![]() Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Fließgeschwindigkeit in Volumina einer akustischen Resonat
专利摘要:
Verfahrenzur Messung der Fließgeschwindigkeiteines durch Volumina einer akustischen Resonatoranordnung hindurchfließenden Mediumsmittels eines in der Resonatoranordnung erzeugten Schallfeldes, welchesdie Schallenergie im Medium speichert, mit den Schritten: Bestimmeneines Kalibrierzusammenhangs einer beliebigen meßbaren Größe je eines definierten Volumenseines Resonators anhand einer vorbekannten Strömungsgeschwindigkeit, Vergleichder Resonatoreigenschaften hinsichtlich der kalibrierten Größen zweierunterschiedlicher mit Schallenergie beaufschlagter Volumina, zwischendenen durch den Fluß desMediums Schallenergie transportiert wird. 公开号:DE102004027546A1 申请号:DE200410027546 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 zur Messung der Fließgeschwindigkeiteines eine Messstrecke durchfließenden Mediums in Voluminaeiner akustischen Resonatoranordnung mittels einer schallaussendendenEinrichtung. [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 zwei 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 lässt sich diese Gruppe von Verfahren nichtbei 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 Totzeitenzwischen Signalempfang und erneuter Signalsendung Ursache für zusätzlicheFehler. Ein weiteres Problem aller Verfahren dieser Gruppe stelltdie empfindliche Temperaturabhängigkeitder 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 Referenzwert 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 zwei Ursachenzurückführen lassen:Die medien-, temperatur- und frequenzabhängige Ausbreitungsdämpfung einerseitsund die geometrie- und frequenzabhängige Abstrahlungsdämpfung andererseits. [0007] Esist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Durchfluss- bzw. Strömungsmessungzu schaffen, das Messanordnungen geringstmöglicher Baulänge beieinfachem Aufbau und hoher Auflösungin möglichstvielen Medien erlaubt, wobei die oben erwähnten Probleme umgangen werden. [0008] Eswurde festgestellt, dass sich alle diese Eigenschaften in ihrenkomplexen Abhängigkeitenund Wechselwirkungen zutreffend durch das Modell einer akustischenResonatoranordnung und durch die diese beschreibenden Parametererfassen lassen. ZuverlässigeRückschlüsse aufdie Fließgeschwindigkeitdes Mediums sind möglich,wenn die Veränderungder Resonatorparameter durch das fließende Medium in Betracht gezogenwird. [0009] Daserfindungsgemäße Verfahrenund die entsprechende Vorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen ermöglichendies. Vorteilhafte Ausführungensind in den Unteransprüchenaufgeführt. [0010] Beidem vorgeschlagenen Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeiteines Mediums, das Volumina einer akustischen Resonatoranordnungdurchfließt,wird mittels eines in der Resonatoranordnung erzeugten SchallfeldesSchallenergie im Medium gespeichert. Der Vergleich einer die Resonatoreigenschaften charakterisierendenGröße für zwei unterschiedlichemit Schallenergie beaufschlagte Volumina, zwischen denen durch denFluss des Mediums Schallenergie transportiert wird, erlaubt dann,wie im folgenden mathematisch hergeleitet, die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit,integriert überdie Vo lumina. Vorangehend muss nur einmal für die gewählte Geometrie ein Kalibrierzusammenhangdieser Messgröße des Resonatorsmit der Fließgeschwindigkeitanhand einer vorbekannten Strömungsgeschwindigkeithergestellt werden. [0011] DieErfindung sieht die Verwendung einer akustischen Resonatoranordnungvor, die senkrecht zur Richtung der Schallanregung vom Medium durchströmt wird.Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn Schallgeber undResonatorreflektoren integrale Bestandteile eines Messrohres sind,das somit hindernisfrei vom Medium durchströmt werden kann. Weiterhin siehtdie Erfindung das Anordnen wenigstens zweier, entlang der Strömungsrichtungräumlichgetrennter Schallempfängervor, die vorteilhaft ebenfalls in die Rohrwandungen integriert sind.Es eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, dass dieSchallempfängersymmetrisch um die Position des Schallgebers angeordnet werden. [0012] Dasvom Schallgeber in die – erfindungsgemäß offene – Resonatoranordnungeingespeiste Schallfeld wird sich im ruhenden Medium symmetrischausbilden. Insbesondere werden zwei relativ zur Symmetrieachse spiegelbildlichpositionierte Volumina im Innern der Resonatoranordnung – insbesondereim Innern des Messrohres mit Medium – identische Schallfeldverhältnisseaufweisen. Folglich müssensymmetrisch angeordnete Schallempfänger diesen Verhältnissengerecht werden, indem sie identische Signale aufzeichnen. Jede Strömung desMediums störtnun die Symmetrie. Die Abweichung von der Symmetrie gilt es messtechnischzu erfassen und fürden Rückschlussauf die Strömungsgeschwindigkeitund -richtung zu benutzen. [0013] Daserfindungsgemäße Vorgehenzur messtechnischen Erfassung ist die Messung der an den (piezoelektrischen)Schallempfängernauftretenden Spannungsamplituden normiert auf die speisende Stromamplitudeam Schallgeber. Im klassischen Fall eines Resonators mit einem kontinuierlichsinusförmiganregenden Schallgeber und einem einzelnen Schallempfänger (derbaulich mit dem Schallgeber identisch sein kann) entspräche diesder Messung der ResonatorgüteQ. [0014] Daserfindungsgemäße Verfahrenbedarf somit der Definition einer differentiellen Güte, dieder Bezugnahme auf mehrere Volumina innerhalb der Resonatoranordnunggerecht wird. Es bietet sich an, bezogen auf die Strömungsrichtungeingangs- und ausgangsseitige Gütewertezu erklären,in die die Spannungsamplituden der jeweils dort befindlichen Schallaufnehmereingehen. Die Differenz dieser Güten,eben die differentielle Güte,re flektiert die Schallfeldsymmetrie und Abweichungen davon in vorteilhafterWeise und wird erfindungsgemäß als Messgröße vorgeschlagen.Bei Vorliegen einer symmetrisch aufgebauten Resonatoranordnung undin Abwesenheit jeglicher Strömungist diese Gütedifferenzoffenbar aus SymmetriegründenNull. Wenn das Medium strömt,findet Energietransport aus einem eingangsseitigen in ein ausgangseitigesVolumen der Resonatoranordnung statt. Der eingangsseitige Gütewert wirddadurch gegenüberdem ausgangsseitigen verringert, und zwar in einem Ausmaß, welchesdirekt mit der Strömungsgeschwindigkeitkorreliert ist. [0015] Nebendem gewünschten,durch die Strömunghervorgerufenen Energietransport treten 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 Resonatorwandungen auftretendenVerluste andererseits. Auch Abstrahl- und Wandverluste verteilensich wegen der vorausgesetzten Symmetrie des Resonators symmetrischauf seine eingangs- und ausgangsseitigen Hälften. Alle genannten Verlustartenführenebenfalls zu einer Änderungder Resonatorgüte,nicht jedoch zur Störungder konstruktiv vorgesehenen Symmetrie. Diese kann nur durch dieeinseitig gerichtete Strömungselbst erfolgen. [0016] Während sichder Einfluss der geometrieabhängigenAbstrahlungsverluste sowie der Wandverluste auf die Güte einfachim Wege einer Kalibration berücksichtigenlässt,führendie stark von der Temperatur abhängigenAusbreitungsverluste zu einer unerwünschten Temperaturabhängigkeitder Güteund damit der aus ihr ermittelten Fließgeschwindigkeit. Dies lässt sichjedoch bei Betrachtung zweier Volumina herausrechnen. Auch die gleichzeitigeMessung der Gesamtgüteerlaubt die Elimination temperaturabhängiger Einflüsse der Ausbreitungsdämpfung. [0017] Eine ähnlicheVariante des erfindungsgemäßen Verfahrenssieht die Anordnung symmetrisch ein- und ausgangsseitig benachbarterResonatoren zu den bisher vorausgesetzten Resonatoren vor. In diesemFalle lässtsich die Kopplung der Nachbarresonatoren zur Auswertung nach derStrömungsgeschwindigkeitheranziehen. In Abwesenheit einer Strömung ist die Kopplung alleindurch Abstrahlungs- und Wandverluste bedingt und damit voraussetzungsgemäß symmetrisch.Eine vorhandene Strömungverursacht unsymmetrische Kopplungen mit einer höheren Kopplung des stromabwärts gelegenenNachbarresonators. In ähnlicherWeise wie in der vorangehenden Variante, lässt sich die Kopplung durchin den Nachbarresonatoren vorhandene Schallempfänger erfassen. In ebenfalls ähnlicherWeise lässtsich durch Differenzbildung der