Verfahren zur Messung der Durchflussmenge einer in einer Leitung fliessenden Flüssigkeit sowie
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Durchflussmenge einer in einer Leitung fliessenden Flüssigkeit, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Verschiedene bekannte Durchflussmengenmessvor- richtungen für Flüssigkeiten verwenden akustische Signale zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit.
Bei diesen Systemen werden die akustischen Signale an einen in Strömungsrichtung stromaufwärts vom Sender und an einen stromabwärts vom Sender liegenden Wandler-Empfänger übertragen, wobei der Unterschied der Laufzeiten der entgegengesetzt gerichteten Signale vom akustischen Sender zu den beiden Empfängern gemessen wird.
Da das entgegen der Strömungsrichtung übertragene Signal um den Betrag der Geschwindigkeit der Flüssigkeit verzögert und das in Strömungsrichtung übertragene Signal um den Betrag der Geschwindigkeit der Flüssigkeit beschleunigt wird, kann die Laufzeit des akustischen Signals ausgedrückt werden als
EMI1.1
wobei Tu und Tn die Obertragungszeiten entgegen bzw. mit der Strömung sind sowie Lu die Strecke zwischen dem Sender und dem stromaufwärts liegenden Empfänger, Lr die Strecke zwischen dem Sender und dem stromabwärts liegenden Empfänger, C die Schallgeschwindigkeit in der zu vermessenden Flüssigkeit und V die Geschwindigkeitkomponente der Flüssigkeit entlang der den Sender und den Empfänger verbindenden Linie ist.
Um mögliche Ungenauigkeiten zu vermeiden, werden in vielen Systemen der stromaufwärts und der stromabwärts liegende akustische Wandler in einer Doppelfunktion als sendende und als empfangene Wandler betrieben. In diesen Fällen sind Lu und LD einander gleich, wobei dann die Gleichung zur Bestimmung des Unterschieds zwischen den Obertragungszeiten oder zwischen den Eingangszeitpunkten des entgegen und des mit dem Strom übertragenen Signals wie folgt lautet:
EMI1.2
Da C2 viel grösser als V2 ist, kann diese Gleichung approximativ ersetzt werden durch:
EMI1.3
Wenn C und L bekannt sind, ist die Geschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit proportional zum Unterschied zwischen den Obertragungszeiten AT, der seinerseits z.
B. durch Phasen- oder Frequenzunterschiede oder durch Digitalverarbeitung der Signale bestimmt werden kann. In vielen Fällen ist man nicht daran interessiert, nur die Geschwindigkeit zu kennen. Es wird deshalb notwendig, die Geschwindigkeitswerte in Werte der Durchflussmenge, der Volumen- oder Massendurchflussmenge oder anderer verwandter Grössen umzuwandeln.
Da die akustischen Signale durch die Flüssigkeit zwischen zwei Festpunkten übertragen werden, wird tatsächlich nur in derjenigen Flüssigkeit gemessen, welche eine Komponente auf der Verbindungslinie zwischen den beiden Punkten besitzt. Ein Umwandlungsfaktor zur Bestimmung der Durchflussmenge wäre deshalb nur gültig, falls die Geschwindigkeit der Flüssigkeit innerhalb der Flüssigkeitsleitung über deren gesamten Querschnitt gleichförmig und bekannt wäre. Falls die Geschwindigkeiten über den Querschnitt der Leitung variieren, besteht eine grosse Wahrscheinlichkeit, dass die Anzeige der Durchflussmenge oder verwandter Grössen grob verfälscht ist.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur genauen Messung der Durchflussmenge einer Flüssigkeit in einer Leitung auch von nicht rechteckigem, z.B. von trapezoidem Querschnitt zu schaffen.
Damit die Durchflussmenge errechnet werden kann, ist es notwendig, den Querschnitt der Leitung zu kennen, da die Durchflussmenge Q pro Zeiteinheit dem Produkt AV entspricht, wobei A die Querschnittfläche und V die Geschwindigkeit der Flüssigkeit durch diese Querschnittfläche ist. Bei rechteckigen Leitungen können die Ergebnisse der Messungen mit der bekannten Anzahl von Teil-Querschnitten multipliziert werden, wenn eine Anzahl von Messungen über die gesamte Länge der Leitung vorgenommen wird, um schliesslich die Ausströmmenge zu erhalten. Im Fall von nichtrechteckigen Querschnitten gibt kein vorhandenes System eine genaue Anzeige, die dem Volumen oder der Ausströmmenge direkt proportional ist.
