DE19948805A1

DE19948805A1 - Mehrfachfrequenz-Doppler-Strömungsmesser

Info

Publication number: DE19948805A1
Application number: DE19948805A
Authority: DE
Inventors: Robert A Moss; Michael Masterov
Original assignee: Polysonics Inc
Current assignee: Polysonics Inc
Priority date: 1998-10-06
Filing date: 1999-10-04
Publication date: 2000-06-21
Also published as: GB2342444A; FR2784182A1; GB9923549D0; GB2342444B; JP2000111376A; US6408699B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Messen der Fluidgeschwindigkeit in Rohren durch Übertragen von zwei oder mehr Ultraschallfrequenzen durch eine Rohrwand in ein Fluid, das Streuzentren enthält. Für jede Übertragungsfrequenz wird die von den Streuzentren reflektierte Energie mit der Übertragungsfrequenz gemischt, und das Ergebnis wird mit einer Rate abgetastet, die ein konstanter Bruchteil der Übertragungsfrequenz ist. Die Kombination des Doppler-Effekts auf von den sich bewegenden Streuzentren reflektierte Frequenzen und des beschriebenen Abtastratenschemas erlaubt die Isolation von geschwindigkeitsbezogenen Frequenzen von Fremdfrequenzen in der reflektierten Energie in einer recheneffizienten Weise. Eine einzige Frequenz, die die Fluidgeschwindigkeit repräsentiert, wird aus den gesammelten Daten extrahiert, und die Fluidgeschwindigkeit wird daraus ohne weiteres unter Verwendung der Doppler-Formel berechnet. Die Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zum Messen der Fluidgeschwindigkeit bereit, das einfach, verläßlich und kostengünstig ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Messung von Fluidströmung und insbesondere auf ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Geschwindigkeit der Fluidströmung unter Ver wendung von Doppler-Techniken.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es ist oft erforderlich, die Fluidströmungsrate innerhalb eines geschlossenen Rohres zu messen. Nichtinvasive Meßverfahren werden bevorzugt, weil derartige Verfahren die Fluidströmung oder Rohrwandung nicht nachteilig beeinflussen. Es gibt zwei vorherrschende Verfahren zum nicht-invasiven Messen der Durch flußrate: "Doppler-Ultraschall" und "Ultraschall-Laufzeit". Beide Verfahren benutzen die Übertragung von Ultraschall durch die Rohrwand und in das Fluid.

Doppler-Ultraschall verwendet zwei Ultraschallwandler, die an das Rohr gekoppelt sind. Der erste Wandler überträgt ein kon tinuierliches Ultraschallsignal durch die Rohrwand und in das Fluid. Unter der Annahme, daß das sich bewegende Fluid Blasen oder Festkörper enthält, die als akustische Streuzentren oder "Streuer" wirken, empfängt der zweite Wandler gestreute Ultra schallsignale. Dann wird die Frequenz des gestreuten Signals mit der des übertragenen Signals verglichen. Die Frequenzverschie bung zwischen den übertragenen und empfangenen Signalen ist proportional zur Geschwindigkeit der Streuzentren und zeigt daher die Geschwindigkeit des Fluids in dem Rohr an.

Bei vielen industriellen Anwendungen erzeugen Vibrationen von Motoren und andere Fremdquellen Frequenzen im Rohr, die von dem Ultraschallsensor zusammen mit den interessierenden dopplerver schobenen Frequenzen empfangen werden. Das zum Bestimmen der Doppler-Frequenz verwendete Erfassungssystem kann Rauschen oder andere mehrdeutige Signale auswählen, was fehlerhafte Geschwin digkeitsmessungen zur Folge hat.

In der Vergangenheit schloß eine Methode zum Behandeln der Pro bleme von Fremdfrequenzen die Verwendung digitaler Filter ein, um fehlerhafte Frequenzen auszugrenzen. Dieses Verfahren nimmt an, daß die Rauschquelle stationär und kontinuierlich ist. Bei industriellen Anwendungen ist dies oft nicht der Fall. Motor steuerungen mit variabler Frequenz werden heute allgemein ver wendet, um Pumpen zu steuern, was zu dem Vorhandensein eines Bereichs von Rauschfrequenzen führt, von denen einige durch die Filter gelangen können. Ferner stellen automatisierte System steuerungen Geräte, die Rauschen erzeugen, fortlaufend aus und an, was zu einer weiteren Variation im Bereich der Fremdfrequen zen führt. Schließlich können die digitalen Filter in der Anwen dung komplex sein.

Auf dem Gebiet besteht ein Bedarf an einem Verfahren und einem System zum Messen der Strömungsrate mit verbesserter Zuverläs sigkeit und Stetigkeit, die nicht der von Fremdfrequenzen ver ursachten Unordnung unterworfen sind, die von herkömmlichen Doppler-Strömungssystemwandlern empfangen werden.

Auf dem Gebiet besteht ein weiterer Bedarf an einem Verfahren und einem System, die derartige Strömungsratenmessungen ohne das Erfordernis für vom Kunden installierte Filter erreichen.

Auf dem Gebiet besteht ein weiterer Bedarf für ein Verfahren und ein System zum Messen der Strömungsrate, das die Wechselwirkung des Benutzers mit der erforderlichen Ausrüstung erleichtert.

Es besteht ein weiterer Bedarf auf dem Gebiet an einem Verfahren zum Bestimmen der Fluidströmungsrate in Echtzeit mit einer maxi malen Recheneffizienz.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese und andere Ziele, Merkmale und technische Vorteile werden durch ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Geschwin digkeit eines strömenden Fluids durch Messen der Doppler-Ver schiebung von zwei oder mehr Ultraschallwellen, die von in einem strömenden Fluid getragenen Streuzentren reflektiert werden, erreicht. Dieses strömende Fluid enthält eine Dispersion von Streuzentren, die verschiedene Blasen und Festkörper aufweisen, die einfallende Ultraschallwellen reflektieren.

Eine Serie von Ultraschallwellen wird bei einer spezifischen Frequenz in die Strömung übertragen und reflektiert an den strö menden Streuern. Die entsprechende dopplerverschobene Reflexion für diese Serie von Wellen wird von den übertragenen Wellen subtrahiert, und das Ergebnis wird gesammelt. Dann wird eine zweite Serie von Wellen bei einer anderen Frequenz in die Strö mung übertragen, und eine zweite entsprechende dopplerverschobe ne Reflexion wird von den übertragenen Wellen subtrahiert, und das Ergebnis wird gesammelt. Für beide Serien enthält das Ergeb nis der Subtraktion Doppler-Mischfrequenzen (Schwebungsfrequen zen), die die Geschwindigkeit des Fluids repräsentieren.

Das Durchführen einer diskreten Fourier-Transformation (DFT) an der ersten subtrahierten Serie läßt Energiekonzentrationen bei bestimmten Frequenzen erkennen, von denen einige von den Streuern herrühren, und von denen einige vom Fremdrauschen stam men. In ähnlicher Weise läßt eine zweite DFT, die an der zweiten subtrahierten Serie durchgeführt wird, Frequenzspitzen erkennen, die sowohl die Doppler-Mischfrequenzen als auch Fremdrauschen repräsentieren. Das enthaltene Rauschen und andere Fremdsignal spitzen sind in beiden subtrahierten Signalen bei ähnlichen Frequenzen, während die Doppler-Mischfrequenzen durch eine Dif ferenz getrennt sind, die proportional zu dem Verhältnis der übertragenen Frequenzen ist.

Diese Abwesenheit einer Variation der Rauschfrequenzen zwischen den beiden Serien der abgefragten Wellen ermöglicht es, daß die interessierenden Frequenzen von den Fremdrauschfrequenzen iso liert werden. Die zweite gesammelte Serie von Frequenzen wird absichtlich um das Verhältnis der beiden Übertragungsfrequenzen skaliert. Dies bewirkt, daß sich die Doppler-Mischfrequenzen ausrichten und bei den Rauschfrequenzen die Ausrichtung ver lorengeht. Das obenerwähnte "Skalieren" wird an dem zweiten (und gegebenenfalls allen zusätzlichen Sätzen) Satz der DFT-Daten durchgeführt und besteht aus dem folgenden: für jeden Daten punkt, der aus einer mit einer Amplitude verknüpften Frequenz besteht, werden die Frequenzdaten mit dem Verhältnis der ersten Übertragungsfrequenz zu der zweiten Übertragungsfrequenz multi pliziert. Diese Operation kompensiert die inhärente Eigenschaft des Doppler-Effekts, wonach für dieselbe Geschwindigkeit des Fluids und der Streuer reflektierte geschwindigkeitsbezogene Doppler-Mischfrequenzen (nach dem Mischen vorliegende Frequen zen) erzeugt werden, die proportional sind zu der Frequenz des ursprünglich in das Fluid übertragenen Signals.

