DE69413543T2

DE69413543T2 - Verbesserungen bezüglich der überwachung von flüssigkeitsströmungen

Info

Publication number: DE69413543T2
Application number: DE69413543T
Authority: DE
Inventors: James Digby Yarlet Stanley House Wilburton Cambridge Cb6 3Pz Collier; Christopher Cambridge Cb4 5Sl Davies; Christopher James Newton Woburn Sands Buckinghamshire Mk17 8Pg Fryer; Alain Henri Stansted Montfitchet Cm24 8Au Waha
Original assignee: G Kromschroeder AG
Current assignee: Elster Kromschroeder GmbH
Priority date: 1993-08-02
Filing date: 1994-08-01
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2014-08-02
Also published as: WO1995004258A1; ES2122312T3; PL312833A1; EP0712486B1; DE69413543D1; AU7268994A; EP0712486A1

Description

VERBESSERUNGEN BEZÜGLICH DER ÜBERWACHUNG VON MEDIENSTRÖMUNGEN

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Überwachung von Medienströmungen sowie Mediendurchflußmeßgeräte.
Ein übliches Verfahren zur Überwachung von Medienströmungen beinhaltet die Überwachung der Laufzeit von Schallwellen zwischen zwei Wandlern, zwischen denen ein strömungsfähiges Medium strömt. Unter Vernachlässigung von Störeffekten in der Strömung ist die Zeit, die ein Schall- beziehungsweise ein akustisches Signal braucht, um von einem Wandler zum anderen Wandler zu gelangen, abhängig von der Entfernung "I" zwischen den beiden Wandlern, der Schallgeschwindigkeit "c" im strömungsfähigen Medium und der Geschwindigkeit "U", bei der das Medium gleichförmig strömt. Für die stromabwärtsseitige Laufzeit "T&sbplus;" gilt demnach:
Hierbei gibt "T+el" die elektrischen und sonstigen Verzögerungen in den Verarbeitungsschaltungen und den Wandlern an.
Ebenso gilt für die stromaufwärtsseitige Laufzeit "T".
Wenn die elektrischen Verzögerungen vernachlässigbar, bekannt oder gleichbleibend sind, dann kann "Tel" subtrahiert beziehungsweise vernachlässigt werden, und die Gleichungen 1 und 2 können anschließend dahingehend gelöst werden, daß man "c" eliminiert und "U" erhält.
Diese Situation entspricht sehr stabilen Wandlern, die in einem bekannten Gas oder mit einem schlechten Wirkungsgrad bei einem geringen Gütewert "Q" arbeiten.
Wenn besser abgestimmte Wandler eingesetzt werden, die bei geringeren Kosten einen besseren Wirkungsgrad bieten, verändert sich der Wert von "Tel" in Abhängigkeit von Zeit, Temperatur und Gaszusammensetzung. Er muß daher aus den Gleichungen eliminiert werden. Ein bekanntes Verfahren besteht darin, "c" zu messen, wie in GB-A-2259571 beschrieben, in dem ein Hilfswandler lediglich zu Kalibrierzwecken eingesetzt wird, um die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit "c" im Medium zu ermöglichen. Dies ist insofern nachteilig, als es den Einsatz eines zusätzlichen Wandlers und eine separate Kammer, in der die Messung erfolgt, erforderlich macht.
EP-A-0512455 offenbart ein Mediendurchflußmeßgerät, bei dem zwei Ultraschallwandler vorgesehen sind, die bei unterschiedlichen Frequenzen senden.
Erfindungsgemäß besteht ein Verfahren zur Überwachung eines entlang eines Weges zwischen ersten und zweiten Wandlern strömenden Mediums darin, zu veranlassen, daß akustische Signale vom ersten Wandler zum zweiten Wandler und vom zweiten Wandler zum ersten Wandler entlang jeweiliger erster und zweiter sich durch das Medium erstreckender Schallwege gesendet werden; der Überwachung der Laufzeiten der akustischen Signale entlang der beiden Schallwege; und der Herleitung von Informationen über die Strömung des Mediums aus den überwachten Laufzeiten und ist dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Schallwege verschiedene Längen haben.
Wie nachstehend noch näher erläutert wird, ist es möglich, durch die Überwachung der Laufzeiten von akustischen Signalen entlang zweier verschiedener Schallwege zwischen zwei Wandlern Informationen über die Mediendurchflußmenge unabhängig von den absoluten Werten der elektrischen Verzögerungen und der Schallgeschwindigkeit herzuleiten.
In einer Anordnung beinhaltet der zweite Schallweg einen Abschnitt, der von dem ersten Schallweg physikalisch getrennt ist. In diesem Fall muß die Tatsache berücksichtigt werden, daß das Medium mit verschiedenen Durchflußmengen durch die beiden Wege strömen kann.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist jeder der ersten und zweiten Schallwege durch eine jeweils verschiedene ungerade Anzahl an Durchgängen eines akustischen Signals entlang des im wesentlichen selben physikalischen Weges zwischen den Wandlern durch das Medium definiert.