Bei einem bekannten System zur Messung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit werden zwei fest montierte Wandler jeweils sowohl als Sender wie auch als Empfänger benutzt und digitale Methoden angewandt, wobei ein Durchstimmoszillator Impulse an einen Zeitintervall-Zähler gibt. Die Zählung dieser Impulse beginnt, wenn das akustische Signal stromabwärts empfangen wird, und endet, wenn das zweite akustische Signal stromaufwärts empfangen wird. Die Zählung in diesem Zeitintervall-Zähler hängt dann von T ab und gibt die Geschwindigkeit der Flüssigkeit an.
In den Schweizer Patenten Nr. 508 883 und Nr. 511 437 werden zur Fliessgeschwindigkeitsermittlung zwei feste Wandler und ein digitales Verfahren angewendet, wobei ein variabel einstellbarer Frequenzoszillator einen Zeitintervall-Zähler speist, wobei die zu zählenden Impulse mit dem ersten, vom stromabwärts liegenden Sender stammenden Signal beginnen und mit dem zweiten, vom stromaufwärts liegenden Sender stammenden Signal enden. Die Zählung des Zeitintervallzählers ist daher abhängig vom LXT und kennzeichnend für die Durchflussgeschwindigkeit.
Da die Schallgeschwindigkeit C vom Gehalt an Mineralien und von der Temperatur der zu messenden Flüssigkeit abhängt, sind im allgemeinen Einrichtungen zur Kompensation variierender Schallgeschwindigkeiten in dem System vorgesehen. Bei dieser Systemart kann es jedoch sein, dass sie eine Anzeige der Durchflussmenge oder verwandter Grössen mit höherer Genauigkeit nicht liefern kann, insbesondere bei Leitungen mit nicht-rechteckigem Querschnitt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher auch in dieser Beziehung eine Verbesserung.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass
A) von einer ersten Obertragungseinrichtung akustische Signale an eine in Fliessrichtung gesehene relativ zur ersten Übertragungseinrichtung untenliegende zweite Übertragungseinrichtung sowie von der genannten zweiten Übertragungseinrichtung akustische Signale an die genannte erste Übertragungseinrichtung durch die Flüssigkeit gesendet werden, dass
B) von der Laufzeitdifferenz AT der akustischen Signale zwischen der ersten und der zweiten bzw.
zwischen der zweiten und der ersten Übertragungseinrich- tung abhängige Signale erzeugt werden, dass
C) die erste und die zweite Übertragungseinrichtung längs einem ersten und einem zweiten Verschiebungsweg zwischen einer obern und einer untern Begrenzung in der Flüssigkeit bewegt werden, dass
D) die Verfahrensschritte A) und B) während der Ausführung des Verfahrensschrittes C) wiederholt werden, bis die jeweiligen Bewegungsendstellungen der ersten und der zweiten Übertragungseinrichtung längs ihres Verschiebungsweges erreicht sind, und dass
E) ein Parameter der jeweiligen, bei der Bewegung der ersten und der zweiten Übertragungseinrichtung erzeugten Signale summiert wird, wobei das aus diesen Signalen abgeleitete Summensignal angezeigt wird.
Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens kennzeichnet sich durch Antriebsmittel, welche die genannten Übertragungseinrichtungen längs den genannten ersten und zweiten Verschiebungswegen bewegen; durch erste Mittel zum Senden gebündelter akustischer Signale in der Flüssigkeit gegen die erste Übertragungs einrichtung, währenddem diese erste tÇbertragungsein- richtung bewegt wird; durch zweite Mittel zum Senden gebündelter akustischer Signale in der Flüssigkeit gegen die zweite Übertragungseinrichtung, währenddem diese zweite Übertragungseinrichtung bewegt wird;
durch in der ersten Übertragungseinrichtung vorgesehene dritte Mittel und in der zweiten Übertragungseinrichtung vorgesehene vierte Mittel zur Erzeugung von ersten und zweiten Signalen, die von einem Parameter der jeweils empfangenen akustischen Signale abhängig sind; durch eine die genannten ersten und zweiten Signale verarbeitende Schaltung zur Erzeugung von dritten Signalen, die von der Laufzeitdifferenz AT der akustischen Signale zwischen der ersten und der zweiten bzw. zwischen der zweiten und der ersten Übertragungseinrichtung abhängig sind; und schliesslich durch Speichermittel zum Summieren eines Parameters der genannten dritten Signale zwecks Erzeugens eines von dieser Summe abhängigen Ausgangssignals.
