NL192581C

NL192581C - Inrichting voor de aanrakingsvrije meting van de volume- en/of massastroom van een bewegend medium door middel van kruiscorrelatie.

Info

Publication number: NL192581C
Application number: NL8701875A
Authority: NL
Original assignee: Endress Hauser Gmbh Co
Priority date: 1986-08-11
Filing date: 1987-08-10
Publication date: 1997-10-03
Also published as: NL192581B; GB2194058A; JPS63118619A; JPH063391B2; FR2602587A1; NL8701875A; FR2602587B1; GB2194058B; US4976154A; GB8719011D0; DE3627162C2; DE3627162A1

Description

1 192581 inrichting voor de aanrakingsvrije meting van de volume- en/of massastroom van een bewegend medium door middel van kruiscorrelatie

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor de aanrakingsvrije meting van een bewegingspara-5 meter van een bewegend medium met twee omzettere, waarvan de geometrie en onderlinge plaatsing op grond van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie van de ruimtelijke weegfuncties van hun detectiegebieden zodanig is bepaald dat de gradiënt van deze ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie bij de ruimtelijke verschuiving nul verschillend is van de nulvector, en die elektrische signalen afgeven die door inhomogeniteiten van het bewegende medium afhankelijk van hun ruimtelijke positie overeenkomstig de ruimtelijke weegfuncties van 10 de detectiegebieden van de beide omzetters worden teweeggebracht. Bij deze inrichting hebben de genoemde elektrische signalen door correlatieve verknoping met inachtname van een onderlinge verschuivingstijd volgens één aspect een tijd-kruiscorrelatiefunctie en volgens een ander aspect een kruisvermogendichtheidsspectrum. Een dergelijke inrichting is bekend uit het ’Offenlegungsschrift” DE 3.235.750.

15 Bij bekende meetinrichtingen van deze soort wordt de met het maximum van de tijdmatige correlatiefunctie van de uitgangssignalen van de beide omzetters overeenkomstige verschuivingstijd bepaald die gelijk is aan de looptijd van de inhomogeniteiten van het medium vanaf de eerste naar de tweede omzetter toe. Bij bekende onderlinge afstand van de omzetters kan men uit de looptijd de te meten snelheid afleiden. Door vermenigvuldiging van de snelheidswaarde met een met de momentane volumebelading overeenkom-20 stige signaalwaarde verkrijgt men de meetwaarde voor de volumestroom. Een verdere vermenigvuldiging van de meetwaarde van de volumestroom met de dichtheid van het medium levert de massastroom op. Aan deze meting kleven in vele toepassingsgevallen onzekerheden daar het meetresultaat afhankelijk is van het stromingsprofiel en omdat het maximum van de kruiscorrelatiefunctie vaak minder duidelijk geprononceerd is zodat de plaats van het maximum niet nauwkeurig kan worden bepaald. Bij andere aanrakingsvrije 25 metingen met de bekende inrichting kan de stromingsrichting niet duidelijk worden onderscheiden en leveren zij bij de snelheid nul en bij zeer kleine snelheden geen verwerkbare aanduidingen. Tenslotte is ook de bepaling van de volume- of massastroom uit de snelheid met behulp van een extra informatie omtrent de volumebelading omslachtig en een verdere oorzaak voor meetfouten.

Het zou op zich mogelijk zijn dat in de praktijk meetinrichtingen worden toegepast waarin de detectie-30 gebieden van de twee omzetters elkaar zodanig overlappen dat de gradiënt van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie van de ruimtelijke weegfuncties van deze detectiegebieden van de beide omzetters bij de ruimtelijke verschuiving nul verschillend is van de waarde nul. Ook bij deze eventueel toevallig zodanig uitgevoerde inrichtingen wordt echter slechts een meetwaarde voor de snelheid verkregen en voor de bepaling van de meetwaarde van de volumestroom moet de snelheidswaarde dan nog met de met de 35 momentane volumebelading overeenkomstige signaalwaarde worden vermenigvuldigd die op andere afzonderlijke wijze moet worden bepaald.

Het is een doelstelling van de uitvinding een meetinrichting van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen die rechtstreeks de meetwaarde van de volumestroom van de de volumebelading vormende inhomogeniteiten van het bewegende medium bepaalt, die verder bij alle snelheden een van het stromings-40 profiel onafhankelijk nauwkeurig meetresultaat levert en waarvan het meetbereik ook de snelheid nul, zeer kleine snelheden en de omkering van de bewegingsrichting insluit.

Volgens de uitvinding wordt dit bij een inrichting van de in de aanhef genoemde soort volgens het ene aspect aldus bereikt dat middelen zijn aangebracht voor het bepalen van de waarde van de volumestroom van het bewegende medium uit de helling van de genoemde tijd-kruiscorrelatiefunctie van de beide signalen 45 bij de tijd-verschuiving nul.

Volgens de uitvinding wordt dit bij een inrichting van de in de aanhef genoemde soort volgens het andere aspect aldus bereikt dat middelen zijn aangebracht voor het bepalen van de waarde van de volumestroom van het bewegende medium uit het eerste moment van het genoemde kruisvermogendichtheidsspectrum van de beide signalen.

