DE4302368C1

DE4302368C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden

Info

Publication number: DE4302368C1
Application number: DE19934302368
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Blumbach
Original assignee: Spanner Pollux GmbH
Current assignee: Spanner Pollux GmbH
Priority date: 1993-01-28
Filing date: 1993-01-28
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2013-01-29

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschall-Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden in Rohrleitungen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 9.

Durchdringt ein Ultraschallsignal ein strömendes Fluid, so ist die Schallgeschwindigkeit gleich der Vektorsumme der Schallgeschwindigkeit c im ruhenden Fluid und der Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids. Üblicherweise nimmt man je eine Messung stromauf und stromab über dieselbe Meßstreckenlänge l vor. Dabei erhält man die beiden Schallaufzeiten t₁ und t₂ zu

t₁ = l/(c + v), (1)

t₂ = l/(c - v). (2)

Löst man die Gleichungen (1) und (2) nach v auf, erhält man

v = l (1/t₁ - 1/t₂)/2. (3)

Der Vorteil des Lösungsansatzes gemäß Gleichung (3) ist, daß er von der Schallgeschwindigkeit c unabhängig ist; diese muß für die Erreichung der Strömungsgeschwindigkeit v nicht bekannt sein.

Will man aus der Laufzeitdifferenz t_D die Strömungsgeschwindigkeit v ermitteln, erhält man die Gleichung

T_D = t₂ - t₁ = 2 lv/(c² - v²). (4)

Da in den meisten Anwendungsgebieten c»v gilt, läßt sich die Gleichung (4) mit guter Näherung vereinfachen zu

v = t_D c²/2 l. (5)

Üblicherweise ist die Meßstraße um den Winkel Beta gegen die Strömungsachse des Fluids geneigt, um so die über den Rohrquerschnitt gemittelte Strömungsgeschwindigkeit v bestimmen zu können. Man erhält dann folgende Beziehung

v = t_D c²/2 l cos (Beta). (6)

Die Gleichungen (5) und (6) enthalten jeweils das Quadrat der Schallgeschwindigkeit c; dadurch beeinflussen schon geringe Änderungen der Schallgeschwindigkeit c, beispielsweise durch Temperatur-, Druck- oder Dichteänderungen, die Genauigkeit der Messung. Es sind deshalb bereits mehrere Möglichkeiten bekannt, um diese Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit c beseitigen zu können. Sie basieren im wesentlichen darauf, auch die Laufzeitsumme t_S=t₂+t₁ oder das Laufzeitenprodukt t_p= t₁ · t₂ der beiden Schallaufzeiten t₁ und t₂ zu bilden und in geeigneter Weise mit der Laufzeitdifferenz t_D zu kombinieren. Man erhält dann folgende Beziehung

v = t_D 2 l/t_S² cos (Beta). (7)

Gleichung (7) enthält die Schallgeschwindigkeit c nicht mehr.

Bei den Meßverfahren nach dem Mitführungseffekt unterscheidet man die Phasendifferenzmessung (z. B. DE 26 51 142 A1, EP 0 262 441 A1, EP 0 262 461 A2), die Frequenzdifferenzmessung (z. B. DE-A 23 22 749, US 34 20 102), das Lambda-Locked-Loop-Verfahren (z. B. DE 28 28 937 A1), das Laufzeitdifferenzverfahren (z. B. DE 34 38 976 A1) und das Strahlablenkungsmeßverfahren. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß infolge der hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallsignale im Fluid - in Wasser beträgt die Schallgeschwindigkeit c=1500 m/s - Phasen- und Laufzeitdifferenzen im Nanosekundenbereich auftreten. Um diese mit hinreichender Genauigkeit messen zu können, ist eine Elektronik im Gigahertzbereich erforderlich. Elektronische Schaltkreise in diesem Frequenzbereich sind jedoch extrem teuer, vorausgesetzt sie sind überhaupt verfügbar, und haben einen hohen Stromverbrauch. Sie scheiden daher für die Praxis aus, insbesondere wenn diese elektronischen Schaltkreise über längere Zeit aus einer Batterie gespeist werden sollen.