Eine weitere Verbesserung an der Umsetzung dieses Verfahrens nutzt den Vorteil einer inhärenten Eigenschaft der DFT. Indem die Abtastrate für jede gesammelte Datenserie proportional zu der Übertragungsfrequenz gesetzt wird, sind das Abtastzeitinter vall für das subtrahierte Signal und das resultierende Frequenz inkrement der berechneten DFT umgekehrt proportional zu der Übertragungsfrequenz. Da die gemessene dopplerverschobene Misch frequenz, die mit einer bestimmten Geschwindigkeit verknüpft ist, direkt proportional zu der angewandten Übertragungsfrequenz ist, kompensiert die obenerwähnte Einstellung der Abtastfrequenz automatisch den Doppler-Effekt, womit sich die Notwendigkeit für das mathematische Skalieren der Frequenzdaten nach dem Berechnen der DFT erübrigt. Dies stellt einen Vorteil dar, weil das ma thematische Skalieren der Daten rechenintensiv ist, und diese Erfindung betrifft einen Echtzeitprozeß, in dem die Prozessor leistung optimal genutzt werden muß.

Nach dem Abtasten bei der für jede Übertragungsfrequenz festge setzten Rate und dem Durchführen der DFT für zwei Datensätze konvergieren die geschwindigkeitsbezogenen Frequenzdaten für die beiden Datensätze innerhalb eines vernünftigen Frequenzbereichs, ohne daß eine separate Berechnung durchgeführt werden muß, um die Frequenzwerte für die bei der unteren Übertragungsfrequenz gesammelten Daten mathematisch zu skalieren. Der durch die Va riation in den Abtastraten bewirkte Skalierungsvorgang hat zur Folge, daß Rauschen und andere Fremdfrequenzen, die vor dem Abtastvorgang zwischen den beiden Datensätzen gleich sind, die Ausrichtung verlieren, sobald das Skalieren durchgeführt ist.

Die ausgerichteten dopplerverschobenen Spitzen werden durch Auffinden der Maximalamplitude, oder des Apex, einer an den beiden Sätzen der DET-Daten durchgeführten Korrelation aufgefun den. Eine Frequenzverteilung wird als die Doppler-Verteilung identifiziert, die auf dem Ort dieses Apex basiert. Dann wird der Schwerpunkt der ausgewählten Frequenzverteilung bestimmt und als die Meßfrequenz benutzt, die dann verwendet wird, um die Geschwindigkeit des Fluids zu berechnen. Der Durchfluß des Fluids kann dann durch Multiplizieren der Querschnittsfläche in dem Rohr mit der Fluidströmungsgeschwindigkeit bestimmt werden.

Es muß betont werden, daß, obwohl die obige Diskussion sich auf die beim Bestimmen der Fluidgeschwindigkeit unter Verwendung von zwei Übertragungsfrequenzen involvierten Tätigkeiten konzen triert, dieselben Prinzipien sogleich für irgendeine Zahl zu sätzlicher Übertragungsfrequenzen angewendet werden können.

Das Vorhergehende hat ziemlich allgemein die Merkmale und tech nischen Vorteile der vorgehenden Erfindung umrissen, damit die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung besser verstan den werden kann. Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfin dung, die den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung bilden, werden hiernach beschrieben. Von Fachleuten sollte eingesehen werden, daß die Konzeption und das offenbarte spezifische Aus führungsbeispiel ohne weiteres als eine Basis zum Modifizieren oder Konstruieren anderer Strukturen zum Ausführen derselben Zwecke der vorliegenden Erfindung genutzt werden können. Von Fachleuten sollte auch erkannt werden, daß solche äquivalenten Konstruktionen nicht vom Geist und Umfang der Erfindung gemäß den angefügten Ansprüchen abweichen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun Bezug auf die folgenden Be schreibungen genommen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen sind, in denen:

Fig. 1 ein Diagramm der Steuerfunktionen und mechanischen Betriebstätigkeiten einer Hardware-Implementierung der vorliegenden Erfindung ist,

Fig. 2 ein Flußdiagramm ist, das die bei der vorliegenden Erfindung durchgeführten Schritte veranschaulicht,

Fig. 3 eine Darstellung des Frequenzspektrums der am Analog- Digital-Wandler ankommenden Energie ist, verknüpft mit zwei verschiedenen Übertragungsfrequenzen, ohne Fre quenzskalierung,

Fig. 4 eine Darstellung des Frequenzspektrums der am Analog- Digital-Wandler ankommenden Energie ist, verknüpft mit zwei verschiedenen Übertragungsfrequenzen, wobei die Frequenzwerte der Kurven skaliert worden sind,

Fig. 5 das Ergebnis des Durchführens einer Korrelation an den in Fig. 4 gezeigten Kurven veranschaulicht,

Fig. 6 ein Diagramm der Steuerfunktionen und mechanischen Betriebstätigkeiten einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Diese Diskussion nimmt eine Vertrautheit mit verschiedenen Signalverarbeitungstechniken und mit dem Doppler-Effekt an. Denjenigen, die nach Hintergrundwissen über die hier beschriebe nen Verfahren und Techniken suchen, wird geraten, die folgenden Referenzen zu konsultieren, die hierdurch durch Bezugnahme ein geschlossen werden.

In bezug auf den Doppler-Effekt siehe:
Ultrasonic Technology, Richard Goldman, 1962, Reinhold Publi shing Corporation, Londen, U. K.;
Ultrasonic: Fundamentals, Technology, Applications, 2. Ausgabe, Dale Ensminger, 1988, Marcel Dekker, Inc., New York, NY; und
Ultrasonic Measurements for Process Control, 1989, L. C. Lynn worth, Academic Press, Inc., San Diego, CA.

In bezug auf Signalverarbeitung, siehe:
Signals, Systems, and Transforms, Charles L. Phillips & John M. Parr, 1995, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J.
Digital Signal Processing in VLSI, Richard Higgins, 1990, Pren tice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm eines Strömungsmessers 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Mikroprozessor 17 ist mit einer Schaltsteuerung 12 gekoppelt, um die Frequenzauswahl zu steuern, und mit einem Analog/Digital-Sampler 16, um seine Abtastrate zu steuern und digitale Daten davon zu erhalten. Die Schaltsteu erung 12 ist mit zwei Generatoren für sinusförmige elektrische Signale gekoppelt, dem Hochfrequenzgenerator 108 und dem Nieder frequenzgenerator 109.

Ein erster dualer Bandpaßfilter 11 ist mit dem Ausgang der Nie der- und Hochfrequenz-Signalgeneratoren gekoppelt und mit zwei piezoelektrischen Wandler(PZT)-Sendern, einem Hochfrequenz-TxHi- Sender 101 und einem Niederfrequenz-TxLo-Sender 102.

Ein Hochfrequenz-RcHi-Empfänger 103 und eine Niederfrequenz- RcLo-Empfänger 104 sind mit einem zweiten dualen Bandpaßfilter 13 gekoppelt. Der zweite duale Bandpaßfilter 13 ist auch mit einem FM-Mischer 14 gekoppelt, der wiederum mit dem A/D-Sampler 16 gekoppelt ist. Der A/D-Sampler 16 ist mit einem Teiler 15 und dem Mikroprozessor 17 gekoppelt.

Der Mikroprozessor 17 ist vorzugsweise ein eingebetteter Hoch leistungs-Mikrocontroller.