In einem Ausführungsbeispiel dieses letzteren Verfahrens kann der erste Schallweg aus einem einzigen Durchlauf zwischen den Wandlern bestehen, während der zweite Schallweg aus drei Durchläufen zwischen den Wandlern besteht (als "3 L-Echo" bekannt). In diesem Fall müssen nur drei Laufzeiten gemessen werden.
In einem erfindungsgemäßen zweiten Erscheinungsbild besteht ein Mediendurchflußmeßgerät aus ersten und zweiten in einem Abstand voneinander in Strömungsrichtung des Mediums angeordneten Wandlern; einem über eine erste elektrische Schaltung mit den Wandlern verbundenen Sender zur Veranlassung, daß akustische Signale durch das Medium von einem der Wandler zum jeweils anderen Wandler gesendet werden; einem über eine zweite elektrische Schaltung mit den Wandlern verbundenen Prozessor zur Bestimmung von Informationen über die Medienströmung durch Überwachung der Laufzeit der von den Wandlern empfangenen akustischen Signale, wobei der Prozessor dafür sorgt, die Laufzeit von akustischen Signalen zu überwachen, die zwischen den Wandlern entlang verschiedener erster und zweiter durch das Medium hindurchgehender Schallwege gesendet werden; und mindestens zwei Medien-Durchgängen zwischen den Wandlern, durch die das Medium im Betrieb strömt, wobei die verschiedenen ersten und zweiten Schallwege durch die jeweiligen Durchgänge definiert sind, und die Durchgänge verschiedene Längen haben.
Dieses Meßgerät ist insofern viel kompakter als das Meßgerät der GB-A-2259271, als dieselben Wandler sowohl zur Überwachung der Medienströmung als auch zur Gewinnung von Kalibrierinformationen eingesetzt werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist ein Teil des Raumes zwischen den Wandlern, durch den Medium strömt, durch eine Vielzahl von nebengeordneten Medienströmungs-Durchgängen definiert, von denen bis auf einen alle Durchgänge im wesentlichen gleiche Längen haben, und dieser eine Durchgang eine Länge hat, die von der Länge der anderen Durchgänge verschieden ist. Typischerweise ist dieser eine Durchgang länger als die anderen Durchgänge, typischerweise in dem Bereich zwei- bis fünfmal so lang.
Vorzugsweise hat dieser eine Durchgang eine im wesentlichen in der Mitte von den Eingangsöffnungen der anderen Durchgänge angeordnete Eingangsöffnung. Diese Anordnung maximiert die Amplitude des entlang des einen Durchgangs gesendeten akustischen Signals.
In einem erfindungsgemäßen dritten Erscheinungsbild besteht ein Mediendurchflußmeßgerät aus ersten und zweiten in einem Abstand voneinander in Strömungsrichtung des Mediums angeordneten Wandlern; einem über eine erste elektrische Schaltung mit den Wandlern verbundenen Sender zur Veranlassung, daß akustische Signale durch das Medium von einem der Wandler zum jeweils anderen Wandler gesendet werden; einem über eine zweite elektrische Schaltung mit den Wandlern verbundenen Prozessor zur Bestimmung von Informationen über die Medienströmung durch Überwachung der Laufzeit der von den Wandlern empfangenen akustischen Signale, wobei der Prozessor dafür sorgt, die Laufzeit von akustischen Signalen zu überwachen, die zwischen den Wandlern entlang erster und zweiter verschiedener durch das Medium hindurchgehender Schallwege gesendet werden; und einem Reflektor neben jedem Wandler zur Reflexion akustischer Signale in Richtung auf den anderen Wandler zurück, wobei jeder der ersten und zweiten Schallwege durch eine jeweils verschiedene ungerade Anzahl an Durchgängen eines akustischen Signals entlang des im wesentlichen selben physikalischen Weges zwischen den Wandlern durch das Medium definiert ist.
In diesem Fall, in dem derselbe physikalische Weg dazu eingesetzt wird, beide Schallwege zu definieren, ist es von Wichtigkeit, die Reflexion der akustischen Signale zu maximieren. Wenn allerdings ein Wandler auf ein akustisches Empfangssignal gut abgestimmt ist, dann wird das Signal schlecht reflektiert und dispergiert. Das Meßgerät umfaßt daher einen Reflektor neben jedem Wandler zur Reflexion akustischer Signale in Richtung auf den anderen Wandler zurück. Typischerweise weisen die Reflektoren eine im allgemeinen konkave Form auf, obwohl andere Formen, wie beispielsweise planare, verwendet werden könnten. In jedem Fall sind die Reflektoren typischerweise so ausgebildet, daß sie zum Auslaß des Strömungsweges passen.
