DE19617961A1 - Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von gasförmigen oder flüssigen Medien mittels Ultraschall sowie zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Meßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Strö­ mungsgeschwindigkeit von gasförmigen oder flüssigen Medien mittels Ultraschall, bei dem die Laufzeit eines von einem Ultraschallgeber ausgesandten Signals innerhalb einer oder mehrerer von dem Medium durchströmten Meßstrecken ermittelt und in einem Signalverarbeitungsgerät daraus die Strömungs­ geschwindigkeit des Mediums in der jeweiligen Signalrichtung abgeleitet wird und ein zur Durchführung dieses Verfahrens geeignetes Meßgerät.

Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Medien werden Geräte eingesetzt, die nach mechanischen, elektrothermi­ schen, laseroptischen oder Ultraschallverfahren arbeiten. Bis auf die nach den elektrothermischen Verfahren arbeiten­ den Geräte benötigen die nicht mechanischen Geräte eine teure Elektronik, ein aufwendiges Gehäuse und aufwendige Auswerteprogramme zur Berechnung der Zielgrößen, was ein Grund für die relativ geringe Verbreitung derartiger Geräte ist.

Ultraschallmeßgeräte werden dennoch für anspruchsvollere Meßaufgaben gern eingesetzt, da sie die gleichzeitige Ermittlung von Richtung und Geschwindigkeit eines Mediums erlauben, was sie insbesondere für den Einsatz in der Meteo­ rologie geeignet macht. So erlauben sie auch die Messung von Turbulenzen.

Ultraschallmeßgeräte zur Messung einer Strömungsgeschwindig­ keit sind so aufgebaut, daß ein oder mehrere Meßstrecken vorhanden sind, in denen die Laufzeit des Signals eines Ultraschallgebers zwischen einem Sender und einem Empfänger bzw. die Phasenverschiebung zwischen ausgesandtem und empfangenen Signal gemessen wird. Die Laufzeit eines akusti­ schen Signals in einem Medium ist von der Bewegungsgeschwin­ digkeit des Mediums in Signalrichtung und von der spezifi­ schen Schallgeschwindigkeit in diesem Medium abhängig. Die Schallgeschwindigkeit wiederum unterliegt dem Einfluß der Temperatur und eventuell geringfügig dem Einfluß weiterer Eigenschaften des Mediums.

Um den Einfluß der Temperatur zu kompensieren, arbeiten bisher bekannte Geräten nach folgendem Verfahren: An eine Messung wird grundsätzlich eine Messung in der Gegenrichtung angeschlossen und beide Laufzeiten bzw. Phasenverschiebungen werden subtrahiert, so daß die rein windge­ schwindigkeitsbedingte Komponente übrigbleibt. Zu diesem Zweck ist eine Doppelverwendung von Sender und Empfänger je nach Signalrichtung nötig. Verwendet werden deshalb hochwer­ tige Piezoelemente, die hohe Kosten verursachen.

Aus der US-PS 5 343 744 ist z. B. eine Anordnung mit drei um 120° versetzten Transducern bekannt, von denen jeweils einer als Schallgeber und die übrigen beiden als Empfänger arbei­ ten. Durch ringförmiges Weiterschalten nach einer bestimmten Meßzeit wird die Signallaufzeit in den drei Meßstrecken jeweils in beiden Richtungen gemessen und dann rechentech­ nisch verarbeitet.

Aus der DE-PS 26 51 142 ist ein Strömungsgeschwindigkeits­ messer für ein nur in einer Richtung strömendes Medium mit einer einzigen Meßstrecke bekannt, in der ebenfalls in der bereits erläuterten Weise in alternierender Richtung gemes­ sen wird.

Ähnliche Geräte bzw. Verfahren sind Gegenstand der DE-OS 38 43 678 und DE-AS 24 29 822.

