METHOD FOR MEASURING FLUID SPEEDS BY MEANS OF ULTRASONIC VIBRATIONS

Abstract: 1. Method for measuring flow velocities by means of ultrasonic vibrations, a device being provided to carry out said method in which there are arranged one first and one second ultrasonic measuring system, each comprising one transmitter transducer and one receiver transducer, and in which in each case a propagation component of the ultrasonic vibrations, oriented parallel with respect to the flow direction, is set in flow direction or against the flow direction, characterized - in that the respective transmitted signals are repeatedly frequency-modulated in a frequency range suitable for the transducers and their arrangement, - in that the respective instantaneous values of the transmit frequency f and of the associated receiving phase vphi are continuously measured, - in that the reciprocal value of the phase steepness df/d vphi is formed from the measured values, and - in that the difference between the reciprocal values of the phase steepnesses in the and against the flow direction is formed, thereby producing a value for determining the flow velocity which is independent of the ultrasonic propagation rate.

Description: Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten mit Ultraschallschwinqungen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten mit Ultraschallschwingungen, zu dessen Durchführung eine Vorrichtung vorgesehen ist, bei der eine erste und eine zweite aus je Einem Sende- und Je einem Empfangswandler bestehende Ultraschallmessstrecke angeordne-t sind und bei der sich jeweils eine zur Strömungsrichtung parallel orientierte Ausbreitungskomponente der Ultraschallschwingungen in Strömungsrichtung bzw. gegen die Strömungsrichtung einstellt. Aus der DE-OS 28 28 937 ist bereits eine Vorrichtung zum Messen von Strömungsgeschwindigkeiten mit Hilfe von Ultraschallschwingungen bekannt, auf die das neuartige Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung anwendbar ist. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das gegenüber bekannten Verfahren, eine Steigerung der erzielbaren Messgenauigkeit, eine Erweiterung des Messbereiches sowie eine Vereinfachung der zur Durchführung erforderlichen Schaltungstechnik ermöglicht. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art und gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, das durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet. Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren beschrieben. Fig. 1 zeigt schematisch eine Messstrecke in einem Strö mungskanal oder Messrohr. Fig. 2 zeigt zwei Diagramme betreffend die Signalüber tragung und die Frequenzabhängigkeit einer der artigen Messstrecke. Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanord nung, mittels derer das erfindungsgemässe Ver fahren durchgeführt werden kann. Kennzeichnend für das neue Verfahren ist, dass die Je- weiligen Sendesignale in einem für die Wandler und ihre Anordnung günstigen Frequenzbereich repetierlich frequenzmoduliert werden, dass fortlaufend die jeweiligen momentanten Werte der Sendefrequenz und der dazugehö rigen Empfangsphase gemessen werden und dass aus diesen Werten der Reziprokwert der Phasensteilheit df/d¯ gebildet wird. Die Differenz der Reziprokwerte der Phasensteilheit in und gegen Strömungsrichtung ist ein genauer, vom Wert der Schallgeschwindigkeit unabhängiger Wert für die Strömungsgeschwindigkeit. Da die Phase bei vielen verschiedenen Frequenzen gemessen wird, können lokale Störungen der Phasenkennlinie (z. B. durch parasitäre Schallanteile, Resonanzeffekte der Wandler, Nichtlinearitäten der Phasendetektoren), die sonst genauigkeitsmindernd wirken, durch Mittelung oder durch Ausgleichsverfahren eliminiert werden. Schaltungstechnisch bedeutsam ist bei dem erfindungsgemässen Verfahren, dass im Gegensatz zu dem bekannten Lambda-Locked-Loop (LLL) -Verfahren keine Regelung mehr erforderlich ist und dass die Signalauswertung bei minimalem Aufwand auf der analogen Seite mit Mikroprozessoren vorgenommen werden kann. Die Funktion des Verfahrens sei an Fig. 1 erläutert: Für die Anzahl