In einigen Fällen sind die Enden des Medienströmungsweges zwischen den Wandlern im allgemeinen nach außen in Richtung auf die jeweiligen Wandler zu trichterförmig ausgebaucht. Dies trägt dazu bei, die Signalübertragung und -kopplung zu verbessern, indem die akustischen Signale "expandiert" werden, wenn sie auf den Wandler zukommen und ist insbesondere da von Nutzen, wo der Wandler mit einem benachbarten Reflektor in Verbindung steht, wie oben beschrieben.
Obwohl die Erfindung als Überwachung von Laufzeiten beschrieben wurde, wird es häufig günstig sein, Laufzeiten indirekt zu überwachen, indem Phasenverschiebungen überwacht werden. Dies wird in der hier zu Referenzzwecken angeführten, gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung GB-A-2275108 näher erläutert.
Ein erfindungsgemäßes Mediendurchflußmeßgerät läßt sich auf eine kompakte Größe reduzieren (z. B. Ziegelsteingröße) und kostengünstig produzieren. Ein solches Meßgerät ist für die haushaltliche Gasmessung sehr gut geeignet.
Ein sehr geringer Stromverbrauch, der einen langfristigen Batteriebetrieb ermöglicht, läßt sich durch sehr effiziente elektro-akustische Signalumwandlung und einfache Datenverarbeitung erreichen.
Die Konstruktion ist unempfindlich gegen die Gaszusammensetzung, wenn sie als Gaszähler zum Einsatz kommt, und läßt sich mit unterschiedlichen Medien, einschließlich Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, realisieren.
Typischerweise bestehen die akustischen Signale aus Ultraschallsignalen.
Einige Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verfahren und Meßgeräte werden im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Hierbei sind:
Fig. 1 ein schematischer Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Meßgeräts;
Fig. 2 ein Schnitt entlang der Linie B-B in Fig. 1;
Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, jedoch von einem zwei ten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 ein Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 3;
Fig. 5 ein Blockschaltbild der in den beiden Fig. 1 und 3 mit den Wandlern verbundenen Schaltung;
Fig. 6A eine grafische Darstellung eines Kanten-Erfassungsalgorithmus; und
Fig. 6B eine Darstellung der zeitabhängigen Änderung der Signale in Fig. 6A.
Bevor die Bauweise der bevorzugten Meßgeräte im einzelnen beschrieben wird, erfolgt zunächst eine Schilderung der hinter der vorliegenden Erfindung stehenden Theorie.
Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, müssen, wenn erhebliche elektrische Verzögerungen vorhanden sind, die sich auf die gemessene Laufzeit auswirken, diese Verzögerungen berücksichtigt werden, bevor die Medienströmungsgeschwindigkeit genau gemessen werden kann. Im vorliegenden Fall wird dies erreicht, indem zwei verschiedene Schallwege zum Einsatz kommen, zu deren Bezeichnung die tiefgestellten Indizes "1" beziehungsweise "2" verwendet werden. Die Verschiedenartigkeit der Ausbildungen dieser Schallwege wird nachstehend noch näher erläutert, jedoch wird für die hier vorliegenden Zwecke davon ausgegangen, daß sich beide durch das Medium erstrecken und die verschiedenen Längen "l&sub1;" beziehungsweise "l&sub2;" haben. Zum Zwecke der mathematischen Analyse wird darüber hinaus angenommen, daß die aufgetretenen elektrischen Verzögerungen immer dieselben sind, auf welchem Weg auch immer akustische Signale entlang der Wege gesendet werden und um welchen Weg auch immer es sich dabei handelt. Da die elektrischen Verzögerungen immer dieselben sind, wird auf sie durchweg mit "Tel" Bezug genommen.
Man betrachte ein in Stromabwärtsrichtung der Medienströmung zwischen einem Wandler und dem anderen entlang eines Weges 1 gesendetes akustisches Signal. Die zwischen der Aussendung des Signals durch den einen Wandler und seinem scheinbaren Empfang am anderen Wandler nach Durchgang entlang des ersten Schallweges gemessene Gesamtzeit wird dargestellt als:
Hierbei ist "U&sub1;" die Mediendurchflußmenge entlang des ersten Weges.
In ähnlicher Weise wird die für ein in Stromabwärtsrichtung entlang eines zweiten, von dem ersten Weg 1 physikalisch verschiedenen Weges 2 gesendetes akustisches Signal gemessene Laufzeit dargestellt als:
