DE4027030A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der stroemungsgeschwindigkeit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens.

Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit kann generell mit Ultraschall-, optischen oder induktiven Sensoren durchgeführt werden. Optische Sensoren sind nur in klaren oder schwach getrübten Lösungen verwendbar, deren Festkörperpartikel bestimmte Größeneinschränkungen unterliegen. Ein Überblick über die gegenwärtig vorhandenen Verfahren kann dem Artikel von R. Schwarz, "Verfahren zur Durchflußmessung", in der Zeitschrift "Technisches Messen", Februar 1989, Seiten 51 ff entnommen werden.

Unter diesen bekannten Verfahren ist das Markierungsverfahren hervorzuheben, das in der Strömung bereits vorhandene, zeitlich nicht determinierte Markierungen durch Korrelation der Echointensität von Ultraschallsignalen auswertet. Ebenso kann der Dopplereffekt, sowie eine Laufzeit- und Phasendifferenz­ messung ausgenutzt werden, um über einen Rohrquerschnitt gemittelt, die Geschwindigkeit zu bestimmen.

Bezüglich des verwendeten Korrelationsverfahrens im Zusammenhang mit der Durchflußmessung auf Grund von Markierungen sei auf den Aufsatz von W. Shu und G. Tebrake "Durchflußmessungen in Rohren mit Hilfe von künstlichen und natürlichen Markierungen" in der Zeitschrift "Technisches Messen", Februar 1989, Seiten 58 ff verwiesen.

Es ist ferner bekannt, daß Ultraschallsensoren eine reflektierte Strahlung auswerten können; siehe T. Bernst u. a. "Moderne Verfahren der Signalverarbeitung bei Ultraschall-Robotik- Sensoren", NTG-Fachberichte 93, VDE-Verlag GmbH, 1986. Mit speziellen Rechenverfahren kann die räumliche Auflösung von Ultraschallechos sehr stark gegenüber einfachen Signalhöhen- und Kantenauswertungen gesteigert werden. Dies wird durch eine Filterung der sich stark überlappenden Echosignale erreicht, wobei ein Normecho mit dem Empfangssignal verglichen wird, so daß das Ausgangssignal eine Gauß- oder Diracfunktion für das einzelne Echo annimmt und die zeitlich unterschiedlich verteilten Echos sich auf Grund dieser speziellen Signal­ verarbeitung eindeutig auflösen lassen. Die Ausgangssignale geben die Intensität und den Ort der rückgestreuten Echo-Signale an.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Messung der Strömungs­ geschwindigkeit anzugeben, das neben der Messung der Strömungs­ geschwindigkeit weitere vielfache Aussagen zu machen gestattet. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausge­ staltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Durch die Erfassung einer oder mehrerer beliebiger Volumenzellen zwischen Bodenfläche und Oberfläche des fließfähigen Mediums sind z. B. Aussagen darüber möglich, ob die Strömung laminar oder turbulent verläuft, ob sich die Volumenzelle in gleichem Abstand vom Boden bzw. von der Oberfläche befindet, d. h. ob Ablagerung am Boden oder der Oberfläche (Treibgut) stattgefunden haben usw. Ferner kann bei bekanntem Kanalquerschnitt die transportierte Menge festgestellt werden und es kann bei Differenzen zwischen unterschiedlichen Orten ohne dazwischen­ liegende Abzweigung auf Leckstellen geschlossen werden.

Anhand von in den Figuren der beiliegenden Zeichnungen darge­ stellten Ausführungsbeispielen sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung einer Vorrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Sensoranordnung mit zugehöriger Auswerteelektronik;,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Software zum Betrieb der Anordnung gemäß Fig. 2;

Fig. 4a, b Signalverläufe, die sich durch eine bekannte Signalverarbeitung ergeben; und

Fig. 5 die Veranschaulichung der bekannten korrelativen Auswertung.

