METHOD FOR ULTRASONIC DOPPLER FLUID FLOW MEASUREMENT WITH IMPROVED SPATIAL RESOLUTION

Abstract: 1. A method of carrying out ultrasonic flow measurements in accordance with the Doppler principle, wherein previously transmitted ultrasound (24, 25) is received as reflected ultrasound (23 ; 24', 25'), with a Doppler frequency shift DELTA f corresponding to the flow speed to be measured, where the flow is measured at the location of the intersection (124, 125 ; 224, 225) of the transmitting sound lobe and the receiving sound lobe and is determined from the signal of the receiving transducer (22, 31), characterized in that for the detection and/or analysis of the complete flow profiles inside the pipeline (1) the angle alpha of the sound lobe (24, 25, 23 ; 24, 25, 24', 25') of at least one of the transmitting and receiving transducers (21, 22 ; 21, 31) is changed for individual measurements within an angle range alpha n such that a representative portion of the flow profil of the cross-section inside the pipeline (1) is detected.

Description: Verfahren zur Ultraschall-Durchflussmessung nach dem Dopplerprinzip mit verbesserter Ortsauflösunq. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ultraschall Durchflussmessung, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist. Es ist bekannt, mit Hilfe von Ultraschall, jedoch nicht unter Ausnutzung des Dopplerprinzips Strömungsmessungen im Innern von Rohrleitungen vorzunehmen. Ein derartiges Verfahren ist u.a. in der DE-OS 30 20 282 zur Fig.1 beschrieben, wo schräg zur Geschwindigkeit des im Innern der Rohrleitung strömenden Mediums Ultraschall von einem Sendewandler zu einem Empfangswandler derart ausgesandt wird, dass die Ultraschall-Strahlung möglichst auch den Bereich der Achse der Rohrleitung (in schräger Richtung) durchquert. Der zugehörige Empfangswandler ist in entsprechender Lage in bzw. am Rohr so positioniert angebracht, dass er die im schrägen Winkel ausgesandte Ultraschall-Strahlung empfangen kann. Indem man den Empfangswandler in einer zweiten Betriebsphase als Sendewandler benutzt und den vorherigen Sendewandler dann als Empfangswandler yerwen- det, erfolgt eine Ultraschall-Messung entlang der Me Messstrecke sowohl in Hin-Richtung als auch in Her-Richtung. Mittels bekannter Differenzmessung wird dort wie bei anderen entsprechenden Strömungsmessern der Messwert ermittelt, der ein Mittelwert über die gesamte Messstrecke ist. Die Genauigkeit der Durchflussmessung nach diesem Verfahren ist relativ hoch. Allerdings ist auch der elektronische Aufwand hierzu be trächtl ich. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine insgesamt ebenfalls genaue Erfas sung bzw. Messung der Durchflussmenge in einer Rohrleitung zu erzielen ist, jedoch mit geringerem elektronischem Aufwand. Diese Aufgabe wird mit Hilfe des Verfahrens nach Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die innerhalb einer Rohrleitung auftretende Strömung bzw. das Strömungsprofil eines Querschnittes dieser Rohrleitung mit den bisher bekannten Methoden nur schwierig und ungenau zu erfassen ist. Dies wäre aber notwendig für solche Strömungsmessungen, von deren Genauigkeit erhebliche wirtschaftliche Werte, z.B. Verbrauchsmessungen und deren Kostenberechnung, abhängen. Dem erfindungsgemässen Lösungsprinzip liegt zugrunde, mindestens einen der beiden verwendeten Wandler (Sende- und/oder Empfangswandler) mit zeitlich veränderlicher Ultraschall