Hoch- und Niederfrequenzgeneratoren 108 bzw. 109 übertragen sinusförmige elektrische Signale bei verschiedenen Frequenzen, wie zum Beispiel 500 kHz und 640 kHz. Der Hochfrequenzsender 101 und der Niederfrequenzsender 102 konvertieren die empfangenen elektrischen Signale in Ultraschallwellen bei den jeweiligen Frequenzen. Umgekehrt konvertieren der Hochfrequenzempfänger 103 und der Niederfrequenzempfänger 104 empfangene Ultraschallfre quenzen in elektrische Signale. Der Teiler 15 bewirkt ein Teilen der aktiven Übertragungsfrequenz durch eine Konstante "N", um die Abtastrate am Analog/Digital-Wandler zu optimieren. Es sei angemerkt, daß in einer alternativen Anordnung die Frequenztei lung von dem Mikroprozessor durchgeführt werden und das Resultat zu dem Analog/Digital-Wandler übertragen werden könnte.

Der Mikroprozessor 17 sendet ein Signal an die Schaltsteuerung 12, um gegebenenfalls Frequenzen zu schalten. Ein sinusförmiges Hochfrequenz(Hi-freq)-Signal wird von dem Hochfrequenzgenerator 108 zu dem dualen Bandpaßfilter 11 geschickt, der wiederum das gefilterte Signal zu dem piezoelektrischen Hochfrequenzwandler (PZT) 101 leitet, der die elektrische Energie in Ultraschall energie konvertiert. Dieser Ultraschallstrahl dringt durch die Rohrwand 105 und in das strömende Fluid 107. Das Fluid trägt Streuzentren 106, die den Ultraschallstrahl in alle Richtungen reflektieren. Der Hochfrequenzempfänger-PZT-Wandler 103 empfängt reflektierte Ultraschallenergie, die zusammen mit Fremdsignalen geschwindigkeitsbezogene Frequenzen enthält, die eine Funktion sowohl der aktiven Übertragungsfrequenz als auch der Geschwin digkeit der Streuzentren in dem Fluid sind. Die Geschwindigkeit der Streuzentren ist bei statistischer Durchschnittsbildung gleich der Geschwindigkeit des Fluids. Auf diese geschwindig keitsbezogenen Frequenzen wird als die dopplerverschobenen Fre quenzen Bezug genommen. Das Signal von dem PZT-Wandler 103 wird dann zu dem dualen Bandpaßfilter 13 übertragen, der das Signal filtert, zum Reduzieren der Kreuzkopplung zwischen den Sensoren dient und das gefilterte Signal zu dem FM-Mischer 14 sendet, der die dopplerverschobene Frequenz von der übertragenen Frequenz subtrahiert, was in der Doppler-Mischfrequenz resultiert. Dieses analoge elektrische Signal wird von einem Analog/Digital-Wandler (A/D) 16 gemessen, und zwar bei einer Abtastrate, die gleich ist zu der aktiven Übertragungsfrequenz dividiert durch die Konstan te "N".

Eine Reihe dieser Messungen wird zu dem Mikroprozessor 17 gesen det, der diese Daten speichert und einen Befehl zum Schalten von Frequenzen an die Schaltsteuerung aussendet, die fortschreitet, um den Niederfrequenzgenerator 109 auszuwählen. Die oben be schriebene Sequenz wird für das Niederfrequenzsignal unter Ver wendung der Niederfrequenzkomponenten entlang des Weges iden tisch wiederholt. Die folgende Diskussion führt die Sequenz der Ereignisse für die Behandlung des Niederfrequenzsignals auf, während eine Redundanz minimiert wird.

Der Niederfrequenzgenerator 109 erzeugt das Signal, das zu dem dualen Bandpaßfilter 11 geht, der wiederum das gefilterte Signal an den Niederfrequenzwandler 102 überträgt. Der Niederfrequenz- PZT-Wandler 102 konvertiert dieses Signal in Ultraschallwellen. Der Niederfrequenz-PZT-Empfänger 104 konvertiert das empfangene Ultraschallsignal in ein elektrisches Signal und sendet es wie derum an den dualen Bandpaßfilter 13. Das Signal wird dann zu dem Mischer 14 geschickt, wo die empfangene Frequenz von der übertragenen Frequenz subtrahiert wird, wodurch die Doppler- Mischfrequenz für den Fall der Niederfrequenzübertragung erzeugt wird. Das resultierende analoge elektrische Signal wird dann zu dem A/D-Wandler 16 geschickt. Dieses analoge elektrische Signal wird von einem Analog/Digital-Wandler (A/D) 16 gemessen, bei einer Abtastrate gleich der aktiven (in diesem Fall Niederfre quenz-)Übertragungsfrequenz dividiert durch die Konstante "N".

Wie im Hochfrequenzfall wird eine Serie dieser Messungen zu dem Mikroprozessor 17 geschickt, der die Daten speichert. Dann sen det der Mikroprozessor 17 einen Befehl an die Schaltsteuerung 12, um wieder die Frequenzen zu ändern. Es kann ohne weiteres gesehen werden, daß dies eine Wiederholung des gesamten Vorgangs bewirkt, wobei alle Prozesse in einer zwischen den hohen und niedrigen Frequenzen alternierenden Weise durchgeführt werden. Es kann natürlich jede Zahl von Frequenzen benutzt werden, die durch verschiedene Systemparameter ausgewählt werden können, wie zum Beispiel Rohrdicke, Fluidart, Art der Streuzentren, Fremd rauschen, und andere.

Ein Fachmann wird erkennen, daß die in Fig. 1 veranschaulichte Hardware nur ein Weg ist, um das unten diskutierte Verfahren umzusetzen. Alternative Hardware-Ausführungen sind ohne weiteres ersichtlich und liegen klar innerhalb des Umfangs der vorliegen den Erfindung.

Fig. 2 veranschaulicht ein Flußdiagramm des Verfahrens zum Messen der Durchflußrate gemäß der vorliegenden Erfindung. Der erste Schritt 210 besteht darin, die Übertragungsfrequenzauswahl auf "Hoch" zu setzen, um den Prozeß zu starten. In nachfolgenden Durchläufen durch den Prozeß schaltet der Mikroprozessor 17 zwi schen Einstellungen für niedrige und hohe Übertragungsfrequenz hin und her. Als nächstes wird im Schritt 225 die ausgewählte Frequenz durch die Konstante "N" dividiert, um die Abtastrate einzurichten, mit der Daten von dem Analog/Digital-Wandler 16 abgetastet werden. Der nächste Schritt 211 besteht darin, ein sinusförmiges elektrisches Signal der ausgewählten Frequenz unter Verwendung der Schaltsteuerung 12 zu dem dualen Bandpaß filter 11 zu senden. Als nächstes wirkt im Schritt 212 der duale Bandpaßfilter 11 dahingehend, daß selektiv nur die ausgewählte hohe oder niedrige Frequenz durch den Filter gelangen kann, und dann leitet er das gefilterte Signal in geeigneter Weise ent weder zu dem Hochfrequenzsender 101 oder dem Niederfrequenzsen der 102 gemäß der gerade aktiven Übertragungsfrequenz.

Der nächste Schritt 213 besteht darin, daß sinusförmige elek trische Signal in Ultraschallenergie zu konvertieren. Dies wird von dem Hochfrequenz-TxHi 101 für Signale hoher Frequenz und von dem Niederfrequenz-TxLo 102 für Signale niedriger Frequenz durchgeführt. Als nächstes wird im Schritt 214 diese Ultra schallenergie durch die Rohrwand 105 in das strömende Fluid 107 übertragen, um so zu bewirken, daß diese Energie an über das Fluid 107 verteilten Streuzentren 106 reflektiert wird. Die von den Streuzentren 106 ausgehenden Frequenzen rühren von einer Kombination der übertragenen Frequenz und den Geschwindigkeiten der Streuzentren her und bilden eine Doppler-Verschiebungs-Fre quenzverteilung.

Im Schritt 215 werden die reflektierten Ultraschallfrequenzen von den PZTs empfangen und von dem Hochfrequenz-RcHi-Empfänger 103 für Übertragungen hoher Frequenz und von dem Niederfrequenz- RcLo-Empfänger 104 für Übertragungen niedriger Frequenz in elek trische Signale gewandelt.

Im Schritt 216 wird unter Verwendung des FM-Mischers 14 die Doppler-Mischfrequenz durch Subtrahieren der Werte der von den Streuzentren reflektierten Frequenzen von dem Wert der übertra genen Frequenz erzeugt. Es ist anzumerken, daß die Rauschsignale von dem Mischer nicht beeinflußt werden und intakt mit ihren ursprünglichen Frequenzen durch den Analog/Digital-Wandler ge langen.