Um trotzdem mit diesen Verfahren genaue Messungen durchführen zu können, wurden sie zu statistischen Meßverfahren erweitert, indem die Messung über eine Vielzahl von Meßzyklen oder über entsprechend verlängerte Meßzyklen durchgeführt wird. Typische Beispiele hierfür sind das Sing-Around-Verfahren und das Laufzeittastverhältnis-Verfahren, auch Ping-Pong-Verfahren genannt. Beim Sing-Around-Verfahren (z. B. US 29 12 856) wird der Empfangsimpuls elektronisch auf den Sendeschwinger zurückgeführt, so daß dieser erneut einen Schallimpuls aussendet. Sowohl stromauf wie stromab wird eine gleiche Anzahl von Impulsläufen gestartet. Die Summe der Laufzeiten wird in getrennten Zeit-Zählern registriert. Die Differenz der Zählerstände ist proportional der Strömungsgeschwindigkeit v, die Summe der Zählerstände ist umgekehrt proportional der Schallgeschwindigkeit c. Die Genauigkeit dieses Meßverfahrens wird jedoch durch die Triggerzeiten der Meßelektronik beeinträchtigt, da es keine Möglichkeit gibt festzustellen, ob und gegebenenfalls wie stark sich diese im Laufe der Jahre verändert hat. Außerdem müssen die beiden Sing-Around-Oszillatoren, je einer für die Messung stromauf und die Messung stromab, hochstabil sein.

Diese Schwierigkeiten bestehen auch bei den anderen statistischen Meßverfahren, dem schon erwähnten Ping-Pong-Verfahren oder dem Sing-Around-Frequenzdifferenz-Meßverfahren.

Es soll hier nur kurz erwähnt werden, daß es außer den Meßverfahren unter Ausnützung des Mitnahmeeffekts auch Meßverfahren unter Ausnützung des Dopplereffekts und Korrelationsmeßverfahrens gibt. Sie sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch ohne Bedeutung.

Eine weitere Möglichkeit der Gewinnung der Phaseninformation bei "gedehnter Zeitskala" ist aus der DE-A 26 51 142 bekannt. Dieser Ultraschall-Strömungsmesser besitzt einen hochstabilen Quarzoszillator mit der relativ hohen Frequenz von 5 MHz. Durch digitale Untersetzung wird daraus eine Hauptmeßfrequenz von 2 kHz gewonnen. Das mit 2 kHz getastete 5-MHz-Signal wird stromauf und stromab über die Ultraschall-Meßstrecke gesendet. Um aus den Empfangssignalen die Phasendifferenz gewinnen zu können, werden die Empfangssignale zunächst mit einem 5-MHz-Quarzfilter gefiltert, mit einem Hilfssignal von 5002 kHz gemischt, jeweils über ein 2-kHz-Filter gefiltert und schließlich auf zwei Nulldurchgangsdetektoren gegeben. Die beiden Nulldurchgangsdetektoren steuern ein Impulsgatter auf bzw. zu, über welches eine Zählfrequenz, in diesem Fall die 5- MHz-Basisfrequenz, auf einen Phasendifferenzzähler geschaltet wird. Dessen Zählerstand am Ende eines Meßzyklus ist proportional der Differenz zwischen der Phase stromauf und der Phase stromab.

Auf eine ähnliche Methode wird aus den beiden Empfangssignalen stromauf bzw. stromab die Summe der Laufzeiten stromauf und stromab ermittelt, so daß, wie eingangs erläutert, die Möglichkeit besteht, die momentane Schallgeschwindigkeit rechnerisch aus den Meßergebnissen zu eliminieren.

Nachteilig ist an der bekannten Meßvorrichtung die Notwendigkeit eines Hochfrequenz-Oszillators und die umfangreiche Elektronik, da damit ein hoher Stromverbrauch verbunden ist. Die bekannte Meßvorrichtung ist daher für eine Batteriespeisung nicht geeignet. Analysiert man zudem das der bekannten Vorrichtung zugrunde liegende Prinzip, so stellt man fest, daß es trotz Meßdauerperioden von ca. 1 Sekunde eine minimale Auflösung von gerade 250 Nanosekunden ermöglicht. Es ist daher völlig ungeeignet für kleine Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die geeignet sind, Ultraschall-Messungen von kleinen Strömungsgeschwindigkeiten, d. h. im Nanosekundenbereich, mit großer Genauigkeit durchzuführen, und die sehr energiearm sind und somit über Jahre hinweg, vorzugsweise über fünf Jahre, aus einer einzigen Batterie betrieben werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein gattungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. durch eine gattungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs 9.

Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, mit Frequenzen im Ultraschallbereich, vorzugsweise bei 32 kHz, minimale Meßzeiten von einer Nanosekunde aufzulösen. Hochpräzise Oszillatoren in diesem Frequenzbereich sind handelsüblich; sie werden beispielsweise in Quarzarmbanduhren eingesetzt, sind extrem energiesparend und preiswert und sowohl kurzzeit- als auch langzeitstabil. Die Auswerteelektronik in diesem Frequenzbereich ist ebenfalls äußerst preiswert und sparsam und problemlos verfügbar. Die Meßdauerzeiten liegen typisch bei einer Sekunde, entsprechen also den Meßdauerzeiten der bekannten statistischen Meßverfahren.

Vorteilhafterweise beträgt die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Sendesignalen 0,2 bis 5 Hz, typisch 1 Hz. Der jeweils passende Wert hängt nicht nur von der gewünschten minimalen Auflösung ab, sondern auch von den absoluten Frequenzwerten der Sendesignale. Je höher die Frequenz der Sendesignale, desto größer bei gleicher Auflösung die Frequenzdifferenz oder bei gleicher Frequenzdifferenz die Auflösung.

Um die Schallgeschwindigkeit im Fluid rechnerisch eliminieren zu können, werden auch die Laufzeiten der Signale durch die Ultraschallstrecke gemessen. Hierzu muß das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Laufzeitdifferenz nur geringfügig abgewandelt werden, wie es die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 offenbaren.

Wie schon erwähnt, ist die Erfindung insbesondere bestimmt für batteriebetriebene Ultraschall-Durchflußmeßgeräte. Nach dem deutschen Eichgesetz beträgt die typische Betriebsdauer fünf Jahre. Während dieser langen Zeit kann sich die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Oszillatoren verändern, wodurch die Meßgenauigkeit leidet. Um hier Abhilfe zu schaffen, wird vor Beginn eines Meßzyklus eine der beiden Sendefrequenzen gesteuert verändert. Zu diesem Zweck werden die Sendefrequenzen in je einem Frequenzzähler gezählt, und ein Phasenvergleich erfolgt unmittelbar zwischen den Sendesignalen selbst. Dabei stellt sich eine Ist-Zählerstandsdifferenz ein, die dem Istwert der Frequenzdifferenz entspricht. Dieser Ist-Wert wird mit einem in einem geeigneten Speicher abgelegten, der Soll-Frequenzdifferenz entsprechenden Soll-Wert verglichen. Bei einer Abweichung wird die eine Oszillatorfrequenz so lange verändert, bis die Zählerstandsabweichung hinreichend klein ist. Verfahren zur gezielten Veränderung von Oszillatorfrequenzen sind Stand der Technik.

Falls die eingesetzten Ultraschall-Wandler es verlangen, können die Sendesignale auf geeignete Träger aufmoduliert werden.

Wie schon erwähnt, sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch Vorrichtungen zur Durchführung der Ultraschall-Durchflußmessung. Gattungsgemäß sind Meßschaltungen, die eine das Fluid durchquerende Ultraschall-Meßstrecke mit Sende- und Empfangswandlern, zwei sendefrequenten Oszillatoren, Signalumschalter, mit deren Hilfe die Sendesignale stromab und stromauf über die Ultraschall-Meßstrecke geschickt und ebenso wie die jeweiligen Empfangssignale an zwei Phasenvergleicher geschaltet werden, und einen von den Phasenvergleichern gestarteten und gestoppten Digitalzähler umfassen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 9.

Um nicht nur die Laufzeitdifferenzen, sondern die Laufzeiten der Ultraschallsignale stromauf und stromab unmittelbar messen zu können, beispielsweise um die Schallgeschwindigkeit rechnerisch eliminieren zu können, genügt eine geringfügige Änderung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10 definiert ist.

Um die Frequenzdifferenz zwischen den Oszillatoren auf den Sollwert abgleichen zu können, ist vorzugsweise einer der beiden Oszillatoren frequenzsteuerbar. Außerdem sind zusätzliche Komponenten vorgesehen, wie sie in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 11 definiert sind. Dadurch ist der digital gespeicherte Soll-Zählerständedifferenzwert allein ausschlaggebend für die Genauigkeit der Messung. Da davon ausgegangen werden kann, daß sich dieser gespeicherte Sollwert während der Lebensdauer der Meßvorrichtung nicht verändert, bleibt die Meßgenauigkeit auch über die gesamte Lebenszeit gleich.