Wegen der erforderlichen Umschaltungen und der Anschwing­ eigenschaften der bereits erwähnten Piezoelemente werden hochwertige Auswertegeräte benötigt. Die Anschwingzeiten der Piezoelemente bewegen sich in ms-Bereich, während eine Auflösung des Signales im ns-Bereich benötigt wird, so daß die Laufzeitdifferenzen aus den Einhüllenden der Wellenpa­ kete des Signals analysiert werden müssen, was eine kompli­ zierte Ansteuerelektronik erfordert. Schließlich sind der Genauigkeit einer solchen Messung enge Grenzen gesetzt, so daß für verschiedene Meßbereiche spezielle Geräte benutzt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein nach dem Verfahren arbeitendes Meßgerät der eingangs genannten Art anzugeben, das die vollständige Erfassung von Richtung und Strömungsgeschwindigkeit mit hoher Auflösung erlaubt, das aber den Aufbau des Meßgerätes mit preiswerten Bauelementen gestattet und keine komplizierte Steuerelek­ tronik erfordert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem neben der Laufzeitmessung in mindestens einer Meßstrecke außerdem die Laufzeit eines Signals innerhalb einer mit dem Medium verbundenen Referenzstrecke ermittelt wird, in der keine Strömung, ansonsten aber die gleichen Bedingungen wie in dem Medium herrschen und die Strömungs­ geschwindigkeit des Mediums in der jeweiligen Signalrichtung aus der Differenz der Reziprokwerte der Laufzeiten der jeweiligen Meßstrecke und der Referenzstrecke abgeleitet wird.

In erfindungsgemäß bevorzugter Weise kann vorgesehen sein, daß für die Messungen in der Referenzstrecke und in der bzw. den Meßstrecken ein phasengleiches Signal verwendet wird.

Außerdem kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Lauf­ zeiten am Ende der Referenzstrecke und der Meßstrecke(n) durch Messung der Phasenverschiebungen des bzw. der empfan­ genen Signale gegenüber dem Ausgangssignal ermittelt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung entfällt die bisher übliche sequentielle Doppelverwendung der Schallgeber/Empfänger, da die Einflüsse der Temperatur und weiterer Größen auf die Schallgeschwindigkeit durch Vergleich der Laufzeiten in den offenen Meßstrecken mit der Laufzeit in einer im wesentli­ chen geschlossenen Referenzstrecke bei ansonsten gleichen Bedingungen eliminiert werden.

Die Erfindung erlaubt damit den Einsatz von preiswerten akustischen Mikrofonen als Empfänger und führt hierdurch bereits zu einer drastischen Senkung der Herstellungskosten eines entsprechenden Meßgerätes. Außerdem führt die Vermei­ dung der Doppelverwendung der elektroakustischen Bauteile durch die damit verbundene Vermeidung einer komplexen Steue­ rungselektronik zu einer weiteren Senkung der Herstellungs­ kosten, ebenso wie die relativ geradlinige Signalverarbei­ tung. Für die Gewinnung einer dreidimensionalen Information sind nicht mehr drei Sender/Empfängerpaare notwendig, son­ dern lediglich ein einfacher Schallgeber und vier handelsüb­ liche Mikrofone.

Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, mit einem ununter­ brochenen, kontinuierlichen Signal in jeweils nur einer Meßrichtung zwischen Schallgeber und Empfänger zu arbeiten, was hinsichtlich der Signalverarbeitung unverkennbare Vorteile erbringt.

Bevorzugt kann zusätzlich vorgesehen sein, daß die Frequenz des ausgesandten Ultraschallsignals durch das Signalverar­ beitungsgerät so geregelt wird, daß in der Referenzstrecke keine Phasenverschiebung zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen Ultraschallsignal besteht. Vorteilhaft kann so die Empfindlichkeit stets im optimalen Bereich gehalten werden, da die Signale immer in ihrem ansteigenden Bereich ausgewertet werden können. Außerdem wird so der maximal erreichbare Meßbereich aufrechterhalten, der durch über­ schreiten der Phasenverschiebung von einer Periode des Ausgangssignals begrenzt wird.

Das am Ausgang der Referenzstrecke gemessene Signal wird zu diesem Zweck an einen Regler geführt, der die von einem Frequenzgenerator erzeugte Frequenz, mit der der Schallgeber beaufschlagt wird, entsprechend nachführt. Das Stellsignal des Reglers ist gleichzeitig dann ein Maß für die Temperatur des Mediums, da die Laufzeitänderung in der Referenzstrecke im wesentlichen nur von der Temperatur abhängig ist.

