömmliche Anordnung benutzt werden.

Für den Durchschnittsfachmann wird erkennbar, daß dann, wenn erst einmal die entsprechenden Zeitsignale vorliegen, die notwendigen mathematischen Manipulationen auf verschiedene Weise durchgeführt werden

so können. Obwohl getrennte Sender und Signalverarbeitungskanäle dargestellt wurden, kann die Berechnung auch mit einem einzigen Sender, einem einzigen 11-Zähler, einem einzigen ^/r-Zähler und einem zentralen arithmetischen Abschnitt vorgenommen werden, zusammen mit entsprechenden Schalt- und Steuereinrichtungen.
In der vorstehend beschriebenen Anordnung sind die kombinierten Messungen q\' und q* in direkter Beziehung zu der Summe der Strömungen q\ und q* der kurzen Wege, so daß

Somit ist beispielsweise in dem Summier- und Mittelungskreis 106 eine Größe vorhanden, die die Summe der einzelnen Strömungsraten in den Wegen 1 und 4 anzeigt, im Gegensatz zu den einzelnen Strömungsraten im Weg 1 selbst und der einzelnen Strömungsrate im Weg 4. Wenn diese letztgenannte Information gewünscht wird, kann mittels einer abgeänderten Anordnung eine Bestimmung der Differenz in den Wegströmungen erhalten und mit der Summe und der Differenz der Größen können die einzelnen Wegparameter ermittelt werden. Dies sei am folgenden Beispiel verdeutlicht Die Summe der einzelnen Strömungen in den Wegen 1 und 4 wird durch die Gleichung 14 gegeben, während gezeigt wird, daß die Differenz der folgenden Gleichung 15 genügt:

qt" + qA" = qi—q₄ ('5)

Durch Kombination der mit einen Siric-h ιιικΙ tier mil /wci SlrichiMi versehenen droUe-n können ilii· ciii/elnrn Sirüimmgsraten auf die folgende Weise erhallen werden:

_q4= ₍₁₇)

Mit dieser Anordnung werden die folgenden Messungen durchgeführt:

^(l9)

* ^=k
Indem die Gleichungen 18 und 19 kombiniert werden, erhält man:

Indem man den in geschweiften Klammern stehenden Ausdruck über einen gemeinsamen Nenner stellt und danach einige Umformungen und Umanordnungen vornimmt, kann gezeigt werden,daß folgendes gilt:

Dieser Ausdruck reduziert sich auf

<7i-<74 (22)

Die Anordnung zur Ermittlung der Größen q\" und <j₄" ist in Fig.6 dargestellt, in der die einzelnen Schaltkreiskomponenten die gleichen sein können, wie sie bereits hinsichtlich F i g. 5 beschrieben wurden. Es wurden daher die gleichen Bezugszahlen verwendet Der Unterschied liegt in den Zwischenverbindungen, die zu einer anderen Betriebsart führt. Statt das auf zwei unterschiedlichen Wegen in entgegengesetzte Richtungen übertragen wird, werden akustische Impulse auf zwei unterschiedlichen Wegen in der gleichen Richtung übertragen und zu einem späteren Zeitpunkt in entgegengesetzter Richtung. Entsprechend ist der Sender 58 so angeschlosssen, ■

daß er gleichzeitig die Abstromsender 1D und 4D über die Leitungen 127 bzw. 128 erregt und gleichzeitig über |

Leitung 129 den Zähler 63 startet.

Um gleichzeitig akustische Impulse von dem aufstrommäßig liegenden Wandler zu dem abstrommäßig liegenden Wandler auszusenden, ist der Sender 67 mit den Wandlern 1U und 4L/über entsprechende Leitungen 131 und 132 verbunden und bewirkt auch die Auslösung des Zählers 73 über Leitung 133.

Die Empfänger 80 und 83 arbeiten nun jeweils in der Weise, daß sie von den Wandlern 4L/ und 1U über Cl.s Leitungen 134 und 135 akustische Impulse empfangen, während die Empfänger 86 und 89 entsprechend so geschaltet sind, daß sie Ausgänge von den Wandlern 4£> und 1D über die Leitungen 137 und 138 aufnehmen.

Obwohl die Zähler die gleichen Bezugszahlen besitzen, wie in F i g. 5, erhalten sie grundsätzlich unterschiedliche Eingangssignale für die Erzeugung von Größen zur Ausführung der Gleichungen 18 und 19. Entsprechend ist der Zähler 63 so wirksam, daß er eine Anzeige von t 2a liefert, nämlich der Aufstromlaufzeit eines akustischen Impulses längs dem Weg 4, während der Zähler 93 eine Anzeige der Zeitdifferenz liefert, nämlich der Ankunfts-Zeitdifferenz zwischen der Ankunftszeit des akustischen Impulses im Weg 1 verglichen mit der Ankunftszeit des akustischen Impulses im Weg 4, wobei diese Größe mit der Bezeichnung Atu versehen ist.

