Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von gasförmigen oder flüssigen Medien mittels Ultraschall, bei dem innerhalb einer oder mehrerer von dem Medium durchströmten Meßstrecken und in einer weiteren, mit dem Medium verbundenen Referenzstrecke, in der das Medium ruht und in der die gleichen charakteristischen physikalischen Randbedingungen herrschen, die Lauf¬ zeiten eines von einem Ultraschallgeber ausgesendeten Signals ermittelt und an¬ schließend in einem Signalverarbeitungsgerät daraus die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in der jeweiligen Signalrichtung abgeleitet werden und ein zur Durch¬ führung dieses Verfahrens geeignetes Meßgerät.

Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Medien werden Geräte eingesetzt, die nach mechanischen, elektrothermischen, laseroptischen oder Ultraschallverfah¬ ren arbeiten. Bis auf die nach den elektrothermischen Verfahren arbeitenden 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 ein¬ gesetzt, da sie die gleichzeitige Ermittlung von Richtung und Geschwindigkeit eines Mediums erlauben, was sie insbesondere für den Einsatz in der Meteorologie geeig¬ net macht. So erlauben sie auch die Messung von Turbulenzen.

Ultraschallmeßgeräte zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit sind so aufge¬ baut, 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 gemes¬ sen wird. Die Laufzeit eines akustischen Signals in einem Medium ist von der Bewe¬ gungsgeschwindigkeit des Mediums in Signalrichtung und von der spezifischen Schallgeschwindigkeit in diesem Medium abhängig. Die Schallgeschwindigkeit wie¬ derum 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. Phasenverschiebun- gen werden subtrahiert, so daß die rein windgeschwindigkeitsbedingte Komponente übrigbleibt. Zu diesem Zweck ist eine Doppelverwendung von Sender und Empfän¬ ger je nach Signalrichtung nötig. Verwendet werden deshalb hochwertige Piezoele- mente, 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 bei¬ den als Empfänger arbeiten. Durch ringförmiges Weiterschalten nach einer bestimmten Meßzeit wird die Signallaufzeit in den drei Meßstrecken jeweils in bei¬ den Richtungen gemessen und dann rechentechnisch verarbeitet.

Aus der DE-PS 26 51 142 ist ein Strömungsgeschwindigkeitsmesser für ein nur in einer Richtung strömendes Medium mit einer einzigen Meßstrecke bekannt, in der ebenfalls in der bereits erläuterten Weise in alternierender Richtung gemessen 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 Anschwingeigenschaften der be¬ reits erwähnten Piezoeiemente werden hochwertige Auswertegeräte benötigt. Die Anschwingzeiten der Piezoeiemente bewegen sich in ms-Bereich, während eine Auf¬ lösung des Signales im ns-Bereich benötigt wird, so daß die Laufzeitdifferenzen aus den Einhüllenden der Wellenpakete des Signals analysiert werden müssen, was eine komplizierte Ansteuerelektronik erfordert. Schließlich sind der Genauigkeit ei¬ ner solchen Messung enge Grenzen gesetzt, so daß für verschiedene Meßbereiche spezielle Geräte benutzt werden müssen.

Aus der DE-C 31 46 477 ist auch bereits eine Lösung bekannt, bei der die Lauf¬ zeitdifferenz des Ultraschallsignals in einer Meßstrecke und einer Referenzstrecke, in der das Medium ruht und in der die gleichen charakteristischen physikalischen Randbedingungen wie in der Meßstrecke herrschen, verarbeitet wird. Das gewon- nene Signal ist jedoch noch von der Temperatur sowie der Feuchtigkeit und der Dichte des Strömungsmediums abhängig, so daß diese, mindestens aber die Tem¬ peratur, gesondert gemessen und als Korrekturfaktoren verarbeitet werden müssen. Dieses Verfahren ist somit sehr aufwendig und fehlerhaft. Außerdem ist auch nach dieser Lösung vorgesehen, die Messung in beiden Richtungen einer Meßstrecke vorzunehmen, was die bereits oben genannten Nachteile mit sich bringt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein nach dem Verfah¬ ren arbeitendes Meßgerät der eingangs genannten Art anzugeben, das die voll¬ ständige Erfassung von Richtung und Strömungsgeschwindigkeit mit hoher Auflö- sung erlaubt, das aber den Aufbau des Meßgerätes mit preiswerten Bauelementen gestattet und keine komplizierte Steuerelektronik erfordert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Strömungsgeschwindig¬ keit des Mediums aus der Differenz der Reziprokwerte der nur in einer Signalrich- tung gemessenen Laufzeiten der jeweiligen Meßstrecke und der Referenzstrecke abgeleitet wird.