Das Stellsignal kann deshalb nach einer entsprechenden Signalverarbeitung direkt zur Temperaturanzeige verwendet werden.

In bevorzugter Weise wird der Schallgeber in seinem Reso­ nanzbereich betrieben.

Von der vorbeschriebenen Signalverarbeitung abweichend kann diese in erfindungsgemäßer Weise auch so erfolgen, daß die Laufzeiten am Ende der Referenzstrecke und der Meßstrecke(n) durch Messung der Frequenz des jeweils empfangenen Signals ermittelt werden, bei der die Phasenverschiebung zwischen dem in seiner Frequenz in Grenzen veränderbaren Ausgangssi­ gnal und dem jeweils empfangenen Signal zu Null wird.

Die Messung erfolgt ebenfalls mit einem kontinuierlichen Ausgangssignal, das bevorzugt in seiner Frequenz fortlaufend zwischen zwei Grenzfrequenzen kontinuierlich geändert wird.

Erfindungsgemäß kann für den Verfahrensablauf vorgesehen sein, daß die Länge der Referenzstrecke und der Meßstrecken vor Beginn einer Messung in einem ruhenden Medium mittels Vergleich der Laufzeiten bzw. der Phasenverschiebungen der am Ende der Referenzstrecke und der Meßstrecken empfangenen Signale kalibriert wird.

Soll eine fortlaufende Messung über einen längeren Zeitraum erfolgen, so kann alternativ dazu auch eine ständige Kali­ brierung mittels laseroptischen Verfahren oder mittels Mikrowellenmessung vorgenommen werden.

Um einen möglichen Fehler an der Referenzstrecke oder den Meßstrecken aufdecken zu können, kann erfindungsgemäß außer­ dem vorgesehen sein, daß die Amplituden der am Ende der Referenzstrecke und der Meßstrecken empfangenen Signale miteinander verglichen werden und bei Abweichen der Ampli­ tude eines Signals gegenüber einem Mittelwert der empfange­ nen Signale oder einem vorgegebenen Wert ein Fehlersignal ausgelöst wird.

Das Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens weist erfin­ dungsgemäß mindestens einen Schallgeber, mindestens eine mit einem Empfänger ausgerüstete, von dem Medium durchströmte Meßstrecke und eine mit einem Empfänger ausgerüstete, mit dem Medium in Verbindung stehende, aber von diesem nicht durchströmte Referenzstrecke auf.

In erfindungsgemäß bevorzugter Weise können die Meßstrecken und die Referenzstrecke die gleiche Länge aufweisen.

In ebenso erfindungsgemäß bevorzugter Weise kann ein einzi­ ger, für alle Meßstrecken und die Referenzstrecke wirksamer Schallgeber verwendet werden.

Bevorzugt kann der Schallgeber in den Richtungen der Meßstrecken und der Referenzstrecke eine phasengleiche Abstrahlcharakteristik aufweisen. Als solches eignet sich ein zylindrisches Piezoelement, an das i. ü. nur mäßige Qua­ litätsanforderungen gestellt werden müssen.

Für eine dreidimensionale Messung des Strömungsvektors kann das Meßgerät erfindungsgemäß so aufgebaut sein, daß die Empfänger der Meßstrecken und der Schallgeber an den Eck­ punkten eines gedachten Tetraeders angeordnet sind.

Um Reflexionen des Signals und somit eine Rückkopplung auf den Schallgeber zu vermeiden, kann erfindungsgemäß die Refe­ renzstrecke als monomodaler akustischer, d. h. reflexions­ freier Leiter ausgebildet sein (single-mode).

Praktisch könnte der Aufbau z. B. so gestaltet sein, daß ein dünner Aluminiumzylinder zusammen mit dem Schallgeber und einem Empfänger in einem Überwurfrohr angeordnet wird.

Ist das Meßgerät z. B. für die Messung von Windgeschwindig­ keiten vorgesehen, kann das Überwurfrohr zusätzlich durch eine ultraschalldurchlässige Membran verschlossen sein, so daß der Schallgeber gegen Umwelteinflüsse geschützt ist. Zum Ausgleich der Meßbedingungen können in dem Hohlzylinder Öff­ nungen vorgesehen sein, so daß eine Verbindung zur Umge­ bungsluft entsteht.