Nachfolgend sind verschiedene Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, einer Flüssigkeitsleitung mit einem nicht-rechteckigen Querschnitt;
Fig. 2 eine Draufsicht der Leitung nach Fig. 1, aus der bestimmte Weglängen, Winkel und Richtungen ersichtlich sind;
Fig. 2A ein vergrösserter Querschnitt durch die Leitung nach Fig. 1 zum Zwecke der Definition bestimmter Gleichungsausdrücke;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines einfachen Flüssigkeitsmess-Grundsystems zur Verwendung in einer Flüssigkeitsleitung gemäss Fig. 1;
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung;
;
Fig. 5 und 6 ähnliche Darstellungen wie Fig. 1 und 2 von weiteren Anordnungsmöglichkeiten von Übertra gungsemrichtungen bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 7 ein Teil des Blockschaltbildes nach Fig. 4 in detaillierterer Darstellung;
Fig. 8 und 9 ähnliche Darstellungen wie Fig. 1 und 2 aus denen eine weitere Anordnungsmöglichkeit der Übertragungseinrichtungen ersichtlich ist;
Fig. 10 eine Schallgeschwindigkeitskorrekturschaltung für die Anordnung nach Fig. 8, und
Fig. 11 eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei der eine Anzeige der durchschnittlichen Durchflussgeschwindigkeit erhalten werden kann.
In Fig. 1 ist eine Flüssigkeitsleitung 10 in der Form eines offenen Kanals mit schrägen Seitenwänden 11 und 12, die mit dem Boden des Kanals einen trapezförmigen Querschnitt bilden, dargestellt. Wandler 13 und 14 (als Punkte dargestellt) sind, bezogen auf die & römungs- richtung, strom aufwärts und strom abwärts angeordnet und auf Führungsschienen 15 und 16, die mit den Wänden 11 bzw. 12 verbunden sind, beweglich. Der Kanal nach Fig. 1, der für eine Ausführungsform von Wasserversorgungsanlagen für Stadt- und Vorstadtgemeinden typisch ist, kann eine Höhe von etwa 6,5 bis 10 m aufweisen, wobei die Wandler 13 und 14 in einem Abstand von etwa 100 bis 200 m voneinander angeordnet sind.
Fig. 2 ist eine Draufsicht des Kanals in Fig. 1. Obwohl die Erfindung nicht auf die dargestellte Anordnung beschränkt ist, sind die Wandler-Führung & chienen 15 und 16 vorzugsweise so ausgerichtet, dass der Weg des durch die gestrichelte Linie P angedeuteten akustischen Strahls während der Bewegung der Wandler von der unteren bis zur oberen Wegbegrenzung in einem konstanten Winkel O zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit steht.
Fig. 2 dient ausserdem zur Definition bestimmter Ausdrücke in den Gleichungen, die im folgenden entwickelt werden. Am unteren Ende des Bewegungsbereichs wird die Entfernung zwischen den Wandlern 13 und 14 mit LE und am oberen Ende mit LT bezeichnet.
Durch einfache geometrische Berechnung lässt sich feststellen, dass die Entfernung quer über den Kanal an der unteren Wegbegrenzung der Wandler L3 sin 0 und an ihrer oberen Wegbegrenzung LT sin 0 entspricht. Die Durchflussgeschwindigkeit wird durch den Vektor VF bezeichnet und die gemessene Komponente der Durchflussgeschwindigkeit mit Vp, die gleich Vrcos 0 ist.
Um die Durchflussmenge Q zu erhalten, müssen die Querschnittsfläche A und die Geschwindigkeit V der Flüssigkeit, die durch die Querschnittsfläche A fliesst, bekannt sein, das heisst
Q = AV
Eine Teil-Durchflussmenge kann ausgedrückt werden als dQ = dA wobei dF eine Teilfläche und VF die durchschnittliche Durchflussgeschwindigkeit in dF ist.
Fig. 2A zeigt ein Querschnittsprofil des betrachtenden Kanals und dient zur Definition verschiedener Gleichungsausdrücke. Wie bereits erwähnt, finden während einer Fahrt der Wandler 13 und 14 entlang den Führungsschienen (die Führungsschienen 15 und 16 sind in Fig. 2A nicht dargestellt) periodisch akustische Über- tragungen statt, um auf Lv bezogene Werte zu erhalten.