Im Schritt 218 wird das von dem FM-Mischer 14 ausgehende analoge Signal von dem Analog/Digital-Wandler 16 mit der im Schritt 225 berechneten Abtastrate abgetastet. Eine Serie von durch diesen Abtastschritt erhaltenen Messungen wird zu dem Mikroprozessor 17 geschickt.

Im Schritt 219 führt der Mikroprozessor 17 eine diskrete Fou rier-Transformation (DFT) an der im Schritt 218 erzeugten Serie von Messungen durch, wodurch Daten in der Frequenzdomäne erzeugt werden, die mit der dann in Betrieb befindlichen Übertragungs frequenz verknüpft sind. Speziell wird an den abgetasteten Daten für die Fälle der Hoch- und Niederfrequenzübertragung eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) durchgeführt, einem zum schnellen Berechnen von DFTs formulierten Algorithmus. Das Er gebnis der Berechnung ist die Erzeugung eines Datensatzes für jede verwendete Übertragungsfrequenz. Jeder Datensatz besteht aus Datenpunkten, von denen jeder eine Frequenz mit einer Am plitude verknüpft.

Für Hintergrundinformation über diskrete Fourier-Transforma tionen (FFTs) und schnelle Fourier-Transformationen (FFTs) wird der Leser auf das folgende Lehrbuch verwiesen: DIGITAL SIGNAL PROCESSING, von Proakis und Manolakis, 3. Ausgabe, Prentice-Hall 1996. Dieses Lehrbuch wird hiermit durch Bezugnahme eingeschlos sen.

Im Schritt 220 wird die Tätigkeit bei Schritt 221 fortgesetzt, wenn Daten unter Verwendung sowohl der hohen als auch der nied rigen Übertragungsfrequenzen gesammelt worden sind. Wenn nur Hochfrequenzdaten gesammelt worden sind, setzt der Mikroprozes sor 17 im Schritt 217 die Frequenzauswahl auf "Niedrig" und wiederholt die Schritte 211 bis 219.

Im Schritt 221 wird eine Korrelation zwischen den DFTs für die von der Niederfrequenzübertragung und von der Hochfrequenzüber tragung resultierenden Daten durch Multiplizieren der DFT-Daten miteinander durchgeführt. Als Resultat der Multiplikation bilden die Doppler-Mischfrequenzen einen großen identifizierbaren Apex 502, während die Ausrichtung der anderen Frequenzen gestört wird. Im Schritt 222 wird die Doppler-Frequenzverteilung identi fiziert, und der Schwerpunkt der Doppler-Verteilung wird mit Präzision bestimmt. Im Schritt 223 wird die Geschwindigkeit aus der Schwerpunktsfrequenz unter Verwendung der Doppler-Formel berechnet, und der Durchfluß wird durch Multiplizieren der Ge schwindigkeit mit der Querschnittsfläche des Rohres berechnet. Schritt 223 vervollständigt eine volle Messung der Durchflußrate des Fluids.

Im Schritt 226 werden die Daten von dem Mikroprozessor gelöscht.

Im Schritt 224 beginnt der Prozeß von neuem, beginnend im Schritt 210.

Während die obige Ausführungsform den wünschenswerten Vorteil einschließt, daß die Abtastrate des Analog/Digital-Wandlers 16 gleich der Übertragungsfrequenz dividiert durch eine Konstante "N" gesetzt wird, kann die Erfindung ohne dieses Merkmal prakti ziert werden. Ohne Einrichtung dieser Beziehung zwischen der Übertragungsfrequenz und der Abtastrate müßten zusätzliche Re chenschritte an den Frequenzdomänendaten durchgeführt werden, um eine Vorbereitung für die Korrelationsoperation zu treffen.

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung 301 des Frequenzspek trums der am Analog/Digital-Wandler 16 ankommenden Energie. Diese Figur repräsentiert für zwei getrennte Übertragungsfre quenzen erhaltene Daten, für eine einzige Fluidgeschwindigkeit, ohne daß eine Skalierung der Frequenzen durchgeführt worden ist. Die Energie 304 ist als eine Funktion der Frequenz 305 aufgetra gen. Die Rauschfrequenzspitzen 302 in der Kurve für Daten ent sprechend der Niederfrequenzübertragung 306 sind mit den Rausch frequenzspitzen 302 in der Kurve für Daten entsprechend der Hochfrequenzübertragung 307 ausgerichtet. Die Rauschsignale haben Frequenzen, dis zu niedrig sind, um von dem Mischer 14 beeinflußt zu werden, und sind unabhängig von dem Wert der Über tragungsfrequenz. Daher kommen für alle verwendeten Übertra gungsfrequenzen dieselben Rauschfrequenzen bei dem Analog/Digi tal-Wandler an. Folglich sind die Rauschfrequenzspitzen 302 für die Fälle unterschiedlicher Übertragungsfrequenzen ausgerichtet.

Im Gegensatz dazu variieren die von dem Mischer ausgehenden Doppler-Mischfrequenzen für dieselbe Fluidgeschwindigkeit pro portional mit der Übertragungsfrequenz. Demgemäß sind die Dopp ler-Frequenzverteilungen 303 für die Fälle der Übertragungs signale hoher und niedriger Frequenz nicht ausgerichtet.

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung 401 des Frequenzspek trums der von dem Analog/Digital-Wandler 16 aufgenommenen Ab tastdaten, nachdem eine Skalierung durchgeführt worden ist. Die Kurve ist das Ergebnis des Durchführens einer diskreten Fourier- Transformation an den abgetasteten Daten. Die Energie 404 auf der vertikalen Achse ist gegen die Frequenz 405 auf der horizon talen Achse aufgetragen, wodurch die Signalstärke der verschie denen Frequenzen angezeigt wird, nachdem die Skalierung durch geführt worden ist. Zwei separate Gruppen von Daten sind abge bildet: während der Hochfrequenzübertragung gesammelte Daten, angezeigt durch die gestrichelte Linie 407, und während der Niederfrequenzübertragung gesammelte Daten, angezeigt durch die durchgezogene Linie 406. Die Frequenzwerte für die Niederfre quenzkurve sind um das Verhältnis der Übertragungsfrequenzen nach oben skaliert. Dieses Skalieren wird vorzugsweise durch geeignetes Einstellen der Abtastrate durchgeführt, wie im Schritt 225 am Analog/Digital-Wandler 16, aber kann auch arith metisch durchgeführt werden. Ein Fachmann wird erkennen, daß das erforderliche Skalieren auch durch eine Kombination der Ab tastratensteuerung und einer arithmetischen Operation durchge führt werden könnte, solange die Kombination der beiden dieselbe Gesamtskalierung der Frequenzwerte liefert.

Die Rauschfrequenzen 402 sind bei drei verschiedenen lokalen Spitzen angezeigt: 402.a, 402.b und 402.c. Die Doppler-Misch frequenzverteilung 403 ist ebenso gezeigt. Diese Figur erlaubt eine visuelle Abschätzung des Mechanismus der vorliegenden Er findung zum Unterscheiden zwischen Rauschfrequenzen 402 und geschwindigkeitsbezogenen Doppler-Mischfrequenzen 403. Die Rauschfrequenzspitzen 402.a und 402.b sind in bezug zueinander verschoben, obwohl sie von derselben Rauschfrequenz herrühren, weil die Spitze bei 402.b die Rauschfrequenz repräsentiert, die effektiv mit einem Skalierungsfaktor gleich dem Verhältnis der Übertragungsfrequenzen (d. h. TxHi/TxLo) multipliziert ist. Nach dieser Skalierungsoperation wird die Rauschspitze 402.b, die einen Teil des für die Niederfrequenzübertragung 406 gesammelten Datensatzes formt, um den Betrag der Multiplikation auf der Frequenzskala nach oben bewegt. Dadurch wird die Frequenzspitze 402.b auf der Frequenzskala von der Frequenzspitze 402.a ge trennt.