Für eine Ausführung als Handgerät empfiehlt sich die Anbrin­ gung eines zusätzlichen Handgriffs am Überwurfrohr.

Bevorzugt wird der Schallgeber in resonanten Bereichen betrieben, wenn verfahrensgemäß eine Phasendifferenzmessung erfolgt. Hier kommt der Vorteil hinzu, daß gerade einfache Piezoelemente ein breites Resonanzspektrum aufweisen, so saß ein Messen in einem großen Meßbereich ermöglicht wird, indem beispielsweise Oberfrequenzen einer resonanten Grundfrequenz zur Meßbereichsvervielfachung ausgenutzt werden können.

Durch die Möglichkeit, die Phasenlage am Empfänger der Refe­ renzstrecke bis auf Null zu verschieben, befindet sich der Phasenwinkel in den übrigen Meßstrecken auch stets im Bereich des Signal-Nulldurchgangs, in dem mit der höchsten Meßgenauigkeit gemessen werden kann.

Der Meßbereich kann gegenüber herkömmlichen Geräten um ein Vielfaches erweitert werden.

Durch die Vorteile des erfindungsgemäßen Meßgerätes eröffnet sich ein breites Verwendungsfeld. Mit der hohen Meßpräzision ist das Meßgerät für meteorologische und luftfahrttechnische Verwendungen sowie für umwelttechnische Aufgaben geeignet.

Für die Bauindustrie kommt die Windmessung auf Kranen in Betracht.

In luftfahrttechnischen Anlagen kann das Meßgerät auch zur Ermittlung der Flugdaten, z. B. Fluggeschwindigkeit, Schiebe- und Anstellwinkel von Flugzeugen, verwendet werden, wobei dann die Strömungsgeschwindigkeit in einem quasi ruhenden Medium und einem bewegten Bezugssystem bestimmt wird.

Insbesondere die Preisvorteile lassen darüberhinaus auch einen Einsatz des Meßgerätes im nicht professionellen Bereich möglich werden, so z. B. als Handgerät für Surfer, Drachenflieger u. ä. Sportler.

Neben der Verwendung für Luft und Gase ist auch die Strö­ mungsmessung in Fluiden niedriger Viskosität möglich.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiel es näher erläutert werden.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Meßgerätes zur Windmessung in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Ansteuer- und Auswerte­ elektronik des Meßgerätes bei Anwendung der verfahrensgemäßen Phasendifferenzmessung und

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Ansteuer- und Auswerte­ elektronik des Meßgerätes bei Anwendung der verfahrensgemäßen Frequenzmessung.

Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Windmeßgerät, wobei der Windvektor nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hinsichtlich der Windgeschwindigkeiten in drei räumlichen Richtungen vollständig erfaßt wird.

Das Meßgerät enthält drei Empfänger 1, 2, 3 und einen Schallgeber 4. Die Empfänger 1, 2, 3 befinden sich alle äquidistant zum Schallgeber 4 und spannen zusammen ein Achsenkreuz auf, das im vorliegenden Fall als orthogonal zu verstehen ist. Die drei Empfänger 1, 2, 3 und der Schallge­ ber 4 sitzen an den Eckpunkten eines gedachten Tetraeders. Die so festgelegten gleichlangen Meßstrecken L1, L2, L3 sind dabei durch gestrichelte Linien angedeutet.

Die Struktur wird durch einen Ring 5 gebildet, an dessen Unterseite die Empfänger 1, 2, 3 im Abstand von 120° ange­ bracht sind, sowie durch eine Stütze 6, die den Ring 5 festhält.

Eine Referenzstrecke LR ist aus einem als monomodaler akustischer Leiter ausgeführten Rohr 7 gebildet, in dem am unteren Ende, ebenfalls im gleichen Abstand zum Schallgeber 4 wie die Empfänger 1, 2, 3, der Empfänger 8 der Referenz­ strecke LR untergebracht ist. Die Referenzstrecke LR befin­ det sich thermisch und mechanisch geschützt innerhalb eines zylindrischen Überwurfrohres 9, in dem auch Teile der Elek­ tronik untergebracht sein können. Über die Öffnung 10 im Überwurfrohr 9 sowie über die Öffnungen 11 im Rohr 7 ist die Referenzstrecke LR mit der umgebenden Atmosphäre verbunden.

