DE3687772T2

DE3687772T2 - Geraet zur messung der charakteristiken fliessfaehiger stoffe unter verwendung oberflaechenerzeugter volumenuntersuchungssignale.

Info

Publication number: DE3687772T2
Application number: DE8686110923T
Authority: DE
Inventors: Lawrence C Lynnworth
Original assignee: Panametrics LLC
Current assignee: Panametrics LLC
Priority date: 1985-08-12
Filing date: 1986-08-07
Publication date: 1993-09-02
Anticipated expiration: 2006-08-08
Also published as: US4735097A; JPH0758210B2; DE3687772D1; EP0212470A3; JPS6238355A; EP0212470A2; EP0212470B1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Gerät zum Messen von Fluid-Eigenschaften in der Art, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist. Solch ein Gerät ist bekannt aus TRANS Inst M. C. Band 4, Nr. 1 Jan. - März 1982, S. 2-24, LYNNWORTH "Ultrasonic Flowmeters".
Nichteintauchende, aufsetzbare Laufzeit-Doppler- oder Ultraschallkorrelations-Durchflußmesser wurden bislang eingesetzt, um strömende Medien bzw. Fluide und insbesondere Flüssigkeiten zu messen und zu untersuchen. Das aufsetzbare Durchflußmeßgerät hat gewöhnlicherweise Longitudinal- oder Scherwellen-Piezokristalle für die Untersuchung des Mediums. In vielen Fällen sind die Abfragesignale im Medium schmalbandige und schrägverlaufende Signale und die Durchflußmesser basieren auf Laufzeitmessungen, anhand derer die interessierenden Eigenschaften der Meßflüssigkeit bestimmt werden.
Für Anwendungen, in denen eher sog. "weite Strahlen" oder "breite Strahlen" wie beispielsweise ein axial aufgeweiteter Strahl in einer Leitung wie ein Rohr oder eine Röhre als Abfragesignal angestrebt werden, wurden Lamb-Wellen gebräuchlich. Lamb-Wellen in der Rohrwandung haben gegenüber Longitudinal- oder Scherwellen eines Abfragesystems aufgrund ihrer breiten axialen Strahlaufweitung Vorteile, da sie ein einfacheres Positionieren von kommunizierenden Wandlern möglich machen. Diese bei schmalen Strahlen von Scherwellen oder Longitudinalwellen-Systemen unerreichbare Flexibilität bei der Beabstandung ergibt sich daraus, daß die Beabstandung relativ unabhängig von der Schallgeschwindigkeit im Medium ist. Lamb-Wellen haben jedoch den Nachteil dispersiv zu sein. Daher muß bei der Verwendung von Lamb-Wellen die optimale Frequenz als Funktion der Rohrdicke und Zusammensetzung bestimmt werden. Häufig sind jedoch Rohrdicke und Zusammensetzung nicht genau bekannt, und zwar an keiner der beiden Wandlerpositionen.
Es ist außerdem allgemein bekannt, daß einer der Vorteile von Scherwellen in der Rohrwand gegenüber Longitudinal- Wellen die niedrigere Geschwindigkeit der Scherwellen ist. Außerdem ist bekannt, daß Oberflächenwellen wie Rayleigh-Wellen eine noch niedrigere Phasengeschwindigkeit haben, gewöhnlich um etwa 10% niedriger als Scherwellenin einem gegebenen Rohrmaterial. Die Oberflächenwelle ist daher besser für schräg verlaufende Abfrage von Medien geeignet, und zwar wegen der besser handhabbaren und erreichbaren Brechungswinkel. Es ist aber auch bekannt, daß die Rayleigh-Welle signifikant abgeschwächt wird, wenn die Welle in den Festkörper "eindringt". Wenn daher die Dicke der Platte w größer als eine Rayleigh- Wellenlänge ist (die Wellenlänge, die der Wellenlänge einer Rayleigh-Welle im Festkörper entspricht), tritt eine signifikante Abschwächung in der Platte auf. Die Abschwächung steigt exponentiell an mit der Eindringtiefe in den Festkörper. Dementsprechend wurden Rayleigh- und Rayleigh-ähnliche Wellen nie als besonders praktisch in Verbindung mit aufsetzbaren Wandlern angesehen, da das Signal, das in das Fluid übergeht als im wesentlichen vernachlässigbar in seiner Stärke gegenüber dem Rauschen des Systems angesehen wurde. Die vorliegende Erfindung überwindet die Einschränkung durch Abschwächung mittels einer synthetischen Apertur.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fluid-Meßgerät zu schaffen, das die Rayleigh- und Rayleighähnlichen Wellen zur Bestimmung einer oder mehrerer Eigenschaften des Fluids ausnutzt. Andere Aufgaben der Erfindung sind die Angabe der Einschränkungen für den Aufbau des Rayleigh-Wellen-erzeugenden Gerätes für die effektive Messung der Fluid-Eigenschaften, und die Schaffung eines zuverlässigen, empfindlichen Durchflußmesser-Nachweisgerätes.
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Gerät für die Messung einer oder mehrerer Eigenschaften eines Fluids. Das Gerät wird in Verbindung mit plattenähnlichem Material mit einer anliegenden und einer gegenüberliegenden bzw. entfernten Oberfläche verwendet, wobei die entfernte Oberfläche mit dem Medium in Berührung ist. Ein Wandler wird mit der lokalen Oberfläche des plattenähnlichen Materials in Berührung gebracht; Elemente sind vorgesehen, um den Wandler mit der lokalen Oberfläche des festen Materials zu verbinden, um eine Rayleigh-ähnliche Welle mit Wellenlänge λR in der Wand entlang der lokalen Oberfläche zu erzeugen. Die lokale und entfernte Oberfläche haben in Abfragerichtung einen Abstand, der kleiner als vier Rayleigh-Wellenlängen (4λR) ist, wobei die Abfragerichtung in Richtung der Normalen der lokalen Oberfläche zeigt.
