Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit.
Es sind verschiedene Durchflussmessvorrichtungen be kannt, die zwei mit der zu messenden Flüssigkeit in Ver bindung stehende Messwandler aufweisen, bei denen aku stische Energie während periodischer Übertragungsfolgen gleichzeitig auf beide Messwandler übertragen wird. Die
Zeit, die die akustische Energie bei ruhender Flüssigkeit benötigt, um vom Sender des einen Messwandlers zum Empfänger des andern Mess
L wandlers zu gelangen, ist T =, wobei T die Zeit, L die Entfernung vom Sender bis zum Empfänger und C die Geschwindigkeit des Schalls in der Flüssigkeit ist. Zweckmässigerweise arbeiten die Messwandler als Sender oder Übertrager in der Weise, dass sie gleichzeitig akustische Energie gegeneinander abstrahlen, so dass das Glied L in beiden Fällen das gleiche ist.
Wenn der Flüssigkeit eine Geschwindigkeit verliehen wird, wird die stromabwärts gerichtete Energie von der Geschwindigkeit beschleunigt, während die stromaufwärts wandernde Energie durch die Geschwindigkeit verzögert wird, so dass die Gleichungen L L TD = C + V und Tu = C - V ergeben, worin TD die Strom- abzeit, Tu die Stromaufzeit und V die Geschwindigkeit der Flüssigkeit ist. Der Unterschied der Schallaufzeit TD - Tu ist gleich 2 LV und da C2 viel grösser als V2 ist,
Cê - ist gleich Cê ¯ Vê wird die Gleichung für die meisten praktischen Zwecke 2LV TD - Tu = . Bei einem bekannten Wert von L und einem bekannten Wert für C ist somit ersichtlich, dass die Geschwindigkeit der Flüssigkeit der Differenz in den Laufzeiten der stromauf- und stromabwärts sich bewegenden akustischen Energie proportional ist.
Die Laufzeiten können durch die Messwandler ermittelt werden, indem I0 15 20 25 30 35 40 diese als Reaktion auf auftreffende akustische Energie erste bzw. zweite Eingangsimpulse liefern. Es besteht jedoch das Problem, dass die Geschwindigkeit des Schalls in Wirklichkeit nicht konstant ist, sondern sich mit dem Mineralgehalt und der Temperatur der gemessenen Flüssigkeit ändert; deshalb müssen in derartigen Durchflussmessvorrichtungen Mittel zum Kompensieren der variierenden Schallgeschwindigkeit vorgesehen werden, wenn ein hoher Genauigkeitsgrad erzielt werden soll.
Eine Ausführung eines Kompensationssystems verwendet einen Durchstimmoszillator und einen ersten Zähler, der den Ausgang des Durchstimmoszillators für eine Zeitdauer AT erfasst, die der Zeitdifferenz zwischen dem Empfang des ersten und des zweiten Eingangsimpulses entspricht Die Zählung im ersten Zähler ist somit ein Mass für die Strömungsgeschwindigkeit, da die Zeitdifferenz zwischen dem Empfang des ersten und des zweiten Eingangsimpulses ein Mass für die Strömungsgeschwindigkeit ist. Gewöhnlich ist eine Korrekturschaltung vorgesehen, um die Frequenz am Ausgang des Durchstimmoszillators gemäss den Abweichungen der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit zu verändern.
Die Endzahl n im ersten Zähler entspricht der Frequenz FDO des Durchstimmoszillators multipliziert mit der Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des ersten und des zweiten Eingangsimpulses, d. h. n = FDO x #T. Da FDO = kC ist, wobei k eine Proportionalitätskonstante und C die Geschwindigkeit des Schalls in der Flüssigkeit sind, ist
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Gekürzt ergibt
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woraus ersichtlich ist, dass n mit einem Fehler behaftet ist, der umgekehrt proportional zu C ist. Die Korrektur des Durchstimmoszillators bewirkt somit eine Verminderung des Fehlers, die umgekehrt proportional zu C ist.
