DE68925093T2

DE68925093T2 - Torsionswellenfühler und System für Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE68925093T2
Application number: DE68925093T
Authority: DE
Inventors: Haim H Bau; Jin O Kim; Lawrence C Lynnworth; Toan H Nguyen
Original assignee: Panametrics LLC
Current assignee: Panametrics LLC
Priority date: 1988-10-14
Filing date: 1989-10-10
Publication date: 1996-05-09
Anticipated expiration: 2009-10-11
Also published as: US4893496A; EP0364217A3; EP0364217B1; DE68925093D1; EP0364217A2; JPH0373823A; JP2960737B2

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Strömungsmittelmerkmals mittels der Ausbreitung von Wellenenergie längs einer Fühler-Wellenführung, die in Berührung mit dem Strömungsmittel angeordnet ist, und insbesondere mittels der Ausbreitung von Torsionswellenenergie im Fühler.
In einer solchen Vorrichtung führt die Wechselwirkung der geführten Wellenergie mit dem Strömungsmittel zu einer verringerten Ausbreitungsgeschwindigkeit längs des Fühlers, so daß die Änderung in der Laufzeit der Welle, verglichen mit einer Bezugszeit bei dem Fühler in Luft oder Vakuum, eine Anzeige eines Merkmals des Strömungsmittels liefert, das in Berührung mit dem Fühler steht. Unter besonderen Umständen, wo von der Strömungsmittelzusammensetzung, Behältergeometrie und Fühlermerkmalen eines oder mehrere bekannt sind, kann eine Messung der Laufzeit eine Ausgabe über eine Merkmal des Strömungsmittels liefern, wie etwa den Strömungsmitteldruck, die Strömungsmitteltiefe, die Strömungsmitteldichte oder die Strömungsmitteltemperatur. Eine eingehende Beschreibung möglicher Umformer- und Fühleraufbauten und Systemausbildungen für die Torsionswellen-Strömungsmittelmessung erscheint im US-Patent Nr. 4 193 291 von Lawrence C. Lynnworth. Dieses Patent zeigt eine Anzahl von Ausbildungen, die einen Fühler verwenden, der einen Körper mit nicht-kreisförmigem Querschnitt aufweist, worin eine Torsionswelle zur Ausbreitung gebracht wird, und es beschreibt spezielle Beispiele, wie etwa einen Streifen mit rechteckigem Querschnitt, für den die Verzögerung in der Laufzeit eine im wesentlichen lineare Funktion der Strömungsmitteldichte ist.
Das Konzept, einen nicht-kreisförmigen Fühler mit einem verhältnismäßig großen Schlankheitsgrad zu verwenden, um die Wirkung der Ausbreitung von Torsionswellenenergie in einer Wellenführung zu vergrößern, die in ein umgebendes Strömungsmittel eingetaucht ist, liefert die Aussicht, das Ausmaß der Laufzeitverzögerung, die vom Strömungsmittel verursacht ist, in hohem Maße zu erhöhen, und somit auch die Empfindlichkeit des Fühlers gegenüber Änderungen in der Strömungsmitteldichte zu steigern. Das Fehlen eines guten theoretischen Modells für die Wechselwirkung von Fühler und Strömungsmittel und die komplexe wechselseitige Abhängigkeit der Wellendynamik von Dichte, Viskosität und Fühlergeometrie haben jedoch die praktischen Anwendungsfälle von Torsionswellenfühlern begrenzt.
In jüngerer Zeit hat der Anmelder H.H. Bau eine Theorie der Torsionswellenausbreitung veröffentlicht (Torsionswellenfühler - Eine Theorie, H.H. Bau, J. Appl. Mech., Band 53, Dezember 1986). Diese Theorie wurde angewandt, um in abgeschlossener Form Näherungen der Wellenausbreitung für bestimmte Fühlerquerschnitte in einem nicht-viskosen Strömungsmittel zu erhalten, und diese Ergebnisse wurden mit früheren experimentellen Ergebnissen von Lynnworth verglichen, die unter Verwendung rechteckiger Meßfühler in solchen Strömungsmitteln erhalten wurden, um diese Theorie zu bestätigen. Diese Schrift befaßt sich mit Fühlern mit elliptischem und rechteckigem Querschnitt, wofür mathematische Lösungen aus Ergebnissen in der Literatur abgeleitet werden können. Als solche ist die Theorie dahingehend ein erster Schritt zur Analyse der Wechselwirkung von Fühler und Strömungsmittel, daß sie eine Grundlage zum Erstellen einer numerischen Analyse der Strömungsmittelkoppelung mit unterschiedlichen Fühlerquerschnitten liefert. Es kann erwartet werden, daß eine solche Analyse dazu beiträgt, die Empfindlichkeit gegenüber der Strömungsmitteldichte in solchen Situationen zu optimieren, wo die Viskosität vernachlässigt werden kann.

Ziele und Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Torsionswellenfühler vorzusehen, der so optimiert ist, daß er auf ein Strömungsmittelmerkmal anspricht.
Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, ein System für die Torsionswellenmessung von Strömungsmittelmerkmalen vorzusehen, worin mehrere, unterschiedliche Torsionswellenfühler wahlweise auf unterschiedliche Merkmale ansprechen.
Es ist ein anderes oder weiteres Ziel der Erfindung, Systeme vorzusehen, worin eine Torsionswellen-Meßfühleranordnung in einer physikalischen Geometrie angebracht ist, um ein charakteristisches Strömungsmittelmerkmal genau zu erfassen, während man nur eine geringe Anzahl physikalischer Öffnungen oder elektrischer Anschlüsse zur Anbringung und zum Betreiben der Anordnung benötigt.
Es ist ein anderes oder weiteres Ziel der Erfindung, Systeme vorzusehen, worin eine Torsionswellen-Meßfühleranordnung eine Geometrie aufweist, die eine verbesserte Signaltrennung aufweist und zu einer verbesserten Auflösung bei der Signalverarbeitung führt.
Eines oder mehrere dieser und noch anderer, wünschenswerter Ziele werden in einem Meßfühler gemäß den Ansprüchen erzielt, worin ein Fühlerkörper mindestens teilweise in ein Strömungsmittel eingetaucht ist und einen Querschnitt aufweist, in welchem die Fortschreitung von Torsionswellenenergie auf das umgebende Strömungsmittel anspricht. Das heißt, das umgebende Strömungsmittel beeinflußt die Wellenausbreitung auf eine Weise, die in erster Linie von einem einzigen charakteristischen Merkmal des Strömungsmittels abhängt.
Die vorliegende Erfindung ist so, wie in den Ansprüchen beansprucht.
Ein System kann einen Torsionswellen-Meßfühler verwenden, der eine selektive Empfindlichkeit gegenüber einem Strömungsmittelmerkmal aufweist, sowie einen zusätzlichen Meßfühler. Der zusätzliche Meßfühler kann ein Torsionswellen-Meßfühler sein, der auf ein unterschiedliches Merkmal anspricht, oder ein Meßfühler einer unterschiedlichen Art, wie etwa ein herkömmlicher Meßfühler, der einen zugeordneten physikalischen Parameter, wie den Strömungsmittelstand, die Temperatur oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit, erfaßt. In einem bevorzugten System sind zwei Torsionswellenfühler als eine einzige Einheit hergestellt, mit einem ersten Fühlerkörperteil mit dem einen Querschnittprofil, der mit einem zweiten Fühlerkörperteil mit einem unterschiedlichen Querschnittprofil gekoppelt ist. Ein gemeinsamer Umformer sorgt für die Torsionswelle, die in beiden Richtungen des Körpers wandert. Ein Viskositätswert wird von dem einen Fühler erfaßt und zur Korrektur eines Dichtewertes angewandt, der vom anderen erfaßt wird, so daß eine verbesserte Messung eines breiteren Bereichs des tatsächlichen Strömungsmittels erzielt wird. Diese Strömungsmittel können verhältnismäßig unviskose Strömungsmittel umfassen, oder, genauer gesagt, viskoelastische Strömungsmittel unterschiedlicher Eigenschaften, wie etwa Viskoseflüssigkeiten sowohl der Newton'schen Art als auch der nicht-Newton'schen Art.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Merkmale der Erfindung werden unter Bezugnahme auf eine Erörterung der Figuren verständlich, die die Prinzipien der Wirkungsweise der Erfindung sowie eine Anzahl spezieller Ausführungen von Torsionswellenfühlern und -systemen darstellen, die erfindungsgemäße Meßfühler verwenden, wie folgt.
Fig. 1 und 2 zeigen Torsionswellen-Meßfühler des Standes der Technik;
Fig. 3A zeigt einen Meßfühlerkörperabschnitt mit kreisförmigem Querschnitt, der zum Erfassen einer ersten Strömungsmitteleigenschaft optimiert ist;
Fig. 3B zeigt eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Meßfühlers, der zum Erfassen einer zweiten Strömungsmitteleigenschaft optimiert ist;
Fig. 3C zeigt eine andere Ausführung der Erfindung, die für das gleichzeitige Erfassen unterschiedlicher Strömungsmitteleigenschaften optimiert ist;
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführung des erfindungsgemäßen Fühlers für zwei Eigenschaften;
Fig. 5, 5A zeigen unterschiedliche Ausführungen eines Torsionswellen-Meßfühlers, der in einer Strömungszelle angebracht ist;
Fig. 6, 6A zeigen eine andere Ausführung, die für Massenstrombestimmungen verwendet wird;
Fig. 7 zeigt ein System zur Erstellung eines Dichteprofils, das mehrfache Parameter erfaßt;
Fig. 8 zeigt ein bevorzugtes elektrisches System für das System zum Erstellen eines Dichteprofils der Fig. 7;
Fig. 9 zeigt ein anklemmbares Massenstrom-Erfassungssystem;
Fig. 10 sowie 11A-11C zeigen eine bevorzugte Ausführung und weitere Verbesserungen des Systems der Fig. 9;
Fig. 12 zeigt einen anderen erfindungsgemäßen Meßfühler, der an einen Vorratstank angepaßt ist;
Fig. 13 zeigt einen erfindungsgemäßen Zwei-Komponenten-Meßfühler, der als Prozeß-Strömungsleitung ausgebildet ist; und
Fig. 14 zeigt ein Meßfühlersystem für die Verwendung in einem Bohrloch.