50 De uitvinding berust op het inzicht dat onder bepaalde veronderstellingen de stijging of helling van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de tijd-verschuiving nul een maat vormt voor de volumestroom van het bewegende medium. Daar deze meetwaarde bij de tijd-verschuiving nul wordt bepaald is hij afkomstig van inhomogeniteiten die zich op dezelfde plaats bevinden. Daardoor worden wezenlijke oorzaken voor onnauwkeurigheden bij de meting ondervangen. Verder is de aanrakingsvrije correlatieve meting van de 55 volumestroom ook in gevallen mogelijk, waarin de op de bepaling van de positie van het maximum van de kruiscorrelatiefunctie berustende snelheidsmeting niet voldoet. In het bijzonder is het mogelijk om aanloop-trajecten weg te laten en bijvoorbeeld een meetplaats direct achter een bochtstuk aan te brengen. Het 192581 2 meetgebied is in principe niet beperkt en sluit in het bijzonder zeer langzame bewegingen, stilstand en de omkeer van de bewegingsinrichting in.

Een vereiste voor de toepassing van dit meetprincipe is dat omzettere toegepast worden, die een paar signalen opwekken, waarbij een niet in het niet verzinkende gradiënt in statistische afhankelijkheid van de 5 beide in de tijd niet verschoven signalen bestaat. Aan deze voorwaarde wordt voldaan wanneer de detectie-of omvattingsgebieden van de beide omzettere elkaar zodanig gedeeltelijk overlappen dat de gradiënt van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie van de ruimtelijke weegfuncties bij de ruimtelijke verschuiving nul verschillend is van de nulvector. Bij deze definitie gaat het om een onveranderlijke, door de uitvoering van de omzettere bepaalde geometrische eigenschap, die voor elk omzetterpaar kenmerkend is. Verder moeten 10 de omzettere van zodanige aard zijn dat het signaalvermogen van de door hen geleverde signalen afhangt van de volumebelading. Dit is echter in de praktijk bij alle omzettere het geval, waarmee aan de eerst aangegeven voorwaarde voor het verschaffen van de gedeeltelijk overlappende detectiegebieden kan worden voldaan.

De stijging of helling van de tijd-kruiscorrelatiefunctie van twee signalen bij de tijd-verschuiving nul is 15 mathematisch equivalent aan het eerste moment van het kruisvermogendichtheidsspectrum van deze signalen. Het maakt daarom geen verschil of men de ene of de andere waarde berekent.

De uitvinding zal aan de hand van voordelige uitvoeringen en uitvoeringsvoorbeelden nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin: 20 Figuur 1 een schematische weergave van een meetinrichting van bekend type toont voor de aanrakings-vrije correlatieve meting van de volume- of massastroom in een buisleiding;

Figuur 2 diagrammen van ruimtelijke functies toont die voor de opbouw van de meetinrichting van figuur 1 kenmerkend zijn;

Figuur 3 diagrammen van tijd-functies toont die voor de werking van de meetinrichting van figuur 1 25 kenmerkend zijn;

Figuur 4 een het principe van de uitvinding realiserende en gewijzigde uitvoeringsvorm van de meetinrichting van figuur 1 toont;

Figuur 5 de met figuur 2 overeenkomende diagrammen van ruimtelijke functies voor de meetinrichting van figuur 4 toont; 30 Figuur 6 de met figuur 3 overeenkomstige diagrammen van tijd-functies voor de meetinrichting van figuur 4 toont;

Figuur 7 meerdere met dezelfde meetinrichting volgens de uitvinding voor verschillende snelheden bij constante volumebelading opgenomen tijd-kruiscorrelatiefuncties toont;

Figuur 8 meerdere met dezelfde meetinrichting volgens de uitvinding voor verschillende volumebeladin-35 gen bij constante snelheid opgenomen tijd-kruiscorrelatiefuncties toont;

Figuur 9 een optische meetinrichting volgens de uitvinding toont;

Figuur 10 een zijaanzicht van de optische meetinrichting van figuur 9 toont;

Figuur 11 een capacitieve meetinrichting volgens de uitvinding toont;

Figuur 12 een optische meetinrichting volgens de uitvinding met een fotodiode-array toont; en 40 Figuur 13 een analoge-signaalverwerkingsschakeling voor het verkrijgen van de meetwaarde bij een meetinrichting volgens de uitvinding toont.

Figuur 1 toont voor een beter begrip een gebruikelijke op het principe van de correlatieve aanrakingsvrije snelheidsmeting berustende meetinrichting voor de meting van de volume- of massastroom van een 45 medium, dat zich met de snelheid v door een buisleiding 1 in de richting van de as z van de buisleiding beweegt. Op de buisleiding 1 zijn op een nauwkeurig bekende onderlinge afstand D twee omzettere W, en W2 aangebracht, die elektrische signalen St (t) resp. S2(t) leveren, die door inhomogeniteiten van het bewegende medium worden beïnvloed. Al naar het type en aard van het bewegende medium kunnen de nuttige inhomogeniteiten van zeer verschillende aard zijn, maar hun inwerking berust uiteindelijk altijd hierop 50 dat zij of een akoestisch of een elektromagnetisch veld beïnvloeden of opwekken. Voor de met elektromagnetische velden werkende werkwijzen kan het totale spectrum van het elektrostatische veld over het hoogfrequente- en microgolfbereik en het optische bereik tot aan de gammastraling worden benut. Bij akoestische velden loopt het nuttige frequentiebereik van enkele kilohertz in gassen tot aan 10 MHz of meer bij vloeibare draagmedia.