Gemäß Fig. 1 fließt in einem Rohr 10, z. B. in einem Abwasser­ kanal eine Feststoffe enthaltende Flüssigkeit 12. In einem Einstiegsschacht 14 sind nebeneinander und parallel zur Oberfläche der fließenden Flüssigkeit 12 zwei Ultraschall (US)- Sensoren 16a, 16b angeordnet, die jeweils einen US-Sender 18a, 18b, einen US-Empfänger 20a, 20b und eine zugeordnete Elektronik 22a, 22b umfassen. Die Anordnung der US-Sensoren 16a, 16b im Einstiegsschacht 14 bietet die Möglichkeit, ein Geschwindigkeits­ profil der Flüssigkeit 12 zu messen, ohne daß die Betriebsbereit­ schaft der Förderstrecke unterbrochen werden muß.

Die US-Sender 18a, 18b strahlen gleichzeitig US-Impulse ab, die zuerst an einer Oberfläche 24 der Flüssigkeit 12, sodann von Feststoffen in der Flüssigkeit 12, d. h. von einer Volumenzelle 26 und zuletzt vom Rohrboden 28 reflektiert werden. Durch die Auswertung des Oberflächen- und Bodenechos kann ein dazwischen­ liegendes Zeitfenster vorgegeben werden, das einer beliebigen Volumenzelle 26 zugeordnet ist. Durch Betrachtung der Fließ­ geschwindigkeiten unterschiedlicher Volumenzellen 26 über den Querschnitt der Strömung kann eine Reihe von wichtigen Aussagen gewonnen werden. So kann z. B. festgestellt werden, ob die Strömung laminar verläuft, wobei nur in diesem Fall die Integration der Geschwindigkeit über den gesamten Querschnitt bei bekannten Querschnitt die Durchflußmenge ergibt.

Zur Auswertung der Empfangssignale dient die Anordnung gemäß Fig. 2. Jeder Sensor 16a, 16b weist eine analoge Elektronik 22a, 22b auf, die einmal zur impulsförmigen Anregung der Sender 18a, 18b und zum anderen zur Aufbereitung der von den Empfängern 20a, 20b empfangenen Signale dient.

Die Empfangssignale werden an eine Sensor-Schnittstelle 30 eines Auswerterechners 32 übertragen, der in bekannter Weise einen Analog/Digital-Wandler und Multiplexer 34, einen Mikroprozessor 36 mit Programmspeicher 38 und Datenspeicher 40 sowie einen Signalprozessor 42 umfaßt. Über eine Feldbus-Schnittstelle 44 und einen Feldbus 46 können alle Auswerterechner an einen nicht­ dargestellten zentralen Leitrechner angeschlossen werden. Selbstverständlich kann der Auswerterechner 32 über die Sensor- Schnittstelle 30 auch auf die Sensoren 16a, 16b Einfluß nehmen und z. B. die Frequenz der US-Sendeimpulse vorgeben.

Anhand von Fig. 3 seien nunmehr die durch das Programm in dem Auswerterechner 32 ausgeführten Verfahrensschritte näher beschrieben.

Wenn die Sensoren 16a, 16b Echosignale empfangen, so übertragen sie diese als Empfangssignale an den Rechner. Dort werden die Signale entsprechend dem Programmblock 48 digitalisiert und in dem Datenspeicher 40 abgelegt. Ein geeignetes Filterprogramm führt in dem Programmblock 50 eine Rechenoperation durch, die aus dem Signalgemisch zeitlich aufgelöste Gauß-Impulse erzeugt. Jeder Gauß-Impuls zwischen dem Oberflächenecho und dem Bodenecho stellt ein Signal aus einer Volumenzelle des Mediums zu einem bestimmten Zeitpunkt dar. Eine solche Volumenzelle kann fort­ laufend betrachtet werden, indem gemäß dem Programmblock 52 das Zeittor entsprechend gesetzt wird. Nach einer weiteren Rechenoperation gemäß dem Programmblock 54 werden die Intensitäten nur aus einem bestimmten Zeitintervall, das einer Volumenzelle entspricht, integriert und im folgenden nur noch die Signalintensität aus diesem Intervall ausgewertet. Die Rechenzeit für die Digitalisierung, Filterung und Integration in einem bestimmten Zeitintervall legt die maximale US-Impuls-Folge­ zeit fest.