Detaillierte Beschreibung dargestellter Ausführungsbeispiele

Torsionswellenfühler

Bevor man auf die Beschreibung der Erfindung übergeht, ist eine kurze Erörterung der Torsionswellenerzeugung und -messung als allgemeiner Hintergrund angebracht. Die Fig. 1 und 2 zeigen Systeme aus dem Stand der Technik, worin ein Meßfühler 1 einen rechteckigen Meßfühlerkörper 10 aufweist, der in ein Strömungsmittel eingetaucht ist und am einen Ende aktiviert wird, um eine Torsionswelle zu führen, die durch den Körper 10 hindurch mit einer Geschwindigkeit voranschreitet, die sich auf eine Weise ändert, die vom umgebenden Strömungsmittel abhängt.
In Fig. 1 wird die Torsionswelle durch eine Torsionswelle geliefert, die in einem Einleitungs-Erregerstab 12 wandert, der axial am Fühlerkörper 10 angebracht ist, und derselbe Stab wird verwendet, um das Echo der Torsionswelle vom abgelegenen Ende 20 des Fühlerkörpers abzuleiten. Der Einleitungsstab 12 ist mit einer Torsionswellen-Generator-/-Fühleranordnung verbunden, die aus einem magnetostriktiven Stab 14 besteht, der von einer Spule 16 umgeben ist, die an einem elektronischen Instrument 18 angebracht ist, wie etwa einem kombinierten Impulsgeber/Empfänger und einem Intervall-Meßgerät. Ein elektrischer kontinuierlicher oder impulsartiger Gleichstrom wird in Achsrichtung längs des Stabes 14 hindurchgeleitet, um ein Umfangsmagnetfeld hierin aufrechtzuerhalten, und ein Stromimpuls wird an die Spule 16 angelegt, um die Entwicklung eines mit der Zeit veränderlichen, axialen Magnetfelds zu veranlassen, das mit dem Umfangsfeld in Wechselwirkung tritt, um eine verdrehende Kraft auf den Stab 14 auf zubringen, die einen Torsionsimpuls erzeugt. Dies ist als der Wiedemann-Effekt bekannt. In gleichartiger Weise induziert das Torsionsecho, das längs des Stabes 12 zum Stab 14 zurückläuft, einen elektromotorischen Impuls in der Spule (der "umgekehrte Wiedemann-Effekt"), was die Erfassung der rücklaufenden Welle gestattet. Fig. 1 zeigt die Auftragung des elektrischen Signals, das den Echos A, B des Erregerimpulses entspricht, die von der oberen Fläche 15 des Fühlerkörpers 10 bzw. der unteren Fläche 20 des Fühlerkörpers empfangen wurden. Der Intervall tAB zwischen den beiden Echos ist die Laufzeit der Torsionswelle im geformten Fühlerkörper.
Fig. 2 zeigt einen anderen Wandler 2 aus dem Stand der Technik mit einem anderen Aufbau, um den Torsionswellen-Fühlerkörper 10 zu erregen und abzufühlen. In diesem Aufbau legt ein Einleitungsstab 22 Wellenenergie an das eine Ende des Fühlerkörpers 10 an, und ein Ableitungsstab 24 leitet die Wellenenergie aus, die am anderen Ende auftritt. Jeder Stab 22, 24 hat eine Anfügung an einer Kante des Endes eines jeweiligen Fühlerkörpers. In diesem Aufbau trägt jeder Stab eine Ausdehnungswelle, die in eine Torsionswelle oder aus dieser beim Durchlaufen der Anfügung zwischen dem Stab und dem Fühlerkörper umgewandelt wird. In diesem Fall ist es eine einfache Spule 16 um den Stab, die die Ausdehnungswelle im Stab erzeugt oder in ein elektrisches Signal umwandelt.
Die Erregermechanismen 12, 14, 16 und 22, 24, 26 der Fig. 1 und 2 sind Beispiele zweckmäßiger Wandler zum Aufbringen einer Torsionswelle auf einen Fühlerkörper. Eine solche Welle kann auch von einem geeigneten, piezoelektrischen Wandlerelement erzeugt werden, oder kann optisch durch einen Laserimpuls ausgelöst werden, der auf einen geeigneten Aufbau aufgebracht wird. Es wird in der folgenden Erörterung darauf hingewiesen, daß ein jeder solcher Torsionswellenwandler oder ein anderer, bekannter Wandler, der geeignete Eigenschaften für die Wellenführung aufweist, verwendet werden kann.
Im vorangehenden verwenden die beiden Anordnungen einen Fühlerkörper in Form eines Streifens mit rechteckigem Querschnitt, der als eine Wellenführung für die Ausbreitung der Torsionswelle innerhalb des Strömungsmittels sorgt. Eine schon früher berichtete Forschung des Erfinders Lynnworth hat die Durchführbarkeit und verbesserte Empfindlichkeit eines solchen Wellenfühlers zum Erfassen der Strömungsmitteldichte als eine Funktion der Laufzeit für bestimmte Strömungsmittel festgestellt. Die oben erwähnte, früher berichtete Forschung des Erfinders Bau hat eine theoretische Näherung erbracht, die für nicht-viskose Strömungsmittel, in denen der Fühlerquerschnitt nur eine zweidimensionale Bewegung induziert, die Wellengeschwindigkeit einer Funktion der Strömungsdichte zuordnet, mit einer Anzahl von Konstanten, die vom Fühlerquerschnitt abhängen, insbesondere vom polaren Trägheitsmoment Is des Fühlers, von der Scheinträgheit If des Strömungsmittels und von einer Konstante K = D/Is, wobei D die Torsionssteifigkeit des Fühlers ist.
Der Anmelder hat eine weitere theoretische Analyse der strömungsmittelinduzierten Effekte auf die geführte Torsionswellenausbreitung entwickelt, wie im wesentlichen folgt.

Theorie

Man betrachte eine Torsionsspannungswelle, die in einer Wellenführung mit gleichförmigem Querschnitt wandert, die in einer Flüssigkeit untergetaucht ist. Wenn die Torsionswelle durch die Wellenführung hindurchwandert, dann wird eine Feststoff-Flüssigkeits-Übergangsfläche wechselweise beschleunigt und verzögert. Demzufolge ist die Trägheit, die vom Torsionsimpuls überwunden werden muß, eine Kombination aus der Trägheit der festen Wellenführung (Is) und der Scheinträgheit (If) der benachbarten Flüssigkeit. Hinsichtlich der Näherung erster Ordnung (Bau, 1986) kann die Torsionswellengeschwindigkeit (c) errechnet werden aus der Gleichung:
worin G der Schubmodul des Feststoffs ist, K = (D/I&sub5;) und D die Torsionssteifigkeit ist. In Experimenten hat der Anmelder die Laufzeit der Torionsspannungswelle gemessen. Somit ist es gewünscht, einen Ausdruck für die Auswirkung der Scheinträgheit auf die Laufzeit abzuleiten. Es sollen t&sub0; und t die Laufzeit in Luft bezeichnen, von der angenommen wird, daß sie eine gute Näherung für die Laufzeit im Vakuum ist, bzw. in der Flüssigkeit mit derselben Temperatur bezeichnen. Dt = t-t&sub0; bezeichnet die Differenz in der Übertragungszeit einer Welle in einer Wellenführung, die in Flüssigkeit eingetaucht ist, und einer in Luft. Aus der Gleichung (1) ergibt sich mit guter Näherung:
Wenn die Wellenführung einen nicht-kreisförmigen Querschnitt hat, dann wird die Bewegung des Strömungsmittels über die Erzeugung eines Druckfeldes und eine Widerstandskraft induziert. Das Druckfeld wird durch die Bewegung der Oberfläche des Feststoffes erzeugt, die eine senkrechte Geschwindigkeitskomponente im Strömungsmittel induziert. Die Widerstandskraft ergibt sich aus viskosen Wirkungen. Somit kann die Scheinträgheit des Strömungsmittels (If) als Ergebnis aus einer Kombination dieser beiden Effekte angesehen werden. Wir bezeichnen den nicht-viskosen und den viskosen Beitrag zur Scheinträgheit als If,i bzw. If,v; d.h. If = If,i + If,v. Nur die nicht-viskose Trägheit für rechteckige und elliptische Querschnitte verschiedener Schlankheitsgrade wurde bei Bau (1986) berechnet.
Die Erfinder Kim und Bau haben nachfolgend die nicht-viskose Trägheit für andere Querschnitte berechnet (unveröffentlicht). Der Maßstab (scale) des druckinduzierten Strömungsfeldes hat dieselbe Größenordnung wie die Größe des Querschnitts der Wellenführung, so daß If,i angenähert werden kann durch C&sub1;Is, wobei C&sub1; eine Konstante der Ordnung 1 ist. C&sub1; hängt ab von der Geometrie und dem Schlankheitsgrad des Querschnitts. Beispielsweise ist für einen rechteckigen Querschnitt mit dem Schlankheitsgrad 3,3, C&sub1; = 1,062. Der Maßstab des widerstandinduzierten Strömungsfeldes ist vergleichbar mit der Dicke der viskosen Grenzschicht. Die Dicke der viskosen Grenzschicht in einem Newton'schen Strömungsmittel hat die Größenordnung (u/ω)1/2, wobei = u/Pf das Moment-Ausbreitungsvermögen bzw. die Moment-Diffusität und ω die Frequenz der Welle ist. Somit würde man erwarten, daß If,v etwa C&sub2;Is( /ωa²)1/2 ist, wobei (a) eine charakteristische Abmessung des Querschnittes ist und C&sub2; eine geometrieabhängige Konstante ist.
Der Anmelder hat C&sub2; empirisch bestimmt. Beispielsweise sind für eine rechteckige Wellenführung mit einem Schlankheitsgrad von 3,3 und a = 0,005 m, die mit einer Frequenz ω = 50 kHz bei Raumtemperatur in Wasser und Glyzerin arbeitet, die Werte von ( /ω a² )1/2 näherungsweise 2 x 10&supmin;³ bzw. 2 x 10&supmin;². Der Anmelder hat herausgefunden, daß selbst im letztgenannten Fall viskose Wirkungen einen Beitrag von weniger als 10% zur strömungsmittelinduzierten Trägheit (If) leisten. Somit ist in vielen Fällen der Viskosebeitrag verhältnismäßig gering.
Gemäß der obigen Analyse kann die Scheinträgheit des Strömungsmittels für einen Fühler mit rechteckigem Querschnitt ausgedrückt werden als:
Wenn andererseits der Querschnitt der Wellenführung kreisförmig ist, gibt es nur die vom Strömungswiderstand induzierte Scheinträgheit (d.h. C&sub1; = 0). Eine Näherung wurde durch Y. Wang (Magisterthese, Universität von Pennsylvania, unveröffentlicht) für eine Wellenführung mit einem Querschnittsradius a abgeleitet:
Die Konstanten C&sub1; und C&sub2; sind für jeden vorher gegebenen Fühler festgelegt und hängen nicht von der benachbarten Flüssigkeit ab.
Aus der vorangehenden Erörterung folgt, daß man aus der Laufzeit einer Torsionswelle, gemessen in zwei unterschiedlichen Wellenführungen, von denen jede im wesentlichen nur auf eine Komponente von If anspricht, beispielsweise Wellenführungen mit kreisförmigem und nichtkreisförmigem (beispielsweise rechteckigem) Querschnitt, sowohl die Dichte ( f) als auch die Viskosität (u) des Strömungsmittels erhalten kann, in welches die Fühler eingetaucht sind.