55 Gewoonlijk bestaat elke omzetter uit een zender, die het door de inhomogeniteiten van het medium te beïnvloeden veld opwekt, en uit een ontvanger die op het door inhomogeniteiten beïnvloede veld aanspreekt en een de veranderingen in de tijd van het veld weergevend elektrisch signaal afgeeft. Zo bestaat in 3 192581 figuur 1 de omzetter W1 uit een zender T, en een ontvanger R1f en bestaat de omzetter W2 uit een zender T2 en een ontvanger R2. De uitvoering van de zenders en ontvangers, al naar de aard van het benutte veld, is aan de vakman bekend. Zo kan bij toepassing van een in het optische bereik liggend elektrisch veld elke zender een lichtbron en elke ontvanger een fotodetector zijn. Bij toepassing van een in het ultrasone bereik 5 liggend akoestisch veld is elke zender een ultrasone opwekker en elke ontvanger een ultrasone detector. Capacitieve sensoren vormen tegelijk de zender en de ontvanger voor elektrostatische velden, enz.

Wanneer de inhomogeniteiten actief zijn en zelf een nuttig veld opwekken, kunnen de zenders weggelaten worden zodat elke omzetter slechts uit een ontvanger bestaat. Dit is bijvoorbeeld het geval wanneer de inhomogeniteiten door radioactieve deeltjes zijn gevormd, waarvan de straling door de ontvangers van de 10 omzetters wordt opgevangen en in een elektrisch signaal wordt omgezet.

Elke inhomogeniteit van het bewegende medium is volgens een vooraf bepaalde ruimtelijke weegfunctie opgenomen in het uitgangssignaal van een omzetter wanneer deze zich in het detectiegebied daarvan bevindt. Bij het toepassingsgeval van figuur 1 is het detectiegebied van de omzetter W1 een meetvolume, dat in de richting van de z-as de lengte L, en loodrecht op de z-as de doorsnede van de buisleiding 1 of 15 een door de omzetter omvat deel van deze doorsnede heeft. Op dezelfde manier is het detectiegebied van de omzetter W2 een meetvolume met de lengte L2 en een overeenkomstige doorsnede. Daar men in het algemeen erin is geïnteresseerd de over de buisdoorsnede gemiddelde snelheid te detecteren of te omvatten, zal men de omzetters zo mogelijk zodanig uitvoeren dat deze een gelijkmatige weegbewerking van de buisdoorsnede realiseren.

20 Het diagram A van figuur 2 toont in een geïdealiseerde weergave als functie van de coördinaat z de ruimtelijke weegfunctie g^z) van de omzetter W1t d.w.z. de uitwerking van een puntvormige inhomogeniteit op het uitgangssignaal van de omzetter W1 in afhankelijkheid van zijn ruimtelijke positie langs de z-as. Wanneer de puntvormige inhomogeniteit zich buiten het detectiegebied van de omzetter W, bevindt, wordt hij niet in het uitgangssignaal S^t) opgenomen en heeft de ruimtelijke weegfunctie gt(z) de waarde 0.

25 Wanneer de puntvormige inhomogeniteit zich in het detectiegebied van de omzetter W·, bevindt, dan wordt hij daarentegen met een vooraf bepaalde van nul verschillende waarde in het uitgangssignaal S^t) opgenomen zodat de ruimtelijke weegfunctie g,(z) voor het totale detectiegebied een van nul verschillende waarde aanneemt.

Op overeenkomstige manier toont het diagram B van figuur 2 de ruimtelijke weegfunctie g2(z) van de 30 omzetter W2. Wanneer de beide omzetters W, en W2 op gelijke wijze zijn uitgevoerd, heeft de ruimtelijke weegfunctie g2(z) dezelfde krommevorm als de ruimtelijke weegfunctie g., (z) maar verschilt hij hiervan door zijn andere plaats ten opzichte van de abscis-as z. Overeenkomstig de aanbrenging van de omzetters in figuur 1 zijn de ruimtelijke weegfuncties g,(z) en g2(z) onderling over de waarde D verschoven en tussen hen bestaat een interval van de waarde E.

35 Het diagram C van figuur 2 toont de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie 012(u) van de ruimtelijke weegfuncties g, (z) en g2(z). De ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie heeft de mathematische formule: fï 0i2(u)=ƒ g2 (z) Qi (z+u) dz (1) —cc 40

