DE19548433A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchflußmessung bei offenen Kanälen mittels einer Ultraschallwelle - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft eine Technologie zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und der Durchflußgeschwindigkeit bei offenen Kanälen mittels einer Ultraschallwelle, insbesondere ein Meßsystem für die Durchflußgeschwindigkeit bei offenen Kanälen mittels einer Ultraschallwelle, welche hauptsächlich dazu angewandt wird, die Durchflußgeschwindigkeit bei großen Flüssen und großen künstlichen offenen Kanälen zu messen.

Ein Verfahren, die Durchflußgeschwindigkeit mittels Messung der horizontalen Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit durch eine Ultraschallwelle zu berechnen, ist weitläufig bekannt. Unter den Ultraschallströmungsmessern sind zwei Arten be­ kannt, welche durch die Meßkanäle klassifiziert werden; Eines ist mit einem Einzel-Kanalsystem für die Messung der horizon­ talen Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit, und das andere ist mit einem Multi-Kanalsystem ausgestattet. Z.B. hat die Ultraflux Company einen Multi-Kanalultraschallströmungsmesser UF-2100 entwickelt und verkauft diesen.

Fig. 1 und 2 zeigen das Grundprinzip des oben erwähnten Durchflußgeschwindigkeitsmeßverfahrens mittels einer Ultra­ schallwelle für offene Kanäle.

Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Ultraschallsender und/Empfänger (welche nachfolgend als Wandler bezeichnet wer­ den), (1 _A, 1 _B), (2 _A, 2 _B), (3 _A, 3 _B) . . . , entlang der Flanke des Flusses mit einem konstanten Abstand h und mit einem konstan­ ten Winkel Φi bezüglich der Strömungsrichtung befestigt.

Das Meßverfahren für die Durchschnittsströmungsgeschwindig­ keit entlang der in Fig. 2 gezeigten horizontalen Linie wird nachfolgend erklärt.

Das Zeitintervall t_AB von dem Moment, bei dem der Ultra­ schallimpuls von dem Wandler (1 _A) an den Wandler (1 _B) über­ tragen wird bis zu dem Moment, bei dem der Ultraschallimpuls von dem Wandler (1 _B) empfangen wird, wird gemessen. Ebenso wird zur gleichen Zeit das Zeitintervall t_BA von dem Moment, bei dem der Ultraschallimpuls vom Wandler (1 _B) gesendet wird bis zu dem Moment gemessen, bei dem der Ultraschallimpuls von dem Wandler (1 _A) empfangen wird. Es wird angenommen, daß die Zeitintervalle t_AB und t_BA, die der Ultraschallimpuls von (1 _A) bis (1 _B) und umgekehrt benötigt wie folgt gegeben sind;

wobei L der Abstand zwischen den Wandlern (1 _A) und (1 _B), C die Ultraschallgeschwindigkeit im Flußwasser ν=cosΦ, die Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit entlang der hori­ zontalen Linie, und v eine Geschwindigkeitskomponente entlang dem Weg des Ultraschallimpulses ist.

Die Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit wird durch die folgende Gleichung berechnet (UF-2100 Strömungsmesser der Ul­ traflux Company);

Das Strömungsgeschwindigkeitsmeßverfahren, welches die Glei­ chung (2) verwendet, wird als ein Frequenzdifferenzverfahren bezeichnet.

Die horizontale Durchschnittsströmungsgeschwindigkeiten wer­ den in verschiedenen Tiefen mittels obiger Gleichung gemessen und die Durchflußgeschwindigkeit des Flusses wird durch fol­ gende Gleichung berechnet;

wobei B die Breite des Flusses ist, bei welcher die Messung durchgeführt wird. Es wird angenommen, daß die Messung der Durchflußgeschwindigkeit des Flusses genau genug ist, wenn n = 10. Es gibt verschiedene Gleichungen für die Berechnung der Durchflußgeschwindigkeit Q und genauere Gleichungen als Glei­ chung (3) stehen ebenso zur Verfügung. Die grundsätzliche Messung ist die Messung der horizontalen Durchschnittsströ­ mungsgeschwindigkeit in verschiedenen Tiefen, wenn irgendwel­ che Gleichungen für die Berechnung der Durchflußgeschwindig­ keit verwendet werden, und der Meßfehler der Durchflußge­ schwindigkeit hängt von dem Meßfehler der Strömungsgeschwin­ digkeit ab.

Neben der oben erwähnten Durchflußgeschwindigkeitsberech­ nungsgleichung (2), welche das Frequenz und Differenzverfah­ ren verwendet, wird ebenso die Durchflußgeschwindigkeitsbe­ rechnungsgleichung, die das Zeitdifferenzverfahren verwendet, weit verbreitet angewendet. Die Gleichungen, die das Zeitdif­ ferenzverfahren verwenden, sind nachfolgend gegeben zu:

Wenn man t_AB · t_BA =L² / C² anstelle von C verwendet und cosΦ=d/L so wird die Gleichung (4) wie folgt zu:

Die Gleichung (2) und Gleichung (5) sind exakt dieselben.

Wie in Gleichung (5) gezeigt ist, wird der Wert L² verwendet und da ein Abstandsmeßfehler δ_L existiert, wird 2δ_L zu dem Strömungsgeschwindigkeitsmeßfehler hinzu addiert. Daher ist es erforderlich den Abstand L genau zu messen. Dennoch ist es unmöglich den Abstand L direkt mittels einer Längenmeßvor­ richtung zu messen, da die Wandler im Wasser versenkt sind. Es ist normal, daß der Meßfehler der horizontalen Durch­ schnittsströmungsgeschwindigkeit aufgrund des Abstandsmeßfeh­ lers δ_L erhöht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Multi-Kanalultraschall­ durchflußmeßverfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, für welche der Abstand zwischen den Wandlern im Wasser L durch die Strömungsmesser selbst mittels einer Ultraschall­ welle gemessen wird und die Kalibrierung und das Testverfah­ ren für den Strömungsmesser bereitzustellen.

Vor einer genauen Erklärung dieser Erfindung wird zuerst der Ausbreitungsweg einer Ultraschallwelle erklärt.