Praktische Ausführungen

Aus den vorangehenden, theoretischen Betrachtungen hat der Anmelder praktische Fühlerkörper entwickelt, die in drei allgemeinen Klassen charakterisiert werden können. Erstens gibt es Fühler mit einem torsionswellenführenden Fühlerkörper mit einem Querschnitt, der in erster Linie oder stark mit dem Strömungsmittel durch nichtviskose Koppelungsphänomene gekoppelt ist. Ein solcher Querschnitt, den der Anmelder durch die rechnersimulierte Analyse herausgefunden und durch Experimente bestätigt hat, ist ein rautenförmiger Querschnitt, bei dem der Anmelder herausgefunden hat, daß er eine f-Empfindlichkeit bietet, die vorher bekannten Torsionswellenfühlern deutlich überlegen ist. Zweitens gibt es Fühlerkörper-Querschnitte, die so optimiert sind, daß sie nur auf die Viskosekomponente If,v der Scheinträgheit ansprechen. Diese umfassen im wesentlichen kreisförmige Querschnitte, besonders solche mit einer Strömungsmittel-Berührungsfläche, die mit Gewinde versehen ist, gewellt ist, mit radialen Graten versehen ist, aufgerauht ist oder mit Abbrüchen vergrößert (fractally enhanced) ist. Als drittes gibt es Systeme, die mindestens einen Fühler aufweisen, der auf eine Torsionswellen-If-Komponente anspricht. Optimierte Torsionswellenführungsfühler, die stark und in erster Linie entweder auf oder auf die Viskosität ansprechen, werden insgesamt nachfolgend einfach als Dichtefühler oder Viskositätsfühler bezeichnet. Diese Systeme können Systeme mit einem Fühler einer jeden Art umfassen, worin ein Viskositätsfühler einen Korrekturausdruck niederer Ordnung für den Dichtefühler ergibt oder umgekehrt. Die in Betracht gezogenen Systeme umfassen auch Systeme, worin ein Dichte- oder Viskositätsfühler für eine gemessene Torsionswelle durch eine Messung korrigiert wird, wie etwa eine Temperaturmessung oder eine Strömungsmittelstandmessung, die einem gänzlich unterschiedlichen und möglicherweise herkömmlichen Meßelement entnommen wird, wie etwa einem Thermistor oder einer Strömungsmittels-Durchlaufzeit-Wandleranordnung.
Für nicht-Newton'sche Strömungsmittel zieht die Erfindung ferner Systeme in Betracht, worin eine örtlich erfaßte Viskositätsmessung zusammen mit einer Strömungsgeschwindigkeitsmessung in empirische Zuordnung gestellt werden, um die effektive, freiströmende Viskosität zu bestimmen. Ferner zieht in Fällen, in denen die Strömungsmitteldichte , Viskosität η und Strömungsgeschwindigkeit V in einer Leitung mit dem Durchmesser D bestimmt werden, die Erfindung ein System in Betracht, das die Reynoldszahl Re als Re = VD/η errechnet. Ein anderes System verwendet eine Ausdehnungswellenkomponente der Energie, die im Fühlerkörper wandert, um eine direkte Temperaturmessung abzuleiten.
In den unten erörterten Figuren sind Teile von Dichte- und Viskositätsfühlern der Deutlichkeit halber als Fühler mit einem rautenförmigen Querschnitt oder dem Querschnitt eines mit Gewinde versehenen Zylinders dargestellt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß in Übereinstimmung mit der Theorie des Erfinders Bau und mit praktischen Simulationen der Strömungsmittel-Fühler-Torsionswellenkoppelung die Querschnittsprofile, die in den Umfang der Erfindung mit eingeschlossen sind, zusammengesetzte Querschnitte aufweisen, wie etwa die hohle Rautenform. Es wird ferner darauf hingewiesen, daß die Dichte des Fühlers nicht gleichförmig zu sein braucht. Beispielsweise werden Beschichtungen gegen Verschmutzung oder gegen Korrosion aus Gold oder Teflon in Betracht gezogen, und der Fühler kann eine Dichte aufweisen, die sich stufenweise verringert, oder auch kontinuierlich oder monoton, als eine Funktion des radialen Abstands von der Fühlerachse. Ferner werden auch Abänderungen des auf Dichte hochempfindlichen Rautenprofils in Betracht gezogen. Beispielsweise wird durch Bildung eines Rautenprofilfühlers mit konkaven statt geradlinigen Seiten ein geringeres polares Massenträgheitsmoment erreicht, und eine Zunahme in der Empfindlichkeit kann bei manchen Betriebsbedingungen erwartet werden. Abänderungen eines grundlegenden Rautenprofils werden hier insgesamt als "rautenartige" Querschnitte bezeichnet.
Fig. 3A zeigt einen Viskositätsfühler 101, der einen Fühlerkörper 201 mit einer Schlankheitsgrad und einer Querschnittsform aufweist, die zum Erfassen der Viskosität eines Strömungsmittels geeignet sind. Ein Einleitungsstab 12 sorgt für eine Torsionswelleneingabe, die sich in den Fühlerkörper hinein ausbreitet, ein Echo an der Anfügung J des Stabes 12 an die obere Fläche oder Kante 201a des Fühlerkörpers erzeugt und ein anderes Echo an der unteren Fläche 201b erzeugt. Der Signalverlauf, der an einer Erregerspule 16 erfaßt ist, umf aßt zwei entsprechende Echosignale, die mit A und B bezeichnet sind, wobei das Echo-Abstandssignal tAB gleich ist dem Zweifachen der Laufzeit der Welle im Fühlerkörper von einem Ende zum anderen. Die Spule 16 kann an den Stab 12 so geerdet werden, daß nur ein stromführender Draht sich zur elektronischen Signalverarbeitungsschaltung zu erstrecken braucht. Ferner können statt der dargestellten magnetostriktiven Wandler piezoelektrische Elemente verwendet werden, um die geeignete Schwingungsform mit der gewünschten Betriebsfrequenz zu erregen. Der Fühlerkörper ist als eine dünne, kreisförmige, zylindrische Schale gebildet, mit einer Nullkomponente der Normalbewegung, so daß es keine If,i-Koppelung gibt. Aus diesem Signalverlauf errechnen ein signalverarbeitender Vorrechner und ein arithmetischer Prozessor herkömmlichen Aufbaus die Strömungsmittelviskosität unter Verwendung der Gleichungen (2) und (4) sowie des gemessenen tAB.
Dieser Viskositätsfühler hat einen kreisförmigen Querschnitt an jedem Punkt seiner Meßlänge, aber eine Oberflächengröße, die seine viskose Wechselwirkung mit dem Strömungsmittel erhöht. Die vergrößerte Strömungsmittel- Oberflächengröße kann größer sein als die Flächengröße eines Zylinders mit dem gleichen Querschnitt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man die Strömungsmittel-Berührungsfläche mit einem Gewinde versieht, das die Oberfläche um das zweifache oder mehr erhöhen kann, ohne daß die Fühlerimpedanz nachteilig geändert wird. Es kann aber auch eine gleichförmig aufgerauhte Fläche bevorzugt mit einer Oberflächenausbildungsgröße, die kleiner ist als die Scherschichtdicke des Strömungsmittels, oder eine mit Abbrüchen versehene Oberfläche (fractal surface) benutzt werden. In jedem dieser Ausführungsbeispiele verringert sich die Amplitude einer Torsionswelle, die sich im Fühler ausbreitet, monoton längs der Längenerstreckung des Fühlerr, die in Berührung mit dem Strömungsmittel steht.
Fig. 3B zeigt einen zweiten Fühler 102 gemäß der Erfindung, mit einem Torsionswellen-Führungs-Fühlerkörper 202 mit rautenförmigem Querschnitt, bei dem der Anmelder herausgefunden hat, daß er besonders als Strömungsmittel- Dichtefühler geeignet ist. In diesem Fall ist die Laufzeit TA'B' infolge der Wechselwirkung der Torsionsbewegung der Führung mit dem umgebenden Strömungsmittel beträchtlich verlängert. Die Laufzeit TA'B' zusammen mit den Gleichungen (2) und (3) ergibt ein direktes Maß der Strömungsmitteldichte f im Fall eines nicht-viskosen Strömungsmittels. Für andere Strömungsmittel kann der Viskosebeitrag unter Verwendung der Viskositätsmessung korrigiert werden, die durch einen Viskositätsfühler, wie etwa den der Fig. 3A, geliefert wird. Der Anmelder hat herausgefunden, daß Meßfühler mit Schlankheitsgraden nahe an drei mühelos durch Fräsen, durch Drehen, nachgefolgt von Geraderichten und Glühen oder für große Mengen durch Ziehen geformt werden kann.
Fig. 3C stellt einen anderen Fühlerkörper 110 dar, in dem ein einziger Fühlerkörper zwei Abschnitte 111, 112 mit unterschiedlichem Querschnitt aufweist, die als Wellenführungen für eine Welle dienen, die durch einen gemeinsamen Einleitungsstab 12 vorgesehen wird. Wie dargestellt, ist der erste Abschnitt 111 eine dünne, zylindrische Schale, die dem Fühlerkörper 101 der Fig. 3A ähnelt, aber längs ihrer Außenoberfläche mit einem Gewinde versehen ist. Dieser Aufbau erhöht die Oberflächengröße über die des einfachen Zylinders der Fig. 3A hinaus und erhöht somit die Empfindlichkeit gegenüber der Strömungsmittelviskosität, während er eine konstante Impedanz längs der Längenerstreckung des Körpers 111 darbietet, so daß die Torsionswelle nicht gestreut oder abgeschwächt wird. Der erste Teil 112 des Fühlers 110 ist ein Fühlerkörper mit Rautenquerschnitt, wie der Körper 102 der Fig. 3B.
Bei diesem Ausführungsbeispiel mißt eine einzige Spule 16 drei Echos A, B, C, welche zwei unterschiedliche Zeitverzögerungsmessungen tAB und tBC liefern. Wegen der unmittelbaren Abhängigkeit der Viskosität und Dichte von den Fühlerkörperabschnitten liefern diese beiden Intervalle eine ausreichende Information, um die Strömungsmittelviskosität und -dichte als Lösung zu erhalten, und um übergreifende Glieder zu korrigieren, um physikalische Eigenschaften zu errechnen, die Funktionen dieser Strömungsmittelmerkmale sind. Die Anordnungen der Fig. 3A bis 3C erfordern vorteilhafterweise nur eine einzige Einleitungsöffnung in einer Leitung zum Einbau.