Richtung zu betreiben. Dazu gehört, dass Senderichtung und Empfangsrichtung der Ultraschall-Strahlung sich im Rohrinnern schneiden, anders als etwa bei dem Prinzip der DE-OS 30 20 282, Fig.1, wo Sende- und Empfangsrichtung 12 ineinanderfallen und kein Schnittpunkt zu definieren ist. Erfolgen aber Aussendung und Empfang in sich miteinander schneidenden Richtungen, ist mit dem Schnittpunkt ein Messpunkt bzw. entsprechend dem Querschnitt der Ultraschall-Strahlung und dem Querschnitt der Empfangs-Strahlungskeule der Ort eines differenziellen Strömungsvolumens bestimmt, für den allein im Augenblick die Strömungsmessung nach dem Dopplerprinzip erfolgt. Hier von Ultraschall-Sendestrahl des aussendenden Ultraschall-Wandlers zu sprechen ist begrifflich unproblematisch. Für den Empfang, für den die für die Sendefrequenz f massgebliche Empfangs- Schall keule des empfangenen Ultraschallschall-Wandlers zu berücksichtigen ist, soll der Begriff virtueller Empfangsstrahl' im nachfolgenden verwendet werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird also mit zeitlich sich änderndem Winkel des Sendestrahls und sich änderndem Winkel des virtuellen Empfangsstrahls gearbeitet. Diese zeitliche Veränderung der Richtungen kann mechanisch bewirkt werden. Entscheidend vorteilhafter ist jedoch, dies mit elektrischen Mitteln zu bewirken, wozu nachfolgend die entsprechenden Ausführungsformen zur Erfindung beschrieben werden. Da mit der Erfindung einzelne Orte der Strömung im Rohrinnern erfasst werden können, ist durch entsprechende räumliche Abtastung oftmals genügt aber bereits die Abtastung entlang einem Durchmesser des Rohrquerschnittes - das ganze Strömungprofil im Rohrinnern zu ermitteln. Es kann eine Mittelung der verschiedenen Messwerte des gesamten Strömungsprofils vorgenommen werden, womit eine erheblich genauere Aussage über das pro Zeiteinheit transportierte Strömungsvolumen erzielt wird. Es können aus dem mit der Erfindung nunmehr exakt ermittelbaren Strömungsprofil für einzelne Orte verschiedene Wichtungsfaktoren abgeleitet werden, die in die Mittelwertbildung eingeführt werden und die Genauigkeit des Mittelwertes erheblich steigern. Es besteht auch mit Hilfe der Erfindung die Möglichkeit, aus dem erfassten Strömungsprofil einen Messort zu ermitteln, der einen repräsentativen Wert ergibt, d.h. der quantitativ dem Mittelwert der Strömung gleich ist und dann anstelle dieses Mittelwertes später nur noch allein ermittelt wird. Mit Hilfe der Erfindung lässt sich die jeweils tatsächliche Lage des Messortes im Rohrinnern rekonstruieren. Für Messpunkte nahe der Rohrwand sind die Strömungsgeschwindigkeiten relativ klein. Mit Hilfe der Erfindung bzw. mit Hilfe der durch die Erfindung ermöglichten Mittelwertsbildung kann sogar die Messgenauigkeit des bekannten clamp-on- Verfahrens verbessert werden, bei dem lediglich auf einer einzigen im Rohrinnern festgelegten Messstrecke für Hin-Richtung und Her-Richtung gemessen wird, so wie z.B. bei Fig.l der DE-OS 30 20 282. Das clamp-on-Verfahren hat seinen Namen Namen davon, dass dabei die Wandler - eventuell auch nachträglich - von aussen an das Rohr angesetzt werden. Eine ganz besonders wichtige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist diejenige, bei der für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens Wandler nach der obengenannten DE-OS 30 20 282 verwendet werden. Bezüglich des Aufbaues, der Arbeitsweise, der Wirkungsweise