Die Doppler-Mischfrequenzverteilungen 303 der Fig. 3, die nicht in Ausrichtung waren, werden nun durch das Element 403 repräsen tiert und sind in Fig. 4 wegen des Skalierens der Frequenzwerte des Datensatzes entsprechend dem Niederfrequenz-Übertragungs signal ausgerichtet. Die Skalierungsoperation hat derart ge wirkt, daß die Doppler-Charakteristik aufgehoben ist, die be wirkte, daß die Signale zuvor nicht ausgerichtet waren.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung 501 einer Korrelation zwischen den beiden Darstellungen der Abtastdaten in Fig. 3. Das Multiplikationsergebnis 505 auf der vertikalen Achse ist gegen die Frequenz 506 auf der horizontalen Achse aufgetragen. Eine einzelne durchgezogene Linie 507 repräsentiert den Wert des Multiplikationsergebnisses für jede Frequenz innerhalb des Be reichs der Kurve.

Das Multiplikationsergebnis 505 ist das mathematische Produkt der Energiewerte, die für den Fall der Hochfrequenzübertragung und den Fall der Niederfrequenzübertragung für jede Frequenz des von der Kurve 501 abgedeckten Frequenzbereichs 506 gemessen sind. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß das Multiplikations produkt 507 bei Rauschfrequenzen 508 wegen der fehlenden Aus richtung dieser Frequenzen in der Kurve aus Fig. 4 niedrig ist.

Die relativ enge Ausrichtung der Doppler-Frequenzverteilungen 403 in Fig. 4 resultiert in dem Doppler-Mischfrequenzbereich 503 in einer hervorspringenden Ausbuchtung in dem Multiplika tionsergebnis 507. Der Spitzenwert des Multiplikationsergebnis ses 507 innerhalb des Doppler-Mischfrequenzbereichs 503 ist der Apex der Doppler-Mischfrequenzen 502. Die Frequenz, an der die ser Apex 502 in dem Multiplikationsergebnis 507 auftritt, ist die Apexfrequenz 504. Die Frequenzverteilung in der Nähe dieses Apexes wird identifiziert, und der Schwerpunkt der Verteilung wird berechnet, was zu der Bestimmung der Schwerpunktsfrequenz 509 führt. Die Schwerpunktsfrequenz 509 wird verwendet, um ande re interessierende Größen zu berechnen, wie die Fluidströmungs geschwindigkeit und die Durchflußrate des Fluids.

Im folgenden werden die mathematischen Prinzipien diskutiert, denen die in der Textbeschreibung der Erfindung diskutierten Operationen unterliegen. Die folgende Ableitung erklärt das Prinzip des dualen oder Mehrfachfrequenz-Doppler-Strömungsmes sers. Die allgemeine Doppler-Formel ist:

Wobei: C ist die Schallgeschwindigkeit des Fluids oder die Ge schwindigkeit des Schalls in dem Fluid; Ftx ist die Übertra gungsfrequenz; Frc ist die reflektierte Frequenz; Df ist die Doppler-Mischfrequenz; und cos(a) ist der Cosinus des Winkels des einfallenden Strahls relativ zu der Richtung der Strömung.

Wenn Ultraschallstrahlen bei zwei verschiedenen Frequenzen in ein konstant strömendes Fluid übertragen werden, das Streuzen tren enthält, liegt die folgende Beziehung zwischen den Doppler- Frequenzen für die beiden verschiedenen Übertragungsfrequenzen vor.

Gleichung 1 beweist, daß das zweite Doppler-Signal gleich dem ersten Doppler-Signal multipliziert mit dem Verhältnis der Über tragungsfrequenzen ist.

Aus Gleichung 1 folgt, daß, wenn:
die dopplerverschobene Frequenz proportional zu der übertragenen Frequenz ist:

Df α Ftx und

das Abtastzeitintervall umgekehrt proportional zu der übertrage nen Frequenz ist:

dann

wobei d eine Konstante ist.

Wenn

ersetze in Gleichung 1:

Nach Umordnen erhält man:

Dann:

Die Zeitdomänendaten, die von dem Mischer eintreten, werden in Zeitintervallen von Δt abgetastet und unter Verwendung einer diskreten Fourier-Transformation (DFT) in Frequenzdomänendaten gewandelt. Die resultierenden Frequenzdaten werden in Interval len von Δω präsentiert (beachte, daß 2π Δf = Δω).

Die Frequenzdomänendarstellung des ersten Satzes der Abtastdaten ist gegeben durch:

wobei

eine Konstante ist.

Eine zweite DFT wird an einem zweiten Datensatz mit dem Zeit intervall Δt_b durchgeführt, das umgekehrt proportional zu der Übertragungsfrequenz ist. Diese Transformation erzeugt Daten für N+1 Frequenzen in Intervallen von Δω_b.

Die Frequenzdomänenrepräsentation des zweiten Satzes der Abtast daten ist gegeben durch:

Die Frequenzintervalle sind gleich Δω*k in dem Exponententerm (Δt*n)(Δω*k). Innerhalb des Doppler-Frequenzbereichs ist der Wert von k bei der maximalen Amplitude mit "kd" bezeichnet. Der Expo nentenwert ist dann (Δt*n*Δω)*kd.

Durch Einsetzen der Gleichungen 1 und 2 in diese Exponentenform erhält man:

Die maximale Amplitude wird daher bei beiden DFTs bei demselben Inkrement, kd, auftreten. Wenn die Daten mit einer Rate abge tastet werden, die proportional zu dem Verhältnis der Übertra gungsfrequenzen ist, wird das maximale Doppler-Mischsignal für beide DFTs bei demselben Frequenzwert Δω*kd auftreten. Alle anderen Quellen konstanter Frequenz (Rauschen und andere Fremd signale) werden infolge der Differenz in den Abtastzeitinter vallen zwischen den beiden DFTs in den DFTs verschoben. Ein Korrelieren der beiden Frequenzspektren erzeugt einen großen Apex bei der Frequenz Δω*kd, was klar das Doppler-Signal gegen über allen anderen Signalen identifiziert. Der Schwerpunkt die ser Frequenz kann dann ohne weiteres berechnet werden. Diese Schwerpunktsfrequenz wird als Repräsentant der Geschwindigkeit des Fluids behandelt.

Die Geschwindigkeit wird unter Verwendung dieser Schwerpunkts frequenz mit der allgemeinen Doppler-Formel berechnet. Der volu metrische Durchfluß wird dann durch Multiplizieren der Geschwin digkeit mit der Querschnittsfläche des Rohrs bestimmt.

Fig. 6 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform eines Strömungsmessers 60 gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. 1 sind bei dieser Ausführungsform mehr als zwei mögliche Übertragungs frequenzen vorgesehen. Dies würde für den Fall nützlich sein, das ein Apex bei Hinzufügung von Übertragungsfrequenzen über die beiden ersten hinaus mit größerer Klarheit und Genauigkeit er reichbar wäre.

Ein Mikroprozessor 617 wählt die gewünschte Übertragungsfrequenz von dem Signalgenerator 608 für variable Frequenzen aus. Das Signal wird dann von dem Wandler 601 in Ultraschallenergie kon vertiert und durch die Rohrwand 105 in das Fluid 107, das Streu zentren 106 enthält, übertragen. Der Wandler 601 könnte eine Anzahl von piezoelektrischen Wandlern einschließen, die in ver schiedenen Frequenzbereichen arbeiten.

Reflektierte Ultraschallenergie wird an einem Empfänger 603 empfangen und dort in ein elektrisches Signal gewandelt. Der Empfänger 603 könnte eine Anzahl von piezoelektrischen Wandlern einschließen, die in verschiedenen Frequenzbereichen arbeiten. Das elektrische Signal wird dann durch ein steuerbares Bandpaß filter 613 geleitet, dessen Charakteristiken von dem Mikropro zessor 617 gesteuert werden. Das gefilterte Signal wird dann in dem FM-Mischer 14 von der gerade aktiven Übertragungsfrequenz subtrahiert.

Das aus der Subtraktion in dem Mischer 14 resultierende Signal wird dann an dem Analog/Digital-Wandler 16 abgetastet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abtastrate an dem Analog/- Digital-Wandler immer die gerade aktive Übertragungsfrequenz dividiert durch eine Konstante "N". Ein Einstellen dieser Bezie hung zwischen der Analog/Digital-Abtastrate und der Übertra gungsfrequenz umgeht das Erfordernis, die rechnerisch aufwendige Aufgabe des Skalierens der Frequenzinformation in der DFT durchzuführen, während noch sichergestellt ist, daß die Ab tastrate hoch genug bleibt (d. h. oberhalb der Nyquist-Grenze), um die an dem Analog/Digital-Wandler 16 erscheinenden Frequenzen glaubwürdig zu reproduzieren.