Außerdem erübrigt sich die Verwendung von extrem langzeitstabilen, teuren Analog-Schaltungskomponenten. Vorrichtungen zur gezielten Veränderung von Oszillatorfrequenzen sind Stand der Technik.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Ultraschall-Meßstrecke in einem Fluid-führenden Rohr,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Meßprinzips,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Meßelektronik und

Fig. 4 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Vorgänge bei der Ermittlung der Laufzeitdifferenz.

Fig. 1 zeigt eine typische Ultraschall-Meßstrecke US mit je einem Ultraschall-Wandler W₁, W₂ an den beiden Enden. Die Ultraschall-Meßstrecke US ist im Winkel Beta gegen das Fluid-durchströmte Rohr R geneigt. Das Fluid durchströmt das Rohr R von links nach rechts, was durch den Pfeil v, der die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids symbolisiert, dargestellt ist. Die Ultraschall-Meßstrecke US wird sowohl stromauf als auch stromab mit Sendesignalen f₁, f₂ durchstrahlt, wobei die Wandler W₁, W₂ abwechselnd als Sende- und Empfangswandler geschaltet werden und entsprechend dem Mitnahmeeffekt zeitlich verzögerte Empfangssignale f₁′, f₂′ an die nachgeschaltete Elektronik abgeben.

Anhand der Fig. 2 soll das der Erfindung zugrundeliegende Meßprinzip erläutert werden. Übereinander dargestellt sind Rechteck-Sendesignale f₁, f₂, deren Frequenzen fr₁, fr₂ sich um f_D unterscheiden. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei angenommen, daß gilt

fr₂ < fr₁, (8)

fr₂ = fr₁ - f_D. (9)

Für die jeweilige Periodendauer gilt

und für deren Unterschied dt

dt = T₂ - T₁. (12)

Dargestellt ist weiterhin eine Zyklusperiode T, deren Beginn dadurch bestimmt ist, daß die Sendesignale f₁, f₂ phasengleich sind und deren Ende durch den dem Beginn nächstfolgenden Zeitpunkt bestimmt ist, an dem die Sendesignale f₁, f₂ wieder phasengleich sind. Innerhalb der Zyklusperiode hinkt die aufsteigende Flanke des Sendesignals f₂ der des Sendesignals f₁ um ein bestimmtes, wohldefiniertes Maß zeitlich nach, und zwar nach T₂, d. h. nach dem ersten Impuls von f₂ um dt. Allgemein gilt nach dem n₂-ten Impuls von f₂ die Beziehung

(n₂ - 1) · dt.

Die Größe dt kann für das erfindungsgemäße Meßverfahren hinreichend genau bestimmt werden mit einer Betrachtung über die Zyklusperiode T, innerhalb der eine bestimmte Anzahl n_1max Perioden (im Beispiel der Fig. 2: zehn) des Sendesignals f₁ und n_2max Perioden (im Beispiel der Fig. 2: neun) des Sendesignals f₂ liegen. Es gilt daher:

T = n_1max · T₁ = n_2max · T₂ (13)
u

bzw. mit Gleichung (12)

n_1max · T₁ = n_2max · (T₁ + dt) (14)

und nach dt aufgelöst

Ausgedrückt mit den Frequenzen fr₁, fr₂ erhält man

Näherungsweise gilt für fr₁ ungefähr gleich fr₂ mit hinreichender Genauigkeit

Es können daher durch Auszählen von n_1max und n_2max und bei hinreichend genau bekannter Periodendauer T₁ aus den Sendesignalen f₁, f₂ weitere Signale abgeleitet werden, die um eine äußerst kleine, aber bekannte Zeit gegeneinander verschoben sind, obwohl die Frequenzen fr₁, fr₂ der Sendesignale f₁, f₂ relativ niederfrequent sind.

Sind beispielsweise fr₁=32 000 Hz und fr₂=31 999 Hz, dann beträgt die Zyklusperiode T=1 sec und dt=0,97 · 10^-9 sec, so daß sich Vorgänge im Nanosekunden-Bereich messen lassen.

Die Bestimmung von n_1max und n_2max geschieht mit Hilfe eines Phasenvergleichers und zwei Zählern: Werden die Sendesignale f₁, f₂ an den Eingang eines an sich bekannten Phasenvergleichers gegeben, so erscheint an dessen Ausgang Ph der in Fig. 2 an unterster Stelle dargestellte Impulszug. Sobald die Phase der Sendesignale f₁, f₂ identisch ist, springt das Phasensignal auf High, was im Diagramm als Ph0 bezeichnet wird. Sobald die beiden Sendesignale f₁, f₂ in Antiphase sind, geht der Ausgang des Phasenvergleichers Ph auf Low und bei der nächsten Phasengleichheit wieder auf High, was als Ph1 bezeichnet ist. Während der Zeit zwischen Ph0 und Ph1 werden die zählfrequenten Impulse der Sendesignale f₁, f₂ in zwei Zählern gezählt, wobei die Endzählerstände n_1max, n_2max - wie oben dargestellt - zur Bestimmung von dt verwendet werden und ein Maß für die Frequenzdifferenz f_D der Sendesignale f₁, f₂ darstellen.