Der Schallgeber 4 ist mit einem ultraschalldurchlässigen Fenster in Form einer Folie 12 abgedeckt, die den Schall­ geber 4 gegen Umwelteinflüsse schützt und die Referenz­ strecke LR abschließt.

Der verfahrensmäßige Ablauf der Signalverarbeitung bei einer Messung läßt sich folgendermaßen darstellen:

Für die Referenzstrecke und jede Meßstrecke L (LR, L1, L2, L3) wird die Laufzeit T (TR, T1, T2, T3) ermittelt. Die folgende Berechnung beruht auf der Betrachtung der Meßstrecke L1.

Die Laufzeit TR in der Referenzstrecke LR hängt dabei ledig­ lich von der Schallgeschwindigkeit sv ab, die sich aus

sv = LR/TR ergibt.

Die Laufzeit T1 der durch den Empfänger 1 repräsentierten Meßstrecke L1 hängt dagegen auch von der Luftgeschwindigkeit v1 in Richtung dieser Meßstrecke ab nach der Beziehung

L1/T1 = sv + v1.

Aus der Verbindung beider Gleichungen ergibt sich die Wind­ geschwindigkeit v1 zu

v1 = L1/T1 - LR/TR.

Nach einer ersten Verfahrensvariante soll TR dabei stets aus einer festen Anzahl n an Perioden Tg der Generatorfrequenz fg mit

Tg = 1/fg

bestehen.

Bei einer Temperaturänderung ergibt sich auch eine Verände­ rung der Laufzeit TR in der Referenzstrecke LR, die als Phasenverschiebung tR gekennzeichnet werden kann, so daß gilt

TR = n × Tg + tR

und entsprechend für die Meßstrecke L1

T1 = n × Tg + t1.

Mit L = L1 = LR

wird insgesamt

v1 = L/(n × Tg + t1) - L/(n × Tg + tR).

Allein durch Messung der Phasenverschiebungen t1 und tR läßt sich daher die Windgeschwindigkeit v1 in Richtung der ersten Meßstrecke L1 bestimmen.

Indem nun durch Rückkopplung die Generatorfrequenz fg und damit die Periodenzahl Tg verändert wird, kann stets die Phasenverschiebung tR = Null erreicht werden, so daß mit

v1 = L/(n × Tg + t1) - L/n × Tg

sich die Windgeschwindigkeit v1 allein aus der Messung der Phasenverschiebung t1 ermitteln läßt, was eine komfortable Signalverarbeitung und das Arbeiten in einem großen Meßbe­ reich erlaubt, da stets nur kleine Phasenverschiebungen zu messen sind, bei denen nicht die Gefahr besteht, daß sie die Länge einer Periode Tg überschreiten. Letzteres ist bedeut­ sam für das Phasenvergleichsverfahren, da die Anzahl n der Perioden unverändert beizubehalten ist.

Analog sind die Windgeschwindigkeiten v2, v3 in den übrigen Richtungen zu ermitteln.

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild einer solchen Signalverar­ beitung. Der Schallgeber 4 ist an einen Frequenzgenerator 13 angeschlossen und wird zu kontinuierlicher Abstrahlung ange­ regt. Als Schallgeber 4 wird in dieser Ausführungsform z. B. ein zylindrisches Piezoelement verwendet, dessen Emmis­ sionscharakteristik zu einer phasengleichen Abstrahlung sowohl in Richtung auf den Empfänger 8 der Referenzstrecke LR als auch in Richtung der Empfänger 1, 2, 3 der Meß­ strecken L1, L2, L3 führt. Die Empfängersignale werden in den Verstärkern 14-17 verstärkt und für ein Phasenver­ gleichsverfahren in den Triggern 18-21 in Rechteckimpulse umgewandelt, die als Primärsignale für die Komparatoren 22- 25 dienen. In den Komparatoren 22, 23 und 24 wird das Signal aus der Referenzstrecke LR mit dem jeweiligen Signal der entsprechenden Meßstrecke L1, L2, L3 verglichen und das Dif­ ferenzsignal zur weiteren Signalverarbeitung an die Wider­ standsübertrager 26 bis 28 übergeben. Deren Ausgangssignale sind proportional zu den Beträgen der Komponenten X, Y und Z des Windvektors, bezogen auf das durch den Schallgeber 4 und die Empfänger 1, 2, 3 aufgespannte Achsenkreuz. Gegebenen­ falls kann eine Umrechnung der Komponenten X, Y, Z in ein räumlich gedrehtes Achsenkreuz nach geographischen Gesichts­ punkten oder ein nicht rechtwinklig aufeinander stehendes Achsenkreuz erfolgen, wofür die bekannten geometrischen Beziehungen zur Umrechnung heranzuziehen sind.