Die Analog/Digital-Abtastdaten werden kontinuierlich zu dem Mikroprozessor 617 geschickt, wo die mit einer bestimmten Über tragungsfrequenz verknüpften Abtastdaten gespeichert werden. Der Vorgang des Sammelns von Daten, die mit einer bestimmten Über tragungsfrequenz verknüpft sind, wird wenigstens zweimal durch geführt, kann aber für eine im wesentlichen unbegrenzte Zahl von Frequenzen durchgeführt werden.

Die Berechnungen der DFTs, der Korrelationsdaten, des Frequenz verteilungs-Apex und der Schwerpunktsfrequenz, wie in den Fig. 2, 3 und 4 diskutiert, werden bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 auf dieselbe Weise durchgeführt.

Ein von der Ausführungsform nach Fig. 6 gezeigter Vorteil ist, daß, wenn die (die Geschwindigkeit repräsentierende) Schwer punktsfrequenz nicht mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann oder wenn noch Rauschdaten vorliegen, die die Ge schwindigkeitsberechnung stören, nachdem ein anfänglicher Satz von Übertragungsfrequenzen angewendet worden ist, der Mikropro zessor 617 entscheiden kann, noch eine weitere Übertragungsfre quenz auszuwählen und zu senden und damit verknüpfte Abtastdaten zu sammeln. Der obige Prozeß kann fortgesetzt werden, bis Ab tastdaten gesammelt worden sind, die für eine genaue Bestimmung der Fluidgeschwindigkeit ausreichend sind.

Ein anderer von der Ausführungsform nach Fig. 6 gezeigter Vor teil ist die Fähigkeit, auf den Materialeigenschaften und der Größe der Streuzentren basierende Übertragungsfrequenzen auszu wählen. Beispielsweise reflektieren feine Teilchen höhere Fre quenzen, während grobe Teilchen niedrigere Frequenzen reflektie ren.

Natürlich erkennt ein Fachmann, daß die in Fig. 6 veranschau lichte Hardware nur ein Weg ist, um die vorliegende Erfindung umzusetzen. Alternative Hardware-Ausführungsformen sind ohne weiteres ersichtlich und sind klar innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.

Obwohl die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile im Detail beschrieben worden sind, sollte es verstanden werden, daß hierin verschiedenartige Änderungen, Ersetzungen und Abänderungen ge macht werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung, wie von den angehängten Ansprüchen definiert, abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines in einem Rohr strömenden Fluids, mit den Schritten:
Übertragen eines periodischen elektrischen Signals bei einer Anzahl von Frequenzen;
Wandeln des elektrischen Signals in ein Ultraschall signal;
Übertragen des Ultraschallsignals in das in dem Rohr strömende Fluid an einer ersten Stelle entlang des Rohres;
an einer zweiten Stelle entlang des Rohres, Wandeln von an der zweiten Stelle entlang des Rohres vorliegender Ultra schallenergie in elektrische Energie;
Mischen der elektrischen Energie mit dem übertragenen periodischen elektrischen Signal;
Abtasten des von dem Mischungsschritt resultierenden Signals;
Bestimmen einer Frequenz, die die Fluidgeschwindigkeit repräsentiert, aus in dem Abtastschritt abgeleiteten Daten; und
Berechnen der Fluidgeschwindigkeit aus der Frequenz, die die Fluidgeschwindigkeit repräsentiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Übertragens das Übertragen von Signalen bei zwei verschiedenen Frequen zen aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem weiteren Schritt des Filterns des periodischen elektrischen Signals vor dem Schritt des Wandelns des Signals in Ultraschallenergie.

4. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem weiteren Schritt des Filterns der von dem Schritt des Wandeins in elektrische Energie erzeugten elektrischen Energie vor dem Durchführen des Schritts des Mischens.

5. Verfahren nach Anspruch 1, mit den weiteren Schritten des Filterns des übertragenen elektrischen Signals vor dem Schritt des Wandelns des Signals in Ultraschallenergie und des Filterns der von dem Schritt des Wandelns in elektrische Energie erzeugten elektrischen Energie vor dem Schritt des Mischens.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens der Frequenz, die die Fluidgeschwindigkeit repräsentiert, die Schritte aufweist:
Erzeugen von Frequenzspektrumdaten aus in dem Abtast schritt erhaltenen Daten für jede verwendete Übertragungs frequenz, wodurch ein Datensatz mit Energiewerten, die mit individuellen Frequenzwerten verknüpft sind, erzeugt wird, wobei jeder Datensatz mit einer Übertragungsfrequenz ver knüpft ist;
Skalieren der Frequenzwerte in jedem Datensatz um einen Betrag, der umgekehrt proportional zu der mit jedem Daten satz verknüpften Übertragungsfrequenz ist, wodurch skalierte Frequenzspektrumdaten erzeugt werden, die mit jeder Über tragungsfrequenz verknüpft sind;
Korrelieren der für alle übertragenen Frequenzen er zeugten skalierten Frequenzspektrumdaten, wodurch eine Kor relationsfunktion erzeugt wird, wobei die Funktion einen Frequenzbereich hat, der eine Doppler-Frequenzverteilung enthält;
Identifizieren der Doppler-Frequenzverteilung innerhalb des Korrelationsfunktions-Frequenzbereichs, wobei die Dopp ler-Frequenzverteilung eine Schwerpunktsfrequenz hat; und
Berechnen einer Frequenz, die die Fluidgeschwindigkeit repräsentiert, aus der Doppler-Frequenzverteilung.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Abtastrate in dem Schritt des Abtastens gleichgesetzt ist zu der Übertra gungsfrequenz dividiert durch einen konstanten Wert, wodurch der Schritt des Skalierens innerhalb des Schritts des Ab tastens erreicht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Abtastens für alle Übertragungsfrequenzen bei einer konstanten Rate durchgeführt wird und in jedem Datensatz die skalierten Frequenzspektrumdaten durch Multiplizieren der Frequenzwerte mit einem Betrag erhalten werden, der umgekehrt proportional ist zu der mit jedem Datensatz verknüpften Übertragungsfre quenz.

9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Berechnens einer Frequenz, die die Fluidgeschwindigkeit repräsentiert, das Berechnen der Schwerpunktsfrequenz der Doppler-Frequenz verteilung aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei für jede übertragene Fre quenz die Rate, mit der das Signal in dem Abtastschritt abgetastet wird, gleich der Übertragungsfrequenz dividiert durch einen konstanten Wert ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das in dem Rohr strömende Fluid Streuer enthält, die das Ultraschallsignal reflektie ren.

12. System zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines in einem Rohr strömenden Fluids mit:
einer Einrichtung zum Übertragen eines periodischen elektrischen Signals bei einer Anzahl von Frequenzen;
einer Einrichtung zum Wandeln des elektrischen Signals in ein Ultraschallsignal;
einer Einrichtung zum Übertragen des Ultraschallsignals an einer ersten Stelle entlang des Rohrs in ein Fluid;
einer Einrichtung zum Wandeln, an einer zweiten Stelle entlang des Rohrs, von an der zweiten Stelle entlang des Rohrs vorliegender Ultraschallenergie in elektrische Ener gie;
einer Einrichtung zum Mischen der elektrischen Energie mit dem übertragenen periodischen elektrischen Signal, wo durch ein gemischtes Signal ausgegeben wird;
einer Einrichtung zum Abtasten des gemischten Signals;
einer Einrichtung zum Bestimmen einer die Fluidgeschwindigkeit repräsentierenden Frequenz aus von der Einrichtung zum Abtasten erhaltenen Daten; und
einer Einrichtung zum Berechnen der Fluidgeschwindig keit aus der die Fluidgeschwindigkeit repräsentierenden Frequenz.

13. System nach Anspruch 12, wobei die Einrichtung zum Übertra gen einer Anzahl von Frequenzen zwei separate Frequenzen überträgt.

14. System nach Anspruch 12, das ferner eine Einrichtung zum Filtern des elektrischen Signals aufweist, die zwischen der Einrichtung zum Übertragen eines periodischen elektrischen Signals und der Einrichtung zum Wandeln des Signals in Ultraschallenergie eingesetzt ist.

