DE2406630C2

DE2406630C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchflußgeschwindigkeitsmessung

Info

Publication number: DE2406630C2
Application number: DE2406630A
Authority: DE
Inventors: Pierre-André Dr. Arlesheim Grandchamp
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: Kontron Instruments Holding NV
Priority date: 1973-02-16
Filing date: 1974-02-12
Publication date: 1985-03-21
Also published as: NL180787B; FR2218570A1; US3914999A; DK152457B; DE2406630A1; DK152457C; NL180787C; SE395190B; CA1021052A; DD118331A5; JPS5737827B2; FR2218570B1; JPS49107772A; NL7401981A; IT1027517B; GB1451286A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Geschwindigkeitsprofils eines Wellenstreuzonen mitführenden fließenden Fluides durch Bestrahlen des Fluides entlang einem Bestrahlungsweg mit impulsförmigen Schall-, Ultraschall- oder elektromagnetischen Wellen und Auffangen von von den Wellenstreuzonen reflektierten Wellen, wobei ein erster Impuls gesendet wird, eine erste Gruppe von Echowellen aufgefangen wird, die in Abhängigkeit vom ersten Impuls von mehreren Wellenstreuzonen reflektiert werden, ein zweiler Impuls gesendet wird, eine zweite Gruppe von Echowellen aufgefangen wird, die in Abhängigkeit vom zweiten Impuls von den mehreren Wellenstreuzonen reflektiert werden, und wobei der erste und der zweite gesendete Impuls von derselben Quelle ausgesendet werden, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

L'ltraschall-Dopplerverfahren werden bereits seit einiger Zeit zur Messung von Durchflußgeschwindigkeiten

5υ verwendet. Das Grundprinzip dieser Geräte ist das folgende:

Ultraschallwellen werden auf ein bewegtes Fluid eingestrahlt und die von Streuzentren reflektierten Wellen werden von einem Ultraschallwandler empfangen. Wenn sich das Fluid bewegt, so haben die empfangenen Wellen eine Frequenz, die verschieden von der Sendefrequenz ist. Die Größe dieser Frequenzverschiebung, der sogenannten Doppler-Frequenzverschiebung, ist dabei proportional zur Geschwindigkeit des Fluids. Somit kann durch Messung der Doppler-Frequenzverschiebung die Durchflußgeschwindigkeit bestimmt werden.

Bei den einfachsten Doppier-Durchflußgeschwindigkeitsmeßgerälen wird von einem Ultraschallwandler eine kontinuierliche Ultraschallwelle ausgesendet und das reflektierte Signal von einem zweiten Wandlerempfangen (z.B. P. N. T. Wells. »Physical Principles of Ultrasonic Diagnosis«, Academic Press, London, New York 1969, pp. 193-209).

μ) Dabei erhält man ein Spektrum von Doppler-Frequenzverschiebungen, die den verschiedenen Werten der Punktgeschwindigkeil des Fluids entlang des Ultraschallslrahles entsprechen. Die Information über die räumliche Verteilung dieser Punkigeschwindigkeiten gehl dabei verloren.

Bei einem weiterentwickelten Gerät (z.B. P. Peronneau, J. Hinglais, M. Pellet & F. Leger: »Velocimetre sanguin par effet Doppler a emission ultra-sonore pulsee«, L'Onde Electrique, Vol. 50, Fase. 5,369-389, Mai

s5 !97G) wird eine gepuiste Ultraschallweüe verwendet. Man betrachtet die reflektierte Welle nur während einer kurzen Zeit zu einem bestimmten Zeilpunkt nach dem Senden des Pulses. Das heißt, daß man nur das Echo von einem Punkt in einem bestimmten Abstand vom Ultraschallwandler betrachtet und man die Geschwindigkeit an einem bestimmten Punkt der Strömung erhält. Vielfach interessiert aber das Geschwindigkeilsprofi^d. h. die

Geschwindigkeit als Funktion des Abstandes vom Wandler. Dieses (ieschwindigkcitsprofil kann zwar mit dem soeben beschriebenen Gerät gemessen werden. Dies ist aber sehr zeitraubend, da das Geschwindigkeitsprofil Punkt Tür Punkt gemessen werden muß.

In einem daraus wcitcrcntwickelten Gerät (z. B. F. D. McLeod. M. Anlikcr, »Λ Multiple Gate Pulsi Doppler Flowmeter«, 19⁷I IF.KF. Ultrasonics Symposium, Miami Beach, Florida) werden auf der F.mpfangsscite η paral-IeIe Kanäle verwendet, und man erhält so ein Geschwindigkeitsprofil mit η Gcschwindigkcitswcrten. Es ist klar, daß ein solches Gerät sehr komplex wird, wenn man eine vernünftige Auflösung des Geschwindigkeitsprofils in /um Beispiel 10- 20 Geschwindigkeitswerte verlangt.

ΛΙ'.-jn bisher beschriebenen Verfahren ist gemeinsam, daß die Dopplerfrequenz dadurch erhalten wird, daß man d.is empfangene Signal mit einer Spannung mischt, die vom Sendeoszillator erhalten wird. Diese Spannung hat dieSendefrcquen?.. F.s ist außerdem ein derartiges Verfahren bekannt (DE-OS 17 66 121), bei dem das Echosignal mit einer Oszillatorfrequenz gemilcht wird, die von der Sendefrequenz verschieden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches mit kleinerem apparativen und zeitlichen Aufwand die schnelle Ermittlung eines Geschwindigkeitsprofiis eines Fluids ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch I gelöst.

FJnc Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in Anspruch 17 gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der apparative Aufwand und der /eitmilwand pro Messung wesentlich reduziert werden. Während bei den bisher bekannten Vorrichtungen ein :o vollständiges Meßsystem pro Punkt des ermittelten Geschwindigkeitsprofiis erforderlich war. genügt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein einziges Meßsystem zur Ermittlung eines ganzen Profils, wobei die Anzahl der ermittelten Punktgeschwindigkeiten pro Profil durch die Speicherungskapazität der verwendeten Verzögerungsleitung gegeben ist. Der zeitliche Aufwand wird dadurch reduziert, daß ein ganzes Profil mit nur zwei Wellenimpulsen gewonnen werden kann. Im Gegensatz zu den konventionellen Dopplerverfahren (Zählung der :? Nulldurchgänge, wobei A i_ml„ — MAf) ist der minimale Zeitaufwand pro Messung, Δ f„„„, nicht durch die Doppler-Frequcnzabweichung, Af, begrenzt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand von Figuren erläutert.

Hierbei zeigt:

Fig. I das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der gesendeten Signale und der Echosignale.

F'g. 3a ein Diagramm zur allgemeinen Darstellung des Ausgangssignals der Vorrichtung der Fig. 1.

Fig. 3b ein Diagramm zur Darstellung eines Sonderfalles der in Fig. 3a dargestellten Funktion.