Fig. 3 zeigt den Ausbreitungsweg einer Ultraschallwelle, die sich vom Wandler (1 _A) (oder (1 _B)) zum Wandler (1 _B) (oder (1 _A)) ausbreitet. Wie durch die punktierten Linien in Fig. 3 ge­ zeigt ist, erreicht der in die L-Richtung gesendete Ultra­ schallstrahl einen Punkt a oder b nicht am Punkt 1 _A oder 1 _B. Andererseits erreicht der von dem Wandler (1 _A) ausgestrahlte Ultraschallimpuls den Wandler (1 _B) entlang dem Weg L₁ und der von dem Wandler (1 _B) ausgestrahlte Ultraschallimpuls erreicht den Wandler (1 _A) entlang dem Weg L₂. Die Wege L₁ und L₂ sind nicht dieselben, d. h. L₂ < L₁.

Falls der Richtcharakteristikwinkel des Wandlers eng ist, wenn der Ultraschallströmungsmesser für einen Fluß instal­ liert wird, ist es bekannt, daß das empfangene Signal schwach ist, falls die Wandler entlang der Linie L installiert wer­ den, d. h. mit einem Winkel von Φ, wie in Fig. 2 gezeigt ist, und das empfangene Signal stark ist, wenn die Wandler mit ei­ nem Winkel größer als Φ, wie in Fig. 4 gezeigt ist, instal­ liert werden. Es kann bewiesen werden, daß der Ausbreitungs­ weg eines Ultraschallimpulses der Fig. 3, welche sich dieses Phänomen zunutze macht, ähnlich aussieht.

Die Ausbreitungsdauer einer Ultraschallwelle ergibt sich zu:

Und da L₂ größer als L₁ ist, ist t_BA länger als t_AB. Des weite­ ren wird L₁ und L₂ wie folgt zu:

wobei B die Breite des offenen Kanals, Θ₁ und Θ₂ die Sende­ winkel des Ultraschallstrahls sind, der zuerst ankommt und Θ₁ ≠ Θ₂ ≠ Φ. Dies ist der Weg des Ultraschallstrahls in der Flüssigkeit. Dennoch ist es bewiesen, daß die folgende Bezie­ hungen bestehen.

wobei L der Abstand zwischen den Wandlern (A) und (B) ist und v gleich cosΦ, die Geschwindigkeitskomponente auf der Linie L ist. Die Meßgleichung für die Strömungsgeschwindigkeit (5) wird durch die Gleichung (6) erhalten. Die Beziehungen zwi­ schen L, L₁ und L₂ sind wie folgt gegeben zu:

Was direkt gemessen wird ist nicht der geometrische Abstand L, sondern die Abstände des Ausbreitungswegs der Ultraschall­ welle L₁ und L₂, welche in die Gleichung (5) gemäß dieser Er­ findung eingesetzt werden.

Falls angenommen wird, daß L₁ und L₂ das gleiche wie L sind, kann der Zusatzmeßfehler der Durchflußgeschwindigkeit aufge­ treten sein, wenn die Komponente der Durchflußgeschwindigkeit v groß ist. Z.B. wenn man sie zwischen v = 1 m/s und v = 6 m/s (die Strömungsgeschwindigkeit ist sehr hoch) vergleicht, wird das Verhältnis von v zu C wie folgt gegeben zu (wenn C = 1425 m/s):

Daher wird der Meßfehler des Abstandes L 0,07% und 0,42%, wenn jeweils v = 1 m/s und v = 6 m/s. Gegebenenfalls sind die Zusatzfehler gemäß dem Meßfehler von L, welcher die Strö­ mungsgeschwindigkeit mittels der Gleichung (5) mißt, jeweils 0,14% und 0,84%. Daher wird das Verfahren bereitgestellt, um v/C zu berücksichtigen, wenn die Strömungsgeschwindigkeit gemäß dieser Erfindung groß ist.

Daher ist es die Hauptaufgabe dieser Erfindung, eine Ultra­ schalldurchflußgeschwindigkeitsmeßvorrichtung und ein Verfah­ ren für offene Kanäle und Flüsse bereitzustellen, welches ei­ nen signifikant verminderten Meßfehler der Strömungsgeschwin­ digkeit mittels Messen des Abstandes zwischen den im Wasser installierten Wandlern hat.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Kalibrie­ rungs- und Testverfahren der Durchflußgeschwindigkeitsmeßvor­ richtung vorzusehen, die die in verschiedenen Tiefen gemes­ sene Strömungsgeschwindigkeit und eine horizontal Strömungs­ geschwindigkeitsmeßvorrichtung verwenden, welche die Strö­ mungsgeschwindigkeit durch direkte Messung des Abstandes zwi­ schen den Wandlern mißt.

Die Multi-Kanalultraschalldurchflußgeschwindigkeitsmeßvor­ richtung ist aus den folgenden Komponenten gemäß dieser Er­ findung aufgebaut.

Sie ist aus dem primären Mehrfachwandler mit zwei mit einem konstanten Abstand installierten Ultraschallwandlern, der Multi-Kanalvorrichtung mit dem sekundären mit dem Abstand L von dem primären Mehrfachwandler plazierten sekundären Wand­ ler für die horizontal Durchschnittsströmungsgeschwindig­ keitsmessung, einer Befestigungsklammer, um die oben erwähn­ ten Wandler entlang der Wassertiefe mit einem konstanten Ab­ stand zu befestigen und einem Ultraschallimpulsoszillator, um die oben erwähnten Wandler in Schwingung zu versetzen; einem Kommutatorschalter mit einer Schaltfunktion, um wiederum durch Ausgeben von Ultraschallimpulsen an die Wandler und Empfangen von Ultraschallimpulsen Ausgangssignale abzugeben; einer Vorrichtung zum Bilden einer Welle für die von dem Kom­ mutatorschalter empfangenen Signale; einer Vorrichtung zur Messung eines Zeitintervalls, um die Ausbreitungszeit zwi­ schen den primären und den sekundären Wandlern zu messen; ei­ nem synchronisierten Signalgenerator, um ein Taktsignal mit einer bestimmten Periode zu erzeugen; und einer Berechnungs- und Steuervorrichtung aufgebaut, um die Durchflußgeschwindig­ keit und die Strömungsgeschwindigkeit durch Empfangen des Si­ gnals von der oben erwähnten Zeitintervallmeßvorrichtung zu messen.

