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.
Method for measuring the flow rate of a liquid flowing in a line and
Device for carrying out the method
The invention relates to a method for measuring the flow rate of a liquid flowing in a line, as well as a device for carrying out the method.
Various known flow rate measuring devices for liquids use acoustic signals to determine the flow rate.
In these systems, the acoustic signals are transmitted to a transducer-receiver located upstream of the transmitter and to a downstream of the transmitter, the difference in transit times of the oppositely directed signals from the acoustic transmitter to the two receivers being measured.
Since the signal transmitted against the flow direction is delayed by the amount of the speed of the liquid and the signal transmitted in the flow direction is accelerated by the amount of the speed of the liquid, the transit time of the acoustic signal can be expressed as
EMI1.1
where Tu and Tn are the transmission times against or with the flow, and Lu the distance between the transmitter and the upstream receiver, Lr the distance between the transmitter and the downstream receiver, C the speed of sound in the liquid to be measured and V the speed component of the liquid is along the line connecting the transmitter and receiver.
In order to avoid possible inaccuracies, in many systems the upstream and downstream acoustic transducers are operated in a double function as transmitting and receiving transducers. In these cases, Lu and LD are equal to each other, and the equation for determining the difference between the transmission times or between the input times of the opposite signal and the signal transmitted with the current is as follows:
EMI1.2
Since C2 is much larger than V2, this equation can approximately be replaced by:
EMI1.3
If C and L are known, the velocity of the flowing liquid is proportional to the difference between the transmission times AT, which in turn is e.g.
B. can be determined by phase or frequency differences or by digital processing of the signals. In many cases one is not interested in just knowing the speed. It is therefore necessary to convert the speed values into values of the flow rate, the volume or mass flow rate or other related quantities.
Since the acoustic signals are transmitted through the liquid between two fixed points, the measurement actually only takes place in the liquid which has a component on the connecting line between the two points. A conversion factor for determining the flow rate would therefore only be valid if the velocity of the liquid within the liquid line were uniform and known over its entire cross section. If the velocities vary across the cross-section of the line, there is a high probability that the display of the flow rate or related variables is grossly falsified.
The main object of the present invention is a device for the precise measurement of the flow rate of a liquid in a conduit, including a non-rectangular, e.g. to create a trapezoidal cross-section.
So that the flow rate can be calculated, it is necessary to know the cross-section of the pipe, since the flow rate Q per unit of time corresponds to the product AV, where A is the cross-sectional area and V is the velocity of the liquid through this cross-sectional area. In the case of rectangular pipes, the results of the measurements can be multiplied by the known number of partial cross-sections if a number of measurements are carried out over the entire length of the pipe in order to finally obtain the outflow quantity. In the case of non-rectangular cross-sections, no existing system gives an accurate reading that is directly proportional to the volume or the discharge.
In a known system for measuring the liquid velocity, two permanently mounted transducers are used both as transmitters and as receivers and digital methods are used, with a tuning oscillator sending pulses to a time interval counter. The counting of these pulses begins when the acoustic signal is received downstream and ends when the second acoustic signal is received upstream. The count in this time interval counter then depends on T and indicates the speed of the liquid.
In the Swiss patents No. 508 883 and No. 511 437, two fixed transducers and a digital method are used to determine the flow velocity, whereby a variably adjustable frequency oscillator feeds a time interval counter, the pulses to be counted coming from the first transmitter from the downstream Start signal and end with the second signal from the upstream transmitter. The counting of the time interval counter is therefore dependent on the LXT and is indicative of the flow rate.
Since the speed of sound C depends on the content of minerals and on the temperature of the liquid to be measured, devices for compensating for varying speeds of sound are generally provided in the system. With this type of system, however, it may not be possible to provide an indication of the flow rate or related quantities with higher accuracy, especially in the case of pipes with a non-rectangular cross-section. The present invention therefore enables improvement in this respect as well.
The method according to the invention is characterized in that
A) acoustic signals are sent from a first transmission device to a second transmission device, which is located below the first transmission device when viewed in the direction of flow, and acoustic signals are transmitted from said second transmission device to said first transmission device through the liquid, that
B) on the transit time difference AT of the acoustic signals between the first and the second or
between the second and the first transmission device dependent signals are generated that
C) the first and the second transfer device are moved along a first and a second displacement path between an upper and a lower limit in the liquid, that
D) the process steps A) and B) are repeated during the execution of the process step C) until the respective end positions of movement of the first and the second transmission device are reached along their displacement path, and that
E) a parameter of the respective signals generated during the movement of the first and the second transmission device is summed up, the sum signal derived from these signals being displayed.
The device for carrying out this method is characterized by drive means which move said transmission means along said first and second displacement paths; by first means for sending bundled acoustic signals in the liquid towards the first transmission device while this first transmission device is being moved; by second means for sending focused acoustic signals in the liquid towards the second transfer device while that second transfer device is being moved;
by third means provided in the first transmission device and fourth means provided in the second transmission device for generating first and second signals which are dependent on a parameter of the acoustic signals received in each case; by a circuit processing said first and second signals for generating third signals which are dependent on the transit time difference AT of the acoustic signals between the first and the second or between the second and the first transmission device; and finally by storage means for summing a parameter of said third signals in order to generate an output signal dependent on this sum.