Fig. 4 das Blockschaltbild einer ersten Variante der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung eines Einzelfalles der das Ausgangssignal der Vorrichtung der Fig. 4 darstellenden Funktion.

Fig. 6 das Blockschaltbild einer zweiten Variante der in Fig. I dargestellten Vorrichtung.

Fig. 7 das Blockschaltbild einer Variante der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 8 ein Vektordiagramm zur Darstellung eines Vektors, D (/), dessen zeitliche Drehung mit der Punktgeschwindigkeit Vx verbunden ist. ^ 4(i

Fig. 9 ein Diagramm zur Darstellung der Funktion \D(t) - D{t-T)\.

Fig. 10 ein Diagramm zur Darstellung eines Sonderfalles dies Ausgangssignal.sder in Fig. 6 und 7 dargestellten Vorrichtungen.

Fig. Il das Blockschaltbild einer dritten Variante der in Fig. I dargestellten Vorrichtung.

Fig. 12 ein Diagramm zur Darstellung eines Sonderfalles des Ausgangssignals der in Fig. 11 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 13 das Blockschaltbild einer Variante der in Fig. 11 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 14 ein Diagramm zur Darstellung eines Sonderfalls des Ausgangssignals der in F i g. 13 dargestellten Vorrichtung.

Durch die in Fig. 1 dargestellte Meßeinrichtung wird ein Geschwindigkeitsprofil der durch ein Rohr 1 fließenden Flüssigkeit 2 ermittelt.

Die Meßvorrichtung besteht aus den folgenden Elementen. Ein Ultraschallwandler 3 für Senden und Empfang, der eine günstige Lage zur Bestrahlung der fließenden flüssigkeit aufweist, und der mit einem gepulsten Sender4 und dem Eingang zu einem Verstärkers bestimmt ist. Ein Mischer7, der mit einem Referenzoszillator 8 und über den Begrenzer 6 mit dem Verstärker 5 verbunden ist. Ein Filter 9, der den Ausgang des Mischers 7 mit den Eingängen zu einer Verzögerungsleitung 10 und zu einem Phasenverschieber 11 verbindet. Ein Multiplikator 12, der mit. den Ausgängen dieser beiden Einheiten und mit einem Tiefpaßfilter 13 verbunden ist.

Die Funktionsweise dieser Meßvorrichtung kann wie folgt erläutert werden.

Der gepulste Sender 4 (Fig. 1) erregt den Ultraschallwandler 3 mit einem Signal a, das aus kurzen Pulsen der Kreisfrequenz Q₀ besteht. Die Wiederholungsperiode dieser Pulse ist T. Das gesendete Signal α ist in der FI g. 2 dargestellt. Der Ultraschallwandler sendet einen Ultraschallimpuls, der sich in der Flüssigkeit 2 mit einer Geschwindigkeit c fortpflanzt. Punkt P steilt ein Streuzentrum der schallstreuenden Flüssigkeit dar, Ψ die Geschwindigkeit dieses Punktes und Vx die Projektion dieser Geschwindigkeit auf eine Achse, die parallel zur Schallfortpflanzungsrichtung liegt. Der Abstand zwischen P und dem Wandler ist .v.

Das elektrische Signal, das dem Wandler während der Sendephasc angelegt ist, ist ein kurzer Impuls mit der Kreisfrequenz 1I₀- Während der Dauer dieses Sendeimpulses kann man das Signal a so schreiben:

a = «,ι sin Ii₁/ (I)

mit a₀= Amplitude des Signals
5 Vom Punkt P der schullstreuenden Flüssigkeit empfängt der Ultraschallwandler ein Echosignal:

a' = αό sin Ii₀ (/-;) (2)

Dieses Signal ist in der Fig. 2b dargestellt. Die Verzögerung ι ist die Laufzeit des Schallimpulses aul'der IO Strecke Wandler - P und zurück. Diese Verzögerungszeil ist gegeben durch:

15 Wenn P sich bewegt, ist diese Verzögerung / zeitabhängig. Ihre Ableitung nach der Zeit kann man so schreiben:

4l ₌ I^

Das Echosignal ά wird dann verstärkt durch den Verstärker 5 und begrenzt durch den Begrenzer 6 in der

Die Phasenverschiebung des Verstärkers 5 und des Begrenzers 6 soll unabhängig von der Amplitude des Hingangssignals sein. In den folgenden Rechnungen wird angenommen, diese Phasenverschiebung sei Null; diese 2> Annahme begrenzt indessen die Gültigkeit der Rechnungsergebnisse nicht. Hs wird auch angenommen, daß die Amplitude des vom Begrenzer abgegebenen Signals gleich 1 sei. Man hat dann

a" = sin Us, (/-/) (5)

.ίο Der Referenzoszillator 8 gibt ein Referenzsignal b mil einer Kreisfrequenz U₁:

b = sin i»| / _ (6)

Auch hier ist es zweckmäßig. Tür die Rechnung die Amplitude des Signals b gleich 1 zu wählen. Die Annahme, 35 die Amplitude der Signale a" und b sei gleich 1, begrenzt die Gültigkeit der Rechnungsergebnisse nicht.

Die Signale a" und b werden zunächst in dem Mischer 7 gemischt. Am Ausgang dieser Mischstuie erhält man folgendes Signal:

a" ■ b = d = sin U₀ (/-/) ■ sin Ll₁1 (7)

d = -τ- [cos(Ii₀ 1 - IiOf-UiV)-COS(Ii₀/ - Ii₀ / +Ui /)] <8)

Dieses Signal d enthält zwei Frequenzbänder. Der Filter 9 läßt nur eines von diesen durch, ι. B. das niedrigere 45 Frequenzband. In diesem Fall erhält man am Ausgang des Filters ein Signal:

/= y COS(Ii₀ ί - U₁ ί -< >(,/) (9)

50 Dieses Signal/ wird am Eingang der Verzögerungsleitung 10 angelegt. Die Laufzeit dieser Verzögerungsleitung ist gleich der Pulswiederholungsperiode T des gepulsten Senders. Am Ausgang dieser Verzögerungsleitung erhält man also ein verzögertes Signal:

_ss Λ =ycos[U₁₁(/-7')-U_I(/-r)-ii₀/, ,] (10)

Durch die Schreibweise /, bzw. ι, , wird die Zeitabhängigkeil der Laufzeit ausgedrückt.
Das Signal/ wird außerdem in einem Phasenschieber 11 um φ phasengeschoben. Von diesem Phasenschieber erhält man also ein Signal:

in =- — COs[U₀/-u, ί-U₁, / -φ\ (H)

65 Die Signale // und m werden für alle ankommender Txhosignale auf diese Weise gebildet.

Kennzeichnend für das hier beschriebene Verfahren ist, daß das einem gegebenen Sendeimpuls entsprechende Signal Λ mil einem dem nachfolgenden Sendeimpuls entsprechenden Signal //;, im Multiplikator 12, multieliziert wird.