In anderer Hinsicht ist das Gerät zur Messung der Eigenschaften eines Mediums und für die Erzeugung einer Rayleighähnlichen Oberflächenwelle geschaffen, welche einerseits nichtdispersiv ist und welche andererseits an der gegenüberliegenden Oberfläche eine wesentlich geringere Intensität als an der lokalen Oberfläche hat.
In einer weiteren Hinsicht ist das erfindungsgemäße Gerät bei plattenähnlichem Material mit einer Dicke größer als die halbe Rayleigh-Wellenlänge geschaffen, um die Wandler mit einem Pulssignal anzuregen, das kurz genug ist, um Intra-Wandinterferenzen bei der erzeugten Energie zu vermeiden. Dementsprechend ist die Rayleigh-ähnliche Oberflächenwelle klarer von einer Lamb-Welle zu unterscheiden, welche typischerweise im wesentlichen die gleiche Energieintensität auf der entfernten und der lokalen Oberfläche aufweist. Insbesondere sollte die Pulsdauer kleiner als die Wandstärke des plattenähnlichen Materials, dividiert durch die Geschwindigkeit der Wellen im festen Material, sein.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung der einzelnen Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen erläutert, wobei:
Fig. 1 ein Schema der generellen Anordnung für den Einsatz der Erfindung darstellt;
Fig. 2 ein Durchgangszeit-Durchflußmesser auf der Basis von Rayleigh-ähnlichen Oberflächenwellen mit mechanisch an das Rohr angekoppelten Wandlern entsprechend der Erfindung darstellt;
Fig. 3 eine Diagrammdarstellung der praktischen Bedingungen der Erfindung darstellt;
Fig. 4 die Seitenansicht eines Rohres mit einer erfindungsgemäßen Rayleigh-Umfangswelle auf einer Linie mit dem halben Radius darstellt;
Fig. 5 einen Seitenaufriß entsprechend Fig. 4 mit zwei Paaren von entlang dem Umfang gerichteten Rayleigh-Wandlern darstellt;
Fig. 6-8 verschiedene Anschluß-Konfigurationen darstellen, bei welchen entsprechend der Erfindung die Wandstärke variiert;
Fig. 9 eine Platte darstellt, die für die Fokussierung einer Welle auf einen bestimmten Punkt im Medium gekrümmt ist;
Fig. 10 einen magnetisch gekoppelten Wandler entsprechend der Erfindung darstellt;
Fig. 11 eine Seitenansicht der Kontaktfläche des Wandlers entsprechend der Erfindung darstellt;
Fig. 12 ein Beispiel eines breitbandigen 500 kHz-Empfangssignals darstellt, welches mit einem mit Wasser gefüllten Vier-Zoll-Schedule-40-Stahlrohr, aufgenommen wurde;
Fig. 13 eine besondere Ausführungsform der Erfindung mit einem Zickzack-Abfrageweg zeigt;
Fig. 14 einen benetzten Wandler-Aufbau als besondere Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
Fig. 15 einen erfindungsgemäßen Wandleraufbau in einem schwimmenden Boot zeigt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Oberflächenwellen-Ansatz, mit dem die Vorteile einer Abfrage mit breitem Strahl unter Verwendung einer künstlichen Wandlerapertur erreicht werden sollen und gleichzeitig die Nachteile vermieden werden sollen, die Lamb-Wellen als frequenzabhängige dispersive Wellen mit schmalbandigem Spektrum haben. Der dargestellte Oberflächenwellen- Ansatz kann mit bereits erhältlichen NDT-Oberflächenwandlern (NDT = non-destructive testing = zerstörungsfreies Messen) in einer Frequenzdekade durchgeführt werden, deren oberer Grenzwert in etwa bei einem MHz liegt. Diese obere Frequenz ist vorteilhaft bei schräg verlaufender Abfrage bei vielen Flüssigkeiten, die in Rohren üblicher Wandstärke mit einem Durchmesser im Bereich von 30 bis 300 mm fließen. Die tatsächlich gewählte Frequenz hängt in der Praxis stark von den Übertragungseigenschaften des Mediums ab, vorausgesetzt, daß andere Bedingungen dieser Erfindung erfüllt sind.
Das hier beschriebene Wandlergerät nutzt daher Oberflächenwellen, die einer Rayleigh-Welle sehr ähneln, wenn die Platte, in welche die Oberflächenwelle eindringt oder auf welcher sie erzeugt wird, unendlich dick ist. Dasselbe Wandlerverfahren kann jedoch auch verwendet werden, um effizient durch Platten zu übertragen, die sehr viel dünner als eine Wellenlänge sind. Jedoch unterscheidet sich eine Welle in einer Platte oder Membran dieser Dicke in verschiedener Hinsicht erheblich von einer Rayleigh- Welle. Beispielsweise ist die Quell- und Meßregion nicht so ausgedehnt, wie sie für Platten mit einer Dicke einer halben und vier Rayleigh-Wellenlängen in der Platte wären. Bei erfindungsgemäßer Verwendung einer künstlichen Wandler-Apertur, die einem ausgedehnten Quell- und Meßbereich entspricht, wird wie im folgenden beschrieben durch diese ausgedehnten Bereiche die Einstellung des Abstandes zwischen den Wandlern in axialer Richtung in weitem Bereich wie oben behauptet ermöglicht, und zwar relativ unabhängig von Genauigkeiten oder Änderungen in der Schallgeschwindigkeit c&sub3; des Mediums. Außerdem kann man cR (die Geschwindigkeit der Rayleigh-Welle) mit der Technik der differentiellen Wegmessung bei der Platte, bei dem Rohr oder bei einer anderen Struktur bestimmen. Der Wert cR kann aus der Steigung des Graphs von S (Abstand zwischen den Wandlern) gegenüber der Durchlaufzeit bestimmt werden.
Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung idealerweise von Rayleigh-Wellen auf der Oberfläche einer Wand oder plattenähnlicher Strukturen und die Verwendung solcher Wellen bei der Abfrage von Fluiden. Wie jedoch oben erwähnt, kann aufgrund der beschränkten Dicke der Wand eine echte Rayleigh-Welle nicht erzeugt werden. Jedoch unterscheidet sich die Rayleigh-ähnliche Welle, im folgenden "Rayleighähnliche Oberflächenwelle" genannt, in verschiedener Hinsicht von verwandten Wellen wie beispielsweise Lamb-Wellen. So ist die Energie der Rayleigh-ähnlichen Oberflächenwelle nahe einer Oberfläche der Platte konzentriert, während sie exponentiell mit der Eindringtiefe abfällt. Die Lamb- Welle dagegen hat im wesentlichen die gleiche Intensität an den Rändern der Platte. Die Phasen- und Gruppengeschwindigkeit der Rayleigh-ähnlichen Oberflächenwelle ist eigentlich unabhängig von der Frequenz und konstant, d. h. die Welle ist nichtdispersiv. Wie weiter unten erläutert, wird die bevorzugte Rayleigh-ähnliche Oberflächenwelle gewöhnlich mit einer kurzen, impulsähnlichen Anregung mit breitbandiger Pulscharakteristik erzeugt. Dieses verhindert die mögliche Erzeugung von Intra-Wandinterferenzen, wie sie beispielsweise charakteristisch für Lamb-Wellen sind. Die Pulsdauer kann eine Periode oder weniger betragen und sollte deutlich weniger als die Wanddicke dividiert durch die Wellengeschwindigkeit in dem Festkörpermaterial sein. Dies verhindert Interferenzen oder das Aufbauen natürlicher Resonanzen, welche beispielsweise zu einer Lamb-Welle führen. Außerdem muß bei der Rayleigh-Welle keine Einschränkung in bezug auf den minimalen räumlichen Abstand beim Aussenden der gewünschten Welle beachtet werden. Diese letztgenannte Eigenschaft ermöglicht es, kleinere Wandleraufbauten zu konstruieren als für Lamb-Wellen.
Andere Unterscheidungsmerkmale zwischen einer Rayleighähnlichen Oberflächenwelle und Lamb-ähnlichen Wellen in einer Platte sind die allgemeine Toleranz in Abhängigkeit von verschiedenen im folgenden erläuterten Bedingungen gegenüber Schwankungen in der Wandstärke, die wesentliche Abschwächung der Welle in Abhängigkeit von der Eindringtiefe in die Platte, und die Abwesenheit höherer Moden, die sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten fortpflanzen.
Die mathematische Theorie für das Aussenden von Lamb- und Rayleigh-Wellen ist allgemein bekannt (siehe beispielsweise Krautkrämer, Ultrasonic Testing of Materials, 3. Auflage (1983), S. 44-45, 608, 618). Deighton diskutiert die Dispersion von Lamb-Wellen in Abstract 7.4, UI85 Conference, London, 2.-4. Juli 1985 in Supplement to ULTRA3 23 (4), 1985.
Bezugnehmend auf Fig. 1, die eine repräsentative Ausführungsform der Erfindung darstellt, sind ein erster Wandler 10 und ein zweiter Wandler 12 entlang einer Leitung 14 angeordnet, in der sich als Medium beispielsweise Wasser bewegt. Die Wandler 10 und 12 können aufsetzbar sein und können an der Leitungswand 16 durch beispielsweise magnetische oder mechanische Kräfte gehalten werden. Entsprechend der Erfindung ist der Wandler 10 so aufgebaut, daß er auf den Erregerpuls vom Ultraschall-Durchflußmesser-Steuersystem 17 wie allgemein bekannt reagiert und eine mit 18 bezeichnete Rayleigh-ähnliche Oberflächenwelle, entlang der Wandoberfläche 20 der Leitung erzeugt. Der Erregerpuls ist ein kurzes, spitzes Signal von begrenzter Dauer, wie es bereits oben beschrieben wurde.
Für die nachfolgenden Erläuterungen wird die Oberfläche 20 der Wand (oder einer anderen plattenähnlichen Struktur), auf welcher der Wandler zum Senden und Empfangen einer Oberflächenwelle befestigt ist, lokale Oberfläche des Wandlers genannt und wird die Oberfläche der Wand (oder einer anderen plattenähnlichen Struktur), von der eine Rayleigh-ähnliche Oberflächenwelle in das oder aus dem Medium übergeht als gegenüberliegende Oberfläche bezeichnet. Daher emittiert entsprechend der Erfindung der Wandler 10 eine Oberflächenwelle auf der lokalen Oberfläche 20 der Leitungswand 16.