und weiterer Besonderheiten dieser Wandler der obengenannten DE-OS sei hier auf den Inhalt der Beschreibung dieser Druckschrift hingewiesen, die hiermit auch Bestandteil der vorliegenden Anmeldung ist. In Fig.1 der obengenannten DE-OS und auch der vorliegenden Anmeldung ist mit 1 im Schnitt eine Rohrleitung bezeichnet, in der das hier nicht dargestellte, zu messende Medium strömt und durch dessen Innenraum hindurch Ultraschall bei dieser bekannten Ausführungsform - mit dem festen Winkel von dem einen Wandler 2 zu dem anderen Wandler 3 und zur Differenzbildung vom Wandler 3 zum Wandler 2 ausgesendet wird. Der Wandler 2 mit einem plattenförmigen Körper K aus piezoelektrischer Keramik ist in die Wandung des Rohres 1 derart eingebaut, dass die Rohrinnenwandung möglichst keine oder nur geringfügige Diskontinuität ihrer Form hat. Insbesondere kann die Innenseite 4 des Körpers K des Wandlers 2 eine der Rohrinnenwandung entsprechende Krümmung haben oder es kann auch ein zusätzliches Aufsatzstück mit entsprechender Krümmung auf einem planen Körper K vorgesehen sein. Die Wandler 2 und 3 haben vorzugsweise gleichen Aufbau. Z.B. ist auf der jeweiligen Innenseite 4 des Körpers K eine übliche ganzflächige Elektrodenbeschichtung angeordnet, die z.B. ausserdem noch mit einem Schutzüberzug versehen sein kann. Die Elektrodenbeschichtung 5 ist mit einer entsprechenden Anschlussleitung versehen. Auf der Aussenoberfläche 6 der Wandler 2, 3 ist die in der DE-OS näher beschriebene Interdigitalstruktur angeordnet, die aus zwei mit ihren Elektrodenfingern ineinandergreifenden Kammstrukturen besteht, wobei die Finger einer jeden Kammstruktur mit je einer Sammelschiene verbunden sind. Die in der Fig.1 geschnitten wiedergegebenen Finger 7 gehören zu der einen Kammstruktur und die Finger 8 gehören zu der anderen r dazu interdigitalen Kammstruktur. Mit den Pfeilen 11 ist die permanente Polarisation des piezoelektrischen Keramikmaterials der Wandler 2, 3 bezeichnet. Diese Polarisation kann auch den dargestellten Pfeilen 11 entgegengesetzt gerichtet sein. Es sei darauf hingewiesen, dass hier der Einfachheit halber gleichartig aufgebaute Wand ler 2 und 3 vorgesehen sind; diese Wandler können aber auch unterschiedlichen Aufbau im Rahmen des Prinzip der DE-OS (und der vorliegenden Erfindung) haben. Der (augenblicklich) als Sender verwendete Wandler 2 oder 3 wird mit Wechselspannung einer Frequenz f gespeist. Zweckmä ssigerweise ist in bezug auf die vorteilhafterweise als Masse geschaltete Elektrode 5 vorgesehen, die beiden Kammstrukturen einer jeweiligen Interdigitalstruktur mit 1800 phasenverschobenen Wechsel spannungen U1 und U2 gleicher Frequenz f zu speisen. Von dem dann (augenblicklich) als Empfangswandler verwendeten Wandler 3 wird ein Ultraschall-Signal aufgenom men, das entsprechend der in die Strahlung 12 fallenden Geschwindigkeitskomponente der im Rohr vorliegenden Strömung eine Dopplerfrequenz-Verschiebung aufweist. Bei Vertauschen der Funktionen der Wandler 2 und 3 wird die entgegengesetzt gerichtete Laufzeit- oder Phasenverschiebung festgestellt und aus der Differenzbildung und dem Winkel tx wird die - für eine solche Ausführungsform mittlere Strömungsgeschwindigkeit - für einen Durchmesser des Strömungsquerschnittes festgestellt. Wie bereits in der obengenannten DE-OS ausführlich beschrieben, ist der Vorzug eines derartigen Interdigitalwandlers derjenige, dass mit ihm in einem Winkel s