Deze geeft aan dat de waarden van de weegfunctie g2(z) met de over een ruimtelijke verschuiving u verschoven waarden van de ruimtelijke weegfunctie g1 (z) worden vermenigvuldigd en de gemiddelde waarde van de producten over het verwerkte bereik Z wordt gevormd. Voor elke waarde van de ruimtelijke verschuiving u verkrijgt men een steunwaarde van de ruimtelijke correlatiefunctie. De ruimtelijke verschui-45 ving z = 0 komt overeen met de in de diagrammen A en B aangegeven uitgangsplaats van de ruimtelijke weegfuncties, dus de ruimtelijke plaats van de omzetters W, en W2 van figuur 1, en toenemende waarden van u komen met een vermindering van de onderlinge verschuiving van de met elkaar gecorreleerde waarden van de beide ruimtelijke weegfuncties overeen. Voor u = 0 heeft de kruiscorrelatiefunctie de waarde nul, daar altijd ten minste een van de beide met elkaar vermenigvuldigde waarden van elk 50 waardenpaar gelijk is aan nul. Bij u = E begint de onderlinge overlapping van de van nul verschillende secties van de beide weegfuncties, en de kruiscorrelatiefunctie neemt toe. Voor u = D zijn de beide weegfuncties gt(z) en g2(z) congruent, en bereikt de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie zijn maximum.

Zowel de ruimtelijke weegfuncties g,(z), g2(z) alsook hun kruiscorrelatiefunctie 012(u) zijn onveranderlijke kengrootheden van de omzetters W, en W2, die door de geometrie van de omzetters bepaald zijn en dus 55 geschikt zijn voor hun karakterisering.

De diagrammen A en B van figuur 3 tonen het verloop in de tijd van de uitgangssignalen S, (t) en S2(t) van de omzetters W„ W2. De schommelingen van deze signalen zijn afkomstig van de door de detectie- 192581 4 gebieden van de omzettere gaande inhomogeniteiten van het bewegende medium. Onder de veronderstelling, dat deze inhomogeniteiten op de weg van de eerste naar de tweede omzetter ten minste voor een deel blijven bestaan, hebben de door hen veroorzaakte schommelingen van de uitgangssignalen van de beide omzettere bepaalde overeenkomstigheden gemeen, die ten opzichte van elkaar over een tijdspanne zijn 5 verschoven welke gelijk is aan de looptijd van de inhomogeniteit van de eerste naar de tweede omzetter. Dit feit wordt benut voor de meting van de snelheid door correlatieve verknoping van de beide signalen.

Het diagram C van figuur 3 toont de tijd-kruiscorrelatiefunctie R12(t) van de beide signalen S1 (t) en S2(t). De tijd-kruiscorrelatiefunctie heeft de mathematische formule:

T

10 R12(t) = lim 1 ƒ S2(t) S^t+τ) dt (2)

O

Deze formule geeft aan dat de ogenblikswaarden van het signaal S2(t) met de over een verschuiftijd τ verschoven ogenblikswaarden van het signaal S,(t) worden vermenigvuldigd en dat de gemiddelde waarde 15 van de producten over het bereik van de waarnemingstijd T wordt gevormd. Voor elke waarde van τ verkrijgt men een steunwaarde van de tijdkruiscorrelatiefunctie. Bij het beschouwde toepassingsgeval heeft de kruiscorrelatiefunctie een maximum bij een bepaalde verschuivingstijd tm, die gelijk is aan de looptijd van de inhomogeniteiten van het medium van de omzetter W, naar de omzetter W2, wanneer dus geldt: 20 JfA ~ v ^

Bij een bekende afstand D kan men uit de verschuivingstijd tm direct de snelheid v van de inhomogeniteiten berekenen, die in het normale geval gelijk is aan de snelheid van het medium.

Ter bepaling van de kruiscorrelatiefunctie worden de signalen S,(t) en S2(t) na de vereiste voorbehande-25 ling in een signaalverwerkingsschakeling 2 aan een correlator 4 toegevoerd. Een met de correlator 4 verbonden verwerkingsschakeling 5 onderzoekt de kruiscorrelatiefunctie op een maximum en bepaalt de met de looptijd overeenkomstige verschuivingstijd xm, waaruit de snelheid v kan worden berekend. Bij voorkeur neemt een geschikt geprogrammeerde microcomputer de functies van de correlator 4 en de verwerkingsschakeling 5 over. In dit geval bevat de signaalverwerkingsschakeling 2 een analoog-digitaal 30 omzetter, die de analoge uitgangssignalen S,(t) en S2(t) in digitale signalen omzet die geschikt zijn voor de verwerking in de microcomputer.

Wanneer alleen de snelheid v moet worden gemeten, kan de verwerkingsschakeling 5 reeds op grond van de correlatie van de signalen S^t) en S2(t) de meetwaarde van de snelheid aanduiden. Wanneer daarentegen de volumestroom van het door de buisleiding 1 vloeiende medium moet worden gemeten, 35 heeft de verwerkingsschakeling 5 aanvullend aan de snelheidsinformatie nog een informatie over de volumebelading (volumedichtheid) Vre, nodig, d.w.z. over het relatieve aandeel van het volume VM van het getransporteerde medium aan het transportvolume VT: V , = ¥ü rel VT (4) 40

Wanneer de volumebelading Vrel bekend is volgt de volumestroom V, d.w.z. het per tijdeenheid getransporteerde volume van het bewegende medium, uit de volgende betrekking: V = ^ = VreI AT · v (5) 45 Hierin is AT het dwarsdoorsnedevlak van de buisleiding.