Die Erfindung zieht in Betracht, daß andere, auf Viskosität ansprechende Querschnittprofile als Ersatz für den Fühlerkörper 111 verwendet werden, und andere, auf Dichte ansprechende Profile für den Körper 112 unter die Definition im Anspruch 1 fallen können. Auch die Reihenfolge der beiden Körperabschnitte kann umgekehrt werden. Die Impedanzanpassung am Ende eines jeden Fühlerkörpers wird bevorzugt beispielsweise durch Anlöten eines Ringes rund um ein Ende des Fühlerkörpers 111 bewirkt, um eine geeignete Koppelung der Torsionswelle mit geeigneten Pegeln der Wellenreflektion und Übertragung bei Frequenzen im Bereich von etwa 100 kHz zu erhalten. Wenn der Einleitungs- oder Fühlerkörperdurchmesser hinlänglich groß ist, d.h. 5 bis 10 mm Durchmesser, dann kann ein größerer Ring am Fühler als ein Montageflansch angebracht werden und verwendet werden, um durch bekannte Montage- oder Dichtungstechniken eine vakuum- oder druckdichte Abdichtung zu bilden, ohne die Impedanz nachteilig zu beeinflussen.
Fühlerkörper gemäß der Erfindung, die eine starke Torsionswellenausbreitungsabhängigkeit von der umgebenden Strömungsmitteldichte aufweisen, weisen auch eine ausgeprägte Signalreflexion auf, wenn eine Torsionswelle, die in einem nicht-eingetauchten Abschnitt des Fühlers wandert, die Strömungsmittelgrenze erreicht. Beispielsweise ergibt ein Fühler aus rostfreiem Stahl mit rautenförmigem Querschnitt und einem Schlankheitsgrad von etwa 3 einen Reflexionsbeiwert von etwa 10% bei einer Übergangsfläche von Wasser/Luft. Entsprechend kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ein gerader Dichtemesser, der sich nach unten in einen Strömungsmittelkörper erstreckt, betätigt werden, um eine Messung der Strömungsmittelhöhe zu liefern. Fühlerkörper, die optimiert werden, um auf die Strömungsmittelviskosität anzusprechen, weisen eine Amplitudendämpfung auf, die von der Eintauchlänge abhängt, und können somit als Strömungsmittelstandfühler durch Messung der Amplitude des rückkehrenden Signals verwendet werden.
Bevorzugt haben Fühlerkörper gemäß der vorliegenden Erfindung eine niedere mittlere Dichte. Eine Dichte unter etwa 5 g/cm³ kann für viele Flüssigkeiten zweckmäßig sein. Manche geeigneten Materialien sind Titan, anodisiertes Aluminium, Graphit und nicht-elektrisch vernickeltes Graphit. Fühler aus rostfreiem Stahl sind für Flüssigkeitsanwendungen geeignet, und leitfähige Fühlerkörper können es vorteilhafterweise komplizierten Systemen gestatten, mit wenigen aktiven elektrischen Leitungen zu arbeiten.
Fig. 4 zeigt einen anderen Fühler 120, der zwei unterschiedliche Torsionswellen-Fühlerkörper-Abschnitte 121, 122 aufweist, die hintereinanderliegend aneinander angebracht sind und der Erregung durch einen einzigen Einleitungsstab 22 unterzogen sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Fühlerkörper parallel zur Achse einer Leitung 100, so daß ein längerer Fühlerkörper aufgenommen werden kann, und so, daß die Strömungsmitteldichte oder -geschwindigkeit als im wesentlichen gleichförmig längs der Längenerstreckung des Fühlers angesehen werden kann. Der Stab 22 ist beispielsweise durch eine Punktschweißung, die durch eine Lötstelle verstärkt ist, an der Mitte des Fühlers an einer Kante des Endes des Körpers 122 oder des Körpers 121 angebracht. Bei diesem Aufbau wird eine übertragene Ausdehnungswelle T in dem Stab gleichzeitig in jedem Körperabschnitt 121, 122 in eine Torsionswelle umgewandelt. Die beiden Torsionswellen laufen in entgegengesetzte Richtungen. Am abgelegenen Ende eines jeden Torsionswellen-Führungs-Fühlerkörpers 121, 122 wandelt ein jeweiliger Ableitungsstab 24a, 24b die empfangene Torsionswelle in eine Ausdehnungswelle um, die den Ableitungsstab nach oben läuft und von einer entsprechenden Spule 16a, 16b gemessen wird. Der Aufbau dieses gemeinsam erregten und räumlich getrennten Zwei-Körper-Torsionswellenfühlers sorgt für eine hervorragende Wellenisolierung für die beiden Meßwellen. Es wird erwartet, daß diese Isolierung das erreichbare Störabstandsverhältnis (S/N ratio) und die Zeitauflösung verbessert, besonders, wenn die empfangenen Signale unter Verwendung einer Vielfachabfrage-Signalkorrelations- oder Varianzanalysetechnik verarbeitet werden.
Wie bei dem Fühler der Fig. 3C sorgt das Signal, das durch den dargestellten, rautenförmigen Abschnitt 122 ankommt, für eine in erster Linie von der Dichte abhängige Messung, und das Signal, das durch den zylindrischen Abschnitt 121 ankommt, sorgt für eine Viskositätsmessung.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Strömungsmessungszelle 150, die einen Torsionswellenfühler 151 mit einem für empfindlichen Körper verwendet, der von Stäben 152a, 152b aktiviert wird und diese seinerseits aktiviert. Die Zelle 150 hat ein dickes Gehäuse 155 mit einem mittigen Hohlraum oder Kanal 156, der ein Strömungsmittel unter sehr hohem Druck enthält. Die Erregerstäbe 152a, 152b sind Ausbreitungswellen-Erregerstäbe, wie in den Fig. 2 und 4. Jeder Stab erstreckt sich in einem Kanal 157 nach unten durch den Block 155 und ist von einem Stöpsel 158a, 158b her aufgehängt, der über dem Kanal in einer ausgebohrten Aussparung im Block mit engem Sitz angeordnet ist und ständig hieran durch eine strömungsmitteldichte Schweißung 159 befestigt ist. Eine Bohrung 161 innerhalb jedes Stöpsels nimmt den Stab auf und endet in einem oberen Gewindeabschnitt 162, der ein Gewinde aufweist, das nur lose zum entsprechenden Gewinde 163 an dem Stab 152a, 152b paßt. Auf diese Weise sind die Betätigungstäbe fest aufgehängt, aber akustisch vom Strömungszellengehäuse so abgekoppelt, daß keine nachlaufende Schwingung in die Erzeugung oder Erfassung des Torsionswellensignals eingreift. Eine Spule 165, die rund um die Außenseite eines jeden Stöpsels aufgesetzt ist, betätigt die Stäbe. Die Stöpsel sind aus nicht-magnetischem Material geeigneter Festigkeit gebildet, wie etwa SS304 oder SS316.
Fig. 5A zeigt eine Abänderung dieses Aufbaus, worin das Torsionswellen-Führungs-Fühlerelement 151a eine Wellenführung mit rautenförmigem Querschnitt ist, die zu einem zylindrischen Wendel gekrümmt ist. Diese Ausbildung gestattet es, daß eine längere Wellenführung in der kleinen Strömungszellenkammer benutzt wird, was die Empfindlichkeit fördert.
Fig. 6 zeigt ein anderes Strömungsmeßsystem, worin ein Torsionswellen-Führungsfühler 181 mit Erreger-/- Ableitstäben 182a, 182b in einer Strömungszelle 180 mit definierter Geometrie angeordnet ist, und worin ein Paar Ultraschallwandler 184, 185 ferner an den Enden der Strömungszelle angeordnet sind, um Ultraschall-Längswellen(Druckwellen)-Energie durch das Strömungsmittel hindurch abzugeben und aufzunehmen, das in der Zelle fließt. Die Wandler 184, 185 werden mit einer in Ausbreitungsrichtung verlaufenden Welle durch Spulen 16 um die Enden 184a, 185a magnetostriktiver Stäbe betätigt, und jeder Wandler hat einen verjüngten Körperabschnitt 184b, 185b, der dazu dient, die Impedanz an die größere Endfläche anzupassen, die die Meßwelle innerhalb des Strömungsmittels freisetzt. Ein verhältnismäßig dünner Ring oder Montageflansch 186 (Fig. 6A) kann an einem großen Abschnitt durch spanende Bearbeitung angeordnet sein und zusammen mit einer O-Ringdichtung oder -Packung verwendet werden oder durch Metallmit-Metall-Druckberührung abgedichtet sein, um einen abgedichteten Durchgangskanal mit einer geringen Echoerzeugung oder Koppelung in den Rohrkörper hinein vorzusehen.
Wie in Fig. 6 gezeigt, ist der Wandlerstab 182a eine Dämpfungsanordnung 178, die dazu dient, Streuechos vom Stab her auszuräumen. Eine solche Dämpfungsanordnung ist bevorzugt an jedem Erreger- oder Fühlerstab für eine Ausdehnungswelle oder Fühlerstab vorgesehen; die Stäbe können über ihre Anfügung an den Fühlerkörper 181 hinaus verlängert sein, und eine Dämpfungsanordnung kann an jedem Ende des Stabes vorgesehen sein. Die Anordnung 178 ist bevorzugt aus einem Material gebildet, wie aus einem mit Wolfram angereicherten Epoxid, und hat eine charakteristische Impedanz, die mit der des Stabes vergleichbar ist, aber eine Schallgeschwindigkeit, die niedriger ist als die des Stabes. Wie gezeigt, ist eine bevorzugte Form konisch nach außen bis zu einem Durchmesser verlaufend, der das Mehrfache dessen des Stabes beträgt, und zwar über einen Abstand von einer oder mehreren Wellenlängen.
In manchen Anwendungsfällen kann es wünschenswert sein, die Merkmale eines sich bewegenden oder ortsfesten Strömungsmittels zu messen, die sich durch den Strömungsmittelkörper hindurch verändern. Dies wird durch ein System gemäß der Erfindung unter Benutzung einer Anordnung von Torsionswellenfühlern erreicht. Bei kompressiblen Strömungsmitteln oder bei Strömungsmittelmassen, die extreme Druckbereiche oder veränderliche Temperaturbereiche überdecken, wie in Tanks im Freien, oder unter Lagerbedingungen nahe einem Phasen- oder Zustandsübergang eines Strömungsmittels, ist eine solche Anordnung von Dichtefühlern gemäß der Erfindung ein wirksames Mittel, um die Masse oder die Massenströmungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels zu quanitifizieren. In einem Behälter mit einem Kryo-Strömungsmittel, wie etwa Wasserstoff, Schlamm, oder in einem Flugzeugtreibstofftank, kann eine Dichte- Profilierungsmessung bewirkt werden, um genau seinen Inhalt zu messen, gleichgültig, welche örtlichen Bedingungen vorliegen. Eine andere Anwendung einer solchen Dichteprofilierung ist es, die Verteilung von gelösten Salzkonzentrationen in einem System, wie etwa einem Thermalpumpensystem, zu überwachen.