N der Wellenlängen auf der Messstrecke sowie für die totale Phasenwinkeldifferenz ¯ zwischen Sende und Empfangssignal gilt: EMI3.1 Für die Reziprokwerte der Phasensteilheit df/d¯ bei Durchschallung in und gegen Strömungsrichtung ergibt sich: EMI3.2 Die Differenz dieser Were ist ein Mass für die Strömung geschwindigkeit: EMI3.3 Phasendetektoren messen nicht den totalen, sondern einen inkrementalen Phasenwinkel y; Je nach Phasendetektor gilt: EMI3.4 Eine einfache Überlegung zeigt, dass auch die Auswertung des inkrementalen Phasenwinkels stückweise zu identischen Werten für den Reziprokwert der Phasensteilheit führt und entsprechend den richtigen Wert für die Strömungsge schwindigkeit liefert: EMI3.5 Die bisherigen Uberlegungen gehen von punktförmigen Wandlern aus. Bei flächenhaften Wandlern gilt der Zusammenhang zwischen den Differenzen der reziproken Phasensteilheit qualitativ ebenfalls, die Proportionalitätskonstante K ist empirisch zu bestimmen. EMI4.1 Eine alternative Auswertemethode des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, aus den aufgenommenen Messwerten von Frequenz und Phase die Frequenzen für eine vorge gebene Phase (vorzugsweise ¯e= =O) zu errechnen. Diese Frequenzen wären dieselben, auf die beim LLL-Verfahren eingerastet wird. Entsprechend sind, wie in der DE-OS 28 28 937 beschrieben, die Differenzen dieser Frequenzen in und gegen Strömungsrichtung ein Mass für die Strömungsgeschwindigkeit. Messtechnisch ist das Vorliegen vieler n Quasi-LLL-Frequenzen" vorteilhaft: Durch Mittelung werden zufällige Streuungen verkleinert. Dies gilt auch für die in einem bereits zuvor vorgeschlagenen Verfahren in Betracht gezogen systematischen Streuungen (Fig. 2). Die Form der Frequenzmodulation ist an sich irrelevant, allerdings führt eine lineare (oder allgemein stetig steigende bzw. fallende) Frequenzmodulation FM dazu, dass für das zeitlich verzögerte Empfangssignal kein gleichfrequentes, sondern ein inzwischen frequenzverschobenes Referenzsignal zur Verfügung steht. Daraus resultiert eine zusätzliche Phasensteilheit, die sich zu der durch den Laufweg verursachten addiert. Da diese zusätzliche Phasensteilheit aber in beiden Richtungen in gleicher Weise wirksam wird, wird sie bei der Differenzbildung eliminiert. Bei gepulstem Betrieb kann diese zusätzliche Phasensteil heit durch treppenförmige Frequenzmodulation vermieden werden, bei der die Frequenz während der Laufzeit auf der Messstrecke konstant bleibt. Eine treppenförmige FM ergibt sich z. B. durch die Digitalisierungsschritte beim Durchfahren des Frequenzbereiches eines digital gesteuerten Frequenzsynthesizers. In Analogtechnik könnte die stufenweise Verstimmung durch eine Steuerspannung für einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO erfolgen, welche durch Integration von Impulsen gewonnen wird (vergl. Fig. 3). Für den Ablauf der Ultraschallsignale sind die bei den LLL-Vertahren diskutierten Methoden wie Kommutierung von CW-Signalen mit Relais oder elektronischen Schaltern oder Burst-Verfahren anwendbar. Besonders günstig sind die Simultan-Burst-Verfahren, bei denen, wie bereits an anderer Stelle beschrieben, gleichzeitig mit beiden Wandlern Ultraschall-Bursts abgestrahlt werden. Die Phasenwerte beiden Empfangssignale (bezogen auf das Sendesignal) sind dabei vorteilhafterweise in einen Mikrorechner zu übernehmen. Die jeweilige Frequenz ist entweder ebenfalls zu übernehmen oder sie könnte, da die Verstimmung in festen Schritten erfolgt, aus der Schrittweite und Anzahl der bereits erfolgten Schritte bestimmt werden. Fig. 3 zeigt, wie bereits erläutert, ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung, mittels derer das erfindung gemässe Verfahren durchgeführt werden kann. Die Ablaufsteuerung wird von einem Mikrorechner getätigt, der auch die Auswertung vornimmt. Durch von dem Mikrorechner gelieferte kurze Impulse steigt die Ausgangsspannung eines Integrators treppenförmig an. Dadurch wird an einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO eine treppenförmige Frequenzmodulation bewirkt. Die Rücksetzung des Integrators erfolgt durch einen ¯Reset"- Impuls. Zur