Es wird die Annahme gemacht, daß der akustische Impuls des Weges 4 zuerst empfangen wird. Tatsächlich kann es aber auch der zuletzt empfangene Impuls sein. Diese Zweideutigkeit kann jedoch beseitigt werden, indem ein Schaltkreis 139 vorgesehen wird, der auf die von den Empfängern 80 und 83 abgegebenen Ausgangssignale in der Weise reagiert, daß er das Vorzeichen der Größe in dem ^ίο-Zähler 93 verändert, wenn die Impulse in umgekehrter Reihenfolge empfangen werden.

Infolge der abstrommäßigen Übertragung der akustischen Impulse längs der Wege 1 und 4 wird angenommen, daß der Wandler XD des Weges 1 den Impuls zuerst aufnimmt, so daß der Empfänger 89 den Zähler 73 abschaltet, was eine Anzeige der abstrommäßigen Laufzeit auf dem Weg 1, Mi liefert Die Differenz in der Übergangszeit zwischen den zwei abstrommäßig ausgesandten akustischen Impulsen wird von einem Zähler 94 erhalten, der als zi/o-Zähler bezeichnet ist Der Schaltkreis 140 ist so ausgeführt, daß er das Vorzeichen der Zählung in dem Zähler 94 ändert, falls die Impulse in umgekehrter Reihenfolge ankommen. Obwohl es vorher nicht dargestellt wurde, können die Schaltkreise 139 und 140 auch in der Anordnung der Fig.5 vorgesehen werden, um auch eine Strömung in beiden Richtungen messen zu können.

Die Schaltkreise 96 und 97 führen die angedeutete arithmetische Operation durch, deren Ergebnisse mit vorbestimmten Konstanten der Schaltkreise 100 und 101 multipliziert werden, um die Größen q\" auf Leitung 103 und q₄" auf Leitung 104 zu liefern. Mit diesen Größen können die Strömungsraten der einzelnen Wege

gemäB den Gleichungen 16 und 17 errechnet werden. Diese Berechnung kann durch Handauswertung oder auch wie in F i g. 6 gezeigt, durch einen anthmetischen Abschnitt 142 durchgeführt werden. Der arithmetische Ab schnitt (Rechenwerk) 142 empfängt diese Größen q\" und q*" wie auch die Größen q_t' und q₄' aus dei vorangegangenen Operation, die mit Bezug auf F i g. 5 beschrieben wurde, um durch arithmetische Manipulatio nen, die von deß Gleichungen 16 und 17 beschrieben werden, die Ausgänge q\ und «74 zu liefern, die die einzelner Strömungen längs der Wege 1 und 4 anzeigen.

Diese letzte Betriebsart wird in den F i g. 6A—6F noch weiter erläutert, in denen die jeweils aktiven Kompo

nenten durch starke Striche herausgehoben wurden. In Fig.6A werden infolge einer Erregung durch der Sender 58 die Abstromwandler XD und AD gleichzeitig entsprechende akustische Impulse 150 und 151 läng: entsprechenden Wegen 1 und 4 aussenden. Gleichzeitig mit der Erregung wird der f 24-ZähIer eingeschaltet E:

sei angenommen, daß der Impuls 151 zuerst eintrifft, so daß der Empfänger 80 ein Ausgangssignal Hefen, das der Zähler 63 abschaltet und den /ifirZähler 93 einschaltet, wie in F i g. 6B dargestellt

Fig.6C zeigt das Auftreffen eines akustischen Impulses 150, der den Empfänger 83 zur Lieferung eine:

Ausgangssignals veranlaßt, das den Atu-Zähler 93 abschaltet
Zu einem späteren Zeitpunkt, wie in F i g. 6 dargestellt erregt der Sender 67 gleichzeitig die Aufstromwandlei 1 i/und 4 t/, so daß diese akustische Impulse 154 und 155 in der gleichen Abstromrichtung längs der Wege 1 und' aussenden. Gleichzeitig mit dieser Erregung wird der ί ^-Zähler 73 eingeschaltet

In F i g. 6E trifft der akustische Impuls 154 zuerst ein, so daß der Empfänger 89 den 111 -Zähler 73 ausschalte

sowie den z/fp-Zähler 94 einschaltet
In F i g. 6F ist der akustische Impuls 155 am Abstromwandler eingetroffen, so daß der Empfänger 86 der z?fü-Zähier94 abschaltet