Weitere Kompensationsmittel können vorgesehen sein, um den zu C umgekehrt proportionalen Fehler zu eliminieren, wobei diese Mittel gewöhnlich ein Digital-Analog-Umsetzer sind, der auf die Zählung im ersten digitalen Zähler anspricht und während einer Zeitspanne alle im Wert von C enthaltenen Abweichungen durch geeignete Analogmanipulationen herausmittelt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit mit einem ersten und einem zweiten elektroakustischen Wandler zum gegenseitigen Senden und Empfangen von durch die Flüssigkeit übertragenen akustischen Impulsen, wobei der eine Wandler in bezug auf den anderen stromaufwärts angeordnet ist und gleichzeitig erste bzw. zweite akustische Impulse vom ersten bzw.
zweiten Wandler erzeugt werden, ein erster digitaler Zähler vorgesehen ist, sowie ein durchstimmbarer Oszillator zur Abgabe einer Impulsfolge an den ersten digitalen Zähler während eines Zeitintervalles #T, das mit der Zeitdifferenz zwischen dem Empfang von gleichzeitig erzeugten ersten und zweiten akustischen Impulsen durch die bezüglichen Wandler übereinstimmt, und wobei die Frequenz des durchstimmbaren Oszillators in direkter Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeitsänderungen in der Flüssigkeit periodisch korrigiert wird, ist gekennzeichnet durch einen zweiten digitalen Zähler, einen frequenzstabilen Oszillator zur Abgabe eines Signals von konstanter Frequenz, erste Schaltmittel zur Festlegung eines Zeitintervalls T, das mit einer Zählung im ersten digitalen Zähler mal dem Reziprokwert der Frequenz des frequenzstabilen Oszillators übereinstimmt,
und zweite Schaltmittel zum Anlegen des Ausgangs des durchstimmbaren Oszillators an den zweiten digitalen Zähler während des genannten Zeitintervalls, wodurch die Zählung im zweiten digitalen Zähler nach dem genannten Zeitintervall ein Mass für die Strömungsgeschwindigkeit darstellt.
Durch Schaffung verschiedener konstanter Oszillatorfrequenzen kann das Ergebnis im zweiten Zähler massstäblich vergrössert oder verkleinert werden, um eine Ausgangsgrösse zu erhalten, die entweder eine direkte Ablesung der Geschwindigkeit oder irgendeine andere Variable hat, die jedem gewünschten Massstabbeiwert und der Geschwindigkeit direkt proportional ist, wie beispielsweise der Abfluss (Öffnungsquerschnitt mal Geschwindigkeit).
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Strömungsgeschwindigkeits-Messanlage, bei dem die erfindungsgemässe Vorrichtung zum zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten angewandt werden kann, und
Fig. 2 ein Blockdiagramm das die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung in einer Strömungsgeschwindigkeits-Messanlage veranschaulicht.
Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit besitzt einen Sender 10, der zur Übertragung periodischer Impulsfolgen an eine erste und eine zweite Messwandlerstation 16 bzw. 17 über Schalter 12 und 13 elektrische Impulse zuleitet. Der Zweckmässigkeit halber, und um die Genauigkeit zu erhöhen, soll jede Messwandlerstation nur einen Messwandler aufweisen, der so betrieben wird, dass er ein akustisches Signal an den gegenüberliegenden Messwandler sendet und seinerseits ein Ausgangssignal liefert, wenn akustische Energie auf ihn auftrifft.
Die vom stromabwärts liegenden Messwandler 16 empfangene akustische Energie erzeugt ein Signal, das durch den Schalter 12 einem Empfänger 20 zugeleitet wird, und das Signal, das der Messwandler 17 infolge der vom Messwandler 16 ausgehenden akustischen Energie liefert, wird durch den Schalter 13 einem Empfänger 21 zugeleitet. Schwellenwertbestimmende Vorrichtungen 23 und 24 sprechen auf den Ausgang der Empfänger 20 und 21 an, um im folgenden als Eingangsimpulse bezeichnete Signale zu liefern, die ein Mass für die jeweilige Laufzeit der von den Messwandlern 16 und 17 ausgehenden akustischen Energie darstellen.
Bei strömender Flüssigkeit erreicht die ausgesandte akustische Energie den stromabwärts liegenden Messwandler 16, da sie in dieser Richtung von der Strömungsgeschwindigkeit mitgetragen wird, früher als den stromaufwärts liegenden Messwandler 17, da sie in dieser Richtung durch die Strömungsgeschwindigkeit gebremst wird.