Mach jedem US-Impuls wird das Antwortecho auf diese Weise ausgewertet und das Ergebnis der Integration in dem Daten­ speicher 40 notiert. Dieses Verfahren wird mehrfach wiederholt und für jeden Sensor getrennt durchgeführt. Die erlaubte Ausführungszeit für diese zweite Operation wird durch den Abstand der beiden Sensoren und durch die maximale Fließ­ geschwindigkeit des Mediums vorgegeben.

Nach einer hinreichend langen Zeit werden diese Intensitäts­ zeitprofile durch eine dritte Operation bearbeitet. Diese Operation verschiebt in einem Programmblock 56 sukzessive ein Profil zeitlich gegen das andere und bestimmt den Wert der Übereinstimmung. Das Korrelationsmaximum erscheint nach der Verschiebungsszeit, die der Zeit entspricht, die für den Transport des Mediums von einem Meßvolumen zum anderen benötigt wird. Ist der Abstand der Meßvolumen bekannt, so kann die Geschwindigkeit der Strömung gemäß dem Programmblock 58 aus einem Volumen in bestimmter Tiefe ermittelt werden. Die Tiefe ist hierbei durch das Zeittor eingestellt.

Wird das Verfahren nach der Auswertung einer Geschwindigkeit wiederholt, läßt sich eine kontinuierliche Messung durchführen, wobei verschiedene Tiefen durch Verschiebung des Zeittores eingestellt werden können.

Ein Programmblock 60 veranschaulicht die Hereinnahme von System­ parameter in den Datenspeicher 40, wobei ein solcher Systempara­ meter beispielsweise die Querschnittsform des Rohres betreffen kann. Bestimmte Auswertungen, wie beispielsweise die Ermittlung der Füllstandshöhe, einer Schlammschicht usw. können durch einen Programmblock 62 bearbeitet werden. Mach entsprechender Auf­ bereitung der abgespeicherten Daten kann über den Block 64 eine Übergabe der Werte auf einer Anzeige, zu einem Speicher usw. erfolgen.

In den Fig. 4a, b sind die Ausgangssignale der Sensoren 16a und 16b in der ersten Zeile dargestellt. Durch Faltung mit einem in der zweiten Zeile dargestellten Normecho erhält man das in der dritten Zeile dargestellte Faltungsprodukt. Man erkennt die ausgeprägten von der Oberfläche und dem Boden herrührenden Echos und die dazwischenliegenden Echos einer Volumenzelle. Die vierte Zeile des Signaldiagramms zeigt die herausgefilterten Gauß-Kurven und in der fünften Zeile sind die Dirackurven dargestellt. Diese Signalbehandlung ist herkömmlicher Art und bedarf daher in diesem Zusammenhang keiner näheren Erläuterung.

Fig. 5 zeigt das Prinzip der ebenfalls bekannten korrelativen Auswertung, bei der aus der mittleren zeitlichen Verschiebung τ_m, der beiden von den Sensoren 16a und 16b ermittelten Echosignale bei bekanntem Abstand d der beiden Sensoren die Geschwindigkeit v_s der Strömung bezüglich einer Volumenzelle nach folgender Beziehung

ermittelt wird.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von fließfähigen Medien durch korrelative Auswertung von Ultraschall-Echosignalen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Reflexverfahren ein Bodenecho und ein Oberflächenecho und innerhalb des durch diese beiden Echos definierten Zeitfensters wenigstens ein weiteres von einer dazwischenliegenden Volumenzelle stammendes Echo ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ultraschall-Empfangs­ signale digitalisiert, gefiltert und integriert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Ultraschall-Impuls-Folgezeit kleiner als die Rechenzeit für die Digitalisierung, Filterung und Integration ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ultraschall-Empfangssignale von zwei beabstandeten Ultraschall-Sensoren getrennt und mehrfach ausgewertet und/oder verglichen werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Anordnung zweier jeweils Sender und Empfänger auf­ weisenden Sensoren (16a, 16b) über dem fließfähigen Medium (12).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Sensoren (16a, 16b) in einem Einstiegsschacht (14) eines Kanalsystems.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch den Anschluß einer jeden Sensoranordnung (16a, 16b) an einen Auswerterechner (32).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verbindung mehrerer Auswerterechner (32) über einen Feldbus (46) mit einem Leitrechner.