Wie oben beschrieben ist die Oberflächenwelle eine Rayleighähnliche Oberflächenwelle und schwächt sich signifikant ab, wenn sie von der lokalen Oberfläche in den Festkörper eindringt. Die dargestellte Rayleigh-ähnliche Oberflächenwelle pflanzt sich entlang der Oberfläche des Festkörpers in axialer Richtung weg vom Wandler 10 fort.
Es wurde festgestellt, daß ein Teil der Energie der Rayleighähnlichen Oberflächenwelle aus dem Wandler in das Medium übergeht, welches durch die Leitung 14 fließt. Am Medium/Wandübergang wird eine Welle mit stark geschwächter Intensität erzeugt, die im Beispiel mit 24 bezeichnet ist. Diese Welle 24 durchläuft das Medium in einem gegenüber der Achse des Kanals geneigten Winkel. Der Brechungswinkel R&sub3; der Welle 24 kann nach dem Snelliusschen Gesetz berechnet werden. Wenn die von der Flüssigkeit getragene Welle die gegenüberliegende Wand erreicht, wird hier an der entfernten Oberfläche 26 des Wandlers 10 eine neue Welle in der Rohrwand erzeugt und durch die mit 28 bezeichneten Wellen in der gegenüberliegenden Rohrwand wird eine noch stärker abgeschwächte Rayleigh-ähnliche Oberflächenwelle an der lokalen Oberfläche 27 erzeugt. Diese Oberflächenwelle, deren Intensität gegenüber der ursprünglichen Intensität beim Wandler 10 stark abgeschwächt sein mag, hat noch genügend kohärente Energie für die Erzeugung einer gewünschten Signalintensität und damit dafür, daß ein vom Wandler 12 empfangenes Signal noch über dem Rauschen liegt. Der Grund dafür, daß die Signalstärke angemessen ist, liegt darin, daß mehrere parallele Strahlen gleichzeitig beim empfangenden Wandler ankommen. Das empfangene Signal wird von dem Verarbeitungssystem 17 wie allgemein bekannt beispielsweise für die Bestimmung der Durchlaufzeit im Medium weiterverarbeitet. Die in Fig. 1 dargestellte Konfiguration kann daher als Beispiel für ein Durchgangszeit-Durchflußmesser angesehen werden.
Fig. 1 zeigt außerdem einen Dämpfer 30, welcher selektiv um das Rohr herumgelegt werden kann und durch Anklemmen oder auf andere Weise festgehalten wird. Wenn die akustische Impedanz des Dämpfers und die interferierende Oberflächenwelle (d. h. die dem Umfang entlanglaufende Rayleigh-ähnliche Oberflächenwelle) in etwa zusammenpassen, kann der Dämpfer effizient kurzgeschlossen werden, so daß die Energie der Welle absorbiert wird. Auf diese Art können Rayleigh-ähnliche Wellen nur auf die nützlichen Bereiche der Platte oder des Rohrs beschränkt werden.
Fig. 2 zeigt in größerem Detail eine Form des Wandlers, der an das Rohr oder den Kanal gekoppelt werden kann, als eine besondere Ausführungsform der Erfindung, wobei die Wandler 10 und 12 keilförmige Wandler sein können, ähnlich denen, die zum Aussenden und zum Empfangen von Scherwellen verwendet werden, und die beschrieben sind in Lynnworth, Trans. Inst. MC, Band 4, Nr. 1, S. 6 (Januar-März 1982). Es wird darin jedoch nichts darüber gesagt, wie sich Rayleigh- und Rayleigh-ähnliche Wellen entlang einer Wand einer Platte fortpflanzen und von einer separaten Wand der Platter in das Medium übergehen. Die kohärenten Elemente des Energieflusses, der diagonal durch das Rohr geht, werden dargestellt durch die schräg verlaufenden Wellen 40, 42, 44, 48. Die Wandler 10 und 12 in Fig. 2 sind eng an das Rohr geklammert, und zwar unter Verwendung von den Manschetten 50, 52, die denen in Lynnworth, US-Patent 4 286 470 ähnlich sind.
Außerdem ist es möglich, magnetische Klemmvorrichtungen zu benutzen, um die Wandler auf magnetischen Rohren aus beispielsweise Eisen oder Stahl wenigstens für kurze Zeit bei Machbarkeitsstudien oder bei Flußstudien festzuhalten. Ein solcher Aufbau, dargestellt in Fig. 10, ist ähnlich dem Wandleraufbau von Lynnworth et al., US-A-4 320 659, Fig. 6. Da die Wandler häufig auf den Seiten eines horizontal verlaufenden Rohres angebracht werden, muß das Gewicht des Wandlers kleiner als die Haltekraft des Magneten sein, kleiner als die Kopplungskraft, und kleiner als andere Kräfte wie beispielsweise der Zug des Kabels, das mit dem Wandler verbunden ist.
In Fig. 2 ist die Leitung 14 wie oben beschrieben von zweiteiligen Manschetten 50 und 52 umgeben. Diese Manschetten können auch beispielsweise von Ruland und Stafford kommerziell erhältliche Standardkomponenten sein. Die Gehäuse 54 der Wandler sind im allgemeinen zylindrisch geformt aus beispielsweise Dreiviertelzoll-Rohrnippeln, an einem Ende mit Gewinde versehen, um ein Verbindungsgehäuse oder eine Leitungsverbindung unterzubringen, und die an dem anderen Ende abgeschrägt sind, um den richtigen Einfallswinkel für das Aussenden oder Empfangen von Rayleighähnlichen Oberflächenwellen zu gewährleisten, der typisch zwischen 300 und 600 liegt. Der Rohrnippel 24 kann durch eine Platte. 58 in zwei Hohlräume unterteilt sein, wobei beide dünn im Vergleich zur Erregungswellenlänge sind, oder ein Vielfaches der halben Wellenlänge lang sind. Der Keil ist dann in dem abgeschrägten Hohlraum angebracht.