Fig. 7 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Systems 220 zur Messung eines solchen Dichteprofils dar. Zu Zwecken der Darstellung ist das System gezeigt, wie es in einem Flugzeugtreibstofftank angebracht ist, wo der Treibstoff den Raum zwischen der oberen und unteren Flügeloberfläche 190, 191 einnimmt. Bei diesem System ist eine Vielzahl von ringförmigen Wellenführungen 221a, ... 221f an Stellen mit bekannter vertikaler Höhe und mit bekannten Abständen innerhalb des Tankinnenraumes 230 aufgehängt, und sie sind durch einen gemeinsamen Erregerstab 223 verbunden, der, wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4, starr an einer Kante eines jeden Ringes angebracht ist, um eine Ausdehnungswelle zu übertragen und sie in eine Torsionswelle im Ring umzuwandeln. Eine Vielzahl von Ableitungsstäben 224a, ... 224f leiten die Wellenenergie aus diametral gegenüberliegenden Punkten eines jeden Rings heraus, und Spulen 216a, ... 216f wandeln die Wellenenergie in eine Auftragung eines elektrischen Signals um. Ein Schacht oder eine andere Wandanordnung (nicht gezeigt) gegen das Schwappen umgibt bevorzugt die Fühleranordnung, um einen verhältnismäßig stabilen oder sich nur langsam ändernden Treibstoffpegel rund um die Anordnung vorzusehen. Ein verhältnismäßig flexibler und leichter Kunststoffkäfig kann auch vorgesehen sein, um die Ringe der Anordnung in ihrer Lage zu unterstützen, ohne sie akustisch zu koppeln. Als Alternativ- oder Zusatzlösung können lose eingesetzte Gewindestäbe durch ausgerichtete Bohrungen hindurchgeführt werden, die im dickeren Mittelabschnitt eine jeden Ringes gebohrt sind, um den Ringabstand genau zu steuern, ohne die unterschiedlichen Ringe akustisch zu koppeln.
Bei dieser Wandleranordnung sorgt der Abstand der rücklaufenden Signale für ein unmittelbares Maß der Strömungsmitteldichte an der Stelle einer jeden Höhe. Eine plötzliche Diskontinuität in der Torsionswellengeschwindigkeit wird dann stattfinden, wenn der Flüssigkeitsspiegel unter einen Ring abfällt, so daß somit auch eine grobe Messung des Strömungsmittelstandes H geliefert ist.
Im allgemeinen können die vorangehenden Parameter H und unzureichend sein, um den Energiegehalt oder andere technische Aspekte der Treibstoffmasse M in einem Flugzeug-Treibstofftank voll zu kennzeichnen, wenn die Kohlenwasserstoff zusammensetzung des Treibstoffes nicht genau bekannt ist. Das System 220 umfaßt deshalb bevorzugt einen unabhängigen akustischen Wellenwandler 235 und einen Temperaturfühler 240, um zusätzliche Messungen zum Auflösen dieser Variablen zu bewirken.
Wie gezeigt, empfängt der Wandler 235 einen elektrischen Impuls auf der Leitung 234 und gibt einen Ultraschallimpuls ab, der von jedem der Ringe 221a, ... 221f reflektiert wird. Der Wandler 235 wandelt diese Echos in ein Ausgabesignal auf der Leitung 234, das in einer herkömmlichen Weise verarbeitet wird, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit c im Strömungsmittel zu bestimmen. Jeder der -Fühlerringe kann eine zweischneidige oder dünne Klinge mit einem rautenförmigen Querschnitt sein, wie in der Schnitteinzelheit "x" dargestellt. Bevorzugt jedoch sind mindestens einige der -Fühlerringe mit ihrer unteren Fläche so angepaßt, daß sie für den Wandler 235 ein besser definiertes Echo vorsehen. Die Schnitteinzelheit "Y" zeigt einen abgeflacht-rautenförmigen Wandlerabschnitt, der zu diesem Zweck geeignet ist.
In Fig. 7 ist auch ein Temperaturfühler 240 gezeigt, der die Temperatur T des Strömungsmittels an einer Stelle mißt. Das Dichte-Profilierungssystem mit vielen Reflektoren der Fig. 7 sorgt für eine Massenmessung wie folgt. Als erstes ergibt die Messung von c und T an einem Punkt eine einzige Angabe des Treibstofftyps oder des Gemischs von Treibstofftypen. Dies kann durch eine Nachschlageprozedur aus bekannten Datenlisten für allgemeine Flugzeugtreibstoffe erhalten werden, wie etwa JP-3, Kerosin, Flugbenzin und dergleichen. Für einen vorgegebenen Treibstoff ist die Temperaturabhängigkeit sowohl von als auch c bekannt. Somit liefert die weitere Messung entweder eines -Profils über die Torsionswellenausbreitung in Wellenführungen 221 oder eines c-Profils durch Reflexion der Strömungsmittelausbreitungswelle von diesen Wellenführungen her, zusammen mit der vorbestimmten Tankgeometrie, eine Messung dieser Eigenschaften und der Treibstoffmasse. Ein im Flug verwendbares Treibstoff-Meßsystem kann zusätzlich Daten über die Flugzeughöhe, Nickbewegung, Rollbewegung, Gierbewegung und Schwerpunkt benutzen, um noch genauere Errechnungen zu liefern.
In dem speziellen Fall der Treibstoffmessung in einem Flugzeugflügeltank, wo es erwünscht ist, die Anzahl elektrischer Drähte auf ein Mindestmaß zu verringern, ist es vorteilhaft, so wenig Leitungen wie möglich zum Meßsystem zu haben. Der Anmelder hat ein System mit nur einem Paar durchgehender Drähte entwickelt, welches örtliche Paßband-Filterung benutzt, um die Signale für die unterschiedlichen Ultraschallwandler zu trennen. Es wird darauf hingewiesen, daß dann, wenn sich die Flüssigkeit wegen anderen Flugmanövern als normalem Reiseflug nicht abgesetzt hat, geeignete, empirisch zu bestätigende Korrekturen als Funktionen des Rollens, Neigens, Gierens und der Beschleunigung auch angewandt werden müssen, und in diesem Fall ist es erwünscht, den Strömungsmittelstand an mehr als einer Stelle im Treibstofftank zu messen. Mehrfach-Fühler- Einheiten können benutzt werden, von denen jede ihre eigenen Leitungen hat.
Fig. 8 zeigt einen örtlich gefilterten Kabelbaum, in dem zwei Leitungen 241, 242 zum Tank durchlaufen, um Signale zum Mehrfachwandler zu tragen. Ein erster Bandfilter BPF1, der ein Tiefpaßfilter ist, mit einem Durchlaßband von 0 bis 1 Hz, leitet das Gleichstrom-Temperaturfühlersignal auf der Leitung 241 durch, und ein Paar Bandfilter BPF2, BPF3 sind verwendet, um die Signale zu den - Fühlern 221a-f bzw. zum Wandler 235 sowie von diesen zu trennen. Diese Signale werden zeitlich aufgeteilt auf der Leitung 242 durchgeleitet. Die -Fühler arbeiten mit einem Nennsignal von 100 khz innerhalb des Paßbandes von 50 bis 150 khz von BPF2, und der c-Fühler arbeitet mit einem 1 MHz-Signal innerhalb des höheren 0,8-1,2 MHz-Paßbandes von BPF3. Eine gemeinsame Masse ist vorgesehen.
Der Vorteil eines Strömungsmittelsfühlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist der, daß die Wechselwirkung zwischen der Torsionswellenführung und dem Strömungsmittel in einem hohen Ausmaß unabhängig ist von der Größe und Geometrie der Leitung, solange ein gewisses Mindestspiel von den Leitungswänden her aufrechterhalten ist, und der Fühler kann deshalb in einem weiten Bereich von eingesetzten Vorrichtungen eingebaut werden. Beispielsweise können die Ausführungsbeispiele der Fig. 3A-3C in einer einzigen Rohröffnung angebracht werden. Ein spiralförmiger Fühler ähnlich dem, der in Fig. 5A dargestellt ist, kann auch für eine Anbringung in einer einzigen Öffnung dadurch angepaßt werden, daß man den Fühler mit Einleitungs- und Ableitungsstäben an einer Stopfenarmatur mit geeignetem Durchmesser anbringt.
Ein zusätzlicher Vorteil ist es, daß eine geführte Torsionswelle verhältnismäßig geringe Störenergie in ein Strömungsmittelsystem einleitet, in dem schon andere Ultraschallimpulse durch das Strömungsmittel übertragen werden. Außerdem können die Fühler ganz klein sein, d.h. eins und drei Millimeter für einen repräsentativen -Fühler mit Rautenquerschnitt, so daß sie nicht in beträchtlicher Weise die anderen Signale streuen. Solche Fühler sind somit zur Aufnahme in neue Systemarchitekturen gut geeignet. Für industrielle Anwendungen, wo Robustheit von größerer Bedeutung ist als ein geringes Gewicht, können größere Querschnitte verwendet werden. In diesem Fall muß die Torsionswellenlänge groß sein, verglichen mit dem maximalen Querschnittdurchmesser des Fühlers, um unerwünschte Streuwirkungen zu vermeiden. Es wird vermerkt, daß es ein Hauptmerkmal eines optimierten Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist, daß er wirksame Strömungsmittelmessungen mit einem Fühlerdurchmesser deutlich unter dem Bereich störender Streuwirkungen erzielt, die vorher die Empfindlichkeit oder Genauigkeit von Torsionswellenfühlern eingeschränkt hatten.