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

Außerdem kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Laufzeiten am Ende der Referenzstrecke und der Meßstrecke(n) durch Messung der Phasenverschiebungen des bzw. der empfangenen Signale gegenüber dem Ausgangssignal ermittelt wer¬ den.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung entfällt die bisher übliche sequentielle Doppel¬ verwendung der Schallgeber/Empfänger, da die Einflüsse der Temperatur und wei¬ terer Größen auf die Schallgeschwindigkeit durch Vergleich der Laufzeiten in den offenen Meßstrecken mit der Laufzeit in einer im wesentlichen geschlossenen Refe- renzstrecke 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 Herstel¬ lungskosten eines entsprechenden Meßgerätes. Außerdem führt die Vermeidung der Doppelverwendung der elektroakustischen Bauteile durch die damit verbundene Vermeidung einer komplexen Steuerungselektronik zu einer weiteren Senkung der Herstellungskosten, ebenso wie die relativ geradlinige Signalverarbeitung. Für die Gewinnung einer dreidimensionalen Information sind nicht mehr drei Sen¬ der/Empfängerpaare notwendig, sondern lediglich ein einfacher Schallgeber und vier handelsübliche Mikrofone.

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

Wie später noch gezeigt werden wird, liefert das Verfahren einen genauen Strö¬ mungswert, der von der Temperatur, Feuchte und Dichte des Strömungsmediums unabhängig ist.

Bevorzugt kann zusätzlich vorgesehen sein, daß die Frequenz des ausgesandten Ultraschallsignals durch das Signalverarbeitungsgerät 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 innerhalb der Phase der maximal erreichbare Meßbereich aufrechterhalten. Der Meßbereich kann durch Kenntnis der Periodenzahl erweitert werden.

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 Lauf¬ zeitänderung in der Referenzstrecke im wesentlichen nur von der Temperatur ab¬ hängig ist.

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

In bevorzugter Weise wird der Schallgeber in seinem Resonanzbereich betrieben, wobei zweckmäßig die Resonanzfrequenz des Schallgebers durch Rückkopplung eingestellt wird. Auf diese Weise wird der Einfluß von Verschmutzungen oder Trop¬ fenbelag, die sich insbesondere auf dem Schallgeber absetzen können, auf die Phasenverschiebung zwischen dem elektrischen Erregersignal und dem emittierten akustischen Signal des Schallgebers minimiert.

Bevorzugt ist außerdem vorgesehen, daß die Resonanzfrequenz des Schallgebers gemessen, die Phasenverschiebung entsprechend korrigiert und bei Abweichung

von vorgegebenen Toleranzwerten ein Fehlersignal ausgelöst wird. Die Frequenz¬ abweichung kann z. B. durch grobe Verschmutzungen ausgelöst sein.

Von der vorbeschriebenen Signalverarbeitung abweichend kann diese in erfin¬ dungsgemäßer Weise auch so erfolgen, daß die Laufzeiten am Ende der Referenz¬ strecke und der Meßstrecke(n) durch Messung der Frequenz des jeweils empfange¬ nen Signals ermittelt werden, bei der die Phasenverschiebung zwischen dem in sei¬ ner Frequenz in Grenzen veränderbaren Ausgangssignal und dem jeweils empfan¬ genen Signal zu Null wird.