Ein Kristall 60, der gewöhnlich aber nicht unbedingt notwendig für den vertikal polarisierten Scherwellenmodus ausgelegt ist, ist auf einer Seite der Platte 58 befestigt Als Alternative kann der Kristall auch direkt an dem Keil 62 befestigt sein, wenn eine solche Platte fehlt. Der Durchmesser oder die Breite des Kristalls 60 ist vorzugsweise im Bereich von etwa einer bis zehn Rayleigh-Wellen längen (λR bis 10λR).
Der Keil kann in dem Hohlraum mit einer dünnen Beilagscheibe aus rostfreiem Stahl abgedichtet sein, die typisch 50 um dick ist (0,002 Zoll). Der Aufbau ist mit Silikon, Epoxy, Fett oder andere Substanzen an der äußeren Oberfläche 20 der Leitung, also der lokalen Oberfläche angekoppelt, so daß Rayleigh-ähnliche Oberflächenwellen entlang einer ausgedehnten Oberfläche der Leitung ausgesendet oder empfangen werden können. Die Rayleigh-Wellen laufen somit diagonal durch das Medium in dem Rohr, wie mit den Pfeilen 40, 42, 44, 48 angedeutet.
Der Brechungswinkel der Wellen R&sub3; bestimmt die diagonale Weglänge in dem Medium. Die diagonale Weglänge ist mit P bezeichnet und der innere Durchmesser des Rohres mit D. Der axiale Abstand S zwischen zwei Wandlern ist definiert durch den Schnittpunkt der schräg verlaufenden Zentralachse jedes der Wandler mit der Rohrwand. Zur Vereinfachung werden bei einem kommerziellen Instrument diese Schnittpunkte vorzugsweise mit den äußeren Seiten der Manschetten 50 und 52 wie in der dargestellten Ausführungsform zur Koinzidenz gebracht. In der Praxis kommt es jedoch wegen Strahlaufweitung im Keil, Schwankungen der Schallgeschwindigkeit c&sub1; im Keil, mechanischen Toleranzen bei der Klemmkeilherstellung, etc. zu Abweichungen von diesem idealisierten Bild.
Wenn entsprechend der Erfindung in Fig. 3 die Wellenlänge einer Rayleigh-ähnlichen Oberflächenwelle mit λR bezeichnet wird, dann muß die maximale Wand- oder Plattendicke w erfindungsgemäß kleiner als etwa vier Wellenlängen (4λr) sein. Außerdem konnte gezeigt werden, daß die Abschwächung einer Oberflächenwelle auf einem elastischen "Halbraum" aufgrund von Rückstrahlung in die benachbarte Flüssigkeit in manchen Fällen sich zu dem Faktor 1/e über einen Weg von ca. zehn Wellenlängen aufaddiert. Im allgemeinen gilt, daß je größer die Dichtedifferenz zwischen der Platte und dem entfernten Medium ist, desto größer ist die Überschuß-Abschwächung pro Wellenlänge aufgrund von Abstrahlung in das entfernte Medium. Daher ist wie in Fig. 3 gezeigt die "ausgedehnte Apertur" definiert als Distanz, gemessen in Richtung der Rayleigh-Wellen- Fortpflanzung von wenigstens zehn Rayleigh-Wellenlängen (10λR). Daher würde man für einen Wandler 10, der an die lokale Oberfläche 20 gekoppelt ist und von einem Pulser 64 erregt wird, eine künstliche Apertur erwarten, welche in axialer Richtung wenigstens zehn Rayleigh- Wellenlängen groß ist. Außerdem muß die Dicke der Struktur, über welche eine abgeschwächte Rayleigh-Welle in das benachbarte Medium übergehen soll, an der entfernten Oberfläche der Struktur kleiner als etwa vier Wellenlängen sein und sollte nicht kleiner als etwa eine halbe Wellenlänge sein.
In Übereinstimmung mit dieser dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist entsprechend Fig. 2 die axiale Interaktionslänge in dem Medium L gegeben durch L = D tan R&sub3;. In einem Ultraschalldurchgangszeit-Durchflußmeßgerät kann die Fließgeschwindigkeit entlang einem Weg P aus der Gleichung V = c&sub3;² dt/2L bestimmt werden, wobei dt die Differenz zwischen der Durchgangszeit stromab und stromauf ist. Es ist wichtig, daß in der dargestellten Ausführungsform der Abstand S nicht kritisch ist, solange er bekannt ist. Die Wandstärke sollte ebenfalls bekannt sein, und zwar erstens um keine Zeit mit Messungen bei falscher Frequenz zu verschwenden (obgleich das vorliegende Verfahren und Gerät signifikant toleranter bezüglich Wandstärke ist als andere Verfahren) und zweitens damit die Zeitverzögerung durch die Wandstärke korrekt in Betracht gezogen werden kann. Außerdem muß die Rohrfläche bekannt sein für Berechnungen des Volumendurchflusses.