Fig. 9 zeigt ein solches neues System 250, das eine Masseströmungsbestimmung liefert, während es den Druckabfall auf ein Mindestmaß verringert. Ein spezielles Strömungssegment 252 mit einem quadratischen bzw. vierkantigen Innenquerschnitt ist in einer Strömungsmittel-Strömungsleitung angeschlossen. Ein Dichtefühler 254, der aus einer Torsionswellenführung ähnlich der, die in Fig. 4 dargestellt ist, besteht, ist axial innerhalb des Segments 252 angebracht, mit einem Erregerstab und bevorzugt einem gesonderten Ableitungsstab (nicht bezeichnet), aufgenommen durch geeignete Rohrarmaturen und eine Dichtung. Zwei Festspann-Wandler 255, 256 mit abgewinkelten Montageblöcken 257, 258 sind an der Außenseite der Leitung angeordnet und festgespannt, um eine Ultraschallwelle abzugeben und zu empfangen, die einem Zickzack-Reflexionsweg folgt, um für eine geschwindigkeitsabhängige Durchlaufzeitmessung zu sorgen. Eine detailliertere Erörterung einer solchen Festspann-Strömungs-Geschwindigkeitsmessung kann im US-Patent 3 906 791 gefunden werden. Bevorzugt geben Wandler 255, 256 sich gegeneinander ausbreitende Wellen ab und empfangen sie.
Im Betrieb entnimmt das System 250 eine Geschwindigkeitsmessung aus den Signalverläufen der Wandler 255, 256 und eine Dichtemessung aus dem Signalverlauf einer Torsionswellenführung 254. Die beiden Abfragearten arbeiten in unterschiedlichen Frequenzbereichen (100 kHz gegenüber 1 MHz) und sind physisch und akustisch im wesentlichen unabhängig. Die gemessenen Geschwindigkeits- und Dichtewerte werden dann multipliziert und durch einen Faktor K korrigiert, der eine Korrektur für das Strömungsprofil sowie Skalen- und Meßgeräteeichung vornimmt, um den Massenströmungs-Ausgabewert zu erzeugen.
In einer bevorzugten Variante des Systems der Fig. 9 wird die speziell hergestellte Vierkantleitung 252 ersetzt durch eine herkömmliche runde Rohrleitung, an welcher die V-Wandler von außen her und abnehmbar angebracht sind. Die Entfernbarkeit kann durch Verwendung eines Strömungsmittels, Fettes, federnden Materials (wie Urethan, Silikongummi oder Neopren) oder eines bei einer Temperatur härtenden Materials (beispielsweise Wachs) gefördert werden, das zusammen mit einer magnetischen Klammer, einem Montageband oder einem mit Klettverschluß geschlossenen Gurt angekoppelt ist, um die Wandleranordnung zu befestigen. Zwei Wandler können in manchen Ausführungsbeispielen an einem einzigen Rohr-Montageschuh angeklammert werden. In solchen Fällen wird bevorzugt ein Dämpfungsmaterial, wie etwa mit Wolfram versetztes Epoxid mit einer akustischen Impedanz, die mit der des Schuhs vergleichbar ist, am Schuh angebracht oder in einem Hohlraum im Schuh zwischen den Wandlern eingebracht werden, um eine Kreuzkopplung zu vermeiden.
Fig. 10 zeigt ein solches System, bei dem entsprechende Elemente identisch zu denen der Fig. 5A, 9 numeriert wurden, das aber ein rundes Rohr 260 verwendet. In diesem Ausführungsbeispiel sind Wandler 255, 256 mit Keilblöcken 257, 258 an einem Paar Schuhen 261, 262 festgespannt, die für eine ebene Fläche sorgen, um die Wandler unter dem ordnungsgemäßen Winkel zu halten, um schräg gebrochene Wellen in das Strömungsmittel hinein abzugeben.
Wenn diese Geometrie an Rohren mit unterschiedlichen Größen verwendet wird, wäre es erwünscht, Änderungen in der Ausbreitung auszuräumen, die unterschiedlichen Wanddicken und unterschiedlichen Rohrkrümmungen zugeordnet sind. Unter anwendbaren Normen weisen "Norm"-Rohre aus Kohlenstoffstahl, Legierungsstahl und rostfreiem Stahl die folgenden Wandstärken auf: Tabelle 1. Nennwandstärken und Schuhdicken für Normrohr Rohr-Nenndurchmesser, Zoll "Norm"-Wandstärke, Zoll Y, Zoll
Dementsprechend ist in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Massenströmungsmeßgeräts der Fig. 10 der Geschwindigkeitmeßabschnitt so aufgebaut, wie in den Ansichten der Fig. 11A-C gezeigt. Hier wurde ein Schuh am Rohr in einem Bereich unter jeden der zwei festspannbaren für gegenläufige Ausbreitung sorgenden Geschwindigkeitwandler angekoppelt oder festgeklebt. Die Dicke des Schuhs, Y, ist so gewählt, daß sie, wenn sie zur Rohrwanddicke W addiert wird, eine konstante Gesamtdicke W + Y dergibt. Eine zweckmäßige Gesamtheit ist W + Y = 0,375 Zoll, weil dies örtlich alle Rohre in der Tabelle 1 auf dieselbe Dicke umwandelt, wie die Normdicke von Rohren von 12 bis 36 Zoll Durchmesser. Somit ist gemäß diesem Aspekt der Erfindung für jeden Rohrdurchmesser einer Adapterschuh vorgesehen, der eine Berührungsfläche aufweist, die mit dem Rohr-Außendurchmesser übereinstimmt und eine minimale Dickeabmessung Y so aufweist, daß die Rohrwanddicke K - Y ist, wobei K darstellenderweise die konstante Dicke von 0,375 Zoll ist. In der Praxis ist eine Gesamtdicke von 1 cm bevorzugt, so daß der Adapterschuh für die gemeinsamen größeren Rohrgrößen nicht einen übermäßig dünnen Steg aufweist.
Die Fig. 11A-11C zeigen eine Stirnansicht, Seitenansicht bzw. Perspektivansicht eines solchen Schuhes 261. Wie gezeigt, hat der Schuh 261 eine gekrümmte Unterfläche 265, die mit dem Außendurchmesser des Rohres so übereinstimmt, daß die Energieübertragung zwischen dem Wandlerelement und dem Strömungsmittel hinlänglich groß ist. Der Wandlerkeil wird unmittelbar über diesem Rohrberührungsabschnitt angebracht und kann sich über einen Teil des Schuhes oder über den gesamten Schuh erstrecken. Ein Ausschnitt oder Entlastungsabschnitt 267 mitten längs der Längenerstreckung des Schuhes entkoppelt einen Abschnitt des Schuhes vom Rohr, und ein verjüngter Endabschnitt 269 des Schuhes sorgt für eine allmähliche Impedanzumwandlung, die Signale steuert, d.h. in hohem Maße die Echobildung vom verjüngten Ende des Schuhes verhindert.
Fig. 11C stellt zusätzlich dazu, daß sie eine Perspektivansicht des Schuhes 261 zeigt, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Keils 266 zur Anbringung eines piezoelektrischen Wandlers dar, um Rayleigh-artige Wellen zu erzeugen. Der Keil 266 ist aus einem Ein-Zoll-Vierkant- Messingmaterial gebildet und hat eine Wandler-Anbringungs- Endfläche 268, die unter einem Winkel von π/4 zur Stirnflächenebene so ausgebildet ist, daß Wellen unter einem Winkel in den Messingkeil hinein abgegeben werden. Das Messingmaterial des Keils 266 bringt Scherwellen bei einer niedrigeren Geschwindigkeit als der Wellengeschwindigkeit in einem Stahl- oder SS-Rohr zur Ausbreitung, so daß Rayleigh-artige Wellen unter einem geeigneten Winkel in die Leitung hinein abgegeben werden. Bevorzugt ist die Länge des Keils 266 näherungsweise die des Hauptkörpers des Schuhs 261, um konstante Grenzbedingungen aufrechtzuerhalten und hierdurch die Plattenschwingungsarten zu begrenzen oder zu steuern.
Wie ferner in Fig. 10 gezeigt, kann das anklemmbare Geschwindigkeitsegment 260 in Reihe an eine -Fühlerzelle 270 angeschlossen werden, die eine spiralförmige oder ähnliche Torsionswellenführung mit rautenartigem Querschnitt aufweist, wie etwa den Fühler der Fig. 5A. Wie gezeigt, bietet der Torsionsfühler eine vernachlässigbare strömungsbehinderung, teilweise infolge der Rautenschneide und ihrer Ausrichtung mit ihrer größeren Hauptabmessung parallel zur Strömung.
Der Anmelder beobachtet, daß frühere Schuhe zu Rohren hinzugefügt wurden, um anklemmbare Wandler aufzunehmen. In früheren Gebrauchsfällen war es jedoch der Hauptzweck des Schuhes, eine flache Oberfläche für die leichtere Koppelung an einer reproduzierbaren Stelle zu erzeugen. Im vorliegenden Fall wird die Schuhdicke so gewählt, daß sie einen Ausgleich entweder für die Nenn-Rohrdicke unter Verwendung von Werten in Tabelle 1 oder die tatsächliche Rohrdicke auf der Grundlage einer Messung der Rohrwanddicke vor Ort herstellt, die von der aufgelisteten Nenndicke abweichen kann. Ferner haben die vorliegenden Schuhe bevorzugt eine konstante Breite, beispielsweise 0,25 oder 0,50 Zoll breit, über den meisten Teilen ihrer Länge, um unterschiedliche Rohre auf Geometrien umzuwandeln, die zu reproduzierbaren Wellenform- und Wellenausbreitungs-Merkmalen führen.
Unter Benutzung dieses Ausführungsbeispiels wird die Strömung in Rohren unter Benutzung beispielsweise von Längswellen, Scherwellen, Rayleigh-artigen Wellen oder Lamb-Wellen in der Rohrwand untersucht. Für eine Lamb-Welle ist die Phasengeschwindigkeit im allgemeinen eine Funktion des Produkts aus Frequenz und Dicke. Deshalb kann man, indem W + Y gleich konstant herstellt, mit einem Schuh, der aus einem Material gebildet ist, das akustische Eigenschaften nahe denen des Rohres aufweist, eine Lamb- Welle mit vorgegebener Frequenz bei vielen unterschiedlichen Rohren benutzen und doch noch den Vorteil im wesentlichen einer einzigen Phasengeschwindigkeit genießen. Ein weiterer Vorteil dieser Schuhanordnung wird mit Lamb-Wellen oder anderen ebenen Wellen erhalten, beispielsweise Rayleigh-artigen Oberflächenwellen, wie beschrieben im US- Patent 4 735 097 des Anmelders Lynnworth, indem die abrupte Änderung in der Geometrie am Ende des Schuhes dazu neigt, eine im Rohr entstandene Energie zu blockieren oder zu reflektieren, die sonst in den genauen Empfang des in der Flüssigkeit entstandenen Signals eingreifen könnte.