De massastroom rh van het bewegende medium, d.w.z. de per tijdeenheid getransporteerde medium-massa, is dan gelijk aan het product van de volumestroom V en de dichtheid p van het getransporteerde medium: 50 m = ΈΓ= V'p <6>

Ter bepaling van de volumebelading is bij de meetinrichting van figuur 1 op de buisleiding 1 een derde omzetter W3 aangebracht, die een signaal S3(t) levert dat afhankelijk is van de volumebelading. De 55 verwerkingsschakeling 5 kan dan uit de bepaalde snelheid v en uit de in het signaal S3(t) aanwezige informatie over de volumebelading Vrel overeenkomstig de boven aangegeven vergelijkingen (5) en (6) de volumestroom V en/of de massastroom rh berekenen en de gezochte meetwaarde leveren. Wanneer de 5 192581 omzetters W, en W2 van zodanige aard zijn dat hun uitgangssignalen afhangen van de volumebelading, kan de omzetter W3 weggelaten worden en kan in plaats daarvan het uitgangssignaal van een van de omzetters Wn, W2 aan de verwerkingsschakeling 5 worden toegevoerd.

Figuur 4 toont in een met figuur 1 overeenkomstige schematische weergave een correlatieve meet-5 inrichting, die het aan de uitvinding ten grondslag liggende principe belichaamt. Voor de met de inrichting van figuur 1 overeenkomende bestanddelen en afmetingen zijn dezelfde verwijzingen als daar toegepast. Een wezenlijk verschil ten opzichte van de inrichting van figuur 1 bestaat hierin, dat de detectiegebieden van de beide omzetters W., en W2 elkaar voor een deel overlappen. Dit moet door een overeenkomstige uitvoering van de omzetters worden bereikt, hetgeen bij de schematische weergave van figuur 4 hierdoor is 10 aangeduid dat ook de zenders T1P T2 en de ontvangers R1( R2 van de beide omzetters elkaar onderling gedeeltelijk overlappen. Verder mankeert bij de meetinrichting van figuur 4 de omzetter W3 resp. de overeenkomstige verbinding van een van de omzetters W1t W2 met de verwerkingsschakeling.

De gedeeltelijke overlapping van de detectiegebieden van de omzetters W1t W2 heeft tot gevolg dat ook de in de diagrammen A en B van figuur 5 weergegeven ruimtelijke weegfuncties g1 (z) en g2(z) elkaar met 15 een waarde F gedeeltelijk overlappen. Dientengevolge heeft de in het diagram C van figuur 5 weergegeven ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie 012(u) bij de ruimtelijke verschuiving u = 0 een van nul verschillende waarde en een gradiënt, die verschillend is van de nulvector. De ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie neemt de waarde nul pas bij een negatieve ruimtelijke verschuiving u = -F aan, en deze bereikt zijn maximum bij de positieve ruimtelijke verschuiving u = D.

20 De diagrammen A en B van figuur 6 tonen opnieuw het verloop in de tijd van de signalen St (t) en S2(t), die van de omzetters W, resp. W2 van figuur 4 worden afgegeven. Deze signalen hebben in principe dezelfde eigenschappen als die van de in figuur 3 weergegeven signalen S, (t), S2(t) van de meetinrichting van figuur 1.

Daarentegen onderscheidt de in het diagram C van figuur 6 weergegeven tijd-kruiscorrelatiefunctie R12(x) 25 van de signalen S^t) en S2(t) zich van die van het diagram C van figuur 3 hierdoor, dat hij bij de verschuivingstijd x = 0 een van nul verschillende waarde en een van nul verschillende toename of stijging heeft, die door de hoek α tussen de raaklijn aan de tijd-kruiscorrelatiefunctie in het snijpunt met de in het punt x = 0 opgerichte coördinaten-as en de horizontaal is gerepresenteerd.

Het maximum van de tijd-kruiscorrelatiefunctie ligt opnieuw bij de verschuivingstijd xm = D/v en kan, zoals 30 bij de inrichting van figuur 1, voor de meting van de snelheid van het bewegende medium worden bepaald, waaruit dan met behulp van een extra informatie over de volumebelading de meetwaarde van de volume-stroom en/of van de massastroom kan worden afgeleid. Het bijzondere van de meetinrichting van figuur 3 bestaat echter hierin dat de meetwaarde van de volumestroom resp. de massastroom rechtstreeks uit de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd x = 0 wordt afgeleid.

35 Deze maatregel berust op het inzicht dat een eenduidige mathematisch definieerbare samenhang tussen de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd x = 0 en de momentane volumestroom resp. massastroom van het medium bestaat. Figuur 7 toont de met dezelfde meetinrichting voor verschillende snelheden v1t v2, v3 van het medium bij constante volumebelading bepaalde tijd-kruiscorrelatie-functies. Zoals kan worden onderscheiden snijden alle kruiscorrelatiefuncties de door x = 0 gaande 40 ordinaat-as in hetzelfde punt, echter met verschillende toenames of stijgingen. Hierbij is de stijging des te groter, des te groter de snelheid is. Ter toelichting of veraanschouwelijking kan men zeggen dat bij veranderingen van de snelheid de kruiscorrelatiefunctie als een trekharmonikabalg uitzet en intrekt. Daar volgens vergelijking (5) de volumestroom V bij constante volumebelading Vre, evenredig is met de snelheid v, is in het diagram van figuur 7 de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de tijd-verschuiving nul een 45 maat voor de volumestroom en - bij bekende dichtheid p van het medium - overeenkomstig vergelijking (6) ook een maat voor de massastroom.