Demnach wird zuerst von der Schwellenwertvorrichtung 23 und danach von der Schwellenwertvorrichtung 24 ein Eingangsimpuls registriert, wobei die Zeitdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Impuls nach der früher angegebenen Gleichung
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ein Mass für die Flüssigkeitsgeschwindigkeit liefert. Die im ganzen mit 30 gezeichneten digitalen Geschwindigkeitsmessschaltungen sprechen auf den ersten und den zweiten Eingangsimpuls an, um eine Angabe über die Strömungsgeschwindigkeit zu liefern. Fig. 2 zeigt einige der Bauteile, die in der Geschwindigkeitsmessschaltung 30 nach Fig. 1 verwendet werden können.
In Fig. 2 ist, ebenso wie in älteren zum Stand der Technik gehörenden Anordnungen, ein durchstimmbarer Oszillator 32 vorgesehen, dessen Ausgangsfrequenz von einer Steuereinrichtung 33 gesteuert wird. Das Ausgangssignal des Oszillators 32, das die Form einer Rechteckwelle, von Rechteckimpulsen oder irgendeiner anderen periodischen Welle, die von einem Digitalzähler gezählt werden kann, aufweisen mag, wird während einer von dem ersten und zweiten Eingangsimpuls abhängigen Zeitspanne einem ersten digitalen Zähler hier einem AT-Zähler 35 zugeführt Das Anlegen des Oszillator-Ausgangs an den AT-Zähler 35 wird von den logischen Eingangsmitteln 38, die die Schwellenwertdetektoren 23 und 24 (Fig.1) und andere Tore enthalten können, in der Weise gesteuert, dass dem AT-Zähler 35 der Oszillator-Ausgang während einer Zeitspanne zugeführt wird,
die mit dem ersten Eingangsimpuls beginnt und mit dem zweiten Eingangsimpuls endet.
Übertragungsmittel in Form von Torschaltungen 40 sind vorgesehen, um den Zählwert im AT-Zähler 35 an die Steuereinrichtung 33 weiterzuleiten, die unter Rückkoppelung des Ausgangs des Oszillators 32, die Frequenz des letztern verändert, um so jeden von Abweichungen der Schallgeschwindigkeit abhängigen Fehler in der Zählung des AT-Zählers 35 zu kompensieren.
Die bisher beschriebene Kompensationseinrichtung nach Fig. 2 ist in der Patentschrift Nr. 508 883 beschrieben.
In der erfindungsgemässen Vorrichtung sind Mittel vorgesehen, um den Zählwert imAT-Zähler 35 zu speichern, damit sie bei der Korrektur von Abweichungen in der Schallgeschwindigkeit in der gemessenen Flüssigkeit verwendet werden kann. Zu diesem Zweck ist ein Ergänzungsregister 43 vorgesehen, und wenn die Übertragungstore 40 leitend sind, wird das Teilsignal, d. h. das Komplement zu der im AT-Zähler 35 befindlichen Zahl, auf das Ergänzungsregister 43 übertragen. Der AT-Zähler 35 und das Ergänzungsregister 43 können Standardzähler sein, die eine Kette von Zähl-Flip-Flops mit geeigneten Schaltverbindungen zum Abtasten des Arbeitszustandes der einzelnden Flip-Flops aufweisen. Nötigenfalls können dem AT-Zähler 35 zusätzliche Mittel zugeordnet werden, durch die nach einer Anzahl von Sendefolgen eine Durchschnittszählung vorgenommen werden kann.
Das Ergän zungssignal und das Ergänzungsregister 43 sind so aufein ander abgestimmt, dass, wenn der Inhalt des AT-Zählers n war, genau n Zählungen erforderlich sind, um das Ergän zungsregister 43 zu füllen. Ein äusserst frequenzkonstanter
Oszillatorteil in Form einer Quarzuhr 45 kann im zuge schalteten Zustand dem Ergänzungsregister ein frequenz konstantes Signal zuleiten. Durch Eingeben von n Zählun gen aus der Quarzuhr 45 in das Ergänzungsregister 43 wird ein Zeitintervall nach der Gleichung T # = n F er- zeugt, worin F die Frequenz des Quarzoszillators ist. Das
Zeitintervall T wird dazu benutzt, den Ausgang des durch stimmbaren Oszillators einem zweiten Digital-Zähler, z. B.
dem AT-Zähler 48 für den korrigierten Wert zuzuführen.
Am Ende des Zeitintervalls T enthält der AT-Zähler 48 eine Zählung n', worin n' = FDO T ist. Da FDO der
Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit proportional ist und T = n.F und n = (2kL) V, so ist n' = (kC).(2 kL) c
V x F Gekürzt ist n = (2 k2L) V und es ist er F sichtlich, dass die Zählung im AT-Zähler 48 vollkommen unabhängig von C, der Schallgeschwindigkeit in der ge messenen Flüssigkeit, ist.