Die Messung erfolgt ebenfalls mit einem kontinuierlichen Ausgangssignal, das be¬ vorzugt in seiner Frequenz fortlaufend zwischen zwei Grenzfrequenzen kontinuier¬ lich geändert wird.

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

Soll eine fortlaufende Messung über einen längeren Zeitraum erfolgen, so kann al¬ ternativ dazu auch eine ständige Kalibrierung mittels laseroptischen Verfahren oder mittels Mikrowellenmessung vorgenommen werden.

Um eine mögliche Störung an der Referenzstrecke oder den Meßstrecken aufdek- ken zu können, kann erfindungsgemäß außerdem vorgesehen sein, daß die Ampli¬ tuden der am Ende der Referenzstrecke und der Meßstrecken empfangenen Signale miteinander verglichen werden und bei Abweichen der Amplitude eines Signals ge¬ genüber einem Mittelwert der empfangenen Signale oder einem vorgegebenen Wert ein Fehlersignal ausgelöst wird.

Eine weitere Verfahrensvariante kann dadurch realisiert werden, daß aus gesonder¬ ten Temperatur-, Feuchte- und Druckmessungen die Laufzeit eines Ultraschallsig¬ nals in einer virtuellen, als mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit (die positiv, negativ oder gleich null sein kann) und den gleichen physikalischen Rand- bedingungen wie in der oder den Meßstrecken unterliegend angenommenen Refe¬ renzstrecke elektronisch simuliert wird. Die weitere Signalverarbeitung geschieht in analoger Weise wie beim Vorhandensein einer realen Referenzstrecke. So kann also auch vorgesehen sein, daß die Laufzeit am Ende der Meßstrecke(n) durch Messung der Phasenverschiebung(en) des bzw. der empfangenen Signale gegen- über dem Ausgangssignal ermittelt wird. Die Bestimmung der Laufzeit in der (virtuellen) Referenzstrecke erfolgt durch Simulation der Phasenverschiebung in der Referenzstrecke.

Das Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens weist erfindungsgemaß 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 Refe¬ renzstrecke auf.

Alternativ weist das Meßgerät mindesten einen Schallgeber, mindestens eine mit einem Empfänger ausgerüstete, von dem Medium durchströmte Meßstrecke und eine virtuelle Referenzstrecke auf, deren Referenzsignal mindestens über eine Temperaturmessung erfolgt.

In erfindungsgemäß bevorzugter Weise können die Meßstrecken und die Referenz¬ strecke die gleiche Länge aufweisen.

In ebenso erfindungsgemäß bevorzugter Weise kann ein einziger, für alle Meßstrek- ken und die Referenzstrecke wirksamer Schallgeber verwendet werden.

Bevorzugt kann der Schallgeber in den Richtungen der Meßstrecken und der Refe¬ renzstrecke eine phasengleiche Abstrahlcharakteristik aufweisen. Als solches eignet

- 8 - sich ein zylindrisches Piezoelement, an das i. ü. nur mäßige Qualitätsanforderungen gestellt werden müssen.

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

Um Reflektionen des Signals und somit eine Rückkopplung auf den Schallgeber zu vermeiden, kann erfindungsgemäß die Referenzstrecke als monomodaler akusti- scher, d. h. reflexionsfreier Leiter ausgebildet sein (single-mode).

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

Ist das Meßgerät z.B. für die Messung von Windgeschwindigkeiten vorgesehen, kann das Überwurfrohr zusätzlich durch eine ultraschalldurchlässige Membran ver¬ schlossen sein, so daß der Schallgeber gegen Umwelteinflüsse geschützt ist. Zum Ausgleich der Meßbedingungen können in dem Hohizylinder Öffnungen vorgesehen sein, so daß eine Verbindung zur Umgebungsluft entsteht.

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

Bevorzugt wird der Schallgeber in resonanten Bereichen betrieben, wenn verfah¬ rensgemäß eine Phasendifferenzmessung erfolgt. Hier kommt der Vorteil hinzu, daß gerade einfache Piezoeiemente ein breites Resonanzspektrum aufweisen, so daß 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 Referenzstrecke 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 Meßge¬ nauigkeit gemessen werden kann.