schräg zur Wandleroberfläche Ultraschall-Strahlung abgestrahlt werden kann, so dass kein Strömungshindernis mit dem Einbau eines solchen Wandlers verbunden ist. Es sei hier nochmals darauf hingewiesen, dass die Interdigital struktur eines solchen Wandlers der obengenannten DE-OS sowohl durch entsprechende Fingerelektrodenstruktur 7, 8, durch alternierende Polarisation (Fig.2 der DE-OS 30 20 282.5) als auch durch Anwendung beider Prinzipien gemeinsam realisiert sein kann. c Aus der Bedingung d = )(/cis Z ergibt sich = arccos f.d mit c = Schallgeschwindigkeit des Mediums und f = Frequenz der anregenden Spannung U. Die Fig.2 und 3 zeigen bevorzugte Ausführungsformen zur Erfindung, nämlich: Fig.2 eine Ausführungsbeispiel mit einem Wandler irgendeiner Ausführungsform nach der DE-OS 30 20 282 und einem konventionellen zweiten Wandler, Fig.3 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Wandlern der DE-OS 30 20 282 und Fig.4 ein Schaltungsbeispiel der Elektronik. Mit 21 ist ein Wandler nach Fig.1 bzw. der DE-OS 30 20 282 bezeichnet, der in die Rohrwandung 1 wie in Fig.1 eingebaut ist. Mit 22 ist ein konventioneller Wandler bezeichnet, der z.B. eine mit auf beiden Seiten ganzflächigen Elektroden versehene Piezo-Keramikscheibe ist. Dieser Wandler 22 kann bei der Erfindung - wie in Fig.2 dargestellt - in die Rohrwandung 1 in einer Ebene mit derselben eingebaut sein. Der Wandler 22 wird dauernd als Empfangswandler verwendet und für die Erfindung genügt es, wenn dieser Wandler 22 sich aufgrund seines Aufbaues und Einbaues eine lediglich in Durchmesser-Richtung 23 gerichtete (Empfangs-)Schallkeule hat. Der Wandler 21 kann so betrieben werden, dass er seinen Ultraschall mit veränderbaren Winkeln n aussendet. Mit 24 und 25 sind zwei Beispiele mit den Winkeln > 1 e2 bezeichnet. Wie dargestellt, führen diese unterschiedlichen Aussenderichtungen 24 und 25 zu zwei verschiedenen Messorten 124 und 125, für die sich entsprechend den Schallkeulen die angedeuteteR differentielle Messvolumina 124, 125 ergeben. Sie liegen im Bereich der jeweiligen Schnittpunkte von Senderichtung 24, 25 und feststehender Empfangsrichtung 23. Die Ausstrahlungswinkel oci, 2 werden durch Betreiben des Wandlers 21 mit Wechselspannungen der Frequenzen f1 und f2 bewirkt. Durch entspre chende Wahl der Frequenz n können bei entsprechender Positio- nierung der Wandler 21 und 22 zueinander alle Orte entlang eines Durchmessers des Innenraumes der Rohrwandung 1 (zumindest aber diejenigen des mit r angedeuteten Halbmessers) ermittelt werden, so dass ein zuverlässiges Bild über das gesamte Strömungsprofil zu ermitteln ist. Der Zusammenhang zwischen (punktueller) Strömungsgeschwindigkeit v und Dopplerfrequenz f ist bei der Anordnung nach Fig.2 der folgende: v = 4f.c (1) f . cos Durch Einsetzen der oben angegebenen Beziehung für cos erhält man df.c,f.d = f.d (2) Dies bedeutet, dass die gemessene Dopplerfrequenz df nur noch von der Strömungsgeschwindigkeit v und der Periodizitätskonstanten d des Interdigitalwandlers abhängt. Bei erfindungsgemassem Verfahren ist es somit nicht erforderlich, die gemessene Dopplerfrequenz mit der Sendefrequenz in Beziehung zu setzen. Es entfällt sogar die Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit c des strömenden Mediums, die bei herkömmlichen Ultraschall-Doppler-Strömungsmessern nachteiligerweise mit allen ihren Änderungen zu berücksichtigen ist. Anstelle des Aufbaues nach Fig.2 