Eine Einrichtung zum Bestimmen des Zeitintervalls T weist Mittel auf, die die Quarzuhr 45 befähigen, dem Ergän zungsregister 43 in diesem zu zählende Impulse über eine
Leitung 49 zuzuleiten. Dies kann erreicht werden, indem ein Flip-Flop 52 vorgesehen wird, wenn er von einer nicht dargestellten Programmsteuerquelle das Signal Zählung einleiten empfängt, auf einer Ausgangsleitung 53 ein vor bereitendes Ausgangssignal an die Quarzuhr 45 liefert.
Wenn das Ergänzungsregister 43 voll ist, d. h. die Zählung den Wert n erreicht hat, veranlasst es den Flip-Flop 52, die Quarzuhr 45 abzuschalten. Dies wird durch eine Und
Schaltung 56 erreicht, die mit jedem Flip-Flop des Ergän zungsregisters 43 verbunden werden kann, um ein Eins
Ausgangssignal zu liefern, wenn sich alle Flip-Flops im
Eins-Zustand befinden. Das Ausgangssignal der Und-Schal tung 56 dient dazu, den Flip-Flop 52 in seinen entgegen gesetzten Zustand umzusteuern und dadurch die Quarzuhr 45 abzuschalten.
Der Zeitabschnitt, in welchem der Flip-Flop 52 das um steuernde Ausgangssignal in der Leitung 53 liefert, ist das obenerwähnte Zeitintervall T, das beginnt, wenn das Ergänzungsregister 43 zu zählen anfängt, und das endet, wenn das Ergänzungsregister n Zählungen des Quarzuhrausgangs gezählt hat. Das Ausgangssignal des Flip-Flop 52 wird zusätzlich dazu benutzt, eine Und-Schaltung 60 umzusteuern, die das Ausgangssignal des Oszillators 32 für die Zeitspanne, in der der Flip-Flop 52 sein umsteuerndes Ausgangssignal liefert, d. h. für den Zeitintervall T, über eine Leitung 62 an den AT-Zähler 48 anlegt.
Obwohl die Erfindung auch andere Varianten zulässt, wird es vorgezogen, die Übertragung aus dem AT-Zähler 35, die Eingabe des Signals Zählung einleiten und die Bestimmung des Zeitintervalls T nach dem zweiten Eingangsimpuls und vor der nächsten Impuls-Übertragung zu veranlassen.
Es ist ersichtlich, dass sowohl dem AT-Zähler 35 als auch dem AT-Zähler 48 für den korrigierten Wert das Ausgangssignal des Oszillators 32 zugeführt wird. Indessen ist die Zählung n im AT-Zähler 35 von der Schallgeschwindigkeit C abhängig, während die Zählung n' im AT-Zähler 48 vollständig unabhängig von der Geschwindigkeit des Schalls ist. Die Zählung n' ist ein Mass für die Strömungsgeschwindigkeit und ermöglicht, diese mittels einer Ableseeinrichtung 66 sichtbar zu machen. Der Messvorgang kann bei jeder Übertragungsfolge oder auch nach längeren Zeitabständen wiederholt und somit die Anzeige auf den neuesten Stand gebracht werden. Die Anzeige kann in Digitalform für die sofortige oder zukünftige Verwendung in Verbindung mit Rechnerprogrammabläufen und/oder in Analogform für gewisse Weiterverarbeitungen erfolgen.
Da das Zeitintervall T von der Frequenz des frequenzhaltenden Oszillators abhängig ist und ferner die korrigierte Zählung n' im AT-Zähler 48 vom Zeitintervall T abhängt, ist die Zählung n' folglich ebenfalls von der Frequenz des frequenzhaltenden Oszillators abhängig. Die korrigierte Zählung n' im AT-Zähler ist der Strömungsgeschwindigkeit V proportional. Wenn es erwünscht ist, dass jede Zählung im AT-Zähler 48 beispielsweise 0,1 m pro Sekunde usw. darstellt, kann die Frequenz des frequenzhaltenden Oszillators entsprechend gewählt werden. Die Frequenz wird dann so gewählt, dass n' jede geeignete Anzahl von Zählungen je Meter/Sekunde ist, wodurch jeder gewünschte Massstabbeiwert möglich ist.