Aussendung der Bursts wird das Ausgangssi gnal des VCO über einen Schalter S auf eine Sendestufe durchgeschaltet. Die Empfangssignale und das VCO-Signal als Referenz werden Phasendetektoren zugeführt. Deren Signal wird während des Empfangs in "Sample and Hold" Stufen gespeichert und anschliessend nacheinander (Umschalter S) digitalisiert und in den Mikrorechner eingegeben. Zusätzlich bietet das erfindungsgemässe Messverfahren die Möglichkeit, individuell für jedes Messrohr Apparatekon stanten in einem PROM des Mikrorechners abzulegen. Speziell ist es azf diese Weise möglich, eine während der notwendigen Kalibrierung ermittelte Konstante K (vergl. /4b/) und evtl. auftretende Abweichungen abzuspeichern und später im Messbetrieb zur Steigerung der Genauigkeit zu benutzen. Das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung bietet gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile: - Steigerung der Messgenauigkeit - Erweiterung des Messbereichs - Vereinfachung der Schaltungstechnik - Unabhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit Erhöhung der Auflösung 4 Patentansprüche 3 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten mit Ultraschallschwingungen, zu dessen Durchführung eine Vorrichtung vorgesehen ist, bei der eine erste und eine zweite aus Je einem Sende- und Je einem Empfangswandler bestehende Ultraschallmessstrecke an geordnet sind und bei der sich jeweils eine zur Strö mungsrichtung parallel orientierte Ausbreitungskom ponente der Ultraschallschwingungen in Strömungsrich tung bzw. gegen die Strömungsrichtung einstellt, da durch g e k e n n z e i c h n e t - dass die jeweiligen Sendesignale in einem für die Wandler und ihre Anordnung optimalen Frequenzbe- reich repetierlich frequenzmoduliert werden, - dass fortlaufend die jeweiligen momentanen Werte der Sendefrequenz und der dazugehörigen Empfangsphase gemessen werden, - dass aus den gemessenen Werten der Reziprokwert der Phasensteilheit (df/d¯) gebildet wird und - dass die Differenz der Reziprokwerte der Phasen steilheiten in der und gegen die Strömungsrichtung gebildet wird, wodurch sich ein von der Ultraschall Ausbreitungsgeschwindigkeit unabhängiger Wert für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ergibt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass lokale Störungen der Phasen kennlinie, die z. B. durch parasitäre Schallanteile, Resonanzeffekte der Wandler oder Nichtlinearitäten der Phasendetektoren entstehen können und die Messge gnauigkeit herabsetzen können, durch Mittelung elimi tiert werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass lokale Störungen der Phasen kennlinie, die z. B. durch parasitäre Schallanteile, Resonanzeffekte der Wandler oder Nichtlinearitäten der Phasendetektoren entstehen können und die Mess genauigkeit herabsetzen können, durch Ausgleichsver fahren eliminiert werden. 4. Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten mit Ultraschallschwingungen, zu dessen Durchführung eine Vorrichtung vorgesehen ist, bei der eine erste und eine zweite aus Je einem Sende- und Je einem Empfangswandler bestehende Ultraschallmessstrecke an geordnet sind ud bei der sich jeweils eine zur Strö mungsrichtung parallel orientierte Ausbreitungskom ponente der Ultraschallschwingungen in Strömungsrich tung bzw. gegen die Strömungsrichtung einstellt, da durch g e k e n n z e i c h n e t - dass die jeweiligen Sendesignale in einem für die Wandler und ihre Anordnung optimalen Frequenzbe reich repetierlich frequenzmoduliert werden, - dass fortlaufend die jeweiligen momentanen Werte der Sendefrequenz und der dazugehörigen Empfangsphase gemessen werden, - dass die Frequenzen für eine vorgegebene Phase, vor zugsweise F = t0, errechnet werden und - dass die Differenz dieser Frequenzen in der und ge gen die Strömungsrichtung gebildet wird, wodurch sich ein von der Ultraschall-Ausbreitungsgeschwin digkeit unabhängiger Wert für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ergibt.

Inventors: MAGORI, VALENTIN, DIPL.-PHYS.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1986
Main classification: G01F1
IPC codes: G01F1, G01P5