Op overeenkomstige manier toont figuur 8 de met dezelfde meetinrichting voor verschillende volumebela-dingen bij constante snelheid bepaalde tijd-kruiscorrelatiefuncties. In dit geval liggen de maxima van alle kruiscorrelatiefuncties bij dezelfde verschuivingstijd x, die overeenkomt met de constante snelheid, echter 50 vormt zich een met de volumebelading evenredige vergroting van de waarden van de kruiscorrelatiefunctie. Dientengevolge snijden alle kruiscorrelatiefuncties de door x = 0 gaande ordinaat-as opnieuw met verschillende stijgingen, deze keer echter niet in hetzelfde punt. Hierbij is de stijging des te groter, des te groter de volumebelading is. Daar overeenkomstig vergelijking (5) de volumestroom V bij constante snelheid v evenredig is met de volumebelading Vre(, is ook in dit geval de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de 55 tijd-verschuiving nul een maat voor de volumestroom en voor de massastroom.

Dezelfde samenhang tussen de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd x = 0 en de volumestroom resp. de massastroom bestaat ook dan wanneer de snelheid en de volumebelading 192581 6 gelijktijdig veranderen. In elk geval kan de meetwaarde van de volumestroom en/of van de massastroom rechtstreeks uit de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de tijd-verschuiving nul worden afgeleid.

De mathematische samenhang tussen de massastroom ni en de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de tijd-verschuiving nul wordt door de volgende vergelijking gegeven: 5 m = -fr(0) · R12 (0) · K (7) dü012^0

Hierin zijn: 10 012(O) : de waarde van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie bij de ruimtelijke verschuiving u = 0; 012|u=o : de gradiënt van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie bij de ruimtelijke verschuiving u = 0; R 12(0) : de gradiënt van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd τ = 0; K : kalibratiefactor (houdt rekening met de dichtheid van het medium).

15 De eerste factor aan de rechterzijde van de vergelijking (7) is een eenmalig te bepalen geometrieterm, die zoals aan de hand van figuur 4 en figuur 5 wordt toegelicht, volgt uit de opbouw en de aanbrenging van de omzetters. De tweede factor drukt de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de tijd-verschuiving nul uit. De kalibratiefactor K is een eenmalig te bepalen, van de dichtheid van het getransporteerde medium afhankelijke factor.

20 De vergelijking (7) geldt ook voor de bepaling van de volumestroom, echter met het verschil dat de kalibratiefactor K dan niet afhankelijk is van de dichtheid van het medium.

Zoals uit de vergelijking (7) blijkt, zijn er voor de bepaling van de massastroom en/of van de volumestroom geen van de volumebelading afhankelijke extra informaties nodig wanneer de meetwaarde rechtstreeks uit de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de tijd-verschuiving nul en niet, zoals bij de 25 meetinrichting van figuur 1, uit de eerst gemeten snelheid wordt afgeleid. Dit berust hierop dat in de berekening automatisch de beladingsinformatie wordt mede betrokken, die in de signalen S1 (t) en S2(t) aanwezig is, die door de omzetters W1 resp. W2 van de meetinrichting van figuur 4 worden geleverd.

Een verdere voorwaarde voor de aangegeven wijze van werking bestaat hierin dat het signaal vermogen, dus de amplitude-informatie, bij de signaalverwerking en bij de correlatie niet mag verloren gaan. De 30 correlatie in de correlator 4 moet dus niet met ’’gekapte” signalen of zuivere voortekensignalen worden uitgevoerd. Bij een zuiver analoge signaalverwerking wordt aan deze voorwaarde gewoonlijk voldaan. Bij digitale signaalverwerking moet de amplitude-informatie met toereikende oplossing (aantal bitplaatsen) in de digitale codewoorden worden omgezet.

Uit de vergelijking (7) blijkt dat de gradiënt van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie niet in het niet mag 35 verzinken daar hij in de noemer staat. Aan deze voorwaarde wordt slechts dan voldaan wanneer de detectiegebieden van de omzetters op de aan de hand van figuren 4 en 5 toegelichte manier elkaar overlappen.

Ter bepaling van de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie kunnen bij de meetinrichting van figuur 4 de uitgangssignalen S, (t) en S2(t) opnieuw na voorbehandeling in een signaalverwerkingsschakeling 2 aan een 40 correlator 4 worden toegevoerd, die de tijd-kruiscorrelatiefunctie berekent. Aan de correlator 4 is echter nu een verwerkingsschakeling 6 toegevoegd, die de stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd τ = 0 bepaalt en hieruit de volumestroom resp. de massastroom van het medium afleidt.

De correlator 4 en de verwerkingsschakeling 6 kunnen natuurlijk ook in dit geval door een geschikt geprogrammeerde microcomputer zijn gevormd.