Der primäre Mehrfachwandler weist den ersten Wandler mit kreisförmiger Ringform auf, der mit dem äußeren Oszillator verbunden ist, das erste Gehäuse, in dessen zentralen Teil eine Aushöhlung ausgebildet ist, eine Röhre von konstanter Länge, die mit dem zentralen Teil des ersten Gehäuses verbun­ den ist, und einem weiteren Ultraschallwandler, der an das zweite Gehäuse befestigt ist. Daher wird der konstante Ab­ stand l zwischen dem ersten Wandler und dem zweiten Wandler des primären Mehrfachwandlers garantiert.

Des weiteren wird die Multi-Kanalultraschalldurchflußge­ schwindigkeitsmeßvorrichtung dieser Erfindung nach folgenden Schritten aufgebaut; einem Schritt, bei dem der den Multika­ nal-Ultraschalldurchflußgeschwindigkeitsmeßkanal wie z. B. der Mehrfachwandler, der den primären Wandler (1 _Ai) und den se­ kundären Wandler (1 _Ci) mit einem konstanten Abstand l ent­ hält, entlang der Flanke von einer Seite des offenen Kanals befestigt ist und ein weiterer Mehrfachwandler entlang der Flanke der gegenüberliegenden Seite des offenen Kanals befe­ stigt wird; einem Schritt, bei dem der Ort der Ultraschall­ wandler derart eingestellt wird, daß die Ultraschallwelle durch die Ultraschallwandler (1 _Ai), (1 _Bi) und (1 _Ci) übertragen wird und deren Signale, wenn sie empfangen werden, einen Ma­ ximalpegel erhalten; einem Schritt, bei dem die Durch­ schnittsströmungsgeschwindigkeiten entlang des L_i und der ho­ rizontalen Linie derart gemessen werden, wie z. B. die Aus­ breitungszeiten 1 _AiBi und 1 _CiBi, bei denen die von den ersten Wandler (1 _Ai) und dem zweiten Wandler (1 _Ci) an die anderen Wandler (1 _Bi) gesendeten Ultraschallimpulse gemessen werden, die Ausbreitungszeiten t_BiAi und t_BiCi, bei denen die durch die Ultraschallimpulse, welche von den Wandlern (1 _Bi) an die er­ sten und zweiten Wandler (1 _Ai) und (1 _Ci) übertragen werden, gemessen werden; und einem Schritt zur Berechnung der Durch­ flußgeschwindigkeit durch Berechnung der Durchschnittsströ­ mungsgeschwindigkeit in der Querschnittsfläche des Wasser­ flusses.

Gemäß dieser Erfindung steht die Kalibrierung und das Testen der Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung zur Verfügung und dieses Kalibrierungsverfahren besteht aus den folgenden Schritten; einem Schritt zum Messen der Ausbreitungsgeschwin­ digkeit des Ultraschallimpulses t_AB und t_CB von dem ersten und dem zweiten Wandler an die anderen Wandler, wobei der erste und zweite Wandler (A) und (B) mit einem konstanten Abstand l angeordnet sind und der weitere Wandler an einem Punkt B in einem Wassertank angeordnet ist; einem Schritt zur Kalibrie­ rung des Abstands l und zum Testen des Meßfehlers der Zeitin­ tervallmeßvorrichtung, wobei ein anderer Wandler bei B zu ei­ nem weiteren Punkt B′ bewegt wird und die Ausbreitungszeiten der Ultraschallimpulse t_AB′ und t_CB′ von dem ersten und dem zweiten Wandler zu dem weiteren Wandler gemessen werden.

Daher kann der Durchflußgeschwindigkeitsmeßfehler durch si­ gnifikantes Verringern des Meßfehlers der Durchschnittsströ­ mungsgeschwindigkeit an verschiedenen Querschnitten mit dem Ultraschallströmungsmesser für Flüsse oder große geschlossene Rohrleitungen gemäß dieser Erfindung verringert werden.

Insbesondere ist es von Vorteil, daß die Abstände zwischen den an beiden Seiten des Flusses oder einer geschlossenen Rohrleitung angeordneten Wandler nicht mittels einer Längen­ meßvorrichtung gemessen werden müssen, sondern sie können durch den Strömungsmesser selbst gemessen werden. Daher kann diese Erfindung mit irgendeinem der Ultraschallinstrumente verwendet werden, welche den Abstand des Ausbreitungswegs des Ultraschallimpulses messen muß.

Die Erfindung wird nun im Detail mit Bezugnahme auf die bei­ gefügten Zeichnungen beschrieben in welchen:

Fig. 1 eine Ansicht ist, die das Meßprinzip von Multi-Ka­ nalultraschalldurchflußgeschwindigkeit für Flüsse erklärt;

Fig. 2 eine Ansicht zur Erklärung des Meßprinzips für die herkömmliche horizontale Durchschnittsströmungsgeschwindig­ keit ist;

Fig. 3 eine Ansicht ist, um den Ausbreitungsweg der Ultra­ schallwelle zu zeigen;

Fig. 4 eine Ansicht zur Erklärung des Meßverfahrens der ho­ rizontalen Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit gemäß dieser Erfindung ist;

Fig. 5 eine Ansicht ist, um den Querschnitt des Mehrfachul­ traschallwandlers für die Messung der horizontalen Durch­ schnittsströmungsgeschwindkeit gemäß dieser Erfindung zu zei­ gen;

Fig. 6 eine Ansicht ist, um ein aktuelles Beispiel für die Durchflußgeschwindigkeitsmeßvorrichtung gemäß dieser Erfin­ dung zu zeigen.

Fig. 7 eine Ansicht zur Erklärung des Kalibrierungs- und Testverfahrens gemäß dieser Erfindung ist.