Der Meßbereich kann gegenüber herkömmlichen Geräten um ein Vielfaches erwei¬ tert werden.

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

Für die Bauindustrie kommt die Windmessung auf Kranen in Betracht.

In luftfahrttechnischen Anlagen kann das Meßgerät auch zur Ermittlung der Flugda¬ ten, z. B. Fluggeschwindigkeit, Schiebe- und Anstellwinkel von Flugzeugen, verwen¬ det 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 Me߬ gerätes 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 Strömungsmessung in Flui- den hoher als auch niedriger Viskosität möglich.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Meßgerätes zur Wind¬ messung in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Ansteuer- und Auswerteelektronik des Meßgerätes bei Anwendung der verfahrensgemäßen Phasendifferenzmessung,

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

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Ansteuer- und Auswerteelektronik des Meßgerätes bei Anwendung der verfahrensgemäßen Phasendifferenzmessung und virtueller Refe- renzstrecke.

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

Das Meßgerät enthält drei Emfpänger 1 , 2, 3 und einen Schallgeber 4. Die Empfän¬ ger 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 Schallgeber 4 sitzen an den Eckpunkten eines ge- dachten 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° angebracht sind, sowie durch eine Stütze 6, die den Ring 5 festhält.

Eine Referenzstrecke LR ist aus einem als monomodaler akustischer Leiter ausge¬ führten 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 Referenzstrecke LR untergebracht ist. Die Referenzstrecke LR befindet sich thermisch und mecha¬ nisch geschützt innerhalb eines zylindrischen Überwurfrohres 9, in dem auch Teile der Elektronik untergebracht sein können. Über die Öffnung 10 im Überwurfrohr 9

sowie über die Öffnungen 11 im Rohr 7 ist die Referenzstrecke LR mit der umge¬ benden Atmosphäre verbunden.

Der Schallgeber 4 ist mit einem ultraschalldurchlässigen Fenster in Form einer Folie 12 abgedeckt, die den Schallgeber 4 gegen Umwelteinflüsse schützt und die Refe¬ renzstrecke 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 und einer Referenzstrecke, in der das Medium ruht.

Die Laufzeit TR in der Referenzstrecke LR hängt dabei lediglich von der Schallge¬ schwindigkeit 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

Aus der Verbindung beider Gleichungen ergibt sich die Windgeschwindigkeit 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 Veränderung der Laufzeit TR in der Referenzstrecke LR, die als Phasenverschiebung tR gekennzeichnet werden kann, so daß gilt

TR = nxTg+tR

und entsprechend für die Meßstrecke L1

T1 = n x Tg + 11.

Mit L = L1 = LR

wird insgesamt

v1 =L/(nxTg+t1)-L/(nxTg+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 Perioden¬ zahl Tg verändert wird, kann stets die Phasenverschiebung tR = Null erreicht wer¬ den, so daß mit

v1 =L/(nxTg + t1)-L/nxTg

sich die Windgeschwindigkeit v1 allein aus der Messung der Phasenverschiebung t1 ermitteln läßt, was eine komfortable Signalverarbeitung und das Arbeiten in einem

großen Meßbereich erlaubt, da stets nur kleine Phasenverschiebungen zu messen sind, bei denen nicht die Gefahr besteht, daß sie die Länge einer Periode Tg über¬ schreiten. Letzteres ist bedeutsam für das Phasenvergleichsverfahren, da die An¬ zahl n der Perioden unverändert beizubehalten ist.

Analog sind die Windgeschwindigkeiten v2, v3 in den übrigen Richtungen zu ermit¬ teln.