Am Ausgang dieses Multiplikators erhiilt man das Produkt:

/im-/; (12)

/ι = 4- |cos|(ii, - L^)T + Ll₀(ι, -r, ■,·· + φ] + cos[2(lJ,, - ij,)/ + (ij, - IJ_n) T- Ii₀(Z, - r, ,) - p]i (13)

Der Tiefpaßfilter 13 eliminiert das obere Frequenzband dieses Signals n. Wenn der Faktor 1/8 außer Betracht gelassen wird, erhält man also am Ausgang des Tiefpaßfilters ein Signal:

ίο ρ = COSi(U, -IJ₀) T + 1J₀(/,-/, ,) + φ\ (14)

Wenn die Bewegung des Punktes P gleichförmig ist, kann man schreiben:

Das heißt, nach (4):

2 Kv - ,,.,

f, ; = ', T (16)

Nach (KjV und (16) kann man also schieihen:

ρ = cos J[UJ₁ - Li_n) T+ φ\ + ^aL Kv] (17)

Fig. 3a zeigt eine Darstellung der Gleichung (17).

Aus der Gleichung (17) ist ersichtlich, daß das Signal ρ eine sinusförmige Funktion der Geschwindigkeit eines Punktes P einer schallstreuenden Flüssigkeit darstellt. Werden die Parameter IJ_n, IJ,, T und φ so gewählt, daß Jn die Bedingung

- [UJi-IJ₁₁) T + <p\ - ± y +2Kn (18)

mit K = ganze Zahl ΐ 0
erfüllt wird, dann erhält man nach (17) und (18):

Fig. 3 b zeigt die Darstellung der Gleichung (19), wenn die Bedingung (18) mit positiven Vorzeichen erfüllt wird. Aus dieser Darstellung ist es anschaulich, daß die Meßvorrichtung der Fig. 1 als flußrichtungsempfindlicher Flußgeschwindigkeitsmesser funktionieren kann, wobei die Messung nur für Geschwindigkeiten

^ (20)

eindeutig ist. Typische Werte von c, ti,, und T bei der Messung von Geschwindigkeitsprofilen in Arterien sind:

c « 1500 m/s

L!f, « 2 π (2 bis 20 MHz)

T *= von ca. 10 u.s bis einige !00 ;j.s

Da in dem bisher beschriebenen Verfahren das die Geschwindigkeitsinformation tragende Signal durch Bildung des Produktes von zwei anderen Signalen gewonnen wird, werden dieses und die daraus abgeleiteten Verfahren, hier kurz als multiplikative Verfahren bezeichnet.

Bis jetzt wurde nur die Berechnung der Geschwindigkeit eines einzigen Punktes P behandelt. Da die Verzöge- t>o rungsleitung 10 die Echos von sämtlichen Reflektoren entlang des Schallstrahles speichert, erhält man mit diesem Verfahren die Geschwindigkeit von allen Reflektoren im Strahl. Dies ermöglicht, z. B. ein ganzes Gesehwindigkeitsprofil auf dem Schirm eines Kathodenstrahloszillographen darzustellen.

Unter Berücksichtigung der Bedingung (18) und durch geeignete Wahl der Werte von U_n, iii, T und φ kann man zu verschiedenen Ausfühmngsformen der Meßvorrichtung der Fig. 1 gelangen. Wenn z.B.

(H₁ -ίίο) T= ± y + 2 Kπ und φ - 0, (21)

dann erübrigt sich ein Phasenschieber.

Eine andere Möglichkeit wäre z.B.: I

(U₁-^i₀) T= IkXWa₉ = ±y (25)

Man kann auch ohne Zwischenfrequenz arbeiten (Ui = 0), dadurch könnte man auf Referenzoszillator 8, Mischer 7 und Filter 9 verzichten. In diesem Fall würde man die Bedingung (18) so schreiben:

(ϋΓ+»)=± + 2Α:η· (26)

Alle bisher erwähnten Varianten der Meßvorrichtung in der Fig. 1 bleiben für iii = 0 gültig. Si Der Phasenschieber 11 in der F ig. 1 kann auch an anderen geeigneten Stellen eingesetzt werden, z.B. vor oder ·

nach der Verzögerungsleitung IQ. £

Eine wichtige Variante der Meßvorrichtung der F i g. 1 ist in der F i g. 4 dargestellt. In dieser Variante werden i|

die Signale h und m mittels zweier Begrenzer 14 bzw. 15 begrenzt. Dadurch erhält der Multiplikator 12 recht- f;!

Reckige Signale W und m', anstatt der sinusförmigen Signale h und m. Man kann beweisen, daß das Ausgangs- v;

signal /»'. am Ausgang des Tiefpaßfilters 16, eine dreieckige Funktion von Vx ist. Diese Funktion ist in der F i g. 5, ^j

| zu für die Fälle dargestellt, bei denen die Bedingung (18) erfüllt wird. Es ist daraus ersichtlich, daß in diesem t-aii /i

das Ausgangssigoal p' praktisch eine lineare funktion von Vx, in dem durch (20) definierten Bereich, ist. _:

In der Anordnung der F i g. 4 können auch eine Vielzahl von Änderungen vorgenommen werden. So z. B., kön- _;;.

nen die Begrenzer 14,15 vor oder nach der Verzögerungsleitung 10 bzw. vor oder nach dem Phasenschieber 11, \ ·

eingesetzt werden. Mj

F i g. 6 zeigt eine weitere Variante der Meßvorrichtung der F i g. 1. Hier wird die Phasenverschiebung mittels S3

zweier Referenzsignale b und b' aus einem Referenzoszillator 17 erreicht. Diese Signale müssen die gleiche Fre- ■

quenz haben und eine Phasenverschiebung φ zueinander aufweisen. v,

Eine interessante Ausführung der in F i g. 6 dargestellten Anordnung ergibt sich, wenn b und b' die Kreisfre- ;

quenz lio haben und eine Phasenverschiebung von /r/2 zueinander aufweisen. In diesem Fall liefert der Refe- f i

3u renzoszillator 17 also zwei Signale: 1

b = sin U₀/ 1 ₍₂₇₎ I

b' = cos Li₀1 J £,!.

Auch hier ist es zweckmäßig, für die Rechnung die Amplituden gleich I zu wählen. Zunächst wird die Funk- ^i

tionsweise dieser Anordnung (Fig. 6) erläutert. ka

Das Signal a" wird mit b und b' im Mischer 18, beziehungsweise 19, multipliziert. An den Ausgängen dieser Vj Mischer sind folgende Signale vorhanden: ; ^:

d= a" ■ b = sini2o(f-r) " sin Ii₀/= 1/2 cos Iz₀/ - 1/2 cos (2U₀/-Ii₀') ] e = a" ■ b' = sin IJ₀(Z- r) · cos Ii₀/ = i/2 sin Ii₀/ + 1/2 sin (2Ii₀Z-Ui/) J

Diese Signale werden dann durch Tiefpaßfilter 20 und 21 abfillriert, das Frequenzband um 214, fällt weg und nur folgende Signale werden durchgelassen:

g = 1/2 sin Ii₀/,

Durch die Schreibweise /, wird die Zeitabhängigkeit der Laufzeit / ausgedrückt.