Diese zweite Betriebsart zur Ermittlung der Größen q\" und 94" wird mit der gleichen Ausrüstung erreicht

wie die erste Betriebsart, wobei jedoch die einzelnen Komponenten unterschiedliche Verbindungen aufweisen Diese Änderung der Zwischenverbindungen kann durch Hand erfolgen, indem die Verbindungskabel manipu liert werden, oder sie kann auch automatisch durch die Anordnung von geeigneten Schaltnetzwerken durchgc führt werden, wenn dies zweckmäßig ist

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Strömungsmesser, mit zumindest zwei Paaren akustischer Wandler (1U, ID; 4L', 4D) zur Anordnung in einem fluiden Medium, wobei jedes Wandlerpaar aus einem stromaufmäßig angeordneten Wandler (IL/ bzw. 4U) und einem stromabmäßig angeordneten Wandler (ID bzw. 4D)zur Bildung eines akustischen Signalweges hinsichtlich der Richtung des Fluidstromes (12) besteht; mit Impulserzeugungsschaltungen (58, 67), die mit den Wandlern verbunden sind, um gleichzeitig einen ersten Satz von zwei Impulsen zu erzeugen, einen in Stromaufwärtsrichtung laufenden Impuls eines ersten Wandlers zur Aufnahme mittels eines zweiten Wandlers eines ersten Paares der Wandlerpaare, und einen in Stromabwärtsrichtung laufenden Impuls eines eisten Wandlers zur Aufnahme mittels eines zweiten Wandlers eines zweiten Paares der Wandlerpaare zu erzeugen; mit Empfangsschaltungen (80,83,86,89), die mit den Wandlern zum Empfang der Impulse verbunden sind; und mit Rechnerschaltungen (93, 94; 63, 73; 96, 97) zur Bestimmung der Fiuidströmung, die mit der impulserzeugenden und -empfangenden Schaltung verbunden sind, um die Differenz der Laufzeit (AtA bzw. Ate) zwischen zumindest einem stromaufwärts und einem stromabwärts laufenden Impuls zu bestimmen und

die Fiuidströmung festzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig neben der Laufzeitdifferenz die Rechnerschaltungen (93,94; 63,73; 96,97) auch die Laufzeit selbst eines übertragenen Impulses zu bestimmen vermögen und daß Zeitschaltungen (56) derart angeschlossen sind, daß sie eine Zeit verstreichen lassen, die das Nachklingen des impulserzeugenden Wandlers auf einen Wert abfallen läßt, der einen ausreichenden Empfang ermöglicht wobei die Impulserzeugungsschaltung (58,67) eine Austauschschaltung (50 bis 53) zum Austauschen der Verbindungen der impulsempfangenden (80,83,86,89) und der impulserzeugenden Schaltung (58,67) und deren entsprechenden Wandler umfaßt, um der impulserzeugenden Schaltung (58,67) zu ermöglichen, simultan einen nachfolgenden zweiten Satz von zwei Impulsen zu erzeugen, einen stromabwärts laufenden Impuls (120) von 'dem zweiten Wandler (z. B. 50) zur Aufnahme durch den ersten Wandler (z. B. 51) des ersten Paares (50,51) und einen stromaufwärts laufenden Impuls des zweiten Wandlers

(52) zur Aufnahme durch den ersten Wandler (53) des zweiten Paares (52,53).

Z Strömungsmesser nach Anspruch 1, wobei die Rechenschaltung Schaltkreise zur Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen einerj zweiten in Stromaufwärtsrichtung und einem zweiten in Stromabwärtsrichtung laufenden Impuls, wenn die Austauschschaltung (50 bis 53) die entsprechenden Wandler umgeschaltet hat, aufweist, und die empfangende Schaltung einen Schaltkreis für einen konstanten Faktor (100; 101) zur Modifikation der Signale enthält, wobei der konstante Faktor eine Funktion von zumindest der quadrierten Länge der akustischen Signalwege und eine Funktion des mittleren Winkils zwischen den Wegen und der Strötnungsi ichtung ist, dadurch gekennzeichnet, daß der konstante Faktor der Konstantfaktorschaltung einen Term W_sl_s ² tar ft unf.ßt, wobei I? das Mittel der quadrierten ersten Weglänge und der quadrierten zweiten Weglänge darstellt, ft das Mittel des entsprechenden Winkels zwischen dem ersten und dem zweiten Weg zur Strömungsrichtting υ d VV₅ ein entsprechender Gaußscher Wichtungsfaktor ist.

3. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsehaltungcn Schaltkreise enthalten, um die wandler gleichzeitig so zu verbinden, daß akustische Impulse in der gleichen ersten Richtung hinsichtlich der Fiuidströmung abgegeben werden, und danach gleichzeitig akustische Impulse in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung (F i g. 6,6A bis 6F).