Das Ausgangssignal des Komparators 25 dient außerdem zur Rückkopplung der Phasenlage des Signals des Empfängers 8 der Referenzstrecke LR an den Frequenzgenerator 13. Das Signal ist zu diesem Zweck einem Regler 29 aufgeschaltet, dessen Stellgröße den Frequenzgenerator 13 in der Weise regelt, daß zwischen dem Signal des Schallgebers 4 und dem Signal des Empfängers 8 und somit am Ausgang des Komparators 25 eine Phasenverschiebung = Null aufrechterhalten wird. Damit wird eine optimale Empfindlichkeit, unabhängig von der Änderung der Temperatur, erreicht.

Das Stellsignal am Ausgang des Reglers 29 dient dann gleich­ zeitig als ein Maß für die Temperatur der Atmosphäre, das am Widerstandsübertrager 30 abgenommen werden kann.

Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung der Signallaufzeiten wird nachfolgend anhand der Fig. 3 beschrieben.

Die Laufzeiten T (T1, T2, T3, TR) für die Meßstrecken und die Referenzstrecke (L1, L2, L3, LR) werden nicht aus Messungen der Höhe der Phasenverschiebungen, sondern einer Messung einer veränderlichen Frequenz ermittelt, bei der die Phasenverschiebung am jeweiligen Empfänger 1, 2, 3, 8 gerade zu Null wird. Aus der gemessenen Frequenz kann die Strö­ mungsgeschwindigkeit dann auf folgende Weise bestimmt werden:

Die Frequenz fg des Frequenzgenerators 13 wird proportional zur Spannung U eines Sägezahngenerators 31 in Grenzen geän­ dert und auf den Schallgeber 4 gegeben. Gemessen wird dann jeweils die Frequenz fR, f1, f2, f3, bei der die Phasenver­ schiebung tR, t1, t2, t3 am jeweiligen Empfänger 8, 1, 2, 3 zu Null wird.

Wiederum auf die Meßstrecke L1 bezogen wird dann mit

T1 = n × Tg2 (bei t1 = 0)
= n/f1
v1 = L × f1/n - L × fR/n oder
v1 = L/n (f1-fR).

Da die zu messende Frequenz als zur Spannung U (UR, U1, U2, U3) am Sägezahngenerator 31 proportionales Signal vorliegt, kann die Gleichung auch geschrieben werden als

v1 = cL/n (U1-UR),

wobei c eine Gerätekonstante ist, die u. a. das Resonanzver­ halten des Piezokristalls repräsentiert.

Die Signalauswertung ist in Fig. 3 wiederum als Blockschalt­ bild gezeigt. Das von den Empfängern 1, 2, 3, 8 aufgenommene Signal wird Komparatoren 32-35 mit dem vom Frequenzgenerator 13 ausgegebenen Signal verglichen. Erreicht die Phasenver­ schiebung tR, t1, t2, t3 den Wert null, so wird der jewei­ lige Zeitpunkt von einer Logikschaltung 36 an den Ana­ log/Digital-Wandler 37 weitergegeben, der die in diesem Augenblick von dem Sägezahngenerator 31 vorgegebene und am Frequenzgenerator 13 anliegende Spannung UR, U1, U2, U3 einem Prozessor zur Weiterverarbeitung übergibt. Somit kann die Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums in drei Richtun­ gen temperaturunabhängig ermittelt werden.