15. System nach Anspruch 12, das ferner eine Einrichtung zum Filtern der von der Einrichtung zum Wandeln erzeugten elek trischen Energie aufweist, die zwischen der Einrichtung zum Wandeln und der Einrichtung zum Mischen eingesetzt ist.

16. System nach Anspruch 12, ferner mit:
einer Einrichtung zum Filtern des übertragenen elek trischen Signals, die zwischen der Einrichtung zum Übertra gen und zwischen der Einrichtung zum Wandeln des elek trischen Signals in Ultraschallenergie plaziert ist; und
einer Einrichtung zum Filtern der elektrischen Energie, die zwischen der Einrichtung zum Wandeln in elektrische Energie und der Einrichtung zum Mischen plaziert ist.

17. System nach Anspruch 12, wobei die Einrichtung zum Bestimmen der Frequenz, die die Fluidgeschwindigkeit repräsentiert, aufweist:
eine Einrichtung zum Erzeugen von Frequenzspektrumdaten aus in dem Abtastschritt abgeleiteten Daten für jede ver wendete Übertragungsfrequenz, wodurch ein Datensatz erzeugt wird, der mit einzelnen Frequenzwerten verknüpfte Energie werte aufweist, wobei jeder Datensatz mit einer Übertra gungsfrequenz verknüpft ist;
eine Einrichtung zum Skalieren der Frequenzwerte in jedem Datensatz um einen Betrag umgekehrt proportional zu der Übertragungsfrequenz, die mit dem jeweiligen Datensatz verknüpft ist, wodurch skalierte Frequenzspektrumdaten er zeugt werden, die mit jeder Übertragungsfrequenz verknüpft sind;
eine Einrichtung zum Korrelieren der für alle übertra genen Frequenzen erzeugten skalierten Frequenzspektrumdaten, wodurch eine Korrelationsfunktion erzeugt wird, wobei die Korrelationsfunktion einen Frequenzbereich aufweist, der eine Doppler-Frequenzverteilung einschließt;
eine Einrichtung zum Identifizieren der Doppler-Fre quenzverteilung innerhalb des Korrelationsfunktions-Fre quenzbereichs, wobei die Doppler-Frequenzverteilung eine Schwerpunktsfrequenz hat; und
eine Einrichtung zum Berechnen einer Frequenz, die die Fluidgeschwindigkeit repräsentiert, aus der Doppler-Fre quenzverteilung.

18. System nach Anspruch 17, wobei die in der Einrichtung zum Abtasten angewandte Abtastrate gleich der Übertragungsfre quenz dividiert durch einen konstanten Wert ist, wodurch die Einrichtung zum Skalieren in die Einrichtung zum Abtasten inkorporiert ist.

19. System nach Anspruch 17, wobei die Einrichtung zum Abtasten mit einer Rate abtastet, die für alle verwendeten Übertra gungsfrequenzen konstant ist, und die Einrichtung zum Ska lieren eine Einrichtung zum Multiplizieren der Frequenzwerte in jedem Datensatz mit einem Betrag umgekehrt proportional zu der mit dem Datensatz verknüpften Übertragungsfrequenz aufweist.

20. System nach Anspruch 17, wobei die Einrichtung zum Berechnen einer Frequenz, die die Fluidgeschwindigkeit repräsentiert, eine Einrichtung zum Berechnen der Schwerpunktsfrequenz der Doppler-Frequenzverteilung aufweist.

21. System nach Anspruch 12, wobei eine Einrichtung zum Dividie ren der Übertragungsfrequenz durch eine Konstante zwischen der Einrichtung zur Signalübertragung und der Einrichtung zum Abtasten plaziert ist, wodurch in der Einrichtung zum Abtasten eine Abtastrate gleich der Übertragungsfrequenz dividiert durch die Konstante eingerichtet ist.

22. System nach Anspruch 12, wobei das in dem Rohr strömende Fluid Streuer enthält, die das übertragene Ultraschallsignal reflektieren.

23. Vorrichtung zum Extrahieren geschwindigkeitsbezogener Infor mation aus einem Fluid, das Streuzentren enthält und durch einen Behälter strömt, mit:
einer Einrichtung zum Übertragen von Ultraschallenergie in ein Fluid bei zwei oder mehr Frequenzen;
einer Einrichtung zum Übertragen von Ultraschallener gie, die von den Streuzentren in dem Fluid reflektiert ist, zu einer Einrichtung zum Mischen;
einer Einrichtung zum Mischen der reflektierten Energie mit der Übertragungsfrequenz; und
einer Einrichtung zum Isolieren von Frequenzen, die auf die Fluidgeschwindigkeit bezogen sind, von allen anderen von der Mischeinrichtung ausgegebenen Frequenzen.

24. Strömungsmesser nach Anspruch 23, wobei die Einrichtung zum Übertragen von Ultraschallenergie aufweist:
eine Einrichtung zum Erzeugen eines periodischen elek trischen Signals; und
eine Einrichtung zum Wandeln von elektrischer in Ultraschallenergie.

25. Strömungsmesser nach Anspruch 24, wobei die Einrichtung zum Erzeugen eines periodischen elektrischen Signals eine Ein richtung zum Ausgeben dieses Signals bei einer auswählbaren Frequenz aufweist.

26. Strömungsmesser nach Anspruch 25, wobei die Einrichtung zum Wandeln einen oder mehrere piezoelektrische Wandler auf weist.

27. Strömungsmesser nach Anspruch 25, wobei die Einrichtung zum Übertragen der reflektierten Energie zu einem Mischer eine Einrichtung zum Wandeln der Ultraschallenergie in elek trische Energie aufweist, wobei die Einrichtung zum Wandeln elektrisch mit der Einrichtung zum Mischen gekoppelt ist.

28. Strömungsmesser nach Anspruch 27, wobei die Einrichtung zum Wandeln der Ultraschallenergie in elektrische Energie einen oder mehrere piezoelektrische Wandler aufweist.

29. Strömungsmesser nach Anspruch 27, wobei eine Einrichtung zum Filtern zwischen der Einrichtung zum Erzeugen eines elek trisches Signals und der Einrichtung zum Wandeln plaziert ist.

30. Strömungsmesser nach Anspruch 29, wobei eine zweite Einrich tung zum Filtern zwischen der Einrichtung zum Wandeln von Ultraschall in elektrische Energie und der Einrichtung zum Mischen plaziert ist.

31. Strömungsmesser nach Anspruch 30, wobei die Einrichtung zum Isolieren der auf die Fluidgeschwindigkeit bezogenen Kom ponenten von anderen Frequenzkomponenten aufweist:
eine Einrichtung zum Erzeugen einer Energieverteilung, für jede angewandte Übertragungsfrequenz, als eine Funktion der Frequenz des von der Einrichtung zum Mischen ausgehenden Signals, wodurch eine Energieverteilung erzeugt wird, die mit jeder Übertragungsfrequenz verknüpft ist;
eine Einrichtung zum Skalieren der Frequenzwerte in nerhalb jeder Energieverteilung um einen Betrag umgekehrt proportional zu dem Wert der Übertragungsfrequenz, die mit der Energieverteilung verknüpft ist, wodurch skalierte Ener gieverteilungen erzeugt werden, wobei jede dieser skalierten Verteilungen mit einer bestimmten Übertragungsfrequenz ver knüpft ist;
eine Einrichtung zum Korrelieren der skalierten Ener gieverteilungen, wodurch eine Korrelationsfunktion erzeugt wird, wobei diese Korrelationsfunktion einen Frequenzbereich hat, der eine Doppler-Frequenzverteilung einschließt;
eine Einrichtung zum Identifizieren der Doppler-Fre quenzverteilung innerhalb dieses Frequenzbereichs der Korre lationsfunktion, wobei die Doppler-Frequenzverteilung eine Schwerpunktsfrequenz hat; und
eine Einrichtung zum Berechnen der Schwerpunktsfrequenz dieser Doppler-Frequenzverteilung.

32. Strömungsmesser nach Anspruch 25, der ferner eine Einrich tung zum Berechnen der Fluidströmungsgeschwindigkeit basie rend auf der Schwerpunktsfrequenz und Abmessungen des Fluid behälters aufweist.