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild einer solchen Signalverarbeitung. Der Schallgeber 4 ist an einen Frequenzgenerator 13 angeschlossen und wird zu kontinuierlicher Ab- strahlung angeregt. Als Schallgeber 4 wird in dieser Ausführungsform z. B. ein zylin¬ drisches Piezoelement verwendet, dessen Emmissionscharakteristik zu einer pha¬ sengleichen Abstrahlung sowohl in Richtung auf den Empfänger 8 der Referenz¬ strecke LR als auch in Richtung der Empfänger 1 , 2, 3 der Meßstrecken L1 , L2, L3 führt. Die Empfängersignale werden in den Verstärkern 14-17 verstärkt und für ein Phasenvergleichsverfahren 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 Differenzsignal zur wei- teren Signalverarbeitung an die Widerstandsübertrager 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. Gegebenenfalls kann eine Umrechnung der Kompo¬ nenten X, Y, Z in ein räumlich gedrehtes Achsenkreuz nach geographischen Ge- Sichtspunkten oder ein nicht rechtwinklig aufeinander stehendes Achsenkreuz erfol¬ gen, wofür die bekannten geometrischen Beziehungen zur Umrechnung heranzuzie¬ hen sind.

Das Ausgangssignal des Komparators 25 dient außerdem zur Rückkopplung der Phasenlage des Signals des Empfängers 8 der Referenzstrecke LR an den Fre¬ quenzgenerator 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 gleichzeitig als ein Maß für die Temperatur der Atmosphäre, das am Widerstandsübertrager 30 abgenommen werden kann.

Eine weitere Verfahrensvariante (Fig. 4) verwendet anstelle des Referenzsignals der Referenzstrecke LR ein Referenzsignal, welches aus einer Temperatur-, Feuchte- und Druckmessung 39 über einen Mikroprozessor 40 erzeugt wird. Dieses Signal wird wie ein Primärsignal benutzt und in den Komparatoren 22,23 und 24 mit den jeweiligen Signalen der Meßstrecken L1 ,L2 und L3 verglichen. In vielen Anwen- dungsfallen mit geringen Anforderungen an die Meßgenauigkeit wird zur Erzeugung des Referenzsignals einer virtuellen Referenzstrecke eine Temperaturmessung ausreichen.

Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung der Signallaufzeiten wird nachfolgend an- hand 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 Pha- senverschiebung am jeweiligen Empfänger 1 , 2, 3, 8 gerade zu Null wird. Aus der gemessenen Frequenz kann die Strömungsgeschwindigkeit dann auf folgende Weise bestimmt werden:

Die Frequenz fg des Frequenzgenerators 13 wird proportional zur Spannung U ei- nes Sägezahngenerators 31 in Grenzen geändert und auf den Schallgeber 4 gege¬ ben. 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 x Tg1 (bei t1 = 0)

= n/f1

v1 = L xf1/n - L x fR/n oder

v1 = L/n (f1-fR).

Da die zu messende Frequenz als zur Spannung U (UR, U1 , U2, U3) am Sägezahn¬ generator 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 Resonanzverhalten des Piezokristalls repräsentiert.

Die Signalauswertung ist in Fig. 3 wiederum als Blockschaltbild 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 Phasen¬ verschiebung tR, t1 , t2, t3 den Wert null, so wird der jeweilige Zeitpunkt von einer Logikschaltung 36 an den Analog/Digital-Wandler 37 weitergegeben, der die in die¬ sem Augenblick von dem Sägezahngenerator 31 vorgegebene und am Frequenzge¬ nerator 13 anliegende Spannung UR, U1 , U2, U3 einem Prozessor zur Weiterverar¬ beitung übergibt. Somit kann die Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums in drei Richtungen temperaturunabhängig ermittelt werden.

Zur Einstellung des Empfindlichkeitsbereiches, d.h. der Mittelwertslage der Span¬ nung U des Sägezahngenerators 31 , wird die Temperatur entweder in der Refe-

renzstrecke LR vor Beginn des Meßvorganges festgestellt und dann die Mittelwerts¬ lage der Spannung U über Rückkopplung auf ein Stellglied 38 geregelt oder ein se¬ parater, auf das Stellglied 38 einwirkender Temperaturfühler benutzt.