Diese beiden Signale/ und g, die am Ausgang des Filters 20 und 21 vorhanden sind, werden dann durch die Verzögerungsleitungen 22 und 23 verzögert. Auch hier ist die Verzögerungszeil gleich der Pulswiederholungsperiode T des Senders. An den Ausgängen der Verzögerungsleitungen sind folgende Signale vorhanden:

h = 1/2 cos Ii₀/, , } / = 1/2 sin Ii₀ /, y J

Durch die Einführung von /, _; nach der Gleichung (16) in (30) erhält man:

1/2 cos

i = 1/2 sin U₀

, Γ,, - 1^- ■ Γ L - — ■ Γ

= 1/2 cos

L- * ν ' r

(31)

- 1/2 sin

Man kann die Signale/ und «als Komponenten eines Vektors D betrachten, h und / wären, in diesem Falle, die Komponenten des gleichen Vektors D. aber T Sekunden vorher, d.h.:

D U) = if.g) \ DU-T) = (Λ./) ί

(32)

Diese Vektoren sind in der F i g. 8 dargestellt. Die Änderung des Vektors von Puls zu Puls kann als Drehung des Vektors aufgefaßt werden. Die Drehung erfolgt mit der Kreisfrequenz <a, wobei

ν (33)

Diese Kreisfrequenz ω ist also proportional zur Punktgeschwindigkeit Kv. Die Ermittlung von ω und dadurch von Kx-kann mittels einer Rechnereinheit 24 in verschiedenen Formen durchgeführt werden. Man kann z. B. die Geschwindigkeit mit Betrag und Richtung durch Bildung des Vektorproduktes

P = DU)XD(I -T)

gewinnen. ^ _^

\P j sei die Projektion von P auf eine Achse, die parallel zum Vektor P liegt. Dann hat man:

P = DU)X DU-T) "(f.g)X(h.i)

nach den bekannten Regeln der Berechnung von Vektorprodukten. Die Zwischenprodukte sind:

(34)

(35)

(36)

A- = β = - 1/4 cos (U_nT) sin Zu₀ - -^- ΤίΛ = - l/sfsin

(37)

IQ

15

20

25

30

J= hg - -

',TU₀ Vl

Am Ausgang der Rechnereinheit 24 erhält man in diesem Fall ein Signal / = l/³'! = Jt-/ - β-hg = 1/4 sin Κ.Λ

/ _a sin

(38)

(39)

(40)

Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß auf diese Weise die Geschwindigkeit eines Punktes mit Betrag und Richtung (Vorzeichen) errechnet werden kann.

Das Diagramm der Fig. 3 b stellt a^uch die Funktion nach der Gleichung (40) dar.
Die algebraische Länge,| P\, von P kann auch durch Bildung des Skalarproduktes

40

45

DU)-EU- T)

ernvlttclt werden, wenn der Vektor E als EU - T) = (/. -Λ)

definiert wird.
Es gilt:

DU) ■ KU - T) - (T. κ) ■ (/. Ίι) - β - hg - I /'Ί

(41)

(42)

(43)

Der Betrag und die Richtung der Geschwindigkeit könnten auch separat errechnet werden. Der Betrag zum Beispiel nach der Gleichung: <ö

\DU) - DU

. μ T sin

-2\n\

-.-IkLv_x

sin

(44)

da die Amplitude des DifTerenzvektors [DU) -DU - T)] proportional zum Winkel ω T ist, solange ω Τ klein genug bleibt.

Die Richtung (Vorzeichen) der Geschwindigkeit kann z.B. durch Bjjdung ejnes Vektorproduktes oder mit e|nem Richjungskomparatpr ermgielt werden, der die Richtung von [D U\~ D (4- T)\ mit der Richtung von D U) oder D U - T) oder [D U)+D U - T)] vergleichen kann. F i g. 9 zeigt | D U) -DU-T)I in Funktion von Vx. Es ist daraus ersichtlich, daß die Messung des Geschwindigkeitsbetrags nur für Geschwindigkeitsbeträge

.15 40 45

t>o

eindeutig ist. .

Die Referenzfrequenz (Frequenz der Signale des Oszillators 17) in der Anordnung der Fig. 6 kann auch verschieden von der Sendefrequenz Ll₀ sein. Wenn die Referenzfrequenz gleich (Li₀ +A Ll) ist, kann man zeigen, daß mit dem Verfahren nach der Gleichung (44) (Berechnung des Betrags) das folgende Ausgangssignal gewonnen wird:

. f ALlT , Li₀T .. \

sin — 1- —-— Vx

\ 2 c /

20 Für eine Geschwindigkeit K, = 0 ergibt dieses Verfahren ein ALlT

I =

sin

:? Das Ausgangssignal / als Funktion der Geschwindigkeit Vx ist für dieses Verfahren in F i g. 10 dargestellt. Für Geschwindigkeitsprojektionen V_x, die zwischen

2 U₀

und

2Ll₀T

liegen, gibt das Verfahren eine Information, die den Betrag und die Richtung von K_v enthält. Mit diesem Verfahren kann man dann die Richtung des Flusses ermitteln, ohne daß ein Vorzeichen separat gerechnet werden muß.

Die Gleichungen (29) und (30) neigen, daß die Signale/ und g bzw. h und /jeweils durch einen Sinus und einen Kosinus des gleichen Winkels dargestellt werden können. Mun hai also:

und

2g = ± V\-4/² \ 2i = ± Vl-Ah¹- J

Demnach braucht man z. B. nur das Signal/ durch eine Verzögerungsleitung zu speichern; die untere Verzögerungsleitung der F i g. 6 könnte vereinfacht werden, um nur das Vorzeichen von g, bzw. / zu übertragen, χ und ; könnte man nach den Gleichungen (47) errechnen.

F i g. 7 zeigt eine Variante der Anordnung der F i g. 6, welche nur eine Verzögerungsleitung 25 benutzt. In dieser Anordnung wird das Signal a" verzögert, das verzögerte Signal a'" mittels Mischer 28 und 29 mit b bzw. b' gemischt und die niederfrequenten Anteile der beiden Produkte, in diesem Fall die Signale h und /, am Ausgang der Tiefpaßfilter 30 bzw. 31 erhalten.