Als typisches Beispiel sei ein Stahlrohr betrachtet, das mit Wasser gefüllt ist und von Luft bei Raumtemperatur umgeben ist. Abstrahlung der Rayleigh-Welle in die Luft tritt in der Nähe des Brechungswinkels R1R = sin -1 (343/3000) oder 6,6º an der lokalen Seite auf. Abstrahlung in das Wasser tritt bei einem Brechungswinkel R&sub3; von 30º auf. In der speziellen Ausführungsform der Erfindung und der Annahme von fließendem Wasser in dem Stahlrohr sei die Schallgeschwindigkeit im Wasser c&sub3; = 1500 Meter pro Sekunde und die Rayleigh-Geschwindigkeit im Stahlrohr in etwa cR = 3000 Meter pro Sekunde, die Schallgeschwindigkeit der einfallenden Welle in dem Keilwandler 12 2121 Meter pro Sekunde. Dann wird bei einem Einfallwinkel von etwa 45º die Rayleigh-Welle in das Rohr abgestrahlt. Die Abstrahlung von modenkonvertierten Longitudinalwellen in das Wasser wird bei einem Brechungswinkel von 30º (R&sub3;) auftreten. Zum Vergleich, Scherwellen haben eine Geschwindigkeit im Rohr von 3230 Meter pro Sekunde und würden unter einem Winkel von 60º einfallend an der Stahl/Wasser- Grenzfläche mit einem Winkel von nur 23,7º in das Wasser abgelenkt werden. Das Erreichen eines Brechungswinkels von 30º ist außerdem besonders wichtig wenn Abfrage auf einer Linie mit dem halben Radius erfordert wird, um den Einfluß des Flußprofils zu minimieren.
Es können auch andere Verfahren beim Aussenden von Rayleigh- Wellen und Aufnehmen von Oberflächenwellen angewendet werden. So können bei manchen Anwendungen beispielsweise periodische Anordnungen gegenüber einem Keil von Vorteil sein, die weniger Masse als ein Keil haben. Wie allgemein bekannt werden gewöhnlich Interdigital-Verfahren bei Oberflächenwellen hoher Frequenz etwa ab 10 MHz verwendet. Auch die Absorption von Laserstrahlen kann für die Aussendung von Rayleigh-Wellen angewendet werden.
Im Gegensatz zu axial ausgedehnten Quell- und Meßregionen in den Fig. 1, 2 und 3 können die Wandler 10 und 12 wie in Fig. 4 gezeigt so angeordnet werden, daß ein entlang dem Umfang verlaufender Bereich entsteht, der für einige Ultraschallkorrelations-Durchflußmeßgeräte von Vorteil ist. In bezug auf diesen Aspekt der Erfindung senden bzw. empfangen die Wandler 10 und 12 die mit 82 und 84 bezeichneten Rayleigh-ähnlichen Oberflächenwellen. In einem Korrelations-Durchflußmeßgerät ist der Beitrag der Sehnen 86, 88 und 90 wichtig für das empfangene und gemessene Rayleigh-ähnliche Oberwellenflächensignal 84. Unter Verwendung des Snelliusschen Gesetzes kann man zeigen, daß für Wasser in einem Stahlrohr unter Normalbedingungen die Sehnen tangential an einen Kreis mit halbem Radius liegen, was insbesondere vorteilhaft ist wie in Lynnworth, US-A-4 103 551 bemerkt wurde. Die zitierte Stelle befaßt sich nicht mit Rayleigh- oder Rayleigh-ähnlichen Wellen, sondern nur mit der Fortpflanzung von Scher- oder Longitudinalwellen. Die Halbradius-Sehnen haben eine bevorzugte Profilwichtung (und einen Meßfaktor von etwa eins) für laminaren und turbulenten Fluß. Für aufsetzbare Anwendungen bei einem runden Rohr erfordert eine Mittradius- Sehnen-Abfrage einen Brechungswinkel von 30º, gemessen in der Seitenansicht des Rohres.
In einer anderen speziellen Ausführungsform der Erfindung als Korrelations-Durchflußmeßgerät werden wie in Fig. 5 gezeigt zwei Paare von Wandlern 10', 12' und 10'', 12'' axial beabstandet, und zwar zwischen einmal und viermal dem Radius des Rohrs. Die Sender-Wandler strahlen Rayleighähnliche Oberflächenwellen aus, wie in Fig. 4 gezeigt. Messungen können als Transmissionsmessung oder Impulsechoverfahren durchgeführt werden. Bei der Korrelationsmessung nach dem hier beschriebenen Verfahren kann das Rauschen durch akustischen Kurzschluß in der Rohrwand mit dem oben erwähnten Dämpfungsverfahren oder durch Quadraturtechnik, die von Jacobson et al. in Ultrasonics, Mai 1985 beschrieben ist, unterdrückt werden
Wie in den Fig. 6-9 zu sehen ist, ist das Aufsetzverfahren und -gerät nach Fig. 1-3 von besonderem Vorteil in Verbindung mit Leitungen (oder anderen plattenähnlichen Strukturen), bei welchen die gegenüberliegenden Wände 91, 92 unterschiedlich dick sind (Fig. 6) oder kegelförmig (Wand 93) oder uneben (Wand 94) (Fig. 7) sind. Außerdem kann nach Fig. 8 eine Platte oder Wand 98 bewußt abgeschrägt werden, um eine Abstrahlrichtung in dem Fluid hervorzurufen, welche orthogonal auf der lokalen Oberfläche 100 steht. Entsprechend dieser Ausführungsform der Erfindung ist nach Fig. 8 der Abschrägungswinkel gleich dem Brechungswinkel der Welle, so daß die abgestrahlte Welle im Medium orthogonal zur lokalen Oberfläche verläuft.
Auf ähnliche Weise kann nach Fig. 9 die Wand gekrümmt werden, so daß die gebrochene Welle in dem Medium auf einen bestimmten Ort fokussiert wird, der beispielsweise innerhalb des Mediums liegt. Entsprechend dieser Ausführungsform der Erfindung ändert sich die Krümmung der Wand 102 entlang ihrem Bogen, um der Rayleigh-ähnlichen Oberflächenwelle 102 die richtige Richtung zu geben.
