![]() Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit in einem akustisch gut übertragend
专利摘要:
Verfahrenzur Messung der Fließgeschwindigkeiteines eine akustische Resonatoranordnung durchfließenden akustischgut übertragendenMediums mittels eines in der Resonatoranordnung erzeugten Schallfeldes,durch das Schallenergie im Medium gespeichert wird, mit den Schritten:-Einbringen von einer eine dauerhafte Verschlechterung der Güte der Resonatoranordnungbewirkenden Einrichtung und/oder Wahl eine solche Verschlechterungbewirkender geometrischer Abmessungen in einem Maße, daß die dieGüte beeinflussendenEigenschaften des Mediums im Hinblick auf die gewünschte Meßgenauigkeitvernachlässigbarsind,- Bestimmen eines Kalibrierzusammenhangs anhand einer gemessenenGüte odereines anderen kennzeichnenden Parameters der so verschlechtertenResonatoranordnung bei einer vorbekannten Strömungsfließgeschwindigkeit des Mediumsdurch die Resonatoranordnung,- Bestimmen der Güte odereines anderen kennzeichnenden Parameters der Resonatoranordnungam zu messenden Medienfluß,-Errechnen der momentanen Fließgeschwindigkeitdes Mediums aus der momentan bestimmten Güte oder einem anderen kennzeichnendenParameter. 公开号:DE102004027544A1 申请号:DE200410027544 申请日:2004-06-04 公开日:2005-12-29 发明作者:Gerd Prof. Dr.-Ing. Stange 申请人:Fachhochschule Kiel; IPC主号:G01F1-66
专利说明:
[0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmungder Fließgeschwindigkeitin einem akustisch gut übertragendenMedium mittels einer schallaussendenden Einrichtung. [0002] Esist bekannt, akustische Methoden zur Durchfluss- und Strömungsmessungeinzusetzen (Otto Fiedler, Strömungs-und Durchflussmesstechnik, R. Oldenbourg Verlag München 1992).Bei allen Unterschieden ist diesen Methoden gemeinsam, dass sieein Schallfeld nutzen, das sich mit einer Komponente in Strömungsrichtungdes Mediums ausbreitet. Grundsätzlichlassen sich zurei Gruppen von Messverfahren unterscheiden: Beider Gruppe der Verfahren nach dem Doppler-Effekt wird die Frequenzverschiebungeiner Schallwelle nach Reflexion an Inhomogenitäten innerhalb des strömenden Mediumserfasst. Voraussetzung ist hier das Vorhandensein von Inhomogenitäten, zumeistin Form von mitgeführtenPartikeln, verbunden mit dem Nachteil der lediglich punktweisenErfassung der Partikelgeschwindigkeit. Daher lasst sich diese Gruppevon Verfahren nicht bei homogenen Medien einsetzen. [0003] Diefür dieindustrielle Durchfluss- und Strömungsmessungwichtigere Gruppe der Verfahren nach dem Mitführungseffekt nutzt unmittelbardie Überlagerungder Fließgeschwindigkeitdes Mediums mit der in ihrer Richtung liegenden Komponente der Schallgeschwindigkeitaus, indem dadurch entlang einer Messstrecke endlicher Ausdehnungin Strömungsrichtunghervorgerufene Änderungenvon Signallaufzeiten, Phasendifferenzen oder Frequenzdifferenzengemessen werden. Alle diese Messungen laufen im Ergebnis auf Zeitmessungenhinaus, die bei geringen Fließgeschwindigkeitenvon z.B. 0.01 m/s bei einer Messstrecke von z.B. 0.1 m Länge eineZeitauflösungim Subnanosekundenbereich erfordern. Der linear in die Zeitauflösung eingehendenLänge derMessstrecke sind aus praktischen Gründen enge Grenzen gesetzt. [0004] Eshat daher nicht an Bemühungenzu einer künstlichenVerlängerungder Messtrecke – z.B.durch das sog. Sing-around-Verfahren – gefehlt, bei dem ein voneinem Schallsender nach Durchlaufen der Messstrecke vom Empfänger aufgenommenesSignal seinerseits zur Auslösungeines neuen Sendesignals führt. Durchvielfache Wiederholung dieses Vorganges lässt sich die scheinbare Länge derMessstrecke