Die detaillierte Erklärung gemäß den beigefügten Zeichnungen ergibt sich wie folgt. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind die Wandler (1 _A) und (1 _B) auf beiden Seiten des offenen Kanals in konstanten Tiefen befestigt und ein weiterer Wandler (1 _C) ist in einem Abstand l entlang der Richtung befestigt, in welche der Ultraschallimpuls übertragen wird. (Die Wandler (1 _A) und (1 _C) sind Mehrfachwandler). Die Ausbreitungszeiten der Ultra­ schallimpulse t_AB von dem Wandler (1 _A) bis zu dem Wandler (1 _B) entlang der Flußrichtung , t_CB von dem Wandler (1 _C) bis zu dem Wandler (1 _B), t_CB und t_BA, von dem Wandler (1 _B) bis zu den Wandlern (1 _C) und (1 _A) werden gemessen. Die oben erwähnten Ausbreitungszeiten ergeben sich wie folgt;

Das Verhältnis t_CB/t_AB ergibt sich wie folgt aus Gleichung (8);

Daher wird L₁ wie folgt zu;

Ebenso wie oben kann L₂ aus t_BC/t_BA ermittelt werden;

Es spielt keine Rolle, ob der Mittelwert von L₁ und L₂ verwen­ det wird;

Der durch die Gleichungen (9) oder (10) gemessene Fehler von L ist manchmal nicht vernachlässigbar, wenn die Strömungsge­ schwindigkeit groß ist. In diesem Fall wird L wie folgt prä­ zise gemessen.

Die Komponente der Strömungsgeschwindigkeit v′ wird durch die Gleichung (5) mit cosΦ = 1 und L₁ aus Gleichung (9) gemessen. Es gibt einen gewissen Unterschied zwischen v′ und v. Der Ab­ stand zwischen den Wandlern L wird mittels der Gleichung (6) und v′ berechnet;

wobei die Ultraschallgeschwindigkeit C als

gege­ ben ist. Falls der Fehler von L gleich 1% ist, wenn v/C nicht berücksichtigt wird, selbst wenn v′/C einen Unterschied von 5% im Vergleich zu v/C hat, ist der Fehler von L, der von v′/C vom 5%-Fehler ermittelt wird, ziemlich genau (0,05%). Die Strömungsgeschwindigkeit kann mittels der Gleichung (5) durch Speichern des Abstands zwischen den Wandlern L_i in der Berechnungsvorrichtung für die Strömungsgeschwindigkeit und die Durchflußgeschwindigkeit ermittelt werden oder durch Er­ setzen des gemessenen L_i.

Der Aufbau des Mehrfachwandlers, durch den das Meßverfahren der Strömungsgeschwindigkeit realisiert wird, ist in Fig. 5 gezeigt. Wie in Fig. 5 zu sehen ist, besteht der Wandler (1 _A), der eine kreisförmige Ringform für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit aufweist, aus piezzoelektrischer Ke­ ramik und der Wandler (1 _C), der aus konischer piezoelektri­ scher Keramik für die Messung des Ausbreitungswegs der Ultra­ schallwelle hergestellt ist, wird am Ende der Röhre (8) mit dem Abstand l von dem Wandler (1 _A) befestigt.

Die Röhre (8) ist mit dem Gehäuse (7 _C) des Wandlers (1 _C) über das Gehäuse (7 _A) des Wandlers (1 _A) verbunden. Der Abstand l kann eingestellt werden, da das Gehäuse (7 _C) des Wandlers entlang der Röhre (8) bewegt werden kann.

Die hinteren Teile des Wandlers (1 _A) und (1 _C) sind mit Dämm- Material (6) ausgefüllt, um die Wirkung der Ultraschallwel­ lenübertragung zu verstärken. Z.B. kann oxidiertes Wolfram­ pulver als Dämm-Material verwendet werden.

In Fig. 5 ist (9) eine Kabelverdrahtung, um die Wandler (1 _A) und (1 _C) zu verbinden und (10) ist eine Befestigungsverbin­ dung, die mit der Befestigungsklammer verbunden ist, auf wel­ cher der Mehrfachwandler auf der Befestigungsklammer entlang der Flanke des Flusses befestigt ist.

Der Innendurchmesser Wandlergehäuses (1 _A) ist ein we­ nig größer als der D_C des Wandlergehäuses (1 _C).

Die Wellenlänge des Ultraschallimpulses ist im Wasser unge­ fähr um die 7-3 mm, da ein Ultraschallimpuls vom 200 bis 500 KHz verwendet wird, wenn die Breite des Flusses ungefähr einige zehn oder hunderte von Metern ist. Daher sollten keine Hindernisse mit der Größe von 3 bis 7 mm vor dem Wandler (1 _A) angeordnet werden. Dennoch, wie in Fig. 5 gezeigt ist, falls die Wandler (1 _A) und (1 _C) mit zwei Ultraschallwandlern ver­ vielfacht werden, entsteht kein Problem, die Ultraschallim­ pulse durch die Wandler (1 _A) und (1 _C) zu senden und zu emp­ fangen.

Der Abstand zwischen den Wandlern (1 _A) und (1 _C1) wird durch den Fehler der Zeitintervallmeßvorrichtung bestimmt, welche in dem Ultraschallströmungsmesser enthalten ist. Der Strö­ mungsgeschwindigkeitsmeßfehler hängt von dem erlaubten Fehler der L-Messung ab. Die Beziehung von l ergibt sich wie folgt;

wobei l der absolute Fehler der Zeitintervallmessung ist, C_max die maximal im Flußwasser zu erwartende Ultraschall­ geschwindigkeit ist und δ_L der erlaubte relative Fehler der L-Messung ist.

Z. B. wenn τ=10^-7s, C_max = 1450m/s, δ_L=0.001(0.1%);

Fig. 6 zeigt das schematische Diagramm des Aufbaus der Ul­ traschallmultikanaldurchflußgeschwindigkeitsmeßvorrichtung. Die Berechnungs- und Steuervorrichtung (16) ist mit dem syn­ chronisierten Signalgenerator (12) ausgerüstet, welcher Takt­ impulse erzeugt und mit dem ferngesteuerten Sender- und Emp­ fänger (17) ausgerüstet ist, und berechnet die Strömungsge­ schwindigkeit und Durchflußgeschwindigkeit des Flusses, wie später im Detail beschrieben wird.