Nach Fig. 10 ist ein Wandler 103 an die Rohrwand 104 mit der Kraft eines Paars von kleinen Magneten 105, 106 gekoppelt, die den Wandler überspreizen. Der Wandler umfaßt einen piezoelektrischen Kristall 108, der eine Scherwelle an ein Keilelement 110 ausgibt. Der Keil und der Kristall sind in einem Gehäuse 112 aus rostfreiem Stahl untergebracht. Das Ausgangssignal dieser Konfiguration ist wie in Fig. 2 gezeigt eine breite Welle 114, die um den Winkel R&sub3; abgelenkt wird. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann ein an derer etwas stärkerer Hufeisenmagnet verwendet werden, um den Wandler an der Rohrwand 102 festzuhalten. In beiden Magnet-Konfigurationen kann beispielsweise eine freitragende Klemme 120 für das Absichern der Wandler auf dem Kanal eingesetzt werden. In der dargestellten Ausführungsform hält eine Schraube 118 auf der Klemmvorrichtung 120 den Wandler 103 fest. Die Klemmvorrichtung 120 ist mit dem Magneten durch eine Schraube 126 verbunden. Die Schraube 118 wird normalerweise nur handfest an dem Gehäuse 112 angezogen.
Fig. 11 zeigt eine Seitenansicht mit dem Kontakt zwischen Wandler und Leitung entsprechend dem Aufbau in Fig. 10. Die Keilelemente haben auf einer Linie Kontakt mit der kreisförmigen Leitung. Trotz der daraus resultierenden sofortigen Strahlaufweitung ist der Linienkontakt gewöhnlich angemessen, da die Verbindung gewöhnlich die tatsächliche Kontaktfläche etwas vergrößert. Der linienförmige Kontakt erlaubt es, daß ein einzelnes Paar ebener Keile an Rohre oder gekrümmte Bootsflächen in einem weiten Krümmungsbereich bzw. Durchmesserbereich angebracht werden können. Die wenig einschränkende Bedingung, daß die Dicke der Wand niedriger als vier Rayleigh-Wellenlängen sein muß, ermöglicht es, ein einziges Paar von Wandlern über einen weiten Bereich von Wanddicken zu verwenden. Die Wellenform des empfangenen Signals, das breitbandig sein kann, hängt von der Wanddicke ab.
In Fig. 12 wird als ein Beispiel ein breitbandiges 500 kHz-Signal dargestellt, welches mit einem Vier-Zoll- Stahlrohr, das wassergefüllt ist, und mit einer Transversale aufgenommen wurde. Als Anregungsquelle dient ein gepulstes Signal des Sende-Wandlers. Die breite elektrische Bandbreite wird angedeutet durch den schnellen Anstieg innerhalb eines Zyklus auf das volle Maximum der Amplitude. Dies ist ein großer Unterschied gegenüber dem schmalbandigen Signal, das beispielsweise bei dispersiven Lamb-Wellen auftritt, die notwendigerweise mehrere Zyklen brauchen, bis sie die volle Amplitude (Reife) erreichen. Dieses eine spezielle Paar von Wandlern, mit dem diese Wellenform aufgenommen wurde, wurde erfolgreich getestet mit Stahlrohren mit nominalen Durchmessern von 2, 4, 8, 16 und 186 Zoll.
Nach Fig. 13 kann mit der Rayleigh-ähnlichen oberflächenwellenerzeugenden Struktur auch eine Konfiguration mit Zickzack-Abfrage aufgebaut werden, um die Auflösung der Daten im Verhältnis zu der Anzahl von Durchquerungen zu verbessern. So ist für den Aufbau in Fig. 13 eine fünffache Verbesserung (für ein Rohr mit kleinem Durchmesser) möglich.
In bezug auf einen anderen Aspekt der Erfindung können nach Fig. 14 die die Oberflächenwelle generierenden Wandler 10, 12 in einer kastenförmigen Struktur 150 bzw. 152 enthalten sein und vollständig abgeschlossen sein. Dieses sind die sog. benetzten Wandler, wobei jeder Wandler in einem eingetauchten, abgedichteten Behälter, nämlich der Kastenstruktur 150, 152 ist, und das Medium 154 zwischen beiden hindurchfließt. Im Betrieb ist die Struktur funktionell identisch zu der beispielsweise in Fig. 3. Insbesondere umschließt die kastenförmige Struktur 150 einen Wandleraufbau 10, der darin in Kontakt mit einer "lokalen" Oberfläche 156 aufgebaut ist, wobei der Wandler eine Rayleigh-ähnliche Oberflächenwelle an die innere lokale Oberfläche der Struktur 150 abgibt. Die entstehende Rayleighähnliche Oberflächenwelle 158 erzeugt eine Welle, welche das Medium 154 durchquert, in welchem die benetzten Wandler sich befinden. Die zweite kastenförmige Struktur 152 ermöglicht die Erfassung der ankommenden Signalenergie.
Die zweite kastenförmige Struktur umfaßt den Empfänger- Wandler 12, welcher die empfangene Rayleigh-ähnliche Oberflächenwelle 160 erfaßt und damit die Bestimmung der Fluideigenschaften wie z. B. Volumen- oder Massenfluß ermöglicht.
In bezug auf einen anderen Aspekt der Erfindung können die Wandler 120 und 12 nach Fig. 15 in einem schwimmenden Boot angebracht sein, das beispielsweise eine Aluminiumaußenhaut hat. Die vom Sender-Wandler 10 erzeugten Rayleighähnlichen Oberflächenwellen 170 erzeugen ein nach außen gerichtetes Abfragesignal 172, welches zur Erfassung von Objekten in Wasser dienen kann. Von den Objekten in Wasser reflektierte Signale 174 bewirken, daß Rayleigh-ähnliche Oberflächenwellen 178 erzeugt werden und vom Empfänger- Wandler 12 empfangen und erfaßt werden.
Bei einer anderen Anwendung der Erfindung nach dem Pulsechoverfahren oder Transmissionsverfahren kann die Einkopplung von Energie von der entfernten Oberfläche in eine benachbarte Flüssigkeit interpretiert werden als Messung des Flüssigkeitsstandes.