45 Er zijn talrijke mogelijkheden om de omzetters zodanig uit te voeren dat hun detectiegebieden elkaar overlappen. De figuren 9 en 10 tonen als voorbeeld een optische meetinrichting voor de meting van de stromingssnelheid van een door een plexiglasbuis 10 stromend medium. De omzetter \N, bevat als zender een lichtbron 11 en als ontvanger een fotodiode 12. De omzetter W2 bevat als zender een lichtbron 13 en als ontvanger een fotodiode 14. Elke omzetter is zodanig uitgevoerd dat met inachtname van de lens-50 werking van de plexiglasbuis 10 een in ruime mate homogene weegbewerking van de buisdoorsnede wordt bereikt. De optische assen van de beide omzetters kruisen elkaar rechthoekig. Zoals figuur 10 aangeeft zijn de lichtbronnen 11, 13 en de fotodioden 12, 14 van de beide omzetters langs de buisas z wat ten opzichte van elkaar verschoven zodat de detectiegebieden van de beide omzetters elkaar voor de helft overlappen. Ter verduidelijking is de uitstrekking van de lichtbronnen 11, 13 en van de fotodioden 12, 14 in de richting 55 van de buisas z in figuur 10 overdreven groot weergegeven. De overlapping van de detectiegebieden wordt in dit geval door de gekruiste aanbrenging van de omzetters mogelijk gemaakt.

Figuur 9 toont ook de uitvoering van de beide signaalverwerkingsschakelingen, waaraan de uitgangs- 7 192581 signalen S-,(t) en S2(t) van de omzetter W, en W2 worden toegevoerd. In elke signaalverwerkingsschakeling wordt het uitgangssignaal van de bijbehorende omzetter eerst in een voorversterker 15 versterkt en dan in een hoogdoorlaatfilter 16 gefilterd, waardoor de middenwaarde van het signaal wordt onderdrukt. Na een vernieuwde versterking in een versterker 17 wordt elk signaal aan een analoog-digitaalomzetter 18 5 toegevoerd, die het middenwaardevrije analoge signaal in een voor de verwerking in de microcomputer geschikt digitaalsignaal omzet. Op de analoog-digitaalomzetter 18 sluit een microcomputer 19 aan, die de functies van de correlator 4 en van de verwerkingsschakeling 6 van figuur 4 uitoefent.

Een andere mogelijkheid voor de realisering van elkaar gedeeltelijk overlappende detectiegebieden bestaat hierin dat elke omzetter uit meerdere omzetterelementen bestaat, die tussen de omzetterelementen 10 van de andere omzetter zijn gevoegd. Figuur 11 toont als voorbeeld hiervoor een meetinrichting met capacitieve omzetters voor de meting van de volumestroom en/of massastroom van een door een buis 20 stromend medium. De omzetter W, bestaat uit vijf omzetterelementen 21, 22, 23, 24, 25, waarvan elk element op de gebruikelijke manier door twee aan de omtrek van de buis 20 ten opzichte van elkaar diametraal tegenovergestelde elektroden is gevormd. De omzetterelementen 21, 22, 23, 24, 25 zijn langs de 15 buisas op onderlinge afstanden aangebracht zodat er tussen hen intervallen bestaan. De omzetter W2 bestaat op dezelfde manier uit vijf omzetterelementen 31, 32, 33, 34, 35, die langs de buisas op onderlinge afstanden zijn aangebracht zodat er tussen hen intervallen bestaan. De omzetterelementen 31 en 32 van de omzetter W2 liggen in de intervallen tussen de omzetterelementen 23 en 24 resp. 24 en 25 van de omzetter W,, waardoor de gewenste overlapping van de detectiegebieden van de beide omzetters W1 en W2 wordt 20 bereikt.

In plaats van elke van de beide omzetters met eigen omzetterelementen uit te voeren, is het ook mogelijk om de uitgangssignalen van dezelfde omzetterelementen op verschillende manieren samen te vatten teneinde de overlappende detectiegebieden van twee omzetters te realiseren. Figuur 12 toont een meetinrichting met een array van fotodioden 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, die langs de bewegingsrichting z 25 van het bewegende medium zijn aangebracht en het licht van een gemeenschappelijke lichtbron 40 ontvangen. Elke fotodiode vormt in verbinding met de lichtbron een omzetterelement en geeft een door de inhomogeniteiten van het bewegende medium beïnvloed elektrisch uitgangssignaal S41, S42, ... S48 af. De uitgangen van de fotodioden zijn verbonden met de ingangen van twee sommeerschakelingen 51 en 52, die de uitgangssignalen van de fotodioden ter vorming van de beide te correleren signalen S,(t) en S2(t) met 30 verschillende voortekenbewerking samenvatten. Bijvoorbeeld kunnen de signalen S-,(t) en S2(t) op de volgende manier zijn gevormd:

Si (t) = + s41 + S42 — S43 — S44 + S45 + S46 — S47 — S48 ^2(1) = — s41 + S42 + S43 — S44 — S45 + S46 + S47 — s48 35 Deze realisering van de elkaar overlappende detectiegebieden geeft het voordeel dat de signalen S.,(t) en S2(t) middenwaardevrij zijn, zodat de noodzaak van een hoogdoorlaatfiltering kan vervallen. Verder wordt de uitwerking van concentratieschommelingen op het meetresultaat onderdrukt. Dezelfde maatregel kan in plaats van met fotodioden natuurlijk eveneens met akoestische, capacitieve of andere omzetterelementen worden uitgevoerd.