können vorteilhafterweise für die Erfindung auch zwei Wandler nach dem Prinzip der DE-OS 30 20 282 verwendet werden, wie dies Fig.3 zeigt. Aus Fig.3 ist leicht ersichtlich, welche vielfältigen Möglichkeiten sich für die Erfassung des Innenraumes der Rohrwandung 1 damit ergeben. Mit 224 und 225 sind die differentiellen Messvolumina bezeichnet, die sich einmal für die Frequenz 9 und für die Frequenz f2 der Betriebswechselspannung des aussendenden Wandlers 21 (oder 31) ergeben. Es sei darauf hingewiesen, dass bei der Ausführungsform der Fig.3 Sendeund Empfangsfunktion der Wandler 21 und 31 auch vertauscht werden können. Ein solcher Wandler 21, 31 hat wie dargestellte frequenzabhängige Empfangsrichtung. Wie aus der Darstellung der Fig.3 mit Kenntnis des Erfindungsgedankens zu erkennen ist, sind Massnahmen zu treffen, dass sich die (Sende- bzw. Empfangs-)Schallkeulen 24, 25 des Wandlers 21, nämlich für eine Frequenz f1 und eine Frequenz f2 mit der jeweiligen Schallkeule 24', 25' des zweiten Wandlers 31 für die jeweilige Frequenz auch tatsächlich miteinander schneiden. Eine Möglichkeit dies zu erreichen ist, wenigstens einen der Wandler 21, 31 etwas schräggerichtet in die Rohrinnenwandung 1 einzubauen. Dabei würde aber ein wesentlicher Vorteil der Wandler der DE-OS 30 20 282 wenigstens zum Teil preisgegeben werden. Vorteilhaft ist es dagegen, die beiden Wandler 21 und 31 mit voneinander verschiedenen Periodizitätskonstanten d1 und d2 auszubilden, womit sich einerseits unterschiedliche Winkel x verschieden 0c' bei jeweils gleicher Frequenz f für Senden und Empfangen und damit zwangsläufig wie dargestellte Schnittpunkte 224, 225 u.s.w. ergeben. Analog der Gleichung (II) ist dann zu setzen: v tf (d1 + d2) (3) Da die schrägstrahlenden Interdigitalwandler der DE-OS 3020282 im allgemeinen zwei symmetrische Schallkeulen aufweisen, ergeben sichWan sich für eine Frequenz f zwei Messpunkte, wie dies lediglich gestrichelt dargestellt und mit 224 bezeichnet ist. Wie dies aber in der genannten DE-OS beschrieben ist, können die Wandler auch so ausgebildet werden, dass sie nur unidirektional strahlen bzw. empfangen, womit eine solche Zweideutigkeit könnte aber auch als simultane Messung in zwei MeBvolu- mina genutzt werden. Bei geeignet gewählten Winkeln könnte die dabei resultierende Mittelung der Werte aus beiden MeBvo- lumina die Genauigkeit der Messung verbessern. Zur Gewinnung umfassenderer Informationen über das Strömungsprofil im Innern eines Rohres 1 und zur Steigerung der Redundanz können im Rah men des vorliegenden Erfindungsgedankens auch mehr als zwei Wandler 21, 22; 21, 31 kombiniert verwendet werden. Fig.4 zeigt ein Beispiel einer für die Erfindung zu verwendenden elektronischen Schaltung mit dem Sendewandler 21 und dem Empfangswandler 22. Der Sendewandler 21 wird von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 46 mit einer Wechselspannung mit steuerbar veränderbarer Frequenz gespeist. Das Signal des Empfangswandlers 22 wird im Verstärker 42 verstärkt und dem Mischer 43 zugeführt. Der Mischer 43 erhält auch ein elektrisches Signal mit derjenigen Frequenz, mit der gerade der Sendewandler 21 gespeist wird. Vom Mischer 43 geht über die Leitung 44 das Dopplerfrequenz-Signal in die Schaltung 45, die sowohl die Steuerung für den Oszillator 46 als auch die Auswerteelektronik zur Umsetzung des Dopplerfrequenz-Signals in einen Durchflussmengenwert enthält, der auf der Anzeige 47 ablesbar ist. 8 Patentansprüche 4 Figuren