Hierbei ist "U&sub2;" die Mediendurchflußmenge entlang des zweiten Weges.
Zwei weitere Messungen lassen sich erhalten, indem man die scheinbaren Laufzeiten akustischer Signale in Stromaufwärtsrichtung entlang der beiden Wege definiert, und diese hierbei dargestellt werden als:
Die Durchflußmengen "U&sub1;", "U&sub2;', die letzten Endes zu bestimmen sind, lassen sich durch die Eliminierung von "Tel" und "c" ermitteln. Aus der Kombination der Gleichungen 3 und 5 erhält man auf diese Weise somit:
Da "c" » "U&sub1;", läßt sich Gleichung 7 vereinfachen in:
Wenn "c" bekannt ist, erhält man auf diese Weise "U&sub1;".
Ein ähnlicher Ausdruck läßt sich für "U&sub2;" ableiten, und einen Gesamtwert für die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit erhält man dann als gewichtetes Mittel aus den beiden Werten "U&sub1;", "U&sub2;". Beispielsweise kann, wenn die beiden Wege von Durchgängen mit den Querschnitten "A&sub1;" beziehungsweise "A&sub2;" definiert werden, der Durchschnittswert der Strömungsgeschwindigkeit "U" definiert werden als:
Um einen Wert für "c" zu erhalten, werden die Gleichungen 3 und 5 sowie 4 und 6 gesondert kombiniert und ergeben so die Gleichungen 10 beziehungsweise 11:
Wenn man nunmehr Gleichung 11 von Gleichung 10 subtrahiert und die Näherung durchführt, daß "c" » "U&sub1;" und "U&sub2;", erhält man:
Dies kann umgeschrieben werden als:
Auf diese Weise wird somit die Schallgeschwindigkeit im Medium in Form der vier gemessenen Laufzeiten und einer Konstante definiert.
Gleichung 13 kann wie folgt in Gleichung 8 wieder zurückversetzt werden, um einen Wert für "U&sub1;" zu erhalten:
Ein ähnlicher Ausdruck kann für "U&sub2;" hergeleitet werden.
Daraus ist demnach ersichtlich, daß Gleichung 14 einen Wert für die Mediendurchflußmenge ergibt, der ausschließlich aus den gemessenen Laufzeiten und verschiedenen Konstanten hergeleitet wurde. Trotzdem wurden elektrische Verzögerungen und die Schallgeschwindigkeit im Medium (die zeitabhängig variieren kann) berücksichtigt.
Diese Analyse läßt sich verallgemeinern, um sie auf die Situation anzuwenden, in der die elektrische Verzögerung in Stromaufwärtsrichtung "Tel-" von der elektrischen Verzögerung in Stromabwärtsrichtung "Tel+" verschieden ist. In diesem Fall kann Gleichung 14 umgeschrieben werden als:
Es wird bemerkt werden, daß die absoluten Werte von "Tel+" und 'Tel-" im Nenner nicht erforderlich sind. Wenn sie nicht gleich sind, definiert ihre Differenz eine Abweichung, die man hinnehmen oder auskalibrieren kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, sicherzustellen, daß die Differenz gleich Null ist. Dies läßt sich erreichen, indem hierzu ganz bestimmte bekannte Schaltungen und darüber hinaus in jüngerer Zeit neu entwickelte Schaltungen, welche nachstehend näher erläutert werden, eingesetzt werden.
Zur Ermittlung eines Wertes für die Mediendurchflußmenge ist es deshalb erforderlich, über zwei Schallwege zu verfügen, entlang derer Ultraschallsignale gesendet werden können. Jeder Schallweg muß am Anfang und am Ende einen unterschiedlichen Wandler aufweisen und muß eine verschiedene Länge haben. Fig. 1 und 2 stellen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Mediendurchflußmeßgeräts dar, das zwei derartige Wege vorsieht. In diesem Ausführungsbeispiel besteht das Meßgerät aus zwei in den jeweiligen Abschlußdeckelplatten 3, 4 eingebauten Wandlern 1, 2. Durch eine Einlaßöffnung 5 tritt Medium in das Durchflußmeßgerät ein und durch eine Auslaßöffnung 6 aus. Jede der beiden Öffnungen 5, 6 steht mit einer jeweiligen Kammer 7, 8 in Verbindung, wobei die Kammern über eine Gruppe von langgestreckten Durchgangswegen 9 von im wesentlichen gleichem Querschnitt und gleicher Länge sowie einem zusätzlichen Durchgangsweg 10, der im wesentlichen länger als die Durchgangswege 9 ist, miteinander verbunden sind. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind an jedem Ende des Strömungsweges zwischen den Kammern 7, 8 die Durchgangswege 9 um den Durchgangsweg 10 herum angeordnet. Im mittleren Bereich tritt der Durchgangsweg 10 aus dem Bündel von Durchgangswegen 9 heraus und vollzieht, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, eine Reihe von Kehrtwendungen, wodurch er seine Länge gegenüber der Länge der Durchgangswege 9 vergrößert. Die Durchgangswege 9, 10 werden im Inneren des Meßgerätes von einer Tragscheibe 11 abgestützt, die ihrerseits in einem Gehäuse 12 befestigt ist, welches sich zwischen den Abschlußdeckelplatten 3, 4 erstreckt. Der verbleibende Raum ist mit einem schallabsorbierenden Material 12A ausgefüllt, obwohl ein derartiges Material in der Praxis nur neben den Wandlern und an den Enden der Durchgangswege 9, 10 erforderlich ist.