Zur Einstellung des Empfindlichkeitsbereiches, d. h. der Mit­ telwertslage der Spannung U des Sägezahngenerators 31, wird die Temperatur entweder in der Referenzstrecke LR vor Beginn des Meßvorganges festgestellt und dann die Mittelwertslage der Spannung U über Rückkopplung auf ein Stellglied 38 gere­ gelt oder ein separater, auf das Stellglied 38 einwirkender Temperaturfühler benutzt.

Claims (19)

1. Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von gasförmigen oder flüssigen Medien mittels Ultraschall, bei dem die Laufzeit eines von einem Ultraschallgeber ausge­ sandten Signals innerhalb einer oder mehrerer von dem Medium durchströmten Meßstrecken ermittelt und in einem Signalver­ arbeitungsgerät daraus die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in der jeweiligen Signalrichtung abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem die Laufzeit eines Signals innerhalb einer mit dem Medium verbundenen Referenzstrecke ermittelt wird, in der keine Strömung, ansonsten aber die gleichen Bedingungen wie in dem Medium herrschen und die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in der jeweiligen Signalrichtung aus der Diffe­ renz der Reziprokwerte der Laufzeiten der jeweiligen Meßstrecke und der Referenzstrecke abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messungen in der Referenzstrecke und in der bzw. den Meßstrecken ein phasengleiches Signal verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeiten am Ende der Referenz­ strecke und der Meßstrecke(n) durch Messung der Phasenver­ schiebungen des bzw. der empfangenen Signale gegenüber dem Ausgangssignal ermittelt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des ausgesandten Ultraschallsignals durch das Signalverarbeitungsgerät so geregelt wird, daß in der Referenzstrecke keine Phasenver­ schiebung zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen Ultraschallsignal besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellsignal der Regelstrecke des Signalverarbei­ tungsgerätes gleichzeitig als Maß für die Temperatur des Mediums verarbeitet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallgeber in seinem Reso­ nanzbereich betrieben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeiten am Ende der Referenz­ strecke und der Meßstrecke(n) durch Messung der Frequenz des jeweils empfangenen Signals ermittelt werden, bei der die Phasenverschiebung zwischen dem in seiner Frequenz in Gren­ zen veränderbaren Ausgangssignal und dem jeweils empfangenen Signal zu Null wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem kontinuierlichen Ultraschallsignal gemessen wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Referenzstrecke und der Meßstrecken vor Beginn einer Messung in einem ruhen­ den Medium mittels Vergleich der Laufzeiten bzw. der Phasenverschiebungen der am Ende der Referenzstrecke und der Meßstrecken empfangenen Signale kalibriert wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der am Ende der Referenzstrecke und der Meßstrecken empfangenen Signale mit­ einander verglichen werden und bei Abweichen der Amplitude eines Signals gegenüber einem Mittelwert der empfangenen Signale oder einem vorgegebenen Wert ein Fehlersignal ausge­ löst wird.

11. Zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignetes Meßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens einen Schallgeber (4), mindestens eine mit einem Empfänger (1, 2, 3) ausgerüstete, von dem Medium durchströmte Meßstrecke (L1, L2, L3) und eine mit einem Empfänger (8) ausgerüstete, mit dem Medium in Verbindung stehende, aber von diesem nicht durchströmte Referenzstrecke (LR) aufweist.

12. Meßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecken (L1, L2, L3) und die Referenzstrecke (LR) die gleiche Länge aufweisen.

13. Meßgerät nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger, für alle Meßstrecken (L1, L2, L3) und die Referenzstrecke (LR) wirksamer Schallgeber (4) verwendet ist.

14. Meßgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallgeber (4) in den Richtungen der Meßstrecken (L1, L2, L3) und der Referenzstrecke (LR) eine phasengleiche Abstrahlcharakteristik aufweist.

15. Meßgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger (1, 2, 3) der Meßstrecken (L1, L2, L3) und der Schallgeber (4) an den Eckpunkten eines gedachten Tetraeders angeordnet sind.

16. Meßgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstrecke (LR) als monomodaler akustischer Leiter ausgebildet ist.

17. Meßgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstrecke (LR) als Hohlzylinder (7) ausgebildet ist.

18. Meßgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (7) mit Öffnungen (11) versehen ist.

19. Meßgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallgeber (4) durch eine ultraschalldurchlässige Membran (12) abgedeckt ist.