Claims: Patentansprüche: 1. Verfahren zur Ultraschall-Durchflussmessung nach dem Doppler-Prinzip, bei dem zuvor ausgesandter Ultraschall (24, 25) mit einer der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Doppler-Frequenzverschiebung tf als reflektierter Ultraschall (23; 24; 25') wieder empfangen wird, wobei die Strömung am Ort der Überschneidung (124, 125; 224, 225) der Sende-Schallkeule und der Empfangs Schallkeule gemessen wird, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, dass zur Erfassung und/oder Auswertung des vollständigen Strömungsprofils im Innern des Rohres (1) der Winkel bc der Schallkeule (24, 25, 23; 24, 25, 24', 25') wenigstens eines der Sende- und Empfangswandler (21, 22; 21, 31) für jeweils einzelne Messungen in einem solchen Win kelbereich den n verändert wird, dass ein repräsentativer Aus- schnitt des Strömungsprofils des Querschnittes des Innern des Rohres (1) erfasst wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h ne t dadurch, dass der Winkel ok nur einer der beiden Schallkeulen (24, 25) des Sende- oder Empfangswandlers (21) verändert wird (Fig.2). 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Winkel in einem solchen Winkelbereich verändert wird, dass die Werte der Strömungsgeschwindigkeiten für einen Halbmesser (r) des Querschnittes des Innern des Rohres (1) gemessen werden (Fig.2). 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, g e k e n nz e i c h n e t dadurch, dass die Veränderung des Winkels durch Änderung der Frequenz der Anregungswechselspannung (U) für den Sendewandler (21) bewirkt wird. 5. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, dass der Sende-oder Empfangswandler (21) ein Ultraschall-Wandler (2 oder 3 in Fig.1) mit Interdigitalstruktur (9) ist, bei dem Elektroden auf wenigstens einer der Flächen (4, 6) des jeweiligen Wandlerkörpers (K) und/oder bei dem eine Interdigitalstrukturder Polarisation des Wandlerkörpers (K) vorgesehen sind, wobei die Winkel Z1 K2 der Schallkeulen (24, 25, ...) durch Frequenzänderung der Frequenz der anregenden Wechselspannung (U) veränderbar ist. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c hn e t dadurch, dass der weitere zugehörige Empfangs- oder Sendewandler (22) ein Wandler mit richtungsmässig unveränderbarer Schallkeule (23) ist. 7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, g e k e n n z e i c hn e t dadurch, dass sowohl Sendewandler (21) als auch Empfangswandler (31) Ultraschall-Wandler (2, 3 in Fig.1) mit Interdigitalstruktur (9) der Elektroden auf wenigstens einer. der Flächen (4, 6) des jeweiligen Wandlerkörpers (K) und/oder mit Interdigitalstruktur der Polarisation des Wandlerkörpers (K) sind, wobei die jeweils veränderbaren Winkel 1' 2; °' der jeweiligen Sende-Schallkeule (24, 25) einerseits und der jeweiligen Empfangs-Schallkeule (24', 25) andererseits für die jeweilige Messung so gewählt sind, dass eine Uberschneidung (224, 225) der Schallkeulen vorliegt (Fig.3). 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, g e- k e n n z e i c hn e t dadurch, dass die an voneinander verschiedenen Orten in der Rohrwandung (21) angebrachten Wandler (21, 31) mit Interdigital struktur unterschiedlich grosse Periodizitätskonstanten (d1, d2) haben.

Inventors: MAGORI, VALENTIN, DIPL.-PHYS., Mágori, Valentin, Dipl.-Phys.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: G01F1
IPC codes: G01F1