Die Breite jedes Durchgangsweges 9 wird typischerweise so gewählt, daß der Durchgang von mehr als einem einzigen Modus verhindert wird, während die Länge des Durchgangsweges 10 so ausreichend lang gewählt wird, daß eine meßbare Laufzeitdifferenz gegenüber der Laufzeit durch die Durchgangswege 9 erreicht wird, während hierbei eine übermäßige Dämpfung des Signals vermieden wird. Eine typische Differenz bei den Laufzeiten läge hierbei in dem Bereich zwischen 2,5 und 3 Millisekunden, während die Länge des Durchgangsweges 10 typischerweise zwischen zwei- und fünfmal die Länge der Durchgangswege 9 betragen kann.
In einem Ausführungsbeispiel werden die Durchgangswege 9, 10 aus einem Bündel Röhrchen gebildet.
Die Eingangs- und Ausgangsenden der Durchgangswege 9, 10 sind in Fig. 1 lediglich schematisch dargestellt. In der Praxis mag unter Umständen eine gewisse Ausbildung der Eingänge und Ausgänge angebracht sein, aber dies wird in der hier zu Referenzzwecken angeführten, gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung GB-A-2275108 wesentlich näher erläutert.
Die Wandler 1, 2 sind mit einem Verarbeitungssystem 13 verbunden, das nachstehend näher beschrieben wird.
Im Betrieb wird der Wandler 1 veranlaßt, ein akustisches Signal in Richtung auf die Durchgangswege 9, 10 hin zu senden (d.h. in Stromabwärtsrichtung). Der Wandler 2 empfängt zunächst denjenigen Anteil des Signals, der durch die Durchgangswege 9 hindurchgeht, und ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal von dem Wandler 2 wird an das System 13 weitergegeben, das dann die Zeit "T&sub1;&sbplus;" berechnen kann. Ein wenig später wird derje nige Anteil des akustischen Signals, der entlang des Durchgangsweges 10 hindurchgegangen ist, von dem Wandler 2 empfangen, und das Verarbeitungssystem 13 kann daraufhin den Laufzeitwert "T&sub2;&sbplus;" berechnen. Das System 13 veranlaßt anschließend den Wandler 2 dazu, ein akustisches Signal in Stromaufwärtsrichtung auf den Wandler 1 hin zu senden, aus dem das System 13 dann die Werte "T&sub1;&submin;" und T&sub2;&submin; berechnen kann.
Nachdem die Werte ermittelt sind, kann das System 13 anschließend unter Verwendung von Gleichung 14 (beziehungsweise Gleichung 15) die Werte "U&sub1; "und "U&sub2;" berechnen und daraufhin die durchschnittliche Gesamtströmungsgeschwindigkeit "U" wie in Gleichung 9 berechnen. Dieser Durchschnittswert kann auf einem Bildschirm (nicht dargestellt) erscheinen und/oder gespeichert werden.
In dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der physikalische Weg, der dazu benutzt wird, beide Schallwege zu definieren, derselbe. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Wandler 1, 2 in die Abschlußdeckelplatten 14, 15 eingebaut, die ihrerseits an den Enden eines Zylinders 16 befestigt sind. Der Zylinder 16 ist durch einen starren Montageblock 19 in zwei Kammern 17, 18 unterteilt. Eine Medieneinlaßöffnung 5 ist zu der Kammer 17 hin offen, und die Medienauslaßöffnung 6 ist zu der Kammer 18 hin offen.
Eine Gruppe von Medien-Durchgangswegen 20, die im wesentlichen parallel verlaufen, werden durch Bohrungen durch einen von dem Block 19 abgestützten zylinderförmigen Block 21 gebildet. Ein Eingangsblock 22 aus schallabsorbierendem Material ist ringsherum um die Durchgangswege 20 in der Kammer 17 angebracht und definiert eine nach hin außen trichterförmig ausgebauchte Fläche 23, während ein ähnlicher Block 24 ringsherum um die Durchgangswege 20 in der Kammer 18 angebracht ist und auch wieder eine nach außen hin trichterförmig ausgebauchte Fläche 25 definiert.
Die Fläche neben jedem Wandler 1, 2 ist als konkaver Reflektor 26 beziehungsweise 27 ausgebildet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Schallweg zwischen den Wandlern 1, 2 durch einen einzigen Durchgang eines akustischen Signals entlang der Durchgangswege 20 von einem Wandler zu dem anderen definiert. Der zweite Schallweg besteht aus dem Durchgang eines akustischen Signals von einem Wandler entlang der Durchgangswege zu dem anderen, der Reflexion zu dem einen Wandler zurück und einer zweiten Reflexion zu dem anderen Wandler zurück, wobei die Ankunftszeit des Signals dann überwacht wird. Dies ist als 3 L-Echo bekannt.