Die Position der Wandler 13 und 14 in Fig. 2A in einer Höhe hn über einer Bezugshöhe stellt einen Punkt in der Bewegungsphase dar, an dem eine akustische Übertragung stattfindet. Die Entfernung zwischen den Wandlern wird mit Ln bezeichnet. Die Teilfläche dA ist schraffiert und gleich Länge mal Höhe, d. h. in guter Annäherung dA = Ln L11 sin O dh; die Teilhöhe ist gleich der vertikalen Entfernung zwischen den Stellungen der Wandler von einer akustischen Übertragung zur nächsten.
Wenn in Fig. 2A eine akustische Übertragung stattfindet, wenn sich die Wandler in einer Höhe hn über einer Bezugshöhe befinden, und die nächste Übertra- gung stattfindet, wenn die Wandler in einer Höhe hin + 1 stehen, wäre dh gleich hn + 1hn.
Bei bekannter Bewegungsgeschwindigkeit der Wand ler auf ihren Führungsschienen und bekannter Häufigkeit der akustischen Übertragungen ist die Höhe dh bekannt, die je nach der verwendeten Kanalbreite und Bewegungsgeschwindigkeit beispielsweise etwa 0,3 cm beträgt. Die Teildurchflussmenge dQ durch die Teilfläche dA ist deshalb dQ = dA VF = A,sin O V,dh
Aus Fig. 2 ist
EMI3.1
und deshalb ist
EMI3.2
was reduziert werden kann auf dQ= [dh.tan0]L11V tan dz Ln Vp zu (1)
Jede akustische Übertragung ergibt einen Wert, der für Ln Vp repräsentativ ist. Da der Winkel 0 bekannt ist, ist auch das Tangens von 0 bekannt, und da dh bekannt ist, ist der eingeklammerte Ausdruck in Gleichung (1) ein bekannter konstanter Wert.
Eine Bewegung der Wandler 13 und 14 entlang ihrer Führungen mit aufeinanderfolgenden akustischen Übertragungen und Herleitung der für AB repräsentativen Werte entspricht einer Integration der Gleichung (1) d. h. Q = I dQ; es wird direkt durch Akkumulieren, d. h. Summieren, aller abgeleiteten Werte und Modifizieren des Resultats durch den vorerwähnten konstanten Wert (oder Modifizieren jedes abgeleiteten Werts und ausschliessendes Summieren), erhalten.
Falls die Wege der Wandler 13 und 14 nicht in der in Fig. 2 abgebildeten Richtung verlaufen, kann sich der Winkel 0 ständig ändern, während sich die Wand ler auf den Führungen entlangbewegen. In solchen Fällen muss der Ausdruck tang 0 in Gleichung (1) zwecks Anlassung an den sich ändernden Winkel 0 modifiziert werden.
Fig. 3 zeigt eine mögliche Anordnung der Bauteile, die für verschiedene Flüssigkeitsmessungen verwendet werden kann. In Fig. 3 ist eine Sendeeinrichtung 20 in Torschaltung vorgesehen, die einen elektrischen Impuls während der periodischen Sendezyklen über Schalter 23 und 24 an den oberen und den unteren Wandler 13 und 14 liefert. Nach Empfang der jeweiligen durch die Flüssigkeit übertragenen akustischen Signale erzeugen die Wandler 13 und 14 entsprechende Ausgangssignale, die über die Schalter 23 und 24 an Empfänger 26 und 27 gehen. Die Differenz im zeitlichen Auftreten der von den Empfängern 26 und 27 erzeugten Signale wird in einer Vergleichsschaltung 30 bestimmt.
Die Einrichtung zur Summierung der während der periodischen Übertragungszyklen abgeleiteten Werte besitzt die Form eines Akkumulators 31, dessen Resultate einem Ausgangskreis 33 zugeführt werden, um eine sinnvolle Ausgangs-Anzeige oder -Ablesung z. B. für Steuerungszwecke, zur Verarbeitung in Computern oder für eine optische Kontrolle zu liefern.