vervielfachen. Jedoch sind die dabei auftretenden Totzeitenzurischen Signalempfang und erneuter Signalsendung Ursache für zusätzlicheFehler. Ein weiteres Problem aller Verfahren dieser Gruppe stelltdie empfindliche Temperatwabhängigkeitder Schallgeschwindigkeit dar. Sie erfordert entweder die gleichzeitigeMessung der Schallgeschwindigkeit oder eine Temperaturmessung, verbundenmit einer Kalibrationsprozedur. [0005] Grundsätzlich läßt sichjedoch auch mit solchen Schallfeldern, die keine Ausbreitungskomponentein Fließrichtungdes Mediums haben, die Fließgeschwindigkeitdes Mediums messen. Die Verwendung solcher Schallfelder bietet denVorteil kurzer Baulängen.Eine entsprechende Vorrichtung wird in der Schrift JP 601 66 822 vorgeschlagen. Diesesieht eine akustische Messstrecke mit zur Strömungsrichtung transversalemSchallfeld innerhalb einer geschlossenen Regelschleife so vor, dasssie sich mittels eines Verstärkers selbstin Resonanz erregt und dabei die Amplitude des Schallfeldes aufeinen konstanten Referenzurert geregelt wird. Die mit der Strömung transportierteEnergie verursacht einen zur Strömungsgeschwindigkeitproportionalen Leistungsabfluss, der bei vorausgesetzter Konstanzder Schallamplitude durch die Regelstrecke ausgeglichen wird unddaher gemäß der JP 601 66 822 zur Messungder Strömungsgeschwindigkeitherangezogen werden kann. [0006] Einegenauere Untersuchung der in der JP601 66 822 vorgeschlagenen Vorrichtung zeigt jedoch, dassdie Betrachtung der zugeführtenLeistung allein unzureichend ist, um die Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln.Dies ist darauf zurückzuführen, dassauch ohne StrömungEnergieverluste im Schallfeld auftreten, die sich auf zurei Ursachenzurückführen lassen:Die medien-, temperatur- und frequenzabhängige Ausbreitungsdämpfung einerseitsund die geometrie- und frequenzabhängige Abstrahlungsdämpfung andererseits. [0007] Esist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Durchfluss- bzur. Strömungsmessungzu schaffen, das Messanordnungen geringstmöglicher Baulänge beieinfachem Aufbau und hoher Auflösungerlaubt, wobei die oben erwähntenProbleme umgangen werden. [0008] Eswurde festgestellt, dass sich alle diese Eigenschaften in ihrenkomplexen Abhängigkeitenund Wechselwirkungen zutreffend durch ein Modell eines akustischenResonators und durch die ihn beschreibenden Parameter erfassen lassen.ZuverlässigeRückschlüsse aufdie Fließgeschwindigkeitdes Mediums sind möglich,wenn die Veränderungder Resonatorparameter durch das fließende Medium in Betracht gezogen wird.Dabei kommt der Resonatorgüteeine entscheidende Bedeutung zu. [0009] Daserfindungsgemäße Verfahrenund die entsprechende Vorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen ermöglicht dies.Vorteilhafte Ausführungensind in den Unteransprüchenaufgeführt. [0010] DieErfindung geht von einem offenen, akustischen Resonator aus, inden ein Schallgeber Schallwellen einstrahlt und der senkrecht zurEinstrahlrichtung von einem Medium durchströmt wird. Bevorzugt sind Schallgeberund Resonatorreflektoren integrale Bestandteile eines Messrohres,in dem das Medium ungehindert fließen kann. Das strömende Mediumbewirkt den Abtransport der im erregten Resonator gespeicherten Schallfeldenergie,wie bereits oben dargelegt wurde. [0011] Nebendem gewünschten,durch die Strömunghervorgerufenen Energietransport treten aber weitere Energieverlusteauf, die sich aufteilen lassen in die medien-, frequenz- und temperaturabhängigen Ausbreitungsverlusteeinerseits und die bei offenen Resonatoren unvermeidlichen, nurvon der Resonatorgeometrie