Das Ultraschallimpulssignal wird erzeugt und dem Kommutator­ schalter (11) durch den Ultraschallimpulsgenerator (13) ein­ gegeben. Das Ultraschallimpulssignal wird zu den verschiede­ nen Mehrfachwandlern, die entlang der Flanke des Flusses an­ geordnet sind, über den Kommutatorschalter (11) eingegeben.

Das von dem Kommutatorschalter empfangene Signal wird in ei­ nen Rechteckimpuls durch die Wellenbildungsvorrichtung (14), wie später beschrieben wird, zurückgebildet.

Das Zeitintervall zwischen den Signalen von dem Ultraschal­ limpulsgenerator (13) und der wellenbildenden Vorrichtung (14), d. h. die gemessene Ausbreitungszeit der Ultraschall­ welle, wird der Berechnungs- und Steuervorrichtung (16) durch die Zeitintervallmeßvorrichtung (15) zugeführt.

Ebenso wie oben sind die Wandler (1 _B1), (1 _B2), . . . ,(1 _Bn) entlang der Flanke der anderen Seite des Flusses befestigt und der Kommutatorschalter (11), der synchronisierte Signalgenerator (12), der Ultraschallimpulsgenerator (13), die wellenbildende Vorrichtung (14) und der ferngesteuerte Sender- und Empfänger (18) sind installiert.

Daher wird der Ultraschallimpuls den Wandlern (1 _A1), (1 _Bi), (1 _A2), (1 _C2), . . . , (1 _An), (1 _Cn), durch den Kommutatorschalter (11) gemäß dem Programm zugeführt und die durch die Wandler empfangenen Signale werden der Zeitintervallmeßvorrichtung (15) nach Zurückbilden zu Rechteckimpulsen durch die wellen­ bildende Vorrichtung (14) eingegeben. Die kodierten Signale von t_Ab1, t_BA1, t_CB1 und t_BC1 entsprechend den Wandlern (1 _A1), (1 _B1) und (1 _C1) werden erzeugt und der Berechnungs- und Steu­ ervorrichtung (16) durch die Zeitintervallmeßvorrichtung ein­ gegeben.

Ebenso wie oben werden die Strömungsgeschwindigkeiten V₁, V₂, V₃, . . . ,V_n gemessen, wobei die oben erwähnten Verfahren in der Reihenfolge des zweiten Kanals, dritten Kanals, . . . ,n-ten Ka­ nals wiederholt werden. (19) ist eine Befestigungsklammer für die Installation der Wandler.

Die Durchflußgeschwindigkeit Q kann mittels der zuvor verwen­ deten Gleichung (3) berechnet werden. Jedoch gibt es ein ge­ naueres Verfahren wie nachfolgend angegeben. Die gesamte Durchschnittsgeschwindigkeit V_s ergibt sich aus der nachfol­ genden Gleichung durch eine Integration nachdem das horizon­ tale Strömungsgeschwindigkeitsprofil mittels der gemessenen Daten V₁, V₂, V₃, . . . , V_n hergestellt wurde und die Flußrate Q durch Multiplizieren des Querschnittsbereichs S mit V_s ermit­ telt wurde, welche zuvor mittels der Beziehung S(H) zwischen der Querschnittsfläche und der Wassertiefe H ermittelt wurde. Das heißt,

Ein Pegelmesser, um die Wassertiefe H zu messen, ist in Fig. 6 nicht gezeigt.

Bei der oben gezeigten Durchflußgeschwindigkeitsmeßvorrich­ tung für einen Fluß, einen offenen Kanal ist es besser, wenn es nicht begründet ist, die an beiden Seiten des Flusses be­ festigten Wandler mit dem sekundären Meßvorrichtung (11 bis 16) mittels eines Hochfrequenzkabels zu verbinden, fernge­ steuerte Sender und Empfänger (17) und (18) zu verwenden. Es ist sehr wirkungsvoll, daß die Wandler nicht an beiden Seiten des Flusses installiert werden, sondern daß die Wandler (1 _A1), (1 _C1), (1 _A2), (1 _C2), . . . , (1 _An), (1 _Cn) und (1 _B1), (1 _B2), . . . , (1_Bn) auf einer Seite des Flusses befestigt werden und eine reflektierende Vorrichtung auf der gegenüberliegen­ den Seite des Flusses installiert wird.

Es besteht kein Problem darin, nicht den Abstand L_i zu mes­ sen, jedesmal wenn die Durchflußgeschwindigkeit gemessen wird, sondern L_i periodisch zu messen und der Berechnungs- und Steuervorrichtung (16) zuzuführen.

Ebenso kann der Abstand zwischen den Wandlern L_i gemessen werden, der Berechnungs- und Steuervorrichtungen (16) einge­ geben und gespeichert werden, während ein Mehrfachwandler an­ fänglich zu der Position bewegt wird, an welcher der Wandler (1 _Ai) installiert ist, anstelle der Installation mehrerer Mehrfachwandler, und es können Hauptwandler (1 _A) anstelle der Mehrfachwandler installiert werden.

Die Meßfehler der Strömungsgeschwindigkeit und der Durchfluß­ geschwindigkeit werden durch Bereitstellen der Verfahren zum Kalibrieren und Testen der Zeitintervallmeßvorrichtung und der Durchflußgeschwindigkeitsberechnung- und Steuervorrich­ tung und des Abstands zwischen den aus Wandlern bestehenden Mehrfachwandler gemäß dieser Erfindung vermindert.

Wie in Gleichung (9) und (10) zu sehen ist, wird der Meßfeh­ ler L erhöht, falls der Abstand l zwischen den aus zwei Wand­ lern bestehenden Mehrfachwandler ungefähr gemessen wird, auch wenn das Zeitintervall sehr genau gemessen wird. Daher ist das Kalibrierungs- und Testverfahren notwendig, um l präzise zu messen und um den Meßfehler des Zeitintervalls zu prüfen. Es gibt eine genaue Längenmeßvorrichtung, deren Genauigkeit ungefähr ±10^-6 m beträgt. Dennoch ist es sehr schwierig den Abstand l, der in die Gleichung (9) eingesetzt wird, genau zu messen. Die Gründe sind wie folgt, daß die Verzögerungszeit aus verschiedenen Gründen beinhaltet ist, auch wenn der Sende- und Empfangsschaltkreis für die Ultraschallimpulse und der Meßschaltkreis für das Zeitintervall präzise ausgebildet sind, und es ist schwierig den Abstand zwischen den Wandlern (1 _Ai) und (1 _Ci) zu messen, obwohl die Verzögerungszeit kurz genug ist um vernachlässigbar zu sein.