40 In plaats van de signaalverknoping simultaan met twee sommeerschakelingen uit te voeren kan deze verknoping ook in tijdmultiplex met dezelfde sommeerschakeling gebeuren.

De met de inrichtingen van figuur 11 of figuur 12 verkregen signalen S1 (t) en S2(t) kunnen dan op de eerst toegelichte manier verder verwerkt worden teneinde de tijd-kruiscorrelatiefunctie te vormen, de stijging daarvan bij de verschuivingstijd τ = 0 te bepalen, en hieruit de meetwaarde van de volumestroom en/of de 45 massastroom af te leiden.

In plaats van deze operaties in een microcomputer uit te voeren is het ook mogelijk om het resultaat door rechtstreekse verwerking van de elektrische signalen in een hardware-schakeling te verkrijgen.

Figuur 13 toont een hiervoor geschikte analoge-signaalverwerkingsschakeling 60 met twee ingangen 61 en 62, waaraan de uitgangssignalen S^t) resp. S2(t) van een van de hiervoor beschreven omzetterstelsels 50 worden toegevoerd. Het aan de ingang 61 toegevoerde analoge signaal S, (t) wordt in een differentieerscha-keling 63 naar de tijd gedifferentieerd. De uitgang van de differentieerschakeling 63 is verbonden met de ene ingang van een vermenigvuldigerschakeling 64, die aan de andere ingang het signaal S2(t) ontvangt.

Het uitgangssignaal van de vermeningvuldigerschakeling 64 wordt via een laagdoorlaatfilter 65 aan een aanwijsapparaat 69 toegevoerd.

55 De vermenigvuldiging van de signalen in de vermenigvuldigerschakeling 64 komt overeen met de vorming van de kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd t = 0, waarbij het resultaat als gevolg van de eerder uitgevoerde differentiatie van het signaal S, (t) direct met de stijging van de kruiscorrelatiefunctie

Claims

192581 8 overeenkomt. Het uitgangssignaal van het integrerende laagdoorlaatfilter 65 stelt dus de stijging van de kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd τ = 0 voor en kan in het aanwijsapparaat 69 direct voor het aangeven van de te meten volumestroom resp. massastroom dienen, wanneer het aanwijsapparaat 69 met inachtname van de overeenkomstige kalibratiefactor K is geijkt. 5 De stijging van de genormeerde kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd τ = O is aan het eerste moment van het kruisvermogendichtheidsspectrum van de signalen S,(t) en S2(t) mathematisch equivalent. Het is daarom ook mogelijk om de microcomputer zodanig te programmeren respectievelijk de in zijn plaats toegepaste hardware-schakeling zodanig uit te voeren, dat een resultaat wordt verkregen dat met het eerste moment van het kruisvermogendichtheidsspectrum overeenkomt. Uit deze waarde kan dan de meetwaarde 10 van de volumestroom en/of van de massastroom op dezelfde manier worden afgeleid als uit de stijging van de kruiscorrelatiefunctie bij de verschuivingstijd x = 0. 15

1. Inrichting voor de aanrakingsvrije meting van een bewegingsparameter van een bewegend medium met twee omzetters, waarvan de geometrie en onderlinge plaatsing op grond van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie van de ruimtelijke weegfuncties van hun detectiegebieden zodanig is bepaald dat de gradiënt van deze ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie bij de ruimtelijke verschuiving nul verschillend is van de nulvector, en 20 die elektrische signalen afgeven die door inhomogeniteiten van het bewegende medium afhankelijk van hun ruimtelijke positie overeenkomstig de ruimtelijke weegfuncties van de detectiegebieden van de beide omzetters worden teweeggebracht en die door correlatieve verknoping met inachtname van een onderlinge verschuivingstijd een tijd-kruiscorrelatiefunctie hebben, met het kenmerk, dat middelen zijn aangebracht voor het bepalen van de waarde van de volumestroom van het bewegende medium uit de helling van de 25 tijd-kruiscorrelatiefunctie (R12(x)) van de beide signalen (St(t), S2(t)) bij de tijd-verschuiving nul.

2. Inrichting voor de aanrakingsvrije meting van een bewegingsparameter van een bewegend medium met twee omzetters, waarvan de geometrie en onderlinge plaatsing op grond van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie van de ruimtelijke weegfuncties van hun detectiegebieden zodanig is bepaald dat de gradiënt van deze ruimtelijke kruiscorrelatiefunctie bij de ruimtelijke verschuiving nul verschillend is van de nulvector, en 30 die elektrische signalen afgeven die door inhomogeniteiten van het bewegende medium afhankelijk van hun ruimtelijke positie overeenkomstig de ruimtelijke weegfuncties van de detectiegebieden van de beide omzetters worden teweeggebracht en die door correlatieve verknoping met inachtname van een onderlinge verschuivingstijd een kruisvermogendichtheidsspectrum hebben, met het kenmerk, dat middelen zijn aangebracht voor het bepalen van de waarde van de volumestroom van het bewegende medium uit het 35 eerste moment van het kruisvermogendichtheidsspectrum van de beide signalen (S,(t), S2(t)). Hierbij 8 bladen tekening