abhängigenAbstrahlungsverluste sowie die an den Resonatorwänden auftretenden Verlusteandererseits. [0012] Esreicht zur Messung der Strömungsgeschwindigkeitdeshalb nicht aus, die Energieverluste – etwa durch Kompensation – zu messen,da diese, soweit sie von Eigenschaften des Mediums herrühren, nichtim Zuge einer einfachen Kalibration ein für allemal zu ermitteln sind. [0013] Erfindungsgemäß soll daherdie dem Fachmann bekannte Gütedes Resonators als Messgröße vorgeschlagenwerden. Üblicherweisewird die ResonatorgüteQ vom Fachmann nicht als eine kontinuierlich zu messende Observableangesehen. [0014] DieMessung der Resonatorgüteund ihrer Änderungist auf verschiedene Weise möglich.Im einfachsten Falle wird der Resonator im quasistationären Betriebsinusfömigerregt, indem z.B. ein in den Resonator integrierter bevorzugterpiezoelektrischer Schallwandler mit konstanter Stromamplitude gespeistwird. Die sich dabei am Wandler einstellende Spannungsamplitudeist ein Maß für die Güte. In diesemFalle übernimmtein einziger Schallwandler zugleich die Aufgaben der Anregung undder Gütemessung.Es ist offensichtlich, dass diese Aufgaben auch von getrennten Wandlernwahrgenommen werden können. [0015] InBezug auf die Gütelassen sich die geometrieabhängigenAbstrahlungsverluste und die Wandverluste einfach im Wege einereinmaligen Kalibration berücksichtigen.Allerdings führendie stark von der Temperatur abhängigenAusbreitungsverluste immer noch zu einer unerwünschten Temperaturabhängigkeitder Güte,so dass eine genaue Bestimmung der Fließgeschwindigkeit des Mediumsaus einer Güteänderungnicht ohne weiteres gelingen wird. [0016] DerKerngedanke der Erfindung besteht deshalb darin, diese Temperaturabhängigkeitzu unterdrücken,indem z.B. durch Wahl einer geeigneten Resonatorgeometrie die Abstrahlungsverlustedie Ausbreitungsverluste im Medium dominieren. Der Resonator wirddurch diese Maßnahmeeine zurar verringerte, jedoch gegenüber Temperaturänderungenunempfindliche Güteaufweisen. Ein analoger Effekt bezüglich der Wandungsverluste lässt sichdurch schalldämpfendeBelägean den inneren Resonatorwandungen erzielen. Die auf diese Weisedurch das strömendeMedium verursachten Güteänderungenerlauben dann eine ebenfalls temperaturunabhängige Auswertung nach seinerGeschwindigkeit. Dabei wird vorausgesetzt, dass der Abstand zurischender rein medienabhängigenGüte, diesich bei Annahme eines geschlossenen, verlustlosen Resonators einstellt,und der durch die erfindungsgemäßen Maßnahmenverringerten Güteausreichend groß ist. [0017] EinenähereUntersuchung zeigt, dass diese Voraussetzung z.B. für das inder Praxis wichtige Medium Wasser gut erfüllbar ist. Wie weiter untennoch ausführlichgezeigt wird, liegt die rein medienabhängige Güte bei Wahl einer Frequenzvon z.B. f = 100 kHz bei einem Wert von Q ≈ 106,so dass ausreichend Spielraum zur Einstellung einer gedämpften Güte von z.B.Q = 104 mit den geschilderten Maßnahmenbesteht. Grundsätzlich bestehtin der Fachwelt jedoch das Vorurteil, dass die Wahl einer möglichsthohen Güteim Interesse möglichst hoherAuflösunganzustreben sei. Die willkürlicheVerschlechterung der Güteist daher dem Fachmann nicht nahe gelegt. [0018] Esbedarf der besonderen Erwähnung,dass nach dem erfindungsgemäßen Verfahrenneben der Güte alsMessgröße auchweitere Resonatorgrößen, wiez.B. die Bandbreite und die Dämpfungszeitkonstantezur Auswertung benutzt werden können.Diese Größen stehenin einfachen, bekannten Zusammenhängen mit der Güte, so dasssich jederzeit eine Umrechnung vornehmen lässt. Dies kann von Bedeutungsein, wenn unterschiedliche