Noch einmal werden vier gemessene Laufzeiten bestimmt, aus denen die Medienströmungsgeschwindigkeit ermittelt wird. In diesem Fall wird, da derselbe physikalische Weg für alle akustischen Signale benutzt wird, davon ausgegangen, daß die Mediendurchflußmenge dieselbe ist und somit infolgedessen keine durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden muß. Mit anderen Worten ist "U" = "U&sub1;" in Gleichung 14.
Da derselbe physikalische Weg benutzt wird, müssen lediglich drei Laufzeiten gemessen werden. Es kann mit Leichtigkeit nachgewiesen werden, daß die vierte Zeit eine Funktion der anderen drei ist. Beispielsweise ist:
T&sub2;&submin; = T&sub2;&sbplus; - T&sub1;&sbplus; + T&sub1;&sbplus; (16)
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist es wichtig, daß ein "gutes" Echo beziehungsweise eine "gute" Reflexion an jedem Wandler erzielt wird. Es ist jedoch normalerweise wichtig, einen Wandler auf das akustische Signal abzustimmen, was demzufolge das Reflexionsvermögen vermindert. Um das Reflexionsvermögen also zu steigern, sind die Reflektoren 26, 27 vorgesehen, um zu gewährleisten, daß ein großer Teil des akustischen Signals zuverlässig reflektiert wird. Vorzugsweise wird hierbei die Größe der Wandler 1, 2 minimiert, um das Reflektor/Wandler-Verhältnis zu vergrößern.
Die Verwendung der trichterförmig ausgebauchten Flächen 23, 25 verbessert die Signalübertragung und -kopplung von dem Ende der Durchgangswege 20 zu den Reflektoren 26, 27. Die trichterförmige Ausbauchung vermindert die Diskontinuität von dem Ende der Durchgangswege 20 und "expandiert" den Schall auf die Reflektoren. Dies hat den doppelten Vorteil, daß die Reflektoren hierdurch dazu gebracht werden, zuverlässig mit vielen verschiedenartigen Medienzusammensetzungen zu funktionieren, und das unerwünschte Echo von dem Ende der Durchgangswege verringert wird.
Wie oben erläutert, kann es unter Umständen in manchen Fällen erforderlich sein, eine Differenz zwischen den elektrischen Verzögerungen zu eliminieren. Dies läßt sich dadurch erzielen, daß man innerhalb des Systems 13 eine Schaltung zum Senden und Empfangen von Signalen einsetzt, die aufbaumäßig so aussieht, wie in Fig. 5 dargestellt.
In dieser Schaltung ist der Wandler 1 über einen Dämpfungswiderstand 30 mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 31 verbunden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 31 wird mittels eines Rückkopplungswiderstands 32 an den invertierenden Ausgang zurückgeführt. Das Ausgangssignal geht auch an einen Schalter 33, der an die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 22 (nicht dargestellt) angeschlossen ist. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 31 ist mit einem Schalterpaar 34, 35 parallelgeschaltet. Der Schaltereingang 34 ist mit der Erde (oder einer virtuellen Erde) und der Schaltereingang 35 mit dem Signalgenerator 20 (nicht dargestellt) verbunden.
Der Wandler 2 ist in ähnlicher Weise über einen Dämpfungswiderstand 36 mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 37 verbunden. Zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers 37 und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ist ein Rückkopplungswiderstand 38 geschaltet, während das Ausgangssignal des Operationsverstärkers an Schalter 33 geht. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 37 ist mit den Schaltern 34, 35 parallelgeschaltet.
Die Schalter 33-35 werden zwecks Tandembetriebs von einer Steuereinheit 39 gesteuert. So ist, wie in Fig. 5 dargestellt, der Wandler 1 über den Schalter 35 mit einem Signalgenerator (nicht dargestellt) verbunden, während der Wandler 2 über den Schalter 33 an eine Signalverarbeitungsschaltung (nicht dargestellt) des Systems 13 angeschlossen ist, wobei der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 37 über den Schalter 34 mit der Erde verbunden ist. Diese Schaltung gewährleistet, daß in den Sende- und Empfangsmodi an jedem Wandler eine identische Impedanz ansteht.