Betrachtet man die oben erwähnten Aussagen, ergibt sich das Kalibrierungsverfahren für die l-Messung wie folgt gemäß die­ ser Erfindung.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist der Wassertank (20) im Inne­ ren installiert, so daß die Umgebungstemperatur nicht zu sehr variiert und er ist mit Wasser gefüllt. Dann werden die Mehr­ fachwandler (1 _A) und (1 _C) im Wasser befestigt und der weitere Wandler wird mit einem Abstand von L₁ von dem Wandler (1 _A) befestigt. Zu diesem Zeitpunkt ist es nicht notwendig, den Abstand L₁ genau zu messen.

Der Abstand l′ wird vorläufig gemessen und dem Strömungsmes­ ser eingegeben.

Die Referenzzeitintervallmeßvorrichtung mit höherer Genauig­ keit wird parallel verschaltet, um das genaue l zu erhalten und um die Meßgenauigkeit der Zeitintervallmeßvorrichtung zu testen.

Der Abstand L′₁ , der von dem Strömungsmesser ermittelt wurde, wird durch Wiederholen der Messungen der Ausbreitungs­ zeit des Ultraschallimpulses t_AB1, t_CB1 in dem Wassertank mit­ tels der nachfolgend gegebenen Gleichung gespeichert (aufgezeichnet);

wobei, da l′ unterschiedlich von dem virtuellen Abstand l ist, L′₁, welches mittels der Gleichung (15) berechnet wurde, unterschiedlich von dem virtuellen Abstand L₁ ist.

Der Wandler (1 _B) wird um den präzise gemessenen Abstand L₀ bewegt. Es ist nicht so schwierig L₀ genau zu messen. Dann sind die Abstände zwischen den Wandlern (1 _A) und (1 _B) und (1 _C) und (1 _B) jeweils L₁+L₀ und L₁ + L₀ - 1.

L′₁ + L′₀, die nachfolgend angegeben sind, werden durch die Messungen der Ausbreitungszeiten der Ultraschallwelle t_AB2 und t_CB2 nach dem Ortswechsel des Wandlers (1 _B) ermittelt;

Die folgende Gleichung ergibt sich durch Subtrahieren der Gleichung (15) von der Gleichung (16);

Der virtuelle Abstand L₀ ergibt sich wie folgt, falls der Meßfehler des Zeitintervalls sehr klein ist, um vernachläs­ sigt zu werden (im Falle der Referenzzeitintervallmeßvor­ richtung);

wobei l ein zu findender virtueller Abstand ist.

Der genauere Abstand l kann mittels der Gleichung (19) wie zuvor gezeigt, ermittelt werden.

L₀ wird wiederholt mittels der Gleichung (18) durch Einsetzen des Werts von l in die Berechnungs- und Steuervorrichtung an­ stelle von l′ gemessen. Falls die Meßergebnisse analysiert werden, erfährt man leicht, daß der Unterschied zwischen den durch den Strömungsmesser gemessenen Abständen und der präzi­ sen Längenmeßvorrichtung einen zufälligen Fehler oder einen systematischen Fehler aufweist. Falls der systematische Feh­ ler beinhaltet ist, werden die obigen Messungen durch Eingabe eines genaueren Werts von l in die Gleichung (19) an den Strömungsmesser wiederholt.

Der Endwert von l wird der Berechnungs- und Steuervorrichtung des Strömungsmessers eingegeben bis der systematische Fehler verschwunden ist. Der Vorteil des l-Meßverfahrens ist, daß der Wert von l zur Kompensation der Verzögerungszeit, die von dem Strömungsmesser und dem Wandlern erzeugt wird, ermittelt werden kann.

Der Meßfehler des Ausbreitungsabstands des Ultraschallimpul­ ses wird durch Vergleich mit dem Abstand, der von dem Strö­ mungsmesser und der präzisen Längenmeßvorrichtung gemessen wurde, getestet während der Wert von l, der durch das oben erwähnte Verfahren ermittelt wurde, eingegeben wird und der Ort des Wandlers (1 _B) verändert wird. Zur selben Zeit wird der Meßfehler des Zeitintervalls des Strömungsmessers durch Vergleich mit der Referenzzeitintervallmeßvorrichtung gete­ stet. Der Fehler der Eingabe l und der Meßfehler des Zeit­ intervalls werden bei dem oben erwähnten Wassertank getestet und es wird der Fehler der Strömungsgeschwindigkeit , der durch die Gleichung (5) gemessen wurde und der auf den Meß­ fehlern von L, t_AB, t_CB, t_BA, und t_BC, basiert, ausgewertet. Der Wert von l des anderen Mehrfachwandlers wird durch das oben erwähnte Verfahren gemessen und der Berechnungs- und Steuervorrichtung eingegeben.

Wenn der Strömungsgeschwindigkeitsfehler ausgewertet wird ist folgendes zu bemerken.

Der absolute Meßfehler von L₀ ist die Summe der Meßfehler der präzisen Längenmeßvorrichtung (ΔL)₁ und der absolute Meßfeh­ ler des Strömungsmessers (ΔL)₂. Daher ist zu bemerken, daß der relative Fehler des gemessenen L am offenen Kanal zu ΣΔL/L und nicht zu ΣΔL/L₀ wird.

Der relative Meßfehler der Ausbreitungszeit der Ultraschall­ welle kann durch Teilen des absoluten Meßfehlers der Ausbrei­ tungszeit, welche in dem Wassertank durch die gemessene Zeit getestet wird, ermittelt werden. Die relativen Fehler der Zeitintervallmessung t_AB, t_BA und der L-Meßergebnisse werden in die Gleichung für den Meßfehler der Strömungsgeschwindig­ keit eingesetzt.