Betriebsarten des Resonators in Betrachtgezogen werden. [0019] Grundsätzlich erlaubtdie Erfindung eine Reihe unterschiedlicher zeitlicher Verläufe derakustischen Anregung. Bei quasistationärem Betrieb des Resonatorswird dieser sinusförmigbei seiner Resonanzfrequenz betrieben. In dieser Betriebsart istdie Güteals Messgröße besondersnahe liegend. Bei impulsförmigerAnregung entsteht durch Reflexion an den Resonatorwänden eineFolge gleichabständigerImpulse mit abnehmender Amplitude, aus denen die Dämpfungszeitkonstanteermittelt und auf die Strömungsgeschwindigkeitgeschlossen werden kann. Mit Ausnahme der in Bezug auf die Strömung orthogonalenAusrichtung werden keinerlei Bedingungen an die An und Form desSchallfeldes gestellt. [0020] DieErfindung gestattet die praktische Realisierung von Messanordnungenmit geringstmöglichenAbmessungen in Strömungsrichtung.Dies führtzu geringen Einbaulängenbei in Rohrleitungssystemen verwendeten Durchflussmessgeräten. Darüber hinaus gewährleistetdie Nutzung des Messrohres selbst als akustischer Resonator einenextrem einfachen Aufbau der gesamten Anordnung ohne Behinderungendes Durchflusses. Bei Verwendung als offener Strömungssensor sind geringe Baulängen undeinfacher Gesamtaufbau im Interesse möglichst geringer Störungen desStrömungsfeldesebenfalls von Vorteil. [0021] DieErfindung wird im Folgenden anhand einer Prinzipskizze in einerZeichnung erläutert.Dabei zeigt: [0022] dieeinzige 1 einen schematischen Längsschnittdurch die Messtrecke. [0023] Diein 1 gezeigte Messtrecke 1 wird in der mit 'v' gekennzeichneten Richtung vom Messmedium durchströmt. Innerhalbdes akustischen Resonators 3, der durch die Wandungen 2 begrenztund durch den Wandler 4 angeregt wird, bildet sich einin Bezug auf die Strömungsrichtungtransversales Schallfeld 5 aus, das Träger der gespeicherten Schallfeldenergiemit einer auf die Längeneinheitin Strömungsrichtungbezogenen Energiedichte W' ist. [0024] Diemit 'P' bezeichneten Pfeilegeben die Richtung von Leistungsflüssen an. Darin bedeutet Pin die durch den Wandler 4 eingestrahlteSchalleistung, währendPint die interne Verlustleistung des Resonatorsrepräsentiert.Pleft und Pright sinddie links- bzur. rechtsseitig aus dem offenen Resonator abgestrahltenLeistungen. Pflow kennzeichnet den durchdie Strömungtransportierten Energiefluss und damit die Leistung, die – wie weiterunten gezeigt wird – dergespeicherten Energiedichte W' undder Strömungsgeschwindigkeitv proportional ist. [0025] Diefolgenden Betrachtungen unter Zuhilfenahme bekannter formelmäßiger Zusammenhänge dienen lediglichder weiteren Erläuterungder Beziehungen zurischen der Strömungsgeschwindigkeit v einerseitsund den Parametern des Resonators andererseits, wie sie der Erfindungzugrunde liegen. Ausgehend von der Definition der Resonatorgüte Q, [0026] Diedurch die Strömungtransportierte Leistung Pflow entsprichtder zeitlichen Änderungder im Resonator gespeicherten Energie W mit [0027] Darinist x die Längenkoordinatein Richtung der Strömungund v die Strömungsgeschwindigkeit.W' ist die in x-Richtunggenommene, längenbezogeneEnergiedichte des Schallfeldes im Resonator, die hier näherungsweiseals konstant angenommen wird. Unter Annahme einer Ausdehnung σ des Schallfeldesin x-Richtung gilt dann [0028] Dannwird der Kehrwert der Güteunter Benutzung der vorangehenden Gleichungen [0029] DieseGleichung lässtsich gut fürdie Auswertung der Messergebnisse im quasistationären Betriebheranziehen, indem die GüteQv≠0 gemessenwird und der Wert Qv=0 aus einer einmaligenMessung bei v = 0 bekannt ist. Dieses