Wandler-Antriebe 34 und 35 dienen zum Bewegen der Wandler 13 und 14 entlang der vorgegebenen Bah neu. Wie bereits erwähnt, werden die Wandler von den Antrieben vorzugsweise mit einer vorherbestimmten konstanten Geschwindigkeit bewegt. In Fällen, in denen Geschwindigkeitsänderungen möglich sind, muss ein Modifikationswert bei der endgültigen Bestimmung der Durchflussmenge usw. eingeführt werden.
Vorzugsweise wird ein Digital-Messsystem unter Benutzung eines Durchstimmoszillators verwendet, wobei eine periodische Korrektur der Oszillator-Frequenz durch eine akustische Hilfsschaltung erfolgt und wobei der Durchstimmoszillator sowohl zu der Mess- als auch zu der Hilfsschaltung gehört.
Eine solche Anordnung ist in Form eines Blockschaltbilds in Fig. 4 dargestellt.
Das System für die beweglichen Wandler ist ähnlich dem in Fig. 3 abgebildeten, und gleiche Bauteile haben gleiche Bezugszeichen. Da das beschriebene System ein digitales ist, sind Schwellen-Schaltkreise 38 und 39 vorgesehen, um einen scharf abgegrenzten Impuls in Reaktion auf die Ausgangssignale der Empfänger 26 und 27 zu erzeugen. Die Hilfsschaltung enthält fest angeordnete Wandler 13' und 14' zusammen mit Bauteilen, die denen des beweglichen Systems ähnlich sind, und die Gegenstücke sind mit eingestrichenen Bezugszeichen versehen. Die von den Schwellen 38' und 39' der Hilfsschaltung erzeugten Impulse werden einem Oszillator Steuerkreis und einem zugehörigen Schaltkreis 41, der die Frequenz des Durchstimmoszillators 42 entsprechend der variierenden Schallgeschwindigkeit in der zu vermessenden Flüssigkeit verändern kann, zugeführt.
Der Oszillator 42 wird nicht nur in der Hilfsschaltung verwendet, sondern auch in den als Rechenschaltung 45 bezeichneten Block gespeist, der in Verbindung mit den von den Schwellen 38 und 39 empfangenen Impulsen betrieben werden kann, um einen Wert, der für das Produkt LV jeder Übertragung repräsentativ ist, ableiten, die während einer Bewegung der Wandler abgeleiteten Werte akkumulieren und die Summe zu sinnvollen Ausgangssignalen modifizieren zu können.
Eine bevorzugte Anordnung der Wandler 13' und 14' ist aus Fig. 5 und 6 ersichtlich. Im Grunde, um komplizierte Torschaltungen und Zeitteilverfahren zu vermeiden, bilden die fest angeordneten Wandler 13' und 14' im Prinzip einen akustischen Weg P', der im wesentlichen rechtwinklig zu dem akustischen Weg P der beweglichen Wandler verläuft. Auf diese Weise kann es zwischen den akustischen Wegen zu keiner Interferenz kommen.
Die Oszillator-Steuerung mit dem zugehörigen Schaltungsaufbau 41 und die Rechenschaltung 45 sind in Fig 7 im einzelnen dargestellt. Der folgende Text bezieht sich auf Fig. 7.
Die logische Schaltung 50 blendet das Ausgangssignal des Durchstimmoszillators 42 in den LXT-Zähler ein, und zwar für eine Zeitspanne, die mit dem ersten von den Schwellen 38' und 39' über die Eingangsleitungen 38'A und 39'A empfangenen Impuls beginnt und mit dem zweiten Impuls endet. Eine dem Zählwert in dem ,Zähler 52 entsprechende Anzeige wird in die Oszillator-Korrekturschaltung 54 geleitet, die dann betriebsbereit ist, um die Ausgangsfrequenz des Durchstimmoszillators 42 entsprechend den Änderungen der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit zu ändern. Eine Ausführungsform einer Anordnung zur Korrektur des Durchstimmoszillators bildet den Gegenstand der Patentschrift Nr. 508 883. Wenn keine Oszillator-Korrekturschaltung vorhanden wäre, würde der Zählwert im AT-Zähler einen Fehler, der eine Funktion von C2 ist, aufweisen.
Die Korrekturschaltung reduziert den Fehler, so dass dieser eine Funktion von C ist. Um diesen Restfehler zu beseitigen, können noch weitere Kompensationseinrichtungen vorgesehen werden.