Fig. 11 zeigt eine weitere Variante der Meßvorrichtung der Fig. I. Der wesentliche Unterschied liegt darin, daß man in dieser Anordnung, mittels eines Addierers S-2, die Summe der Signale /; und m bildet. Das Summcnsignal q ist

mit

A = cos

_s Γ 2 (U,-U₁

B =

^(1J| ~^{Kk) T}

Das Summunsignal q wird zu einem Gleichrichter 33 geführt, dessen Ausgangssignal /einem Filier 34 übertragen wird. Das Ausgangssignal .v des Fillers 34 kann mun so ausdrücken:

cos(ii| -IJ₁₁)T

10

Unter Berücksichtigung der Cileichung (16) kann man schreiben:

ErIuIIt man die Bedingung

2- = ±± + 2K,r 2 2

mit K = ganze Zahl 3:0, dann erreicht man das in der Fig. 10 dargestellte Ergebnis, d.h.

(50)

(51)

.s = sm

(52)

mit Δ Ll = 12, - Ωό Die Erfüllung der Bedingung

führt zu dem in der Fig. 12 dargestellten Ergebnis, d.h.

sin

Vx

(53)

(54)

2 2 γ

Der Ausgangsaddiercr 41 bildet das Dilfcrcnzsignal

(56)

u ~ r - r

in

20

25

30

In diesem Fall aber erhält man nur den Betrag der Geschwindigkeit ohne ihre Richtung (Vorzeichen).

Fig. 13 zeigt eine interessante Variante der in Fig. 11 dargestellten Anordnung. Hier werden im Addierer 35 und 36, die Summe bzw. die Differenz der Signale h und m gebildet. Die so gebildeten Signale (Λ +m) und (h -m) werden dann mit Gleichrichter 37 bzw. 38 gleichgerichtet und mit Tiefpaßfilter 39 bzw. 40 gefiltert.

Wenn man für h und m gleiche Amplituden wählt, können die Ausgangssignale der Filter (39,40) so ausgedrückt werden:

(55)

(57) 45

Für die Fälle, bei denen die Bedingung gemäß der Gleichung (53) erfüllt wird, wird in Fig. 14 das Signal t/in Funktion von kvdargcstclit. Obwohl die Segmente dieses Diagramms, z. B. AB, eine große Linearität aufweisen, sind es, genau ausgedrückt, Segmente einer Sinuslunktion.

Die Anordnung der Fig. 13 würde auch für verschiedene Amplituden von h und m die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen, dann aber wäre das Ausgangssigna*- durch eine andere Funktion dargestellt.

Verfahren bei denen das die Geschwindigkeitsinformation tragende Signal durch Bildung der Summe von zwei anderen Signalen gewonnen wird, werden hier kurz uls additive Verfahren bezeichnet.

Alle oben beschriebenen Varianten und Sonderfälle der multiplikativen Verfahren können auch bei den additiven Verfahren angewendet werden.

Da in den obenerwähnten Verfahren oft eine Zwischenfrequenz (12| - Ll₀) gebraucht wird, scheint es angebracht, hier einige Richtlinien zur Bestimmung dieser Zwischenfrequenz anzugeben.

Alle die obenerwähnten Verfahren funktionieren mit einer gepulsten U/t^schallquelle. Die gepulste Natur der empfangenen Hchosignale erscheint (zwecks Vereinfachung der Darstellung) in den oben ausgeführten Rechnungen nicht. Da die Ultraschallimpulse sehr kurz sind, ist das empfangene Spektrum ziemlich breit. So hat z. B., wenn die Impulse eine Dauer von 0,5 |j.s haben, das empfangene Spektrum eine Breite von ungefähr 2 MHz. Man kann zeigen, daß, wegen dieser Verbreiterung des empfangenen Echospektrums, die Zwischenfrequenz (die Frequenz des Signals/ in unseren Beispielen) nicht kleiner als die Hälfte der Bandbreite dieses Spektrums sein darf. Nur wenn diese Bedingung erfüllt wird, bleibt die gesamte (.'urch Anwendung des DopplerelTckts gewonnene) Geschwindigkeitsinformation eindeutig in der Phase des Signals/ erhalten.

Will man mit einer /,wischenfrequenz arbeiten, die kleiner als die oben gegebene Grenzfrequenz ist, dann muß man mit zwei Proicktionen der Phase auf zwei Achsen der Phaserebene arbeiten. Dies wird z. B. bei dem in

Zusammenhangmit der Anordnung der Fig. 6 beschriebenen Verfahren gemuchl. Zwar werden in diesem Fall die Echosignale mit einer Frequenz Ll, = U₀ demoduliert, d. h. die Zwisehenfrequenz isl gleich Null, aber es wird mit zwei um /r/2 zueinander phasenverschobenen Signalen moduliert, wodurch immer zwei Projektionen der verschiedenen Vektoren gewonnen werden, so daß die Phaseninformation erhallen bleibt.
Über die möglichen Änderungen und Verbesserungen zu dem hier beschriebenen Verfahren und zu den Vorrichtungen zu deren Ausführung kann man folgendes erwähnen:

In der Anordnung der F i g. 1 könnte der Begrenzer 6 durch einen Verstärker mit automatischer Verstärkungseinstellung ersetzt werden.

In den Anordnungen der F ig. II und 13 könnte die Gleichrichtung durch andere nicht lineare Operationen ersetzt werden, z. B. durch quadratische Potenzierung.

In den oben beschriebenen Vorrichtungen (Fig. 1,4,11,13) kann der Phasenschieber Il durch einen Mischer

und einen Filter ersetzt werden. Durch den Mischer wird das Produkt gebildet aus dem Signal a" und einem zweiten Referenzsignal b\ das die gleiche Frequenz wie b hat und um φ relativ zu b phasenverschoben ist Durch den Filter wird eines derdurch Mischung erzeugten Frequenzbänder gewonnen. Das Ausgangssignal des Filters kann dann das Ausgangssignal des Phasenschiebers 11 ersetzen.

Die Phasenverschiebung φ, wenn sie nicht gleich Null isl, kann auch ohne den Phasenschieber H realisiert werden. Dafür genügt es, eine Verzögerungsleitung 10 anzuwenden, deren Verzögerungszeit leicht von der Pulswiederholungsperiode abweicht. So kann z. B. eine Phasenverschiebung von ± π/2 realisiert werden, wenn die

•γιι

Γ = T±~- (58)

(U, -Li₀) T =2 K π (59)

erfüllt werden, wobei:

.'•o T' = Verzögerungszeit der Verzögerungsleitung 10

T = Pulswiederholungsperiode der Ultraschallimpulse
T" = Periode der angewendeten Zwisehenfrequenz

= ^ln

In allen oben beschriebenen Vorrichtungen könnten die Echosignale verstärkt, aber nicht beeren/t werden. Im Falle der Vektorproduktmethode würde man am Ausgang des Addierers ein Signal erhalten, das nicht nur zur Geschwindigkeit V_x proportional ist, sondern auch zu|dP:

^rahnr Bejtret

.„_:era\D(t)\ ■ IDU-T)I

sin

2 V_xTiI

a\D?

sin

2VJv.