An den außenseitigen Enden des Schuhes sieht ein allmähliches Dünnerwerden der Y-Abmessung hinunter bis auf Null einen unschädlichen Entweichungsweg für Energie vor, die sonst für eine Weile im Schuh eingeschlossen bleiben würde. Für beste Ergebnisse ist der Schuh aus demselben Material wie das Rohr hergestellt, aber vernünftige Ergebnisse sind auch unter Benutzung eines SS304-Schuhs an Rohren aus Kohlenstoffstahl, SS316 oder SS304 erreichbar. Eine ähnliche Leistung wird mit anderen Legierungen ähnlicher Dichte und Schallgeschwindigkeit erwartet. Der Keil kann ein Berührungsteil oder der gesamte Schuh sein, in Abhängigkeit von den gewünschten Grenzbedingungen und anderen Faktoren. Energie wird über die Übergangsflächen von Keil/Schuh und Schuh/Rohr durch feste oder nicht-starre Koppelungsmittel gekoppelt, teilweise abhängig von der speziellen Welle, die in der Rohrwand benutzt wird.
Fig. 12 zeigt ein noch anderes System 270, worin ein Fühler gemäß der Erfindung einen Querschnitt aufweist, der für eine Torsionswellenausbreitung ausgebildet ist, die in hohe Wechselwirkung mit dem umgebenden Strömungsmittel tritt. In diesem System enthält ein großer Behälter oder Tank 272 mit der Höhe K bekannter Geometrie ein Strömungsmittel 274, das sich bis zu einer Luft-Strömungsmittel-Übergangsfläche bei einer Höhe H erstreckt. Eine Torsionswellenführung 278 mit optimiertem Querschnitt (d.h. Rautenquerschnitt) erstreckt sich von einer Zugangsöffnung am Boden des Tanks vertikal nach oben. Eine Erreger-/Fühlerspule 16 an der Unterseite wird durch ein Impulsgeber- /Empfänger-Intervallmeßgerät 17 betätigt.
Die Wellenführung 278 hat einen Mittelabschnitt 280, der sich über mindestens einen Bereich der Höhe erstreckt und den erwarteten Stand der Strömungsmittel-LuftÜbergangsfläche bei normalem Gebrauch mit umspannt. Bevorzugt ist die Wellenführung aus einem einzigen Stück oder Stab aus Material gebildet, wobei der untere Abschnitt, der sich von der Spule 16 aus erstreckt, einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, und der mittlere Abschnitt zu einem gegenüber Dichte empfindlichen Querschnitt ausgebildet ist. Der oberste Abschnitt 283 über dem erwarteten Strömungsmittelstand kann auch einen kreisförmigen Querschnitt haben. Zwischen dem Abschnitt 280 und den unterschiedlich geformten Abschnitten 281, 283 ist ein allmählicher Übergang in der Form vorgesehen, der sich über eine Länge erstrecken kann, die größer ist als eine Torsionswellenlänge, um unerwünschte Reflexionen auf ein Mindestmaß zu verringern.
Ein Signalverlauf 290 stellt die Zuordnung des Übergangsflächenechosignals und des Endechosignals dar. Die Übergangsflächenechozeit t&sub1; liefert ein Maß der Strömungsmitteldichte, während der Intervall t&sub2; - t&sub1; ein Maß für die ungefüllte Höhe K - H des Tankes liefert.
Fig. 13 zeigt ein noch anderes System 300 der vorliegenden Erfindung, das einen Dichtefühler mit optimiertem Querschnitt umfaßt. In diesem Ausführungsbeispiel sind ein erster und zweiter Leitungsabschnitt 302, 304 mit Abstand in Strömungrichtung der Reihe nach vorgesehen, mit einem dazwischenliegenden, verbindenden Abschnitt 303. Der erste Leitungsabschnitt 302 ist eine in gewisser Weise flexible Leitung, die beispielsweise aus einem rostfreien Stahlrohr von 1 mm Wandstärke gebildet ist, wie es in der chemischen Verfahrensindustrie benutzt wird. Der zweite Leitungsabschnitt 304 ist eine hohl-rautenförmige oder andere, gegenüber empfindliche Leitung, wie sie ausführlich oben beschrieben ist. Die dazwischenliegende Leitung 303 kann beliebiger Form sein, und es ist ihre Funktion, das Strömungsmittel zu enthalten, ohne eine eingreifende akustische Koppelung oder Echos einzubringen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel eines Systems wird eine Biegewellenenergie in der ersten Leitung 302 ausgebreitet. Bevorzugt sich in Gegenrichtung ausbreitende Biegewellen werden durch ein Paar Wandler 306a, 306b freigesetzt, die mit bekannter Distanz an den entgegengesetzten Enden der Leitung 302 angeordnet sind. Geeignete Wandlermechanismen und eine gewisse Erörterung der Biegewellen-Strömungsmittel-Wechselwirkungen kann in dem Artikel "Ein Flüssigkeitsstandfühler mit geführter akustischer Welle" von E. Dieulesaint, D. Royer, O. Legras und F. Boubenider, in den Berichten über die IEEE Ultraschall-Zusammenkunft 1987, Herausgeber B.R. McAvoy, Band 1, Seiten 569-572, gefunden werden. Eine starke Wechselwirkung der Strömungsmittelwellenführung wird in dem System der Fig. 13 verwendet, um die Strömungsmittelgeschwindigkeit durch sich in Gegenrichtung ausbreitende Wellen niedriger Ordnung in einer dünnwandigen Leitung 302 zu erfassen. Die Leitung 304 ist ein hohler, rautenförmiger oder anderer, gegenüber empfindlicher Leitungsquerschnitt, der einer Torsionswelle unterzogen wird und von Erreger-/Fühlerstäben 308a, 308b abgefühlt wird. Verarbeitungseinheiten 309, 310 erzeugen Geschwindigkeit- und Dichtemessungen, die von einem Multiplikator 311 multipliziert werden und dann durch einen System-Meßgerätefaktor K korrigiert werden, der eine Korrektur hinsichtlich des Ausmaßes, des Strömungsprofils und der Eichung vornimmt, um eine Massenströmungsausgabe M zu erzeugen. Die verschiedenartigen Einheiten 309, 310, 311 und 312 können mit Verarbeitungsmoduln versehen werden, die mit unterschiedlicher Software betrieben werden, mit einer Verarbeitung/einem Intervallmeßgerät für ein einziges Signal am Eingang, um die geforderten Berechnungen zu bewirken.
Fig. 14 zeigt ein System nach der Erfindung, das als Strömungsmittelfühlerwerkzeug in einem Bohrloch eingerichtet ist. Das Werkzeug 320 wird mechanisch durch herkömmliche Mittel innerhalb eines Bohrloches zentriert, das durch Wände 321 begrenzt ist, so daß das Strömungsmittel einen Ringraum 322 rund um das Werkzeug 320 füllt. Das Werkzeug 320 hat einen Durchmesser von weniger als 43 mm und nimmt ein Paar gegenüber anordenbarer Ultraschallwandler 330a, 330b auf, die, wie detaillierter noch unten erläutert wird, aus dem Werkzeug 320 in definierte Lagen ausschwenken, um eine Ultraschall-Signalmessung unmittelbar durch das Strömungsmittel im Ring 322 hindurch zu bewirken. Zwischen den Wandlern 330a, 330b hat ein Strömungsmittel-Prüfungs-Strömungssegment 323 einen länglichen, nicht-abdeckbaren Schlitz 324, der in Strömungsmittelverbindung mit dem Ringbereich 322 steht und einen Strömungfühler für zwei Profile 326 aufnimmt, um Dichte und Viskosität des Bohrloch-Strömungsmittels zu messen.
Der Fühler 326 mit zwei Elementen ist im wesentlichen ähnlich dem, der in Fig. 4 dargestellt ist, und er ist so angeordnet, daß seine mit Gewinde versehenen und rautenförmigen Fühlerkörperabschnitte 326a, 326b im Schlitz 324 im Werkzeugkörper liegen und hierdurch mit dem Strömungsmittel in Wechselwirkung treten, das längs des Rings 322 hindurchtritt. Bevorzugt ist einer oder sind beide der Fühlerkörperabschnitte asymmetrisch, um bevorzugt mit dem Strömungsmittel an seiner äußeren, dem Ringraum zugewandten Seite in Wechselwirkung zu treten, wie dies in den detaillierten Querschnitten 327a, 327b angezeigt ist. Ferner unterscheiden sich die Längen der beiden Fühlerkörperteile bevorzugt hinlänglich, so daß die Signale, die in ihren jeweiligen Spulen erzeugt werden, gesondert zeitlich getrennt sind. Dies ermöglicht es den Spulen, elektrisch in einer einzigen elektrischen Leitung parallelgeschaltet zu werden, wodurch die erforderliche Anzahl von Drähten verringert wird.
Die V-Fühler 330a, 330b sind ähnlich denen, -die mit 184, 185 in Fig. 6 bezeichnet sind, und zwar dahingehend, daß sie von einem schmalen, magnetostriktiv-betätigten Ende zu einer Wellen abstrahlenden Fläche abgeschrägt sind. Die Fühler 330a, 330b sind durch Federn 333a so federbelastet oder sind motorbetrieben, daß sie, wenn sie erst einmal in der Bohrung unten sind, in den ringförmigen Spalt dadurch entfaltet werden können, daß sie vom Werkzeugkörper um einen Mittelpunkt 334 nach außen schwenken können. Die Fühler haben gekrümmte Enden, die dazu ausgebildet sind, versehentliche Stöße mit den Seiten des Bohrlochs zu überleben. Die Endflächen sind nicht notwendigerweise parallel, wenn sie so ausgefahren sind, aber wenn diese Endflächen klein oder der abgestrahlten Wellenlänge vergleichbar sind, dann wirken sie sehr wie Punktquellen. Dies macht die Ausrichtung unkritisch. Die wirksame radiale Lage des abstrahlenden Endes wird angezeigt durch einen linear variablen Differentialumformer (LVDT) oder einen anderen Lagefühler 335 oder wird durch einen Anschlag 336 gesteuert, der gegen das innere Ende des Wandlers anschlägt. Dies bestimmt eine präzise Wegelänge für die Signale zwischen den Wandlern 330a, 330b im Ring, wobei der feste Schwenkpunkt 334 und eine feste Sondengeometrie vorausgesetzt sind. Dieses System zur Verwendung im Bohrloch verwendet magnetostriktive Betätigungseinrichtungen, um die Meßwellen für alle Fühler/Wandler 330a, 330b, 326a, 326b zu erzeugen und zu messen. Die magnetostrikten Elemente haben eine Curie-Temperatur im Bereich von 900ºC, was den Betrieb in einer Umgebung gestattet, der beträchtlich über dem 300ºC-Bereich herkömmlicher piezoelektrischer Meßeinrichtungen liegt. Das für die Verwendung im Bohrloch eingerichtete System mißt Dichte, Viskosität und Geschwindigkeit. Somit wird in einer speziellen Bohrlochgeometrie, wo der hydraulische Durchmesser D bekannt ist, die Reynoldszahl Re ohne weiteres als Re = VD/η berechnet.