Eine Ausführungsform einer solchen weiteren Kompensationseinrichtung ist als Endkorrekturschaltung 56 ausgebildet. Diese bildet den Gegenstand der Schweizer Patentschrift Nr. 511 437. Im Prinzip besteht die End Korrekturschaltung 56 aus einem korrigierten AT-Zäh- ler 57, einer Einrichtung, die auf den Zählwert im AT-Zähler 52 zur Erzeugung eines Zeitintervalls t, wie es vom Zeit-(t)-Generator 58 angezeigt wird, anspricht und aus einer Torschaltung 60 zum Einblenden des Ausgangs des Oszillators in den korrigierten AT-Zähler 57, während des erwähnten Zeitintervalls t.
Unter Bezugnahme auf die erwähnte Patentschrift Nr. 511 437 kann gezeigt werden, dass die Zählung im korrigierten ,Zähler von der Schallgeschwindigkeit C vollkommen unabhängig und proportional zu LV ist.
Da L als die feste Entfernung zwischen den fest angeordneten Wandlern bekannt ist, gibt der Zählwert im korrigierten AT-Zähler 57 die Durchflussgeschwindig- keit in der bestimmten Höhe der Flüssigkeit an, in der sich die fest angeordneten Wandler befinden. Falls eine Anzeige dieser Geschwindigkeit erwünscht ist, kann eine Ausgabe, wie die Ausleseeinrichtung 62, vorgesehen werden.
Auf eine ähnliche Weise enthält die Rechenschaltung 45 eine logische Torschaltung 64, die den Ausgang des Durchstimmoszillators 42 für eine Zeitperiode AT entsprechend dem ersten und dem zweiten über die Eingangsleitungen 38 A und 39 A von den Schwellen 38 und 39 (Fig. 4) empfangenen Impuls in den AT-Zähler 65 einblendet. Für jeden akustischen Übertragungs- zyklus, bei dem der Durchstimmoszillator-Ausgang in den QT-Zähler eingeblendet wird, weist der AT-Zähler einen Zählwert auf, der von AT abhängt und für LV repräsentativ ist. Für den Fall der beweglichen Wandler kann der tatsächliche Ausdruck für L für jede Über- tragung unterschiedlich sein. Es ist jedoch nur notwendig, das Produkt aus A und V zu errechnen.
Da der Durchstimmoszillator zu Anfang durch die Durchstimmoszillator-Steuerschaltung 41 korrigiert wird, kann der Zählwert in dem AT-Zähler 65 einen Fehler enthalten, der C proportional ist. Um diesen Restfehler zu beseitigen, ist eine End-Korrekturschaltung 67 vorgesehen. Die End-Korrekturschaltung 67 empfängt als Eingangssignal ein Signal entsprechend dem Zählwert im AT-Zähler 65; das Ausgangssignal von der End-Korrekturschaltung 67 hängt daher von AT ab und ist ausserdem repräsentativ für das Produkt AV sowie vollkommen unabhängig von der Schallgeschwindigkeit C.
Es ist eine Modifizierungs- und Summierungsschaltung 68 vorgesehen, die auf die von der End-Korrekturschaltung 67 während der sich wiederholenden Über- tragungszyklen anspricht, um zu integrieren, d. h. um eine Summierung der so empfangenen Werte durchzuführen.
Die End-Korrekturschaltung kann so arbeiten, dass sie den Ausgang des Durchstimmoszillators 42 zur Modifizierungs- und Summierungsschaltung während eines künstlich erzeugten Zeitintervalls t durchschaltet (t stellt einen beliebigen Zeitraum dar, der nicht notwendigerweise dem t-Intervall entspricht, das mit dem Generator 58 assoziiert ist). Durch Manipulierung der Einrichtung zur Erzeugung des Zeitintervalls kann der von der End-Korrekturschaltung in Reaktion auf das Durchstimmoszillator-Ausgangssignal erzeugte Zähl - wert einen eingebauten Multiplikations- oder Divisionsfaktor aufweisen.
Es wird daran erinnert, dass dQ= [dh.tanö-]L11Vp ist
Da der vor der End-Korrekturschaltung 67 erzeugte Zählwert durch eine Proportionalitätskonstante mit Ln Vp in Beziehung steht, kann die Proportionalitätskonstante durch passende Auswahl des Zeitintervalls t so gewählt werden, dass sie den Ausdruck dh tang 0 enthält, so dass der erzeugte Zählwert gleich dQ ist.
Durch Summieren der während jedes tSbertragungs- zyklus erzeugten Zählwerte ergibt sich das Gesamt-Q.