Ein zusätzliches System sollte dann noch gebaut werden, das das Ergebnis des Vektorproduktes durch | Z) p dividieren sollte.

Im Falle der Rechnung der Amplitude der Geschwindigkeit nach der Gleichung (46), muß man das Ergebnis der Differenz | DU) - DU - T)|noch durch | D\ dividieren.

Alle obenerwähnten Operationen (Addieren, Mischung, Multiplikation, Filtrierung, Verzögerung, usw.) sind mittels analogen, digitalen oder hybriden Schaltungen durchführbar.

Die Verzögerung der Signale kann mil sehr verschiedenen Methoden realisiert werden. Zum Beispiel können die Signale, in einer digitalen Form, in einem Schieberegister gespeichert und wieder abgelesen werden. Für diese Speicherung könnte man auch Magnetspeicher, Halbleiler-Schreib-Lese-Speicher (random-accessmemory), digitale Eimerkettenspeicher (Bucket-brigade delay line) oder ein digitales Ullraschall-Verzögerungsglied benützen. Die Verzögerung könnte auch analog gemacht werden, zum Beispiel mil einem analogen Eimerkeltenspeicher oder einer Ultraschall-Verzögerungsleitung.

wi Das in Zusammenhang mit der Anordnung der F i g. 4 beschriebene Verfahren läßl sich mit einer besonders einfachen digitalen Anordnung durchführen.

Die Linearität der hier beschriebenen Methoden könnte durch Gebrauch von mehreren in Serie verbundenen

Verzögerungsleitungen verbessert werden (»Multi-pulse Canceller«). Die gut bekannten Methoden derDigital-Filter-Technik könnten verwendet werden, um ein Multi-Verzögerungsleitungs-System zu bilden (siehe z.B.

H. lirkowitz: »Analysis and Synthesis of Delay Line Periodic Filters«, !RE Trans on Circuit Theory, Vol. CT-4,

41-53, June 1957).'

Man könnte auch eine zweiteilige Meßvorrichtung bauen. Der erste Teil würde die Echos, die durch bewegliche Reflektoren zurückgesandt werden, von denjenigen, die durch fixe Gegenstände reflektiert werden.

!rennen, indem die DilTcrcn/. zwischen den Echosignalen nacheinander folgender Sendeimpulse gebildet wird. Dadurch erhält man nur Signale, die den Echosignalen von sich bewegenden Punkten entsprechen. Der zweite Teil könnte am einer der oben beschriebenen Anordnungen bestehen, welche die Geschwindigkeit K₁ aus den vom ersten Teil abgegebenen Signalen ermitteln würde. Dieses Verfahren wäre vorteilhaft in Fällen, wo man feste Echos hat, die die Messung stören.

Obwohl in der vorstehenden F.rläuterung die Streuzentren durch Punkte dargestellt worden sind, sind sie ge^ucr genommen Zonen, die eine veränderliche Anzahl beweglicher Streuzentren enthalten. Deshalb weisen die empfangenen reflektierten Wellen nicht nur eine, die Geschwindigkeit einer dieser Zonen darstellende Dopplerfrequenz auf, sondern eine Anzahl anderer Dopplerfrequenzen, die die Bewegung der in der Zone enthaltenen Streuzentren darstellen und sich bei der Gewinnung eines Geschwindigkeitsprofils als Störsignale zeigen, die die Erkennung des Profils erschweren. Wenn die Veränderungen des Profils über mehrere Messungen vernachlässigt werden können, kann das Signal-Geräusch-Vcrhältnis des die Geschwindigkeitsinformation tragenden Signals verbessert werden, indem die erhaltenen Punktgeschwindigkeitswerte mittels einer geeigneten Rechnereinheit über mehrere Messungen gcmittclt werden, wodurch ein deutliches Profil gewonnen wird.

Außer der Messung von Geschwindigkeitsprofilen in Flüiden könnte man mit einem einfachen zusätzlichen Rechengerät (analog oder digital) aus dem Geschwindigkeitsprofil eine Durchflußmenge berechnen. Man kann also eine Meßeinrichtung dieser Art ergänzen und als Durchflußmcßgerät benutzen.

Das erfindnngseemiiße Verfahren läßt sirH sfilhstVfirsliinrtlirh nicht nur mi! 'JUraschäüWCÜcn, sondern such mit hörbaren Schallwellen oder mit elektromagnetischen Wellen durchführen. Ein Beispiel dafür ist die Messung der Punktgeschwindigkeit des Windes, die mit Lascr-Dopplcrgcriitcn durchgeführt werden kann. Wenn Lichtwcllcn verwendet werden, kann

1I₁₁ -In ·./)., (61)

worin l) - Lichtfrcqucnz, oder

% - 2,7-./„, (62)

sein, worin/,, ^: eine Mod ulationsl'reciiienz, die kleiner alsy; ist. Die Durchführung des Verfahrens mit U₁₁ = 2.-/.,. isl viel einfacher als die mit «j,, - 2 /r/>.-

Der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung umfaßt alle Anwendungen, in denen die räumliche Verteilung der Punktgeschwindigkeit eines Fluids und/oder dessen Durchflußmcngc gemessen wird. Den medizinischen Anwendungen kommt eine besondere Bedeutung zu, denn durch Messungen von Geschwindigkeitsprofilen und Durchflußmcngcn kann man ü. a. die Herzfunktion, den Zustand wichtiger Gefäße und die Funktion von künstlichen Herzklappen am besten beobachten und beurteilen.

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen eines Geschwindigkeitsprofils eines Wellenslreuzonen mitführenden fließenden Fluides durch Bestrahlen des Fluides entlang einem Bestrahlungsweg mit impulsförmigen Schall-, Ultraschall- oder elektromagnetischen Wellen und AufTangen von von den Wellenstreuzonen reflektierten Wellen, bei welchem Verfahren ein erster Impuls gesendet wird, eine erste Gruppe von Echowellen aufgefangen wird, die in Abhängigkeit vom ersten Impuls von mehreren Wellenstreuzonen reflektiert werden, ein zweiter Impuls gesendet wird, eine zweite Gruppe von Echowellen aufgefangen wird, die in Abhängigkeit vom zweiten Impuls von den mehreren Wellenstreuzonen reflektiert werden, wobei der erste und der zweite gesendete