Die beiden Sendesignale f₁, f₂ bilden daher eine Art "Zeit-Nonius" und können vorteilhaft in dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Meßelektronik zur Ultraschall-Messung der Strömungsgeschwindigkeit v von Fluiden in Rohrleitungen eingesetzt werden.

Man erkennt in Fig. 3 zwei Oszillatoren O1, O2, die Sendesignale f₁, f₂ abgeben. Die Sendesignale f₁, f₂ werden den Eingängen 22, 23 eines zweiten Phasenkomparators Comp2 zugeführt. Das Ausgangssignal 13 dieses Phasenkomparators Comp2 steuert über eine Steuerlogik L den Start und das Stoppen der beiden Zähler C1, C2, die mit den Sendesignalen f₁, f₂ als Zählimpulse beaufschlagt sind, derart, daß die jeweils anliegenden Zählimpulse zwischen den Zeitpunkten Ph0 und Ph1 nach Fig. 2, d. h. für die Dauer einer Zyklusperiode T, gezählt werden. Die dann erreichten Zählerstände n_1max, n_2max der Zähler C1, C2 werden über Leitungen 15, 16 einer Steuerungs- und Verarbeitungseinheit SV zugeführt und dort u. a. zur Bestimmungen von dt nach Gleichung (15) verarbeitet.

Außerdem wird in der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit SV aus den obengenannten Zählerständen n_1max und N_2max ein der Zählerständedifferenz entsprechendes Signal 17 gebildet, das über einen Frequenzregelverstärker A als Signal AFC den Oszillator O2 derart in seiner Frequenz fr₂ verstimmt, daß der Frequenzunterschied f_D zwischen den Frequenzen fr₁, fr₂ der Oszillatoren O1, O2 in einem gewünschten Bereich, vorzugsweise zwischen 10^-4 und 10^-7 der Oszillatorfrequenzen selbst liegt.

Die Sendesignale f₁, f₂ der zwei Oszillatoren O1, O2 gelangen außerdem jeweils über die Umschalter S1.1a und S1.2a auf die jeweiligen Ultraschall-Wandler W₁, W₂. Die abgestrahlten Sendesignale durchlaufen die Ultraschall-Meßstrecke US, und zwar das Signal f₂ stromab und das Signal f₁ stromauf. Sie werden vom Ultraschall-Wandler W₁ nach der Schallaufzeit t₂ und vom Ultraschall-Wandler W₂ nach der Schallaufzeit t₁ aufgenommen und gelangen über die Umschalter S1.1b, S1.2b und je einen Empfangsverstärker 10, 11 in Form der Empfangssignale f₂′, f₁′ über die zweiten Umschalter S2.1b, S2.2b als Eingangssignale auf die beiden Eingänge 20, 21 eines ersten Phasenkomparators Comp1.

Der Zählvorgang des Impulszählers C wird gestartet von dem Ausgangssignal 13 des obenerwähnten Phasenkomparators Comp2. Das Ausgangssignal 12 des Phasenkomparators Comp1 stoppt den Zählvorgang des Impulszählers C, der Impulse mit einer Zählfrequenz fr_z - vorzugsweise mit der Frequenz fr₂ des Sendesignals f₂ - zählt. Der sich damit ergebende Zählerstand 14 des Impulszählers C wird der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit SV zugeführt und dort zu einem Wert für den Durchfluß v verarbeitet, der, wenn dies gewünscht ist, auf der Anzeige Dis angezeigt werden kann.

Außerdem werden in der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit SV aus den Signalen f₁ und f₂ geeignete Steuersignale s1.1, s1.2, s2.1, s2.2 für die Umschalter S1.1, S1.2, S2.1, S2.2 gebildet und diesen zugeführt.