Der modifizierende Teil der Schaltung 68 kann eine Divisionsschaltung zur massstäblichen Teilung sein, um Ausgangs-Anteilwerte in erwünschten Einheiten zu erhalten. Nach Modifizierung und Summierung der von der End-Korrekturschaltung 67 kommenden Werte kann von der Q-Ausgangsschaltung 69 eine Anzeige der Durchflussmenge abgegriffen werden. Durch passende Untersetzung kann diese Anzeige in Einheiten, wie m3 pro Minute, Liter pro Minute, Liter pro Stunde usw.
vorgesehen werden. Wenn die insgesamt abgelaufene Zeit, über die die Durchflussmenge gemessen wurde, bekannt ist, kann an der T-Ausgangsschaltung 70 eine Anzeige der Gesamt-Durchflussmenge vorgesehen werden. Durch passende Untersetzung kann diese Anzeige direkt in m3, Litern usw. erfolgen. Für andere verwandte Messwerte, die abgenommen werden können, wenn der Wert des Produkts LV einmal bekannt ist, ist die Ausgangsschaltung 71 eingezeichnet.
Die Rechenschaltung 45 liefert einen Wert, der von AT abhängt und proportional zu LV ist. Wenn dieser Wert einmal erhalten wurde, ist es für einen Fachmann offensichtlich, dass die Werte zuerst summiert und dann modifiziert, zuerst modifiziert und dann summiert oder kombiniert nach beiden Methoden behandelt werden können, wie es in Fig. 7 erfolgt.
Wie angegeben, ist der Hauptzweck der Wandler Hilfsschaltung die Korrektur der Durchstimmoszillator Frequenz hinsichtlich von änderungen der Schallgeschwindigkeit in der zu vermessenden Flüssigkeit. Die Fig. 8 und 9 zeigen eine Anordnung von Hilfswandlern 13' und 14', die so angeordnet sind, dass der akustische Weg zwischen den Wandlern rechtwinklig zur Strömung verläuft; auf diese Weise können verschiedene elektronische Baugruppen eliminiert werden, da dann die Geschwindigkeitskomponente entlang dem akustischen Weg bekanntermassen gleich Null ist.
In Fig. 10 ist eine Hilfsschaltung, die die Frequenz des Durchstimmoszillators 42 korrigiert, abgebildet.
Bauteile in Fig. 10, die den bereits beschriebenen ähnlich sind, haben die gleichen Bezugszeichen. Eine vereinfachte Durchstimmoszillator-Steuerung 41' enthält einen Markierungsimpuls-Generator 73, der auf die Ausgangs signale des Durchstimmoszillators 42 anspricht und einen Markierungsimpuls gibt, nachdem ein bestimmter Zählwert erreicht worden ist. Zunächst wird eine nominell korrekte Schallgeschwindigkeit angenommen. Bei bekannter Frequenz des Durchstimmoszillators 42 wird der Markierungsimpuls erzeugt, wenn ein Zählwert entsprechend der Zeit erreicht ist, die der akustische Impuls zur Übertragung vom Sendewandler 13' zum Empfangswandler 14' benötigen würde, die durch eine bekannte und feste Entfernung getrennt sind.
Falls die angenommene und die tatsächliche Schallgeschwindigkeit gleich sind, kommen der Markierungsimpuls und der von der Schwellenschaltung 39' erzeugte Impuls gleichzeitig bei der Zeitkoinzidenz 74 an. Dadurch wird angezeigt, dass die Durchstimmoszillator-Frequenz nicht korrigiert werden muss. Falls jedoch die angenommene nicht gleich der tatsächlichen Schallgeschwindigkeit ist oder die tatsächliche Schallgeschwindigkeit nimmt zu oder ab, kommen der von der Schwellenschaltung 39' erzeugte Impuls und der Markierungsimpuls vom Generator 73 nicht gleichzeitig an, und es wird daher ein Korrektursignal an den Durchstimmoszillator 42 gegeben, um dessen Frequenz entsprechend zu ändern.
Die spezielle Durchstimmoszillator-Steuerung 41' bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung, sondern sie dient nur zur Illustration einer Kontrollmöglichkeit, die angewandt werden kann.