Claims

1. Fühler zum Messen einer physikalischen Eigenschaft eines Strömungsmittels, wobei ein solcher Fühler einen Fühlerkörper aufweist, der mindestens einen ersten Teil mit einer bestimmten Querschnittsform und Länge aufweist, und der genannte Fühlkörper mit mindestens einem Abschnitt der genannten Länge zum Eintauchen in ein Strömungsmittel anbringbar ist, und worin der genannte Fühler zum Ausbreiten einer Torsionswelle betreibbar ist, die mit der Flüssigkeit längs des genannten Abschnitts in Wechselwirkung tritt, um die Ausbreitung der genannten Welle auf eine Weise zu beeinflussen, die funktionell abhängt von einer physikalischen Eigenschaft des genannten Strömungsmittels, worin die genannte Querschnittsform des genannten ersten Teils nicht-elliptisch ist, eine größere und kleinere Achse aufweist und einen Schlankheitsgrad hat, der größer ist als einer, der vom Verhältnis ihrer größeren und kleineren Achse definiert ist, sowie eine Kontur hat, die innerhalb der Kontur einer Ellipse mit identischer größerer Achse und identischem Schlankheitsgrad liegt.

2. Fühler, wie beansprucht in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsform eine rautenartige Form ist.

3. Fühler, wie beansprucht in Anspruch 2, worin die Form eine zweischneidige Klinge ist.

4. Fühler, wie beansprucht in Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Querschnittsform einen Schlankheitsgrad von etwa drei hat.

5. Fühler, wie beansprucht in irgendemem der Ansprüche 1 bis 4, worin der genannte Eintauchabschnitt des Fühlerkörpers den genannten ersten Teil und einen zweiten Teil umfaßt, wobei der zweite Teil eine zweite Querschnittsform hat und die zweite Querschnittsform einen Schlankheitsgrad von eins sowie eine Strömungsmittel-Berührungsfläche hat, die die Ausbreitung von Torsionswellen in stark funktioneller Abhängigkeit von der Viskosität des umgebenden Strömungsmittels beeinflußt.

6. Fühler, wie beansprucht in Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil die Ausbreitung von Torsionswellen in starker funktioneller Abhängigkeit von der Dichte des umgebenden Strömungsmittels beeinflußt.

7. Fühler, wie beansprucht in Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil die genannte Querschnittsform aufweist, um eine starke, funktionelle Abhängigkeit der Torsionswellengeschwindigkeit von der Strömungsmitteldichte sowie eine schwache Funktionsabhängigkeit von der Strömungsmittelviskosität zu erzielen.

8. Fühler, wie beansprucht in Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Form so ist, daß sie Wellenenergie, die durch das Strömungsmittel zum genannten Fühler gerichtet ist, reflektiert.

9. Fühler, wie beansprucht in Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil eine solche Querschnittsform aufweist, daß er eine starke, funktionelle Abhängigkeit der Torsionswellenausbreitung von der Strömungsmittelviskosität und eine schwache, funktionelle Abhängigkeit von der Strömungsmitteldichte erreicht.

10. Fühler nach irgendemem vorangehenden Anspruch, worin der erste Teil des Fühlerkörpers ein polares Trägheitsmoment aufweist, das kleiner ist als die Hälfte des scheinbaren Trägheitsmomentes eines umgebenden Strömungsmittels.

11. Fühler, wie beansprucht in irgendeinem vorangehenden Anspruch, worin der erste Teil des Fühlerkörpers eine Dichte aufweist, die schrittweise oder ständig und monoton als eine Funktion des radialen Abstands von der Fühlerachse des Fühlerkörpers abnimmt.

12. Fühler, wie beansprucht in Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittel-Berührungsfläche des genannten Fühlerkörpers eine Oberfläche mit einer erhöhten Normalkomponente einer Torsionswellenbewegung längs seiner Länge vorsieht.

13. Funler, wie beansprucht in Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte erste Teil im Querschnitt polyederförmig ist.

14. Fühler, wie beansprucht in Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte erste Teil ein rautenförmiger Querschnitt ist.

15. Fühler, wie beansprucht in Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte polyederförmige oder rautenförmige Querschnitt konkave Seiten aufweist.

16. Vorrichtung für die Erfassung von Strömungsmittelparametern, mit einem Fühler nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche,

Wellen-Auslösemitteln zum Erregen einer Torsionswelle im genannten Fühlerkörper zur Ausbreitung längs des Fühlerkörpers,

Erfassungsmitteln zum Erfassen der ausgebreiteten Welle, und

Verarbeitungsmitteln, die auf die genannten Erfassungsmittel für die Bestimmung einer physikalischen Charakteristik des Strömungsmittels ansprechen.

17. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen zweiten Fühler, der vom ersten Fühler getrennt ist und eine Querschnittsform aufweist, die auf die Strömungsmittelviskosität anspricht, und worin die genannten Verarbeitungsmittel Mittel umfassen, die auf den genannten zweiten Fühler ansprechen, um die Strömungsmittelviskosität zu bestimmen.

18. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Abschnitt des genannten Fühlers eine vergrößerte Strömungsmittel-Berührungsfläche aufweist, die größer ist als ein Zylinder desselben Querschnitts.

19. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 16, gekennzeichnet durch Mittel, um Wellenenergie durch das genannte Strömungsmittel zum genannten Fühler zu lenken, sowie Mittel zum Erfassen der Wellenenergie, die vom genannten Fühler reflektiert ist.

20. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein genannter zweiter Teil des genannten Fühlerkörpers einen etwa kreisförmigen Querschnitt aufweist und eine Oberfläche aufweist, die dazu eingerichtet ist, in erster Linie auf Strömungsmittelviskosität anzusprechen.

21. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 20, worin die genannte Oberfläche des genannten zweiten Teils mit einem Gewinde versehen ist.

22. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil des genannten Fühlerkörpers hohl ist.

23. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte hohle Fühlerkörperabschnitt eine Strömungsmittelleitung ist.

24. Vorrichtung, wie beansprucht in irgendeinem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daßder genannte Fühlerkörperabschnitt eine Dichte unter etwa 5 Gramm pro Kubikzentimeter hat.

25. Vorrichtung, wie beansprucht in irgendeinem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß ein genannter Fühlerkörper von den Materialien Titan, oberflächenbehandeltem Aluminium, Graphit und stromlos mit Nickel beschichtetem Graphit eines aufweist.

26. Vorrichtung, wie beansprucht in irgendeinem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper elektrisch leitfähig ist.

27. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte erste und zweite Fühlerkörperteil so miteinander verbunden sind, daß ein gemeinsamer Wandler beide genannten Körperteile erregt.

28. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Fühlerkörper ein leitfähiger, an Masse gelegter Fühler ist und das genannte System eine einzige elektrische Leitung umfaßt, die den genannten Fühler mit dem genannten System verbindet.

29. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 16, gekennzeichnet durch ein elektrisch betätigtes Wandlerelement, das vom genannten Fühler getrennt ist, mindestens ein örtliches bzw. nahegelegenes Filter, das die Abtrennung elektrischer Signale für den genannten Fühler und elektrischer Signale für das genannte Wandlerelemente bewirkt, und einen gemeinsamen Einleitungsdraht zum genannten örtlichen Filter, der die elektrischen Signale für sowohl den genannten Fühler als auch das genannte Wandlerelement trägt.

30. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Fühler eine Vielzahl von fest angebrachten, ringförmigen Wellenführungen mit rautenförinigem Querschnitt aufweist, wobei die genannten Wellenführungen gemeinsam von genannten Wellen-Auslösemitteln betätigt werden.

31. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 32, gekennzeichnet durch Mittel zum Ausbreiten von Wellenergie durch das Strömungsmittel, um von fest angebrachten Reflektoren im genannten Strömungsmittel aus zu reflektieren, um eine Strömungsmittel-Durchquerungszeit zu bestimmen, und worin die genannten Erfassungs- und Verarbeitungsmittel die reflektierte Wellenenergie und ihre Durchquerungszeit erfassen und bestimmen.

32. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in einem in einem Bohrloch einsetzbaren Werkzeug angebracht ist.

33. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 32, gekennzeichnet durch einen Strömungsgeschwindigkeitsfühler mit einer Wellenausbreitungsspitze, die in eine Lage außerhalb des Werkzeugs beweglich ist, um Bohrlochströmungsmittel zu messen, sowie Mittel zum Bestimmen der Reynoldszahl des Bohrlochströmungsmittels.

34. Vorrichtung, wie beansprucht in Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der genannten Fühler von einem magnetostriktiven Element mit einer Curie-Temperatur über 300ºC betätigt wird.

35. Fühler, wie beansprucht in Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Teil Dichte und Viskosität messen und worin die Durchquerungszeiten einer untersuchenden Torsionswelle, die gleichzeitig in den genannten Teilen abgesetzt wird, sich um mehr als die Periode der Untersuchungswelle unterscheiden.

36. Fühler, wie beansprucht in Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Fühler eine einzige elektrische Leitung aufweist, die angeschlossen ist, um ein elektrisches Signal zu empfangen, das repräsentativ ist für die Wellenenergie, die sich sowohl im ersten als auch zweiten Teil in unterschiedlichen Zeitintervallen ausgebreitet hat.

37. Fühler, wie beansprucht in Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte, in einem Bohrloch einsetzbare Werkzeug einen Durchmesser von weniger als etwa 43 Millimetern aufweist.