Die Funktionsweise der in Fig. 3 dargestellten Meßelektronik soll für die Laufzeitdifferenzmessung dt der Ultraschall-Signale erläutert werden: Die Messung erfolgt innerhalb der Zyklusperiode T nach Fig. 2, beginnend mit dem Beginn der Zyklusperiode in sich mit der Periodendauer T₁ bzw. T₂ wiederholenden Zyklen, die jeweils in die Phasen I und II unterteilt sind. Dabei beginnt die Phase I jeweils mit dem Beginn des Zyklus und dauert vorzugsweise etwa 50% der Periodendauer T₁ bzw. T₂; während der Phase I eines jeden Zyklus sind die Umschalter S1.1 und S1.2 in der Stellung a, so daß die Sendesignale f₁, f₂ über die entsprechenden Ultraschall-Wandler W₁, W₂ in das Medium, dessen Durchfluß gemessen werden soll, abgestrahlt werden. Die Phase II beginnt mit dem Ende der Phase I und endet mit dem Ende der Periodendauern T₁, T₂; während der Phase II eines jeden Zyklus sind die Umschalter S1.1 und S1.2 in der Stellung b, so daß einerseits das während der Phase I vom Ultraschall-Wandler W₂ stromab abgestrahlte Signal f₂ nach der Laufzeit t₂ vom Wandler W₁ empfangen und vom Empfangsverstärker 10 verarbeitet als Empfangssignal f₂′ und andererseits das während der Phase I vom Ultraschall-Wandler W₁ stromauf abgestrahlte Signal f₁ nach der Laufzeit t₁ vom Wandler W₂ empfangen und vom Empfangsverstärker 11 verarbeitet als Empfangssignal f₁′ zur Verfügung stehen. Für die Laufzeitdifferenzmessung dt der Ultraschall-Signale sind die Umschalter S2.1 und S2.2 während der gesamten Zyklusperiode T in der Stellung b, so daß die obenerwähnten Empfangssignale f₁′, f₂′ den Eingängen 20, 21 des ersten Phasenkomparators Comp1 zugeführt werden.

Für die Zyklen am Anfang der Zyklusperiode T wird bei einer Fluid-Strömungsgeschwindigkeit v<0 das Empfangssignal f₂′ dem Empfangssignal f₁′ in der Phase voreilen, da die Schallaufzeit t₂ stromab kleiner als die Schallaufzeit t₁ stromauf ist. Da aber das Sendesignal f₂ je Zyklus jeweils um dt mehr gegenüber dem Sendesignal f₁ zeitlich "verzögert" wird, wie in Fig. 2 dargestellt, werden nach n₂ Zyklen von f₂ schließlich die beiden Empfangssignale f₁′, f₂′ ohne Phasenverschiebung an den Eingängen 20, 21 des Phasenkomparators Comp1 anliegen.

Die Fig. 4 zeigt einen zeitlichen Ausschnitt um den n₂-ten Impuls der Sendesignale f₁, f₂ sowie des zeitlich um die Schallaufzeit t₁ stromauf verschobenen zugehörigen Empfangssignals f₁′ und des zeitlich um die Schallaufzeit t₂ stromab verschobenen zugehörigen Empfangssignals f₂′. Beim n₂-ten Impuls des Sendesignals f₂ ist dieses gegenüber dem Sendesignal f₁ entsprechend dem für Fig. 2 Gesagten um (n₂-1) _* dt zeitlich verschoben; die entsprechenden Empfangssignale f₁′ und f₂′ treffen aber nach den jeweiligen Schallaufzeiten t₁, t₂ zeitgleich, d. h. ohne zeitliche Verschiebung gegeneinander, ein. Damit ist die Differenz tD der Schallaufzeiten gleich der zeitlichen Verschiebung der Sendesignale f₁, f₂ zueinander:

t_D = t₁ - t₂ = (n₂ - 1) _* dt.

Da das Ausgangssignal 12 des Phasenkomparators Comp1 den Zählbetrieb des Zählers C stoppt, wenn die Phasenverschiebung der Empfangssignale f₁′, f₂′ an seinen Eingängen 20, 21 Null wird, und da der Zähler C zu Beginn der Zyklusperiode durch das Ausgangssignal 13 des Phasenkomparators Comp2 gestartet wurde, stellt der Zählerstand des Zählers C ein Maß für (n₂-1) und damit für die Laufzeitdifferenz tD dar. Der Zählerstand 14 wird der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit zugeführt und dort entsprechend den oben dargestellten Berechungsgängen zu einem Durchflußwert verarbeitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich sowohl mit Rechteckimpulsen durchführen, wie sie von den bekannten 32-kHz-Oszillatoren abgegeben werden, als auch mit sinusförmigen Signalen, was durch die gestrichelt gezeichneten Frequenzfilter F₁, F₂ angedeutet wird. Insbesondere dann, wenn mit kontinuierlichen Sendesignalen gearbeitet werden soll, empfiehlt sich die Verwendung von sinusförmigen Signalen.