Vorgehen setzt jedoch – wie weiter obenbereits beschrieben – voraus,dass Temperatureinflüsseder medienabhängigenAusbreitungsdämpfungzu vernachlässigensind. [0030] Durchgezielte Verschlechterung der Resonatorgüte wird der temperatur- undmedienabhängigeEinfluss der Ausbreitungsdämpfungvernachlässigbargering gehalten. Dann lässtsich diese gezielt reduzierte GüteQred, v=0 an Stelle der Güte Qv=0 ein fürallemal unabhängigvon der Temperatur bei nicht vorhandener Strömung bei v = 0 bestimmen, sodass Gleichung [6] die Form [0031] Wiebereits weiter oben erwähnt,lassen sich außerder Güteweitere die Resonatoreigenschaften kennzeichnende Parameter – wie z.B.die Bandbreite, die Dämpfungskonstanteund die Dämpfungszeitkonstante – zur Auswertungnach der Strömungsgeschwindigkeitheranziehen. [0032] DieBandbreite B, angegeben als Kreisfrequenz, steht mit der Güte in derfolgenden Beziehung [0033] DieseGleichung ist ebenfalls fürden quasistationärenBetrieb mit sinusförmigerAnregung geeignet. [0034] Für impuls-bzur. burstförmigenBetrieb lassen sich die obigen Beziehungen mittels der Zusammenhänge [0035] ImFolgenden soll zum zurecke der Abschätzung der erforderlichen bzur.erreichbaren Werte lediglich beispielhaft die Güte als Messgröße mit Wasserals Medium herangezogen werden. Legt man die Ausbreitungsdämpfung β von Wasserals prinzipielle Begrenzung fürdie erreichbaren Gütenbei Ultraschall zugrunde, so gilt (siehe Heinrich Kuttruff, Physikund Technik des Ultraschalls, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1988,Tabelle III.2, S. 201) [0036] BeiWahl einer Frequenz von f = 100 kHz (abhängig von den Abmessungen desResonators, die mindestens eine halbe Wellenlänge betragen müssen), ergibtsich bei einer Schallgeschwindigkeit von c = 1480 m/s für die Dämpfungskonstanteein Wert von α = β c = 0.36 [14]und ausdem oben angegebenen Zusammenhang zurischen Q und α der theoretischerreichbare Höchstwert derGüte von [0037] Daes sich um einen offenen Resonator handelt, dominieren die geometriebedingtenVerluste jene durch Ausbreitungsdämpfung. In der Praxis lässt sichdaher, wie oben beschrieben, durch entsprechende Wahl der Resonatorgeometrieund/oder durch Verwendung dämpfenderBelägein den Resonatorwandungen eine reduzierte Güte Qred einstellen,die erheblich unter dem theoretisch erreichbaren Wert liegt. Dieshat den entscheidenden Vorteil, dass die Güte allein durch die Geometriebestimmt wird und die temperaturabhängigen Ausbreitungsverlustekeine Rolle spielen. Dann kann tatsächlich, wie weiter oben vorausgesetzt,die Güte für v = 0ein fürallemal durch eine Vorwegmessung bestimmt und als Kalibrationskonstanteberücksichtigtwerden. Stellt man durch Wahl der Resonatorgeometrie eine Güte von z.B.Qred v=0 = 10000 ein, so ergibt sich bei Annahmeeiner Schallfeldausdehnung von z.B. σ = 10 mm aus der oben angegebenenGleichung [7] bei einer unteren Geschwindigkeit von 0.01 m/s eineerforderliche Auflösungvon [0038] Für die messtechnischeUmsetzung der Bestimmung der Gütenänderunggibt es mehrere Möglichkeiten.Im einfachsten Falle reicht dazu bei quasistationärem Betriebdie Änderungder Spannungsamplitude bei Speisung mit konstanter Stromamplitudeaus. [0039] Jenach An der Anregung und der Messgröße sind ähnliche Anforderungen an dieAuflösungder jeweils benutzten Messgröße, z.B.der Bandbreite B oder der Zeitkonstante τ, zu stellen. Die Benutzungder Zeitkonstante τ alsMessgröße bei impulsförmiger Anregungkann durchaus von Vorteil gegenüberder Güteals Messgröße sein,wenn die Gütedes anregenden Wandlers geringer ist als die Güte des akustischen Resonators,weil in diesem Falle die Gesamtgütedurch den geringsten Wert der Gütender beteiligten Komponenten bestimmt wird. [0040] WeitereUntersuchungen haben gezeigt, dass selbst bei einer Frequenz vonf = 1 MHz in Wasser als Medium die theoretische, rein ausbreitungsbedingteGüte beica. 