Kopplungsamplituden auf die Strömungsgeschwindigkeitschließen.Schließlichlassen sich auch hier temperaturbedingte Einflüsse durch gleichzeitige Messungder Gütedes zentralen Resonators eliminieren. [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 aus ihr auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossenwerden kann. [0020] DieErfindung wird im Folgenden anhand einer Prinzipskizze in einerZeichnung nähererläutert.Dabei zeigt: [0021] dieeinzige 1 einen schematischen Längsschnittdurch die Messtrecke. [0022] Diein 1 gezeigte Meßstrecke 1 wirdin der mit 'v' gekennzeichnetenRichtung vom Messmedium durchströmt.Innerhalb des akustischen Resonators 3, der durch die Wandungen 2 begrenztund durch den Wandler 4 angeregt wird, bildet sich einin Bezug auf die Strömungsrichtungorthogonales Schallfeld 5 aus, das Träger der gespeicherten Schallfeldenergiemit einer auf die Längeneinheitin Strömungsrichtungbezogenen Energiedichte W' ist. [0023] 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- bzw. rechtssei tig aus dem offenen Resonator abgestrahltenLeistungen. Pflow kennzeichnet den durchdie Strömungtransportierten Energiefluss und damit die Leistung, die – wie weiter untengezeigt wird – dergespeicherten Energiedichte W' undder Strömungsgeschwindigkeitv proportional ist. [0024] Diefolgenden Betrachtungen unter Zuhilfenahme bekannter formelmäßiger Zusammenhänge dienen lediglichder weiteren Erläuterungder Beziehungen zwischen der Strömungsgeschwindigkeitv einerseits und den Parametern des Resonators andererseits, wiesie der Erfindung zugrunde liegen. Ausgehend von der grundlegendenDefinition der ResonatorgüteQ, [0025] Diedurch die Strömungtransportierte Leistung Pflow entsprichtder zeitlichen Änderungder im Resonator gespeicherten Energie W mit [0026] 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 [0027] Mittelssymmetrisch zur Resonatormitte stromauf- und stromabwärts angebrachterSchallempfänger lassensich die nach links bzw. rechts fließenden Schalleistungen Pleft bzw. Pright +W'v, wie diese in 1 dargestelltsind, erfassen,. Dann ist deren Differenz gegeben durch ΔP = Pflow =Pright + W'·ν – Pleft = W'·ν [5],da wegender vorausgesetzten Symmetrie fürdie reinen Abstrahlverluste Pleft = Pright gilt. Auflösung nach der Geschwindigkeitführt zu [0028] Wiein der einleitenden Beschreibung erwähnt, lässt sich die im Betrieb durchdie Medienströmungverursachte Nichtsymmetrie des Resonators durch die Definition vonein- und austrittsseitigenGüten für die ein- bzw.austrittsseitigen Volumina im Resonatorinnern beschreiben. Dannlässt sichder Kehrwert der eintrittsseitigen (links) Güte 1/QL unterBenutzung der in 1 angegebenen Leistungen definierenals [0029] Dieseeinfache Beziehung veranschaulicht die Bedeutung der durch die Strömung verursachtenNichtsymmetrie der Resonatoreigenschaften. Interessant ist, dasskeine Bezugsgröße für v=0 benötigt wird.Daher spielt auch die Temperaturabhängigkeit der Ausbreitungsdämpfung undder Schallgeschwindigkeit keine Rolle. [0030] Für die praktischeDurchführungvon Messungen lassen sich z.B. die Spannungsamplituden an den symmetrischzur Resonatormitte stromauf- und stromabwärts angebrachten Schallempfängern – UL bzw. UR – und dieSpannungsamplitude U am mit konstanter Stromamplitude gespeistenSchallsender messen. Die Quadrate der Quotienten UL/Uund UR/U sind den Güten QL bzw.QR proportional. Die ProportionalitätskonstanteK lässtsich vorab bei einer bekannten Geschwindigkeit v ermitteln. Dannnimmt die vorangegangene Gleichung die Form [0031] Jedochlassen sich auch weitere die Resonatoreigenschaften beschreibendeParameter, wie z.B. die Bandbreite B und die Dämpfungszeitkonstante r zurAuswertung nach der Strömungsgeschwindigkeitheranziehen. [0032] DieBandbreite B, angegeben als Kreisfrequenz, steht mit der Güte in derfolgenden Beziehung [0033] DieseGleichung ist ebenso wie Gleichung [10] auf den quasistationären Betriebzugeschnitten. [0034] Für impuls-bzw. burstförmigenBetrieb lassen sich die obigen Beziehungen mittels der Zusammenhänge [0035] Zusammenfassendsei festgehalten, dass die Erfindung die Überwachung des