Mit Hilfe der Schaltung nach Fig. 3 können auch direkt die Laufzeiten der Ultraschall-Signale stromauf und stromab gemessen werden, um so die an sich bekannte Kompensation der Temperatur-, Druck- und Dichteabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit durchführen zu können. Zur Bestimmung der Schallaufzeit t₂ stromab werden während der gesamten Zyklusperiode T die Umschalter S1.1 in Stellung b, S1.2 in Stellung a, S2.1 in Stellung b und S2.2 in Stellung a geschaltet, so daß dem Phasenkomparator Comp1 an seinem ersten Eingang 20 das Empfangssignal f₂′ und an seinem zweiten Eingang 21 das Sendesignal f₁ zugeführt wird. Aus dem Zählerstand 14 des Zählers C kann dann in der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit SV die Signallaufzeit t₂ ermittelt und, wenn dies gewünscht ist, auf der Anzeige Dis angezeigt werden. Ebenso werden zur Bestimmung der Schallaufzeit t₁ stromauf während der gesamten Zyklusperiode T die Umschalter S1.1 in Stellung a, S1.2 in Stellung b, S2.1 in Stellung a und S2.2 in Stellung b geschaltet, so daß dem Phasenkomparator Comp1 an seinem Eingang 20 das Sendesignal f₂ und an seinem Eingang 21 das Empfangssignal f₁′ zugeführt werden. Aus dem Zählerstand 14 des Zählers C kann dann in der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit SV die Signallaufzeit t₁ ermittelt und, wenn dies gewünscht ist, auf der Anzeige Dis angezeigt werden.

Claims

1. Verfahren zur Ultraschall-Messung der Strömungsgeschwindigkeit (v) von Fluiden in Rohrleitungen (R), wobei entlang einer das Fluid durchquerenden Ultraschall-Meßstrecke (US) ultraschallfrequente Sendesignale (f₁, f₂) das Fluid stromab (USv) und stromauf (USr) durchlaufen, wobei sich infolge des Mitführungseffektes Empfangssignale (f₁′, f₂′) zeitlich verzögert zu den Sendesignalen (f₁, f₂) einstellen, und wobei die Phasen der Signale (f₁, f₁′, f₂, f₂′) miteinander verglichen und zum Starten und Stoppen eines Digitalzählers (C) verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz (f_D=|fr₁-fr₂|) der Frequenzen (fr₁, fr₂) der beiden Sendesignale (f₁, f₂) das 10^-4- bis 10^-7fache der ersten Sendefrequenz (fr₁) selbst beträgt, daß Phasenvergleiche einerseits zwischen den Sendesignalen (f₁, f₂) und andererseits zwischen den nach Durchlaufen der jeweiligen Ultraschall-Meßstrecke (USv; USr) zeitlich verzögerten Empfangssignalen (f₁′; f₂′) vorgenommen werden und daß beim Auftreten einer Phasengleichheit (Ph) zwischen den Sendesignalen (f₁, f₂) der Zähler (C) gestartet und beim Auftreten der nächsten Phasengleichheit (Ph1) zwischen den Empfangssignalen (f₁′, f₂′) wieder gestoppt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenvergleiche einerseits zwischen den Sendesignalen (f₁, f₂) und andererseits zwischen einem Sendesignal (f₁, f₂) und dem jeweils anderen Empfangssignal (f₂′, f₁′) vorgenommen werden und daß beim Auftreten einer Phasengleichheit (Ph0) zwischen den Sendesignalen (f₁, f₂) der Zähler (C) gestartet und beim Auftreten der nächsten Phasengleichheit (Ph1) zwiscen den Sende- und Empfangssignalen (f₁, f₂′; f₂, f₁′) gestoppt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Sendesignal (f₁) eine Frequenz (fr₁) von ca. 32 kHz aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzfrequenz (f_D) 0,2 bis 5 Hz beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zählfrequenz (fr_z) die erste Sendefrequenz (fr₁) verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zählfrequenz (fr_z) die zweite Sendefrequenz (fr₂) verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn eines Meßzyklus eine der beiden Sendefrequenzen (fr₂) gesteuert verändert wird, daß zu diesem Zweck die Sendefrequenzen (fr₁, fr₂) in je einem Frequenzzähler (C1, C2) gezählt werden, daß ein Phasenvergleich nur zwischen den Sendesignalen (f₁, f₂) selbst erfolgt und daß bei einer Abweichung der Ist-Differenz der Zählerstände von einer dem Sollwert der Differenzfrequenz (f_D) entsprechenden Soll-Differenz der Zählerstände diese eine Sendefrequenz (fr₂) so lange verändert wird, bis die Soll-Ist-Abweichung hinreichend klein ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendesignale (f₁, f₂) auf einen hochfrequenten Träger aufmoduliert werden.

