DE1076980B

DE1076980B - Method and device for measuring the speed of a flowing medium

Info

Publication number: DE1076980B
Application number: DEF27137A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Nat Siegfr Fahrentholz
Original assignee: PHIL NAT SIEGFRIED FAHRENTHOLZ
Current assignee: PHIL NAT SIEGFRIED FAHRENTHOLZ
Priority date: 1958-11-28
Filing date: 1958-11-28
Publication date: 1960-03-03

Description

Verfahren und Einrichtung zur Messung der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums Zur Messung der Geschwindigkeit des Wassers in Flüssen werden vielfach Schaufelrad-Strömungsmesser verwendet, die mittels einer durch die Strömung angetriebenen Schraube die Geschwindigkeit anzeigen oder registrieren, Insbesondere bei schwachen Strömungen haben diese Geräte den Nachteil, daß sie nicht mehr hinreichend genau arbeiten und auch durch ihre Abmessungen die Strömungen an der Meßstelle beeinflussen und so zu Fehlmessungen Anlaß geben. Method and device for measuring the speed of a flowing Medium To measure the speed of water in rivers, paddle wheel flow meters are often used used, the speed by means of a screw driven by the flow display or register, especially with weak currents, these devices have the disadvantage that they no longer work with sufficient accuracy and also because of their Dimensions influence the flows at the measuring point and thus lead to incorrect measurements To give reason.

Es wurden deshalb bereits Strömungsmesser entwickelt, die mittels Ultraschall arbeiten und einen akustischen Sender und einen akustischen Empfänger hoher Frequenz verwenden. Wird von dem Sender ein kurzer, flankensteiler Impuls gesendet, so ist die Laufzeit dieses Impulses zum Empfänger bei gleicher Meßstrecke kürzer, wenn der Impuls mit der Strömung läuft, und länger, wenn er gegen die Strömung gerichtet ist. Es ist bereits eine Einrichtung bekannt, die mit zwei Meßstrecken arbeitet, bei denen die Sende- und Empfangsorgane so angeordnet sind, daß der Ultraschallimpuls auf der einen Strecke mit der Strömung läuft und auf der anderen Strecke gegen die Strömung gerichtet ist. Jede Meßstrecke arbeitet unabhängig von der anderen derart, daß bei der Einschaltung des Gerätes zunächst ein erster Sendeimpuls gestartet wird und sodann der empfangene Impuls jeweils den nächsten Sendeimpuls auslöst. Auf diese Weise ergibt sich eine Impulszahl pro Zeiteinheit bzw. eine Frequenz, die auf der einen Meßstrecke, auf welcher mit der Strömung gemessen wird, höher ist als auf der anderen Meßstrecke, auf welcher der Impuls gegen die Strömung anläuft. Die beiden Frequenzen werden sodann voneinander subtrahiert und das Ergebnis einem Frequenzmesser zugeführt, dessen Anzeige somit ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. There have therefore already been developed flow meters that by means of Ultrasound work and an acoustic transmitter and an acoustic receiver use high frequency. The transmitter sends a short, edge-dividing pulse sent, then the transit time of this pulse to the receiver is with the same measuring distance shorter if the momentum goes with the current and longer if it goes against the current is directed. A device is already known which has two measuring sections works, in which the transmitting and receiving organs are arranged so that the ultrasonic pulse runs with the current on one stretch and against it on the other Flow is directed. Each measuring section works independently of the other in such a way that that when the device is switched on, a first transmission pulse is started and then the received pulse triggers the next transmission pulse. To this Way there is a number of pulses per unit of time or a frequency that is based on the a measuring section, on which the flow is measured, is higher than on the other measuring section, on which the impulse runs against the flow. The two Frequencies are then subtracted from each other and the result is a frequency meter supplied, the display of which is therefore a measure of the flow velocity.