Typischerweise handelt es sich bei den Wandlern 1,2 um piezoelektrische Ultraschallwandler mit einer Resonanzfrequenz von 40 kHz und einem Gütewert "Q" ≤ 50, wie sie beispielsweise von Murata (MA40S3) erhältlich sind. Die Dämpfungswiderstände 30, 36 weisen typischerweise je 4 kΩ auf. Die Operationsverstärker 31, 37 weisen bei 40 kHz typischerweise einen Verstärkungsfaktor von deutlich mehr als 5 auf.
Weitere geeignete Schaltungen sind in der hier zu Referenzzwecken angeführten, gleichzeitig anhängigen internationalen Patentanmeldung PCT/GB94/00156 beschrieben.
Wie vorstehend erwähnt, könnte die Überwachung der Laufzeiten entweder direkt durchgeführt werden, um einzelne Laufzeiten zu bestimmen, oder aber alternativ unter Einsatz von Phasenmessungen. Wie aus Gleichung 14 ersichtlich ist, gibt es im wesentlichen zwei Zeiten, die in jedem Fall zu bestimmen sind:
1. Die Differenz zwischen den stromaufwärts- und stromabwärtsseitigen Zeiten. (Zähler).
2. Die Differenz zwischen den Durchschnittswerten der Zeiten für die beiden Wege (Nenner).
In diesem Fall sind die Anforderungen an diese beiden Messungen sehr unterschiedlich. Die stromaufwärts-lstromabwärtsseitige Differenz bewegt sich bei Gas typischerweise in einer kleinen Bandbreite (0-25 us), ist jedoch in bezug auf die Genauigkeitsanforderungen sehr anspruchsvoll (1 us) Die Differenz zwischen den beiden Wegen bewegt sich typischerweise in einer viel größeren Bandbreite (800-2000 us), aber die Genauigkeitsanforderungen sind geringer (~1us).
Die Ermittlung der stromaufwärts-Istromabwärtsseitigen Differenz erfolgt deshalb typischerweise unter Einsatz einer Phasenmessung. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird für die Differenz zwischen den Zeiten für die beiden Wege ein Konstantbruchteil-Diskriminator eingesetzt. Der nachstehende Algorithmus liefert eine unzweideutige Zeitschätzung, die von der Signalamplitude unabhängig ist, jedoch eine durch die Wandler bedingte Verzögerung beinhaltet. Er arbeitet über eine kurze Zeitspanne und kann deshalb dazu beitragen, erwünschte von unerwünschten Signalen zeitlich voneinander zu trennen.
Das eingesetzte Verfahren liefert eine Schätzung der Ankunftszeit eines Impulses in einer von dessen Amplitude unabhängigen Weise. Es kann deshalb zur Anwendung kommen, ohne daß eine genaue Verstärkungsregelung erfolgen muß (die bei einfachen Grenzwert-Diskriminatoren erforderlich ist) und sorgt bei Störschallfür Nullpunkt-Durchschnittswertschätzungen.
Die Grundoperation des Algorithmus besteht hierbei darin, daß das ankommende Signal mit einer verzögerten Version seiner selbst verglichen wird. Der Zeitpunkt, zu dem das verzögerte Signal einen festgelegten Anteil des Eingangssignals erreicht, wird erfaßt und "Triggerzeit" genannt. Die Triggerzeit ist dann eine konstante Zeit nach der gewünschten Ankunftszeit.
Fig. 6A und 6B stellen den Algorithmus grafisch für einen Eingang mit Linearanstieg ("V"A) dar. Die Ankunftszeit "ta" wird hergeleitet, indem die systematische Algorithmusverzögerung "tsys" von der Triggerzeit "ttrig" subtrahiert wird. Für einen Eingang mit Linearanstieg und einem Wert "k" = 2 ist "tsys" = 2"T", unabhängig von der Signalamplitude. Bei einem generellen Eingangssignal der Hüllkurve (beziehungsweise der Form) ("p[t]") und der Amplitude "a":
VA = ap[t - ta]
ist das verzögerte Signal:
Va = kap[t - ta - T].
Das erfaßte Signal ist:
Vc = VA - VB = ap[t - ta] - kap[t - ta - T].
Wenn "Vc" = 0, dann ist die Triggerzeit
ap [ttrig - ta] - k a p [ttrig - ta - T]= 0.
Dies zeigt, daß die Algorithmusverzögerung "tsys" eine Funktion des erforderlichen Bruchteils "1/k", der Verzögerungszeit "T" und der Form des Impulsanstiegs "p[t]", aber unabhängig von der Amplitude "a" ist.
Die obige Analyse beweist, daß die Algorithmusverzögerung "tsys" unabhängig von der Signalamplitude ist. Sie ist allerdings nach wie vor eine Funktion der Form des Impulsanstiegs, der sich mit der Dämpfungs- und Resonanzfrequenz der eingesetzten Wandler verändert. Die Lösung, wie beschrieben, besteht darin, zwei Schallwege aufzuweisen. Ein Schallimpuls wird in beide emittiert, und der Kanten-Erfassungsalgorithmus dazu eingesetzt, zwei Triggerzeiten "ttrig-direkt & ttrig-indirekt" (Wege 1 beziehungsweise 2) zu schaffen. Wenn die direkten und indirekten Impulse dieselbe Anstiegsform haben, dann ist die Differenz zwischen den beiden die Differenz zwischen ihren Ankunftszeiten "ta-direkt & ta-indirekt"·