Der Fehlertest der Berechnungs- und Steuervorrichtung, die die Berechnung der Durchflußgeschwindigkeit durch die Glei­ chungen (13) und (14) durchführt, ist leicht wie folgt durch­ zuführen. Die gesamte Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit wird präzise durch die Gleichung (13) durch Vorbereiten der Geschwindigkeitsprofile der horizontalen Durchschnittsströ­ mungsgeschwindigkeit berechnet. Dann wird der Meßfehler von , durch Vergleich der mittels der Berechnungs- und Steuervorrichtung des Strömungsmessers durch Eingabe der je­ weiligen Strömungsgeschwindigkeit und Abstände mit den exakt berechneten getestet.

Der maximale relative Meßfehler der Durchflußgeschwindigkeit für den Strömungsmesser ergibt sich wie folgt;

und kann wie folgt ausgewertet werden, wenn und δ hauptsächlich aus systematischen Fehler aufgebaut sind;

wobei δ der Meßfehler für die Querschnittsfläche ist.

Der Durchflußgeschwindigkeitsmeßfehler des Multi-Kanal-Ultra­ schallströmungsmessers für einen großen offenen Kanal wird indirekt mit einer hohen Zuverlässigkeit kalibriert und ge­ testet unter der Bedingung, daß die Durchflußgeschwindigkeit mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gemessen wird.

Die Industrieströmungsmesser werden mittels einer Referenz­ durchflußmeßvorrichtung direkt kalibriert und getestet. Da Strömungsmesser mit einer großen Durchflußgeschwindigkeit für den offenen Kanal mittels eines indirekten Verfahrens kali­ briert und getestet werden, kann dennoch die Zuverlässigkeit der indirekten Kalibrierung und des Tests mittels dem präzi­ sen Ultraschall strömungsgeschwindigkeitsmeßverfahren erhöht werden.

Claims (5)

1. Eine Multi-Kanalultraschalldurchflußgeschwindigkeitsmeß­ vorrichtung mit mehreren Kanälen zum Messen der horizontalen Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit zwischen zwei Punkten entlang der Flanken von beiden Seiten eines Flusses oder ei­ nes offenen Kanals, wobei die Vorrichtung aufweist:
das erste Gehäuse, dessen Mitte einen Hohlraum aufweist und den primären Wandler (1 _A), der in einer kreisförmigen Ring­ form ausgebildet ist, so daß der Ultraschallwandler, der ent­ lang der Flanke einer Seite des offenen Kanals befestigt ist, ein Mehrfachultraschallwandler ist, der aus zwei Ultraschall­ wandlern, die durch einen konstanten Abstand l beabstandet sind, aufgebaut ist;
eine Röhre mit einer konstanten Länge, deren eines Ende mit dem Mittelteil des ersten Gehäuses verbunden ist;
den Mehrfachultraschallwandler, dessen zweites Gehäuse den Ort des Wandlers durch Bewegen von dem Röhrenende fixieren kann, um den Abstand l zwischen den primären und den sekun­ dären Wandlern einzustellen, wobei das zweite Gehäuse am Ende der Röhre den sekundären Wandler (1 _C) enthält;
der Abstand l zwischen den primären und den sekundären Wand­ lern wird durch folgende Gleichung ausgewählt; wobei τ der absolute Meßfehler der Zeitintervallmeßvorrich­ tung ist, die in dem Multi-Kanalultraschallströmungsmesser enthalten ist, C_max die maximale in dem Wasser zu erwartende Ultraschallgeschwindigkeit ist, δ_L der erlaubte relative Ab­ standsfehler zwischen dem primären Ultraschallwandler (1 _A) und dem dritten Ultraschallwandler (1 _B) ist, der auf der ge­ genüberliegenden Seite des Kanals befestigt ist.

2. Ein Meßverfahren für die Multikanalultraschallströmungsge­ schwindigkeit und die Durchflußgeschwindigkeit für den offe­ nen Kanal mit den Schritten;
Festlegen von i Kanälen zum Messen der horizontalen Durch­ schnittsströmungsgeschwindigkeit mittels einer Ultraschall­ welle durch Befestigen des Mehrfachwandlers mit den primären und den sekundären Ultraschallwandlern (1 _Ai) und (1 _Ci) entlang der Flanke auf einer Seite des offenen Kanals und des dritten Ultraschallwandlers (1 _Bi) an einem Punkt, der die Mittellinie des Mehrfachwandlers mit einem konstanten Winkel (Φ) bezüglich der Flußrichtung entlang der Flanke der gegenüberliegenden Seite des offenen Kanals verbindet;
Einstellen des Übertragungswinkels, so daß die Amplitude des empfangenen Signals maximal wird, während die Ultraschall­ welle jeweils zu den Mehrfachwandlern (1 _Ai) und (1_Ci) und dem weiteren Wandler (1 _Bi) übertragen wird;
Messen des Abstands L_i zwischen dem primären Ultraschallwand­ ler (1 _Ai) und dem weiteren Wandler (1 _Bi) durch die Messungen der Ausbreitungszeiten der Ultraschallwelle t_AiBi und t_CiBi, die von dem primären und den sekundären Ultraschallwandlern (1 _Ai) und (1_Ci) ausgesendet wurden, und durch den dritten Ul­ traschallwandler (1 _Bi) empfangen wurden;Messen der horizontalen Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit auf der Linie von L_i durch die Messung der Ausbreitungs­ zeit der Ultraschallwelle t_BiAi, die von den dritten Ultra­ schallwandlern (1 _Bi) ausgesendet und von dem primären Ultra­ schallwandler (1 _Ai) empfangen wurde;
wobei für das Meßverfahren der Durchflußgeschwindigkeit durch angenäherte Integration der gesamten Durchschnittsströmungs­ geschwindigkeit nach Erhalten des Profils der horizontalen Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit als eine Funktion der Wassertiefe, der Abstand L_i zwischen den Ultraschallwandlern (1 _Ai) und (1_Bi) mittels der folgenden Gleichung gemessen wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit gering ist; wobei ein genauerer Abstand L_i mittels der folgenden Glei­ chung durch Einsetzen der gemessenen L_ti mittels Gleichung (b) berechnet wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit groß ist (<2∼3 m/s); wobei C die Ultraschallgeschwindigkeit ist, die durch die Be­ rechnungs- und Steuervorrichtung des Strömungsmessers mittels der folgenden Gleichung berechnet wurde, und v′ die Geschwindigkeitskomponente auf der Linie L_i ist, die mittels der folgenden Gleichung berechnet wurde; wobei die horizontale Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit mittels der folgenden Gleichung durch Einsetzen des ge­ naueren gemessenen L_i in die Strömungsgeschwindigkeitsberech­ nungsgleichung gemessen wird; wobei d_i der L_i COS ϕ ist, d. h. die projizierte Länge von L_i ist.