ίο Impuls von derselben Quelle ausgesendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gruppe reflektierter Wellen darstellende Signale (A, _m) mit die zweite Gruppe reflektierter Wellen darstellenden Signalen kombiniert werden, um ein Signa! (p) zu erzeugen, dessen Amplitudenänderung in der Zeil dem Geschwindigkeitsprofil des Fluides entspricht, wobei beim Erzeugen des das Geschwindigkeitsprofil darstellenden Signals der momentane Amplitudenwert dieses Signals von einer entsprechenden Laufzeitdifferenz zwischen einer ersten und einer zweiten Echowelle abgeleitet wird, die durch Reflexion des ersten und des zweiten gesendeten Wellenimpulses an im wesentlichen ein und derselben Wellenstreuzone (P) entstehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ableiten des momentanen Amplitudenwertes des das Geschwindigkeitsprofil darstellenden Signals (/?) von der ersten und der zweiten Echowelle je wenigstens ein Signal abgeleitet wird, das die Phaseninformation der zugehörigen Echowelle trägt, und die abgeleiteten Signale (A, m) verarbeitet werden, um ein Signal zu erzeugen, das die Laufzeildifferenz zwischen der ersten und der zweiten Echowelle darstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ableiten des die Phaseninformation der Echowelle tragenden Signals jede Echowelle in ein elektrisches Signal (a") umgewandelt wird, das elektrische Signal (α") mit wenigstens einem Referenzsignal (b) gemischt wird, und aus dem so gewonnenen Ausgangssignal (d) eine Frequenzkomponente (J) ausgefiltert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal («") mit zwei Referenzsignalen (6, b') gemischt wird, welche dieselbe Frequenz haben und zwischen denen eine konstante Phasendifferenz besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ableiten des die Phaseninlbrmalion der Echowelle tragenden Signals jede Echowelle in ein elektrisches Signal (a") umgewandelt wird und letzteres um eine Zeitspanne verzögert wird, die ungefähr gleich ist dem Zeitintervall zwischen dem ersten und dem zweiten gesendeten Wellenir.puls, das verzögerte elektrische Signal (a'") mit wenigstens einem Referenzsignal (b) gemischt wird, und aus dem so gewonnenen Ausgangssignal eine Frequenzkomponente (A) ausgefiltert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das verzögerte elektrische Signa! [a'") mit zwei Referenzsignalen (b. b') gemischt wird, welche dieselbe Frequenz haben und zwischen denen eine konstante Phasendifferenz besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verarbeiten der von den Echowellen abgeleiteten Signale das von der ersten Echowelle abgeleitete Signal (/") um eine Zeitspanne verzögert wird, die

ungefähr gleich ist dem Zeitintervall zwischen dem ersten und dem zweiten gesendeten Wellenimpuls.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verarbeiten der von den Echowellen abgeleiteten Signale ferner das Produkt (n) aus dem verzögerten, von der ersten Echowelle abgeleiteten Signal (A) und dem von der zweiten Echowelle abgeleiteten Signal (m) gebildet wird und aus dem Produkt (n) eine Frequenzkomponente (p) ausgefiltert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verarbeiten der von den Echowellen abj geleiteten Signale ferner ein Signal {/) gebildet wird, das eine lineare Funktion des verzögerten, von der 'S ersten Echowelle abgeleiteten Signals (A) und des von der zweiten Echowelle abgeleiteten Signals (/«) darstellt, und aus dem gebildeten Signal eine Frequenzkomponenle (.y) ausgewittert wird.

k] 5° Ό. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dali das gebildete Signal (</) durch eine nichl-

h lineare Operation in seiner Wellenform modifiziert wird.

ι 11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verarbeiten der von den Echowellen

'{'■■': abgeleiteten Signale die Phase eines abgeleiteten Signals um einen vorbestimmten Betrag verschoben wird.

ί'; 1-· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verarbeiten der von den Echowellen

'■■'■ 5? abgeleiteten Signale die abgeleiteten Signale zu Rechteckwellen umgeformt werden.

L 13. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verarbeiten der von den Echowellen

ί abgeleiteten Signale ferner die Summe des verzögerten, von der ersten Echowelle abgeleiteten Signals (/;)

; und des von der zweiten Echowelle abgeleiteten Signals (m) sowie die Differenz zwischen den Signalen (A, m)

: . gebildet wird und sowohl das Summen- als auch das Differenzsignal durch eine nichtlineare Operation in sei-

! 60 ner Wellenform modifiziert wird, aus den sich ergebenden Signalen die niederfrequenten Komponenten

Y'. (r, /■') ausgefiltert werden, und die Differenz zwischen den niederfrequenten Komponenten (/·, r) gebildet

wird.

14. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ableiten des momentanen Amplitudenwertes des das Geschwindigkeitsprofil darstellenden Signals

ιό aus jedem durch das Mischen entstandenen Signal eine Frequenzkomponente ausgellllert wird, um ein

Signalpaar (/; χ) zu bilden,

das von der ersten hchowellc abgeleitete Signalpaar um eine Zeitspanne verzögert wird, die ungefähr gleich ist dem Zeitintervall /wischen dem ersten und dem zweiten gesendeten Wellenimpuls,

und mit dem verzögerten, von der ersten Echowelle abgeleiteten Signaipaar (h, /') ein erster Vektor und mit dem von der zweiten Echowelle abgeleiteten Signalpaar (f, g) ein zweiter Vektor definiert wird und der Geschwindigkeitswert in einem Punkt des Geschwindigkeitsprofils unter Benutzung beider Vektoren berechnet wird.

15. Verfahren nnch Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ableiten des momentanen Am- s plitudenwcrtcs des das Geschwindigkeitsprofil darstellenden Signals

aus jedem durch das Mischen entstandenen Signal eine Frequenzkomponente ausgcfilterl wird, um ein erstes Signalpaar (Λ, /) zu bilden,

das von der zweiten Echowelle abgeleitete elektrische Signal mit den beiden Referenzsignalen gemischt

wird, ίο

aus jedem durch das letztgenannte Mischen entstandenen Signal eine Frequenzkomponente ausgefiltert wird, um ein zweites Signalpaar (J, g) zu bilden,

mit dem ersten Signal paar (h, i) ein erster Vektor definiert wird,

mit dem zweiten Signalpaar (f, g) ein zweiter Vektor definiert wird,

und der Geschwindigkeitswert in einem Punkt des Geschwindigkeitsprofils unter Benutzung beider Vek- υ toren berechnet wird.

16. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erzeugen des das Geschwindigkeitsprofil darstellenden Signals für jeden Punkt des Geschwindigkeitsprofils Durchschnittswerte ermittelt werden.

17. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, die einen Sender zum Bestrahlen des Fluides mit impulsförmigen Wellen entlang einem Bestrahlungsweg und einen Empfänger -„m Auffangen von wenigstens zwei Gruppen von Echoweiien enthält, die in Abhängigkeit von einem ersten und einem zweiten gesendeten Impuls von mehrei^n Wellenstreuzonen reflektiert werden, wobei der erste und der zweite gesendete Impuls von derselben Quelle ausgesendet werden, gekennzeichnet durch eine Signalverarbeitungseinrichtung, die mit dem Empfänger (3) verbunden ist und die erste Gruppe reflektierter Wellen darstellende Signale mit die zweite Gruppe reflektierter Weller darstellenden Signalen zu kombinieren vermag, um ein Signal (p) zu erzeugen, dessen Amplitudenänderung in der Zeit dem Geschwindigkeitsprofil des Fluides entspricht, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen eines Signals hat, dessen momentaner Amplitudenwert die Laufzeitdifferenz zwischen entsprechenden Echowellen der ersten und der zweiten Gruppe reflektierter Wellen darstellt, wobei diese Echowellcn durch Reflexion des ersten und des zweiten gesendeten Impulses an im wesentlichen ein und derselben Wellenstreuzone (p) entstehen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des Signals, dessen momentaner Amplitudenwert die Laufzeitdifferenz darstellt, umfaßt:

eine Vcrstärkungs-, Begrenzungs- und Demodulationseinrichtung (Verstärker 5, Begrenzer 6, Mischer 7, Signalgenerator 8, Filter 9), die mit dem Empfänger (3) verbunden ist und die Phaseninformation der Echowcllen tragende Ausgangssignale (f) abzuleiten vermag,

eine Verzögerungseinrichtung (10), die an die Demodulationseinrichtung angeschlossen ist und deren Ausgangssignale um eine Zeitspanne zu verzögern vermag, die ungefähr gleich ist dem Zeitintervall /.wischen dem ersten und dem /weiten gesendeten Wellenimpuls, und eine Signalverarbeitungscinrichtung (Multiplikator 12, Filter 13) zum Verarbeiten des der ersten von den entsprechenden Echowellen entsprechenden Ausgangs (Λ) der Verzögerungseinrichtung (10) und des der zweiten von den entsprechenden Echowcllcn entsprechenden Ausgangs (/") der Demodulationseinrichtung, um den die Laufzeitdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Echowellc darstellenden momentanen Signal-Amplitudenwert zu erzeugen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulationseinrichtung umfaßt: einen Signalgenerator (8) zum Abgeben eines Referenzsignals (b),

einen mit dem Empfänger und dem Signalgenerator (8) verbundenen Mischer (7) zum Mischen der Echosignale {a") mit dem Referenzsignal (Λ),

und einen an den Mischer (7) angeschlossenen Filter (9), der eine der durch Mischen erzeugten Frequenzkomponenten auszuriltern vermag, um das Ausgangssignal (/) der Demodulationseinrichtung abzugeben.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung umfaßt:

einen an die Demodulationseinrichtung und an den Ausgang, jcr Verzögerungseinrichtung (10) angeschlossenen Multiplikator (12) zum Bilden des Produktes aus einem der ersten Echowelle entsprechenden Ausgangssignal (Λ) der Verzögerungseinrichtung (10) und einem der zweiten £chowelle entsprechendem Ausgangssignal (f) der Demodulationseinrichtung,

und einen mit dem Multiplikator (12) verbundenen Filter (13) zum Ausültern einer Frequenzkomponente (/>) des Produktes, die die Laufzeitdifferenz darstellt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungscinrichtung um- <>o fußt;

einen mit der Verzögerungseinrichtung (10) und der Demodulationseinrichtung verbundenen Addierer turn Bilden eines Ausgnngssignals(</), das eine lineare Funktion eines der ersten Echowelle entsprechenden Ausgangssignals (Λ) der Vcrzögerungseinrichlung (10) und eines der zweiten Echowelle entsprechenden Ausgangssignals (m) der Demodulaiionseinrichtung darstellt, einen Gleichrichter (33) zum Gleichrichten des Ausgangssignals des Addierers,

und einen mit dem Gleichrichter (33) verbundenen Filter (34) zum Ausfiltcrn einer Frequenzkomponente (?) aus dessen Ausgjngssignal (/·), die die l.auf/eitdiffercnz darstellt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einrichtung zum Erzeugen des Signals, dessen momentaner Amplitudenwert die LaufzeitditTerenz darstellt, umfaßt:
eine mit dem Empfänger (3) verbundene Demodulations- und Verzögerungseinrichtung, die ein erstes Ausgangssignalpaar (Λ, /), das die Phaseniiil'ormation der ersten von den entsprechenden Hchowellen tragt, und ein zweites Ausgangssignalpaar (J', g), das die Phaseninfbrmation der zweiten von den entsprechenden Echowellen trägt, abzuleiten vermag,

und eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten der Ausgangssignale der Demodulations- und Verzögerungseinrichtung, um den die Laufzeitdifferen/ darstellenden momentanen Signal-Amplituiienwert (1) zu erzeugen.

ίο 2}. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulations- und Verzögerungseinrichtung umfaßt:

an den Empfänger (3) und an einen Signalgenerator (17) angeschlossene Mischer (18,19) zum Mischen der Echosignale mit zwei Referenzsignalen {b, b'), welche dieselbe Frequenz haben und zwischen denen eine konstante Phasendifferenz besteht, um das zweite Ausgangssignalpaar (f, g) zu erzeugen,

und eine mit den Mischern (18,19) verbundene Verzögerungseinrichtung (22,23) zum Verzögern des Ausgangssignalpaares um eine Zeitspanne, die ungefähr gleich ist dem Zeitintervall zwischen dem ersten und dem zweiten gesendeten Wellenimpuls, um das erste Ausgangssignalpaar (Λ, /) zu erzeugen.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulations- und Verzögerungs-

cmi iCiiiüüg ümiaüi:

mit dem Empfänger (3) und mit einem Signalgenerator (17) verbundene erste Mischer (18,19) zum Mischen der Echosignale (α") mit zwei Referenzsignalen (b, b'), welche dieselbe Frequenz haben und zwischen denen eine konstante Phasendifferenz besteht, um das zweite Ausgangssignalpaar (J. g) zu erzeugen,
eine mit dem Empfänger (3) verbundene Verzögerungseinrichtung (25) zum Verzögern der Echosignale (α") um eine Zeitspanne, die ungefähr gleich ist dem Zeitintervall zwischen dem ersten und dem zweiten gesen-

:> deten Wellenimpuls,

und mit der Verzögerungseinrichtung (25) und dem Signaigenerutor (17) verbundene zweite M ischer (28,29) zum Mischen jedes verzögerten Echosignals (α'") mit den beiden Referenzsignalen (Λ, b'), um das erste Ausgangssignalpaar (/). /') zu erzeugen.

25. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung }o einen Rechne^r (24) aufweist, der jeden Funkt des Geschwindigkeitsprofils zu berechnen vermag und hierbei mit einem durch das erste Signalpaar (h, i) definierten ersten Vektor und einem durch daj zweite Signulpaar (J'. g) definierten zweiten Vektor operiert, um den die LuulzeitdilTerenz darstellenden momentanen Signal-Amplitudenwert zu erzeugen.

26. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung eine "o binrichtung aufweist, die für jeden Punkt des Geschwindigkeitsprofils Durchschnittswerte der erzeugten momentanen Signal-Amplitudenwerte zu ermitteln vermag.