Schallfeldesin einer Resonatoranordnung lehrt, welches per Konstruktion beiruhendem Medium bezüglichder Schalleinstrahlachse symmetrisch ausgebildet ist. Die Strömung desMediums bedingt Abweichungen von dieser Symmetrie, die sich anhandgeeigneter Observablen messtechnisch erfassen lassen und direkt – im Zugeeiner einmaligen Kalibration – mitder Strömungsgeschwindigkeitin Zusammenhang zu bringen sind. Die differentielle Güte der Resonatoranordnungist eine, aber keinesfalls die einzige, Möglichkeit zur Definition einergünstigenObservablen. Mit Ausnahme der in Bezug auf die Strömung orthogonalenAusrichtung werden keine weiteren Bedingungen an die An und Formdes Schallfeldes gestellt. [0036] DasVerfahren bildet eine allgemeine Grundlage für eine Vielfalt von Anordnungen(sowohl apparativ als auch bezüglichder gewähltenMessgrößen) zurMessung der Fließgeschwindigkeitflüssiger undgasförmigerMedien. Die hier im Einzelnen präsentiertenVarianten (z.B. Integration in ein Messrohr, differentielle Resonatorgüte, Kopplungenmehrerer Resonatoren) sind dabei bevorzugte, aber nur beispielhafte,Ausführungsmöglichkeit. [0037] Allgemeinlassen sich die Vorrichtungen als eine zwei Volumina aufweisendeakustische Resonatoranordnung im Durchflußbereich des hindurchfließenden Mediumsmit einem Schallerzeuger bezeichnen, wobei eine Recheneinheit zurSpeicherung eines Kalibrierzusammenhangs einer beliebigen Meßgröße jedesdefinierten Volumens der Resonatoranordnung dient, und eine Vergleichereinheitfür zweidie Resonatoreigenschaften charakterisierenden in unterschiedlichenmit der Schallenergie des Schallerzeugers beaufschlagten Voluminagemessenen Größen vorhandenist, deren Ergebnisse nach Interpretation die Fließgeschwindigkeit angeben,wobei zwischen den Volumina aufgrund deren Anordnung durch den Fluß des MediumsSchallenergie transportiert wird.
权利要求:
Claims (3) [1] Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeiteines durch Volumina einer akustischen Resonatoranordnung hindurchfließenden Mediumsmittels eines in der Resonatoranordnung erzeugten Schallfeldes,welches die Schallenergie im Medium speichert, gekennzeichnet durch – Bestimmeneines Kalibrierzusammenhangs einer beliebigen meßbaren Größe je eines definierten Volumens einesResonators anhand einer vorbekannten Strömungsgeschwindigkeit, – Vergleichder Resonatoreigenschaften hinsichtlich der kalibrierten Größen zweierunterschiedlicher mit Schallenergie beaufschlagter Volumina, zwischendenen durch den Fluß desMediums Schallenergie transportiert wird. [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß zweiResonatorgütenzweier symmetrisch angeordneter Volumina nach der Formel [3] Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einemder vorangehenden Ansprüche,gekennzeichnet durch eine zwei Volumina aufweisende akustische Resonatoranordnungim Durchflußbereichdes hindurchfließendenMediums mit einem Schallerzeuger, gekennzeichnet durch eine Recheneinheitzur Speicherung eines Kalibrierzusammenhangs einer beliebigen Meßgröße jedesdefinierten Volumens der Resonatoranordnung, und eine Vergleichereinheitfür zweidie Resonatoreigenschaften charakterisie renden in unterschiedlichenmit der Schallenergie des Schallerzeugers beaufschlagten Voluminagemessenen Größen, wobei zwischenden Volumina aufgrund deren Anordnung durch den Fluß des MediumsSchallenergie transportiert wird.
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同族专利:
公开号 | 公开日 DE102004027546B4|2006-10-05|
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| 2007-04-05| 8364| No opposition during term of opposition| 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 |
优先权:
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申请号 | 申请日 | 专利标题 DE200410027546|DE102004027546B4|2004-06-04|2004-06-04|Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Fließgeschwindigkeit in Volumina einer akustischen Resonatoranordnung|DE200410027546| DE102004027546B4|2004-06-04|2004-06-04|Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Fließgeschwindigkeit in Volumina einer akustischen Resonatoranordnung| 相关专利
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