3. Ein Meßverfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das Meßverfah­ ren der Strömungsgeschwindigkeit und Durchflußgeschwindigkeit durch Korrektur und Vergleich mit L_i, das zuvor eingegeben wurde, und dem periodisch gemessenen L_i durch die Messungen der Ausbreitungszeiten t_AiBi und t_BiAi der Ultraschallimpulse, wenn die Durchflußgeschwindigkeit gemessen wird, so daß der Abstand zwischen den Ultraschallwandlern L_i nicht gemessen wird, wann immer die Durchflußgeschwindigkeit gemessen wird, sondern der Abstand einmal gemessen wird und in die Berech­ nungs- und Steuervorrichtung, die in dem Strömungsmesser selbst enthalten ist, eingegeben und gespeichert wird.

4. Ein Meßverfahren gemäß Anspruch 2, bei dem, wenn der Was­ serweg des Flusses oder offenen Kanals sich für eine lange Zeit nicht ändert und die Ultraschallwandler fest installiert sind, so daß der Abstand L_i zwischen den Ultraschallwandlern (1 _Ai) und (1 _Bi) sich nicht verändert, wobei bei dem Meßverfah­ ren für die Strömungsgeschwindigkeit und die Durchflußge­ schwindigkeit die Ultraschallwandler (1 _B1), (1 _B2), (1 _B3), . . . (1 _Bn) entlang der Flanke einer Seite des Flusses oder offenen Kanals befestigt sind; die Abstände L₁, L₂, L₃, . . . , L_n in der Berechnungs- und Steuervorrichtung des Strömungsmessers ge­ messen und gespeichert werden, während ein Mehrfachwandler entlang der Flanke der gegenüberliegenden Seite des Flusses oder offenen Kanals, an welcher die Ultraschallwandler (1 _A1), (1 _A2), (1 _A3), . . . , (1 _An) befestigt sein sollten, bewegt wird.

5. Ein Kalibrierungs- und Testverfahren für eine Multi-Ka­ nalultraschalldurchflußgeschwindigkeitsmeßvorrichtung mit den Schritten:
Befestigen der Mehrfachwandler, die aus den primären und den sekundären Ultraschallwandlern (1 _Ai) und (1 _Ci) und dem dritten Ultraschallwandler (1 _Bi) mit einem konstanten Abstand L_A in dem mit Wasser gefüllten Wassertank aufgebaut sind und Einge­ ben und Speichern des Abstands l′ zwischen den Ultraschall­ wandlern (1 _A) und (1 _C), der durch die Längenmeßvorrichtung in der Berechnungs- und Steuervorrichtung für den Strömungsmes­ ser gemessen wird;
Parallelschalten der Referenzzeitintervallmeßvorrichtung mit einer höheren Genauigkeit mit der in dem Strömungsmesser ent­ haltenen Zeitintervallmeßvorrichtung,
Messen der Ausbreitungszeiten t_AB und t_CA der Ultraschallwelle von dem primären Wandler (1 _A) und dem sekundären Wandler (1 _C) an den Wandler (1 _B) und des Abstands L_A durch die Messungen der Ausbreitungszeiten t_BC, und t_BA der Wandler (1 _B) bis (1 _A) und (1 _C) d. h.; Messen von L′_A + L′₀ durch die Messungen der oben erwähnten Ausbreitungszeiten der Ultraschallwelle nach Bewegen des Ul­ traschallwandlers (1 _B) durch einen präzise gemessenen Abstand L₀, d. h.; Berechnen des präzisen Abstands l durch Erhalten von L′₀ mit­ tels Einsetzen von L′A der oben gemessenen L′_a + L′₀, d. h.; Eingeben des korrigierten l anstelle des anfänglich gespei­ cherten l′, Messen von L′_A + L′₀ mittels des oben erwähnten Verfahrens, Testen ob der Wert von L′₀, welcher durch die Gleichung (c) ermittelt wurde, gleich dem präzise gemessen Wert ist, und falls (L′₀ - L₀)/L₀ den erlaubten Fehler über­ schreitet eine genauere Berechnung von l durch Einsetzen von L′₀ in die Gleichung (d);
Einstellen und Versiegeln des Abstandswerts l zwischen den primären und den sekundären Wandlern, die in dem Mehr­ fachwandler enthalten sind, mittels dem oben erwähnten Ver­ fahren;
Berechnen des Meßfehlers der Ausbreitungszeit durch Berück­ sichtigung von L des offenen Kanals und Vergleichs der gemes­ senen Zeitintervalle t_AB, t_CB, t_BA, t_BC, mit der Zeitintervall­ meßvorrichtung, die in den Strömungsmesser selbst enthalten ist und der Referenzzeitintervallmeßvorrichtung, und Auswer­ ten des Meßfehlers der Strömungsgeschwindigkeit mittels des Meßfehlers von L und des Zeitintervalls;
Berechnung der präzisen Durchflußgeschwindigkeit Q₀ im voraus durch Integration der zu erwartenden Geschwindigkeitsprofil­ funktion, Erhalten des Fehlers der Berechnungs- und Steuer­ vorrichtung durch Vergleich von Q₀ und Q′, die durch die Be­ rechnungs- und Steuervorrichtung durch Eingabe der elektri­ schen Signale entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit in jedem Kanal, welcher durch die obige Geschwindigkeitsprofil­ funktion erhalten wurde, berechnet wurden;
einem Kalibrierungs- und Testverfahren des Multi-Kanalultra­ schallströmungsmessers für offene Kanäle durch Addieren der Meßfehler der Strömungsgeschwindigkeit, des Durchflußge­ schwindigkeitsberechnungsfehlers und der Querschnittsfläche, die mittels oben erwähnten Verfahrens getestet wurden.