Bei einer anderen bekannten Anordnung ist der Impulssender in der Mitte zwischen zwei Empfängern angeordnet und nach beiden Seiten gerichtet. Infolge der Strömung wird ein von dem Sender abgegebener Impuls von dem einen Empfänger früher und von dem anderen Empfänger später empfangen. Dieser später empfangene Impuls löst in dem Sender den nächsten Sendeimpuls aus. Die Zeit zwischen den beiden empfangenen Impulsen wird nun fortlaufend gemessen und ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. In another known arrangement, the pulse transmitter is shown in FIG Centered between two receivers and directed to both sides. As a result the flow becomes a pulse emitted by the transmitter from the one receiver received earlier and later by the other recipient. This one received later Impulse triggers the next transmission pulse in the transmitter. The time between the two received pulses is now continuously measured and is a measure of the flow velocity.

Die Messung erfolgt in der Weise, daß in der Zeit zwischen den beiden Impulsen ein Schwingungserzeuger aufgetastet wird, welcher über einen Gleichrichter einen Kondensator auflädt, dessen Ladungszustand durch eine selbsttätige Kompensationseinrichtung gemessen wird. Diese motorisch betätigte Kompensationseinrichtung liefert die Anzeige für die Strömungsgeschwindigkeit.The measurement is made in such a way that in the time between the two Pulses a vibration generator is gated, which is via a rectifier charges a capacitor, the state of charge of which is controlled by an automatic compensation device is measured. This motorized compensation device provides the display for the flow velocity.

Die Erfindung macht ebenfalls- Gebrauch von dem Prinzip, den Sendeimpuls durch den Empfangsimpuls der vorhergehenden Meßperiode auszulösen. Abweichend von den beiden vorstehend beschriebenen bekannten Anordnungen verwendet die Erfindung jedoch zur Anzeige eine Registriervorrichtung, so daß es möglich ist, den zeitlichen Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit über größere Zeiträume zu verfolgen. The invention also makes use of the principle, the transmission pulse triggered by the received pulse of the previous measuring period. Deviating from The invention employs the two known arrangements described above however, to display a registration device, so that it is possible to track the time To follow the course of the flow velocity over longer periods of time.

Eine Registriereinrichtung gestattet es, Meßergebnisse miteinander zu vergleichen, die nacheinander eintreffen.A registration device allows measurement results to be recorded with one another to compare that arrive one after the other.

Die Erfindung nutzt diese Tatsache in vorteilhafter Weise aus, indem sie nur zwei elektroakustische Wandler verwendet, welche abwechselnd als Sender bzw. Empfänger geschaltet werden, so daß der Ultraschallimpuls eine Zeitlang mit der Strömung und eine Zeitlang gegen die Strömung läuft. Dies hat den Vorteil, daß die in das strömende Medium einzubauende Einrichtung einfacher wird und weniger Zuführungsleitungen benötigt.The invention takes advantage of this fact by they only used two electroacoustic transducers, which alternate as transmitters or receiver are switched so that the ultrasonic pulse for a while the current and running against the current for a while. This has the advantage that the device to be built into the flowing medium becomes simpler and less Feed lines required.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums, bei dem auf einer Meßstrecke definierter Länge ein Ultraschallimpuls von einem Geber zu einem Empfänger gesendet wird und der empfangene Impuls jeweils den nächsten Sendeimpuls auslöst, so daß die Impulsfrequenz ein Maß für die Laufzeit des Impulses und der Unterschied zwischen den Impulsfrequenzen bei Messung in und gegen der Strömungsrichtung ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. Das Verfahren zeichnet sich nach der Erfindung dadurch aus, daß die Impulse einer elektronischen Zähleinrichtung zugeführt werden, die jeden n-ten Impuls heraushebt, daß dieser Impuls in einer Registriereinrichtung zeitabhängig registriert wird und daß sodann die Senderichtung umgekehrt und wiederum jeder n-te Impuls aufgezeichnet wird, so daß der Ab stand der beiden Markierungen ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. The invention thus relates to a method for measuring the speed of a flowing medium in which an ultrasonic pulse is generated over a measuring section of a defined length is sent from a transmitter to a receiver and the received pulse respectively triggers the next transmission pulse, so that the pulse frequency is a measure of the running time of the pulse and the difference between the pulse frequencies when measured in and against the direction of flow is a measure of the flow velocity. The procedure is characterized according to the invention in that the pulses of an electronic Counting device are supplied, which picks out every n-th pulse that this Impulse is registered in a recording device as a function of time and that then the direction of transmission reversed and again every nth pulse recorded is, so that from the two markings stood a measure of the flow rate is.