33. Verfahren zum Extrahieren geschwindigkeitsbezogener Informa tion von einem Fluid, das Streuzentren enthält und durch einen Behälter strömt, mit den Schritten:
Übertragen von Ultraschallenergie in ein Fluid bei zwei oder mehr Frequenzen;
Übertragen von Ultraschallenergie, die von den Streu zentren in dem Fluid reflektiert wird, zu einem Mischer; Mischen der reflektierten Energie mit der Übertragungs frequenz; und
Isolieren von auf die Fluidgeschwindigkeit bezogenen Frequenzen von allen anderen Frequenzen, die von der Misch einrichtung ausgegeben werden.

34. Verfahren nach Anspruch 33, wobei der Schritt des Übertra gens von Ultraschallenergie die Schritte aufweist:
Erzeugen eines periodischen elektrischen Signals; und
Wandeln von elektrischer in Ultraschallenergie.

35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Schritt des Erzeugens eines periodischen elektrischen Signals ein Ausgeben dieses Signals bei einer auswählbaren Frequenz aufweist.

36. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Schritt des Wandelns den Schritt einer piezoelektrischen Wandlung aufweist.

37. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Schritt des Übertra gens der reflektierten Energie an einen Mischer die Schritte des Wandelns der Ultraschallenergie in elektrische Energie und des Sendens dieser elektrischen Energie zu dem Mischer aufweist.

38. Verfahren nach Anspruch 37, wobei der Schritt des Wandelns der Ultraschallenergie in elektrische Energie eine piezo elektrische Wandlung aufweist.

39. Verfahren nach Anspruch 37, wobei zwischen dem Schritt des Erzeugens eines elektrischen Signals und dem Schritt des Wandelns ein Schritt des Filterns durchgeführt wird.

40. Verfahren nach Anspruch 39, wobei zwischen dem Schritt des Wandelns von Ultraschall in elektrische Energie und dem Schritt des Mischens ein zweiter Schritt des Filterns durch geführt wird.

41. Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Schritt des Isolierens der auf die Fluidgeschwindigkeit bezogenen Komponenten von anderen Frequenzkomponenten die Schritte aufweist:
für jede angewandte Übertragungsfrequenz, Erzeugen einer Energieverteilung als eine Funktion der Frequenz des von der Einrichtung zum Mischen ausgehenden Signals, wodurch eine Energieverteilung erzeugt wird, die mit jeder Übertra gungsfrequenz verknüpft ist;
Skalieren der Frequenzwerte innerhalb dieser Energie verteilung um einen Betrag umgekehrt proportional zu dem Wert der Übertragungsfrequenz, die mit dieser Energiever teilung verknüpft ist, wodurch skalierte Energieverteilungen erzeugt werden, wobei jede Verteilung mit einer bestimmten Übertragungsfrequenz verknüpft ist;
Korrelieren dieser skalierten Energieverteilungen, wodurch eine Korrelationsfunktion erzeugt wird, wobei die Korrelationsfunktion einen Frequenzbereich hat, der eine Doppler-Frequenzverteilung einschließt;
Identifizieren der Doppler-Frequenzverteilung innerhalb dieses Frequenzbereichs der Korrelationsfunktion, wobei diese Doppler-Frequenzverteilung eine Schwerpunktsfrequenz hat; und
Berechnen der Schwerpunktsfrequenz innerhalb dieser Doppler-Frequenzverteilung, wobei diese Schwerpunktsfrequenz die Fluidgeschwindigkeit repräsentiert.

42. Verfahren nach Anspruch 41, wobei der Fluidbehälter eine Querschnittsfläche hat, ferner mit dem Schritt des Berech nens der Fluidgeschwindigkeit basierend auf dieser Schwer punktsfrequenz und der Querschnittsfläche des Behälters.

43. System zum Messen einer Fluidströmungsgeschwindigkeit in einem Rohr, wobei das System aufweist:
eine Einrichtung zum Überführen, an einer ersten Stelle entlang des Rohres, von wenigstens zwei Frequenzen in in nerhalb des Rohres strömendes Fluid;
eine Einrichtung zum Messen, an einer zweiten Stelle entlang des Rohres, von Frequenzen, die während der Über tragung dieser wenigstens zwei Frequenzen von dem strömenden Fluid reflektiert sind;
eine Einrichtung zum Vergleichen der gemessenen Fre quenzen, um nicht in Beziehung zu der Fluidgeschwindigkeit stehende Frequenzen zu eliminieren, und
eine Einrichtung zum Ableiten der Geschwindigkeit der Fluidströmung von den verglichenen gemessenen Frequenzen.

44. System nach Anspruch 43, wobei die Überführungseinrichtung eine Einrichtung zum zeitlichen Beabstanden der wenigstens zwei Frequenzen aufweist.

45. System nach Anspruch 43, wobei die in das Rohr überführten Frequenzen von in dem Fluid enthaltenen Streuzentren reflek tiert werden.

46. Verfahren zum Messen der Fluidströmungsgeschwindigkeit in einem Rohr, mit den Schritten:
an einer ersten Stelle entlang des Rohres, Überführen von wenigstens zwei Frequenzen in innerhalb des Rohres strö mendes Fluid;
an einer zweiten Stelle entlang des Rohres, Messen von Frequenzen, die während der Überführung der wenigstens zwei Frequenzen von dem strömenden Fluid reflektiert werden;
Vergleichen der gemessenen Frequenzen, um mit der Fluidgeschwindigkeit nicht in Beziehung stehende Frequenzen zu eliminieren, und
Ableiten der Geschwindigkeit des strömenden Fluids aus den verglichenen gemessenen Frequenzen.

47. Verfahren nach Anspruch 46, wobei der Schritt des Überfüh rens den Schritt des zeitlichen Beabstandens der wenigstens zwei Frequenzen aufweist.

48. Verfahren nach Anspruch 46, wobei die in das Rohr überführ ten Frequenzen von in dem Fluid enthaltenen Streuzentren reflektiert werden.

49. Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit eines oder mehrerer Objekte, mit den Schritten:
Übertragen von Wellen auf das eine oder die mehreren Objekte bei einer Anzahl von Frequenzen, wobei das eine oder die mehreren Objekte eine Geschwindigkeit haben;
Messen von von dem einen oder den mehreren Objekten reflektierter Energie für jede Übertragungsfrequenz, wobei die reflektierte Energie einen Frequenzbereich hat;
Eliminieren von zu der Geschwindigkeit des einen oder der mehreren Objekte nicht in Beziehung stehenden Frequen zen, wodurch eine Frequenz identifiziert wird, die die Ge schwindigkeit des einen oder der mehreren Objekte repräsen tiert;
Berechnen der Geschwindigkeit des einen oder der mehre ren Objekte aus der identifizierten Frequenz.

50. Verfahren nach Anspruch 49, wobei der Schritt des Eliminie rens von mit der Geschwindigkeit nicht in Beziehung stehen den Frequenzen aufweist:
Mischen jeder Übertragungsfrequenz mit der von dam einen oder den mehreren Objekten reflektierten Energie für diese Übertragungsfrequenz, wodurch gemischte reflektierte Energie erzeugt wird, wobei die gemischte reflektierte Ener gie einen Frequenzbereich hat;
Erzeugen einer Frequenzdomänendarstellung der gemisch ten reflektierten Energie für jede Übertragungsfrequenz, wodurch ein mit jeder Übertragungsfrequenz verknüpfter Da tensatz erzeugt wird, der in dem Frequenzbereich der ge mischten reflektierten Energie einen Energiewert mit jeder Frequenz verknüpft;
Skalieren der Frequenzwerte in jedem Datensatz durch einen Skalierungsfaktor umgekehrt proportional zu der mit jedem Datensatz verknüpften Übertragungsfrequenz, wodurch mit jeder Übertragungsfrequenz verknüpfte skalierte Daten sätze erzeugt werden;
Korrelieren der skalierten Datensätze für alle über tragenen Frequenzen, wodurch ein Korrelationsergebnis er zeugt wird, wobei das Korrelationsergebnis eine Doppler- Frequenzverteilung hat;
Identifizieren der Doppler-Frequenzverteilung innerhalb des Korrelationsergebnisses; und
Bestimmen einer Frequenz, die Geschwindigkeit innerhalb der Doppler-Frequenzverteilung repräsentiert.