9. Vorrichtung zur Ultraschall-Messung der Strömungsgeschwindigkeit (v) von Fluiden in Rohrleitungen (R), umfassend eine das Fluid durchquerende Ultraschall-Meßstrecke (US) mit Sende- und Empfangswandlern (W₁, W₂), zwei sendefrequente (fr₁, fr₂) Oszillatoren (O₁, O₂), Signalumschalter (S1.1, S1.2, S2.1, S2.2), mit deren Hilfe die Sendesignale (f₁, f₂) stromab (USv) und stromauf (USr) über die Ultraschall-Meßstrecke (US) geschickt und ebenso wie die jeweiligen Empfangssignale (f₁′, f₂′) an zwei Phasenvergleicher (Comp1, Comp2) geschaltet werden, und einen von diesen Phasenvergleichern (Comp1, Comp2) gestarteten und gestoppten Digitalzähler (C), dadurch gekennzeichnet, daß die von den Oszillatoren (O₁, O₂) erzeugten Sendefrequenzen (fr₁, fr₂) sich um eine Differenz (f_D=|fr₁-fr₂|) vom 10^-4- bis 10^-7fachen der ersten Sendefrequenz (fr₁) unterscheiden, daß die beiden nach Durchlaufen der jeweiligen Ultraschall-Meßstrecke (USv, USr) zeitlich verzögerten Empfangssignale (f₁′, f₂′) auf den einen Phasenvergleicher (Comp1) und die beiden Sendesignale (f₁, f₂) auf den anderen Phasenvergleicher (Comp2) geführt sind und daß zwischen dem Auftreten einer Phasengleichheit (Ph0) zwischen den Sendesignalen (f₁, f₂) und dem Auftreten der nächsten Phasengleichheit (Ph1) zwischen den Empfangssignalen (f₁′, f₂′) ein Impulsgatter geöffnet ist und zählfrequente (fr_z) Impulse im Zähler (C) gezählt werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Sendesignal (f₁, f₂) und das jeweils andere Empfangssignal (f₂′, f₁′) auf den einen Phasenvergleicher (Comp1) und die beiden Sendesignale (f₁, f₂) auf den anderen Phasenvergleicher (Comp2) geführt sind, und daß zwischen dem Auftreten einer Phasengleichheit (Ph0) zwischen den Sendesignalen (f₁, f₂) und dem Auftreten der nächsten Phasengleichheit (Ph1) zwischen den Sende- und Empfangssignalen (f₁, f₂′; f₂, f₁′) das Impulsgatter geöffnet ist und zählfrequente (fr_z) Impulse im Zähler (C) gezählt werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Oszillatoren (O₂) frequenzsteuerbar ist, daß der Phasenvergleicher (Comp2) für die beiden Sendesignale (f₁, f₂) beim Auftreten einer Phasengleichheit (Ph0) zwei Frequenzzähler (C1, C2) - je einen für beide Sendefrequenzen (fr₁, fr₂) - startet und beim Auftreten der nächsten Phasengleichheit (Ph1) stoppt, daß die Ist-Zählerständedifferenz verglichen wird mit der gespeicherten, der Soll-Differenzfrequenz (f_D) entsprechenden Soll-Zählerständedifferenz und daß ein Regelverstärker (A) vorgesehen ist, der ein der Soll-Ist-Abweichung proportionales Frequenzsteuersignal (AFC) erzeugt, mit dessen Hilfe die Frequenz (fr₂) des frequenzsteuerbaren Oszillators (O₂) so lange verstellt wird, bis die Zählerständedifferenz hinreichend klein ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Oszillator (O₁, O₂) ein 32-kHz-Quarz-Oszillator ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Oszillatoren (O₁, O₂) Frequenzfilter (F₁, F₂) in Form von Tief- oder Bandpaß nachgeschaltet sind.