Ein für die Zwecke der Erfindung besonders geeignetes, an sich bekanntes Registriergerät verwendet ein trockenes Kohle-Aluminium-Papier, dessen helle Deckschicht durch den an Spannung liegenden Schreibstift weggebrannt wird, so daß die darunterliegende dunkle Schicht zum Vorschein kommt. Der leitende Schreibstift ist auf einem dauernd umlaufenden endlosen Band angeordnet, welches gleichzeitig eine Auslöseeinrichtung aufweist, die z. B. aus einem an dem Band angebrachten Nocken besteht, welcher einen ortsfesten Kontakt betätigt, der den ersten Sendeimpuls auslöst. One which is known per se and is particularly suitable for the purposes of the invention The recorder uses a dry carbon-aluminum paper, its light-colored top layer is burned away by the pen that is under tension, so that the one underneath dark layer appears. The conductive pen is on a permanent arranged revolving endless belt, which at the same time has a release device has, the z. B. consists of an attached to the tape cam, which one stationary contact actuated, which triggers the first transmission pulse.

Elektronische Zähleinrichtungen, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, sind ebenfalls an sich bekannt. Sie werden z. B. in der Fernsehtechnik zur Erzeugung der Bild- und Zeilenimpulse verwendet oder in Verbindung mit Zähirohren zur Messung von radioaktiven Strahlungen. Sie sind so aufgebaut, daß mehrere bistabile Multivibratoren hintereinandergeschaltet sind, so daß z. B. die Teilerverhältnisse 1/2, 1/4, 1/s, V16 usw. zustande kommen. Die ungeraden Teilerverhältnisse werden durch Rückschaltung über die Vorstufen erzeugt. Electronic counting devices, as in the case of the invention Methods used are also known per se. You will e.g. Am used in television technology to generate the image and line pulses or in conjunction with counter tubes for measuring radioactive radiation. They are built so that several bistable multivibrators are connected in series so that, for. B. the division ratios 1/2, 1/4, 1 / s, V16 etc. come about. The odd division ratios are generated by switching back via the pre-stages.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Abbildung dargestellt. Zwei Ultraschallschwinger 1 und 2 sind in einem definierten Abstand voneinander so angeordnet, daß das vorbeiströmende Wasser in seiner Flußrichtung möglichst wenig beeinflußt wird. An embodiment of the invention is shown in the figure. Two ultrasonic transducers 1 and 2 are at a defined distance from one another arranged so that the water flowing past as little as possible in its direction of flow being affected.

Zu diesem Zweck sind sie stromlinienförmig verkleidet und im Durchmesser möglichst klein gehalten.To this end, they are streamlined and clad in diameter kept as small as possible.

Über die miteinander gekoppelten Umschalter 3 und 4 können die Schwinger 1 und 2 wahlweise an die Sendeeinrichtung 5 oder die Empfangseinrichtung 6 angeschaltet werden. Ferner ist ein elektronischer Impulszähler 7 vorhanden und ein Registriergerät, über dessen Registriertisch 8 von rechts nach links ein trockenes Kohle-Aluminium-Papier 9 mit konstanter Geschwindigkeit transportiert wird. Das Registriergerät weist ferner ein endloses Band 10 auf, das in Pfeilrichtung über die Rollen 11 und 12 von einem Elektromotor 13 dauernd angetrieben wird. Das Band ist der Einfachheit halber als leitendes Band dargestellt, dem die Spannung über eine Schleiffeder 15 zugeführt wird und welches eine Schreibfeder 14 trägt, die über das Kohle-Aluminium-Papier gleitet, dessen Unterlage ihrerseits geerdet ist. Ein am Band befestigter isolierter Nocken 16 läuft bei Bewegung des Bandes an einem Auslösekontakt 17 vorbei und schließt diesen kurzzeitig.Via the switches 3 and 4, which are coupled to one another, the transducers 1 and 2 are optionally connected to the transmitting device 5 or the receiving device 6 will. There is also an electronic pulse counter 7 and a recording device, a dry carbon-aluminum paper over its registration table 8 from right to left 9 is transported at constant speed. The registration device also has an endless belt 10, which in the direction of the arrow on the rollers 11 and 12 of a Electric motor 13 is continuously driven. The tape is called for simplicity Conductive tape is shown, to which the voltage is supplied via a slide spring 15 and which carries a pen 14 that extends over the carbon-aluminum paper slides whose base is in turn grounded. An insulated one attached to the tape When the tape moves, the cam 16 passes a trigger contact 17 and closes this briefly.