Claims

1. Ein Verfahren zur Überwachung eines entlang eines Weges zwischen ersten und zweiten in einem Abstand voneinander in Strömungsrichtung des Mediums befindlichen Wandlern (1, 2) strömenden Mediums, wobei das Verfahren darin besteht, zu veranlassen, daß akustische Signale vom ersten Wandler zum zweiten Wandler und vom zweiten Wandler zum ersten Wandler entlang jeweiliger erster und zweiter sich durch das Medium erstreckender Schallwege gesendet werden; der Überwachung der Laufzeiten der akustischen Signale entlang der beiden Schallwege; und der Herleitung von Informationen über die Strömung des Mediums aus den überwachten Laufzeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Schallwege verschiedene Längen haben.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Schallweg einen Abschnitt umfaßt, der von dem ersten Schallweg physikalisch getrennt ist.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten und zweiten Schallwege durch eine jeweils verschiedene ungerade Anzahl an Durchgängen eines akustischen Signals entlang des im wesentlichen selben physikalischen Weges zwischen den Wandlern durch das Medium definiert ist.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 3, wobei der erste Schallwege aus einem einzigen Durchlauf zwischen den Wandlern besteht, während der zweite Schallweg aus drei Durchläufen zwischen den Wandlern besteht.

5. Ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die akustischen Signale in beide Richtungen entlang beider Schallwege gesendet werden.

6. Ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die akustischen Signale aus Ultraschallsignalen bestehen.

7. Ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Medium aus einem Gas besteht.

8. Ein Mediendurchflußmeßgerät bestehend aus ersten und zweiten in einem Abstand voneinander in Strömungsrichtung des Mediums angeordneten Wandlern (1, 2); einem über eine erste elektrische Schaltung (35, 31, 30; 35, 37, 36) mit den Wandlern verbundenen Sender zur Veranlassung, daß akustische Signale von einem der Wandler (1, 2) zum jeweils anderen Wandler durch das Medium gesendet werden; einem über eine zweite elektrische Schaltung (33, 31, 30; 33, 37, 36) mit den Wandlern verbundenen Prozessor zur Bestimmung von Informationen über die Medienströ genen akustischen Signale, wobei der Prozessor dafür sorgt, die Laufzeit von akustischen Signalen zu überwachen, die zwischen den Wandlern entlang erster und zweiter verschiedener durch das Medium hindurchgehender Schallwege gesendet werden; und mindestens zwei Medien-Durchgängen (9, 10) zwischen den Wandlern, durch die Medium im Betrieb strömt, wobei die verschiedenen ersten und zweiten Schallwege durch die jeweiligen Durchgänge definiert sind, und die Durchgänge verschiedene Längen haben.

9. Ein Meßgerät nach Anspruch 8, wobei ein Teil des Raumes zwischen den Wandlern (1, 2), durch den Medium strömt, durch eine Vielzahl von nebengeordneten Medienströmungs-Durchgängen (9, 10) definiert ist, von denen bis auf einen alle Durchgänge im wesentlichen gleiche Länge haben, und dieser eine Durchgang eine Länge hat, die von der Länge der anderen Durchgänge verschieden ist.

10. Ein Meßgerät nach Anspruch 9, wobei der eine Durchgang (10) länger ist als die anderen Durchgänge (9), typischerweise im Bereich zwei- bis fünfmal so lang.

11. Ein Meßgerät nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei der eine Durchgang (10) eine im wesentlichen in der Mitte von den Eingangsöffnungen der anderen Durchgänge (9) angeordnete Eingangsöffnung hat.

12. Ein Mediendurchflußmeßgerät bestehend aus ersten und zweiten in einem Abstand voneinander in Strömungsrichtung des Mediums angeordneten Wandlern (1, 2); einem über eine erste elektrische Schaltung (35, 31, 30; 35, 37, 36) mit den Wandlern verbundenen Sender zur Veranlassung, daß akustische Signale durch das Medium von einem der Wandler (1, 2) zum jeweils anderen Wandler gesendet werden; einem über eine zweite elektrische Schaltung (33, 31, 30; 33, 37, 36) mit den Wandlern verbundenen Prozessor zur Bestimmung von Informationen über die Medienströmung durch Überwachung der Laufzeit der von den Wandlern (1, 2) empfangenen akustischen Signale, wobei der Prozessor dafür sorgt, die Laufzeit von akustischen Signalen zu überwachen, die zwischen den Wandlern entlang erster und zweiter verschiedener durch das Medium hindurchgehender Schallwege gesendet werden; und einem Reflektor (26, 27) neben jedem Wandler zur Reflexion akustischer Signale in Richtung auf den anderen Wandler zurück, wobei jeder der ersten und zweiten Schallwege durch eine jeweils verschiedene ungerade Anzahl an Durchgängen eines akustischen Signals entlang des im wesentlichen selben physikalischen Weges zwischen den Wandlern durch das Medium definiert ist.

13. Ein Meßgerät nach Anspruch 12, wobei die Reflektoren (26, 27) eine im allgemeinen konkave Form aufweisen.

14. Ein Meßgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Enden des Medienströmungsweges zwischen den Wandlern (1, 2) im allgemeinen in Richtung auf die jeweiligen Wandler zu nach außen hin trichterförmig ausgebaucht sind.