Für solche Anwendungsfälle, bei denen ein Ausgangssignal proportional zur durchschnittlichen Geschwindigkeit im Kanal erwünscht ist, kann eine Anordnung nach Fig. 11 vorgesehen werden. In der Anordnung nach Fig. 11 werden zwei Durchstimmoszillatoren 42 und 75 verwendet. Der Durchstimmoszillator 42 liefert ein Ausgangssignal, dessen Frequenz proportional zur Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit ist; er wird gesteuert durch eine Hilfsschaltung, die die Durchstimmoszillator-Steuerschaltung 41' einschliesst, die ähnlich wie die nach Fig. 10 beschriebene sein kann.
Ein zweiter Oszillator mit variabler Frequenz 75 liefert das Ausgangssignal an einen Primär-Digitalzähler in Form des AT-Zählers 77, und zwar durch die Torschaltung 79, über eine Periode von AT, die durch den Eingang von Signalen über die Eingangsleitungen 82 und 83, die den Eingangsimpulsen vom unteren und vom oberen Wand ler zugeordnet sind, bestimmt wird.
Mit jeder akustischen Übertragung nimmt die Entfernung Ln zwischen den beweglichen Wandlern 13 und 14 progressiv zu, im Augenblick zwischen zwei Über- tragungen jedoch und um einen unendlich kleinen Betrag. Unter Ausnutzung dieser Voraussetzung ist eine Durchstimmoszillator-Korrekturschaltung 85 vorgesehen, die identisch mit der erwähnten Durchstimmoszillator-Korrekturanordnung nach Fig. 7 sein kann. Die Endschaltung 87 enthält einen Sekundär-Digitalzähler 89, einen Generatorkreis 91 zur Erzeugung eines Zeitintervalls t das vom Zählwert im ,Zähler 77 abhängt, und eine Torschaltung 93 zur Durchschaltung des Ausgangssignals von dem Durchstimmoszillator 42 zum Zähler 89 während der Zeitspanne t.
Der Durchschnitt der Werte im Zähler 89 kann dann über den V-Akkumulator 95 erhalten werden, der den Durchschnitt von allen Messwerten bildet, die während des Zeitintervalls, in dem die Messungen vorgenommen wurden, eingingen.
Der korrigierte AT-Zähler 89 arbeitet eigentlich als Speicher zum Übertragen seines Zählwerts in den V-Akkumulator 95, in dem eine Summierung und Division durchgeführt werden können, um einen Durchschnittswert zu erhalten. Es ist offensichtlich, dass andere Speicheranordnungen zur Durchführung dieser Funktion benutzt werden können. Beispielsweise kann der korrigierte AT-Zähler, falls erwünscht, eliminiert werden; das Ausgangs signal des Durchstimmoszillators 42 wird dann direkt an eine Divisions- und Akkumulationsschaltung durchgeschaltet.
Die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 11 kann am besten mathematisch demonstriert werden. Die Fre quenz des Durchstimmoszillators 42 ist der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit proportional, d. h.
F1 = KtC (3)
Die Zeit TF, die ein akustisches Signal für den Weg zwischen den fest angeordneten Wandlern benötigt, hängt von der Entfernung LF zwischen diesen ab, d. h.
EMI6.1
Da der Markierungs-Impulsgenerator die Ausgangssignale des Durchstimmoszillators 42 während einer Zeitspanne TF zählt, ist der Endzählwert Nl im Markierungsimpuls-Generator nach Ablauf dieser Zeitspanne N, = F, T, (5)
Aus den obigen Gleichungen ergibt sich:
EMI6.2
In gleicher Weise ist F2 = K2C (7) für den Durchstimmoszillator 75, und es kann gezeigt werden, dass
EMI6.3
ist, wobei N2 der Zählwert in dem in der Durchstimmoszillator-Korrekturschaltung 85 liegenden Markierimpuls-Generator, und Ln die augenblickliche Entfernung zwischen den sich bewegenden Wandlern ist.
Der die Zeitspanne t liefernde Generator 91 enthält hauptsächlich einen regelbaren frequenzkonstanten Quarzoszillator, der eine beliebige konstante Frequenz F liefert. Gemäss der früher erwähnten Patentschrift Nummer 511 437 ist t=B, (9) worin p die Zählung im tiT-Zähler 77 darstellt.
Weiter ist
EMI6.4
Die Zählung ss' im sekundären Digitalzähler 89 ist
EMI6.5
Aus den Gleichungen 3, 6 und 8 erhält man durch Substitution:
EMI6.6
und es ist ersichtlich, dass die Zählung im sekundären Digitalzähler 89 der Geschwindigkeit proportional ist.