Die Anordnung arbeitet nun folgendermaßen: Die Schließung des Kontaktes 17 bewirkt in der Sendeeinrichtung 5 die Erzeugung eines kurzen Hochfrequenzimpulses, der mit sehr steiler Flanke dem Schwinger 1 zugeleitet wird. Dieser strahlt einen Ultraschallimpuls ausreichender Intensität an das Wasser ab, der auf den Empfangsschwinger 2 gelangt, der über den Umschalter 4 an den Eingang des Verstärkers 6 geschaltet ist. Vom Ausgang dieses Verstärkers läuft ein elektronischer Schaltimpuls wieder zur Sendeeinrichtung 5 zurück und löst sofort einen neuen Sendeimpuls aus, der wieder über den Schwinger 1 abgestrahlt wird. Die Impulse am Ausgang des Verstärkers 6 werden ferner der Zähleinrichtung 7 zugeleitet. Diese ist so ausgebildet, daß sie nur jeden tausendsten Impuls über die Leitung 18 auf das Registriergerät gelangen läßt. Dieser Impuls gelangt also auf das leitende Band 10 und von dort auf die Schreibfeder 14, welche eine entsprechende Markierung auf dem Kohle-Aluminium-Papier erzeugt. The arrangement now works as follows: The closure of the contact 17 causes the transmission device 5 to generate a short high-frequency pulse, which is fed to the transducer 1 with a very steep flank. This one shines Ultrasonic pulse of sufficient intensity to the water, which on the receiving transducer 2, which is switched to the input of the amplifier 6 via the switch 4 is. An electronic switching pulse runs again from the output of this amplifier back to the transmitting device 5 and immediately triggers a new transmission pulse, which again is emitted via the oscillator 1. The pulses at the output of the amplifier 6 are also fed to the counter 7. This is designed so that it only reach the recorder every thousandth impulse via line 18 leaves. This pulse reaches the conductive tape 10 and from there to the Feather pen 14, which creates a corresponding mark on the carbon-aluminum paper.

Läßt man die Anordnung in dieser Weise einige Zeit laufen, so ergibt die Aneinanderreihung von einigen Registrierungen einen Strich 20. Sodann werden die gekoppelten Umschalter 3 und 4 umgeschaltet, so daß der Schwinger 1 zum Empfänger und der Schwinger 2 zum Sender wird. Der Ultraschallimpuls läuft nun gegen die Strömung des Wassers, welche durch den Pfeil 21 angedeutet ist. Die benötigte Zeit für die Zurücklegung des Weges von dem Sendeschwinger 2 zum Empfangsschwinger 1 ist also nun größer, so daß der Strich 22 tiefer liegt. Die Differenz zwischen 20 und 22, die mit a bezeichnet sei, ist demnach ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers. Die Registrierung zeigt, daß diese Strömungsgeschwindigkeit im Laufe der Zeit geringer wird. Der Meßbereich auf dem Registrierstreifen ist nur ein kleiner Teilausschnitt aus dem gesamten Umlauf des Schreibriemens, so daß kleine Abweichungen der Strömungsgeschwindigkeit genügend groß auf dem Papier dargestellt werden. Bei einem Abstand von 1,5 m zwischen den Schwinger 1 und 2 wird als Laufzeit etwa 1 Sekunde bei 1000 Impulsen benötigt, so daß die mit dem Registriergerät zu messende Zeit etwa t Sekunde beträgt. Die durch Punkte angedeutete Mittellinie zwischen den beiden Registrierungen zeigt an, ob die Schallgeschwindigkeit infolge Temperatur-oder Dichteänderungen eine Veränderung erfahren hat. Die Umschaltung der Senderichtung kann von Hand oder automatisch erfolgen. Durch eine weitere selbsttätige Einrichtung kann dafür gesorgt werden, daß die gesamte Meßeinrichtung nicht dauernd, sondern nur von Zeit zu Zeit für relativ kurze Dauer in Betrieb gesetzt wird.If the arrangement is allowed to run in this way for some time, the result is the stringing together of some registrations a line 20. Then become the coupled switch 3 and 4 switched over, so that the transducer 1 to the receiver and the transducer 2 becomes the transmitter. The ultrasonic pulse now runs against the current of the water, which is indicated by the arrow 21. The time required for the Covering the path from the transmitting transducer 2 to the receiving transducer 1 is therefore now larger, so that the line 22 is lower. The difference between 20 and 22, which is denoted by a, is therefore a measure of the flow rate of the Water. The registration shows that this flow rate in the course of the Time becomes less. The measuring range on the recording strip is only a small one Partial section from the entire circumference of the writing belt, so that small deviations the flow velocity can be shown sufficiently large on the paper. at a distance of 1.5 m between the transducers 1 and 2 becomes about 1 Second is required for 1000 pulses, so that the one to be measured with the recorder Time is about t second. The center line between the both registrations indicates whether the speed of sound is due to temperature or Changes in density has undergone a change. Switching the transmission direction can be done manually or automatically. Another automatic device it can be ensured that the entire measuring device is not permanent, but is only put into operation from time to time for a relatively short period of time.