105 liegt, so dass auch hier von denVorteilen einer geometriebestimmten Güte Gebrauch gemacht werdenkann. HöhereFrequenzen sind insofern vorteilhaft, als sich das Schallfeld inseiner Ausdehnung σ verringert.Dies ist auf den mit steigender Frequenz zunehmenden BündelungseffektflächenhafterStrahler zurückzuführen. [0041] Essollte hier betont werden, dass das erfindungsgemäße Verfahreneine großeVielfalt möglicherAuswertemethoden erlaubt, von denen nur einige lediglich beispielhaftdurch die vorangegangene formelmäßige Beschreibungvorgestellt und erläutertworden sind.
权利要求:
Claims (7) [1] Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeiteines eine akustische Resonatoranordnung durchfließenden,akustisch gut übertragendenMediums mittels eines in der Resonatoranordnung erzeugten Schallfeldes,durch das Schallenergie im Medium gespeichert wird, gekennzeichnetdurch – Einbringenvon einer eine dauerhafte Verschlechterung der Güte der Resonatoranordnung bewirkendenEinrichtung und/oder Wahl eine solche Verschlechterung bewirkendergeometrischer Abmessungen in einem Maße, daß die die Güte beeinflussenden Eigenschaftendes Mediums im Hinblick auf die gewünschte Meßgenauigkeit vernachlässigbarsind, – Bestimmeneines Kalibrierzusammenhangs anhand eines kennzeichnenden Parametersder so verschlechterten Resonatoranordnung bei einer vorbekanntenStrömungsfließgeschwindigkeitdes Mediums durch die Resonatoranordnung, – Bestimmen des kennzeichnendenParameterwertes der Resonatoranordnung am zu messenden Medienfluß, – Errechnender momentanen Fließgeschwindigkeitdes Mediums aus dem momentan bestimmten kennzeichnenden Parameters. [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß derkennzeichnende Parameter die Güteist. [3] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß derkennzeichnende Parameter die Bandbreite ist. [4] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß derkennzeichnende Parameter die Dämpfungskonstanteist. [5] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß derkennzeichnende Parameter die Dämpfungszeitkonstanteist. [6] Vorrichtung zur Messung der Fließgeschwindigkeit nach einemder Ansprüche1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Verschlechterungder Gütedes Resonators durch die Wahl einer Resonatorgeometrie erfolgt,bei der die Abstrahlungsverluste größer als die Ausbreitungsverlusteim Medium sind. [7] Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,daß dieVerschlechterung der Gütedes Resonators durch schalldämpfendeBelägean den inneren Resonatorwandungen erfolgt.
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同族专利:
公开号 | 公开日 DE102004027544B4|2007-02-01|
引用文献:
公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
法律状态:
2005-12-29| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law| 2007-07-26| 8364| No opposition during term of opposition| 2011-11-07| R082| Change of representative|Representative=s name: BOEHMERT & BOEHMERT ANWALTSPARTNERSCHAFT MBB -, DE Representative=s name: BOEHMERT & BOEHMERT, DE Representative=s name: BOEHMERT & BOEHMERT, 28209 BREMEN, DE | 2015-01-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee| 2015-06-03| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|Effective date: 20150101 |
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