Claims

1. Meßeinrichtung zur Messung von Fluideigenschaften mit

einem plattenähnlichen Festkörper (16) mit lokaler Oberfläche (20) und gegenüberliegender Oberfläche (26), die in Kontakt mit dem Fluid (22) ist,

einer Wandlereinrichtung (10), einer Kopplungseinrichtung (62) für die Ankopplung der Wandlereinrichtung an die lokale Oberfläche (20) des Festkörpers (16) und

einer Erregereinrichtung für eine Wandlereinrichtung (10, 12); dadurch gekennzeichnet, daß besagte Erregereinrichtung für den Wandler in besagter Platte (16) entlang besagter lokaler Oberfläche (20) eine Rayleigh-Oberflächenwelle mit der Wellenlänge λR erzeugt, besagte lokale Oberfläche (20) und besagte gegenüberliegende Oberfläche (26) in Abfragerichtung einen Abstand von zwischen einem halben und vier Wellenlängen (4λR) haben und besagte Abfragerichtung senkrecht zu besagter Oberfläche (20) steht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, worin besagter plattenähnlicher Festkörper eine Rohrleitung (14) ist und besagte Meßgröße die Fluidströmung innerhalb der Rohrleitung (14) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, worin besagte Rohrleitung (14) eine Wanddicke (16) unterschiedlicher Dicke hat.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, worin besagte Rohrleitung (14) eine erste Wand (91) und eine zweite Wand (92) hat, die unterschiedliche Dicken haben.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, worin besagte Kopplungseinrichtung

eine Kopplungseinrichtung (62) für besagten Wandler (10), der besagte Rayleigh-Oberflächenwelle in axialer Richtung entlang besagter Rohrleitung (14) erzeugt,

eine zweite Wandlereinrichtung (12) und

eine Kopplungseinrichtung (62) für besagte zweite Wandlereinrichtung an besagter Rohrleitung für das Empfangen einer Rayleigh-Oberflächenwelle umfaßt.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, worin besagte Kopplungseinrichtung eine Einrichtung für die Kopplung besagten Wandlers (10, 12) an besagter Rohrleitung für das Aussenden einer Rayleigh-Oberflächenwelle (84) in Richtung des Umfangs besagter Rohrleitung umfaßt (Fig. 4).

7. Einrichtung nach Anspruch 6, worin besagte Kopplungseinrichtung eine Einrichtung für die Kopplung besagten Wandlers in einem Winkel für die Erzeugung von Abfragewellen innerhalb besagter Rohrleitung (14) entlang einer Linie mit dem halben Radius der besagten Rohrleitung umfaßt.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, worin besagter plattenähnlicher Festkörper einen gekrümmten plattenähnlichen Festkörper mit wechselnder Krümmung für die Fokussierung des vom Fluid getragenen Abfragesignals, das von besagter Rayleigh-Oberflächenwelle (102) erzeugt wird, auf eine Position in besagtem Fluid umfaßt (Fig. 9).

9. Einrichtung nach Anspruch 2, worin besagte Kopplungseinrichtung ferner eine Einrichtung (62) für die Kopplung besagten Wandlers (10) an besagte lokale Oberfläche zur Erzeugung einer künstlichen Öffnung entlang besagter gegenüberliegender Oberfläche besagter Rohrleitungswand mit einer Ausdehnung von wenigstens 10 Wellenlängen (10λR) umfaßt (Fig. 3).

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin besagte lokale Oberfläche (20) und besagte gegenüberliegende Oberfläche (26) in Abfragerichtung einen Abstand von größer einer halben Wellenlänge haben besagte Rayleigh-Oberflächenwelle nicht-dispersiv ist und die Intensität ID an besagter gegenüberliegender Oberfläche (26) hat, die wesentlich kleiner als die Intensität IB an der lokalen Oberfläche ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, worin die Erregereinrichtung eine Einrichtung (64) für die Erzeugung eines gepulsten Erregersignals für besagte Wandlereinrichtung (10) mit einer Pulsdauer, die kleiner als die Wanddicke besagten plattenähnlichen Körpers dividiert durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle im Festkörper ist, umfaßt.

12. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin besagte Wandlereinrichtung (10) eine Dicke von zwischen einer und zehn Wellenlängen (λR-10λR) hat.

13. Einrichtung nach Anspruch 10, worin besagte Einrichtungen (10, 12) für die Erregung der besagten Wandlereinrichtung ein gepulstes Signal erzeugen, welches kurz genug ist, Interferenzen innerhalb der Wand bei besagter Energie für die Erzeugung von Rayleigh-Oberflächenwellen mit einer Wellenlänge λR in besagtem Festkörper entlang besagter lokaler Oberfläche (20) auszuschließen.

14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zusätzlich umfassend

eine zweite Wandlereinrichtung (12),

eine Einrichtung (62) für die Kopplung besagter zweiter Wandlereinrichtung an besagte lokale Oberfläche (20) besagter Rohrleitungswandung in axialem Abstand von besagtem ersten Wandler (10) auf besagter lokaler Oberfläche (20) der besagten Rohrleitungswandung

eine Einrichtung für die selektive Erregung der Wandlereinrichtung, um entlang besagter lokaler Oberfläche der besagten Rohrleitungswandung gegenüber der besagten erregten Wandlereinrichtung Rayleigh-Oberflächenwellen mit einer Wellenlänge λR in besagter Rohrleitungswandung zu erzeugen.