Die Erfindung ist auf das dargestellte Ausführungsbeispiel nicht beschränkt. So kann z. B. als Registriergerät auch eine Kathodenstrahlröhre oder ein Schleifenoszillograph verwendet werden. The invention is not based on the illustrated embodiment limited. So z. B. as a recorder also a cathode ray tube or a loop oscilloscope can be used.

PATENTANsPRÜcffE: 1. Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums, bei dem auf einer Meßstrecke von definierter Länge ein Ultraschallimpuls von einem Geber zu einem Empfänger gesendet wird und der empfangene Impuls jeweils den nächsten Sendeimpuls auslöst, so daß die Impulsfrequenz ein Maß für die Laufzeit des Impulses und der Unterschied der Impulsfrequenzen bei Messung in Richtung und entgegen der Richtung der Strömung ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse einer elektronischen Zähleinrichtung zugeführt werden, die jeden n-ten, z. B. tausendsten Impuls heraushebt, daß dieser Impuls in einer Registriereinrichtung aufgezeichnet wird und daß sodann die Senderichtung umgekehrt und wiederum jeder n-te Impuls aufgezeichnet wird, so daß der Abstand der beiden Markierungen ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. PATENT APPROVALS: 1. Method of measuring the speed of a flowing medium, in which an ultrasonic pulse over a measuring section of a defined length is sent from a transmitter to a receiver and the received pulse respectively triggers the next transmission pulse, so that the pulse frequency is a measure of the running time of the pulse and the difference in pulse frequencies when measuring in direction and against the direction of the flow is a measure of the flow velocity, characterized in that the pulses are fed to an electronic counter that every nth, e.g. B. thousandth impulse emphasizes that this impulse is recorded in a registration device and that then the transmission direction vice versa and again every nth pulse is recorded so that the distance of the two markings is a measure of the flow velocity.

Claims

2. Device for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that the recording device is a dry one in a manner known per se Has carbon-aluminum paper over which a conductive pen slides, which burns away the light top layer of the paper, leaving the dark background it becomes apparent that this pen is on an endless, continuously revolving belt is arranged, the direction of rotation is perpendicular to the transport direction of Paper says that the pen has a sliding contact with the output of the Counting device is connected and that finally the revolving belt is still another Trigger device carries, which the first impulse at a defined instantaneous Position of the band triggers.

3. Device for performing the method according to claim 1, characterized by a manually or automatically operated switch, which the two built into the current magnetostrictive or piezoelectric transducer, from which one works as a transmitter and the other as a receiver, switches in such a way that that their functions are reversed and the ultrasonic pulse is now reversed Direction is running.

References considered: U.S. Patent No. 2,534 712; British Patent No. 776 526.