Various exemplary embodiments are explained below with reference to the drawing. It shows:
1 is a perspective view, partly in section, of a liquid conduit with a non-rectangular cross section;
FIG. 2 shows a plan view of the line according to FIG. 1, from which certain path lengths, angles and directions can be seen;
2A shows an enlarged cross section through the line according to FIG. 1 for the purpose of defining certain expressions of the equations;
3 shows a block diagram of a simple basic liquid measuring system for use in a liquid line according to FIG. 1;
4 shows a block diagram of an embodiment of the device according to the invention;
;
FIGS. 5 and 6 show similar representations as FIGS. 1 and 2 of further possible arrangements of transmission devices in another embodiment of the device according to the invention;
FIG. 7 shows a part of the block diagram according to FIG. 4 in more detail;
8 and 9 are similar representations to FIGS. 1 and 2, from which a further possible arrangement of the transmission devices can be seen;
10 shows a sound velocity correction circuit for the arrangement according to FIGS. 8, and
Figure 11 shows an embodiment of the device in which an indication of the average flow rate can be obtained.
1 shows a liquid line 10 in the form of an open channel with inclined side walls 11 and 12 which form a trapezoidal cross-section with the bottom of the channel. Transducers 13 and 14 (shown as dots) are arranged upstream and downstream with respect to the direction of travel and are movable on guide rails 15 and 16 which are connected to the walls 11 and 12, respectively. The channel of FIG. 1, which is typical of an embodiment of water supply systems for urban and suburban communities, may have a height of about 6.5 to 10 m with the transducers 13 and 14 at a distance of about 100 to 200 m from one another are arranged.
Fig. 2 is a top view of the channel in Fig. 1. Although the invention is not limited to the arrangement shown, the transducer guide rails 15 and 16 are preferably oriented so that the path of the acoustic beam indicated by the dashed line P. during the movement of the transducer from the lower to the upper travel limit is at a constant angle O to the direction of flow of the liquid.
Fig. 2 also serves to define certain terms in the equations which are developed below. At the lower end of the range of motion, the distance between the transducers 13 and 14 is designated by LE and at the upper end by LT.
By means of a simple geometric calculation, it can be determined that the distance across the channel at the lower travel limit of the transducer L3 corresponds to sin 0 and at its upper travel limit LT sin 0. The flow rate is denoted by the vector VF and the measured component of the flow rate is denoted by Vp, which is equal to Vrcos 0.
In order to obtain the flow rate Q, the cross-sectional area A and the velocity V of the liquid flowing through the cross-sectional area A must be known, that is to say
Q = AV
A partial flow rate can be expressed as dQ = dA where dF is a partial area and VF is the average flow rate in dF.
2A shows a cross-sectional profile of the viewing channel and is used to define various equation expressions. As already mentioned, while the transducers 13 and 14 are traveling along the guide rails (the guide rails 15 and 16 are not shown in FIG. 2A), periodic acoustic transmissions take place in order to obtain values related to Lv.
The position of the transducers 13 and 14 in FIG. 2A at a height hn above a reference height represents a point in the movement phase at which acoustic transmission takes place. The distance between the transducers is denoted by Ln. The partial area dA is hatched and is equal to length times height, i.e. H. to a good approximation dA = Ln L11 sin O dh; the partial height is equal to the vertical distance between the positions of the transducers from one acoustic transmission to the next.
If, in FIG. 2A, an acoustic transmission takes place when the transducers are at a height hn above a reference height, and the next transmission takes place when the transducers are at a height towards + 1, that is, would be equal to hn + 1hn.
With a known speed of movement of the transducers on their guide rails and a known frequency of acoustic transmissions, the height is known, which is, for example, about 0.3 cm depending on the channel width and speed of movement used. The partial flow rate dQ through the partial area dA is therefore dQ = dA VF = A, sin O V, ie
From Fig. 2 is
EMI3.1
and therefore is
EMI3.2
which can be reduced to dQ = [dh.tan0] L11V tan dz Ln Vp to (1)
Each acoustic transmission gives a value which is representative of Ln Vp. Since the angle 0 is known, the tangent of 0 is also known, and since dh is known, the expression in brackets in equation (1) is a known constant value.
A movement of the transducers 13 and 14 along their guides with successive acoustic transmissions and derivation of the values representative for AB corresponds to an integration of equation (1) d. H. Q = I dQ; it is obtained directly by accumulating, i.e. H. Summing all derived values and modifying the result by the aforementioned constant value (or modifying each derived value and summing it up).
If the paths of the transducers 13 and 14 do not run in the direction shown in FIG. 2, the angle 0 can change continuously while the transducers move along the guides. In such cases, the term tang 0 in equation (1) must be modified to accommodate the changing angle 0.
Fig. 3 shows a possible arrangement of the components that can be used for various liquid measurements. In FIG. 3, a transmission device 20 is provided in a gate circuit, which supplies an electrical pulse via switches 23 and 24 to the upper and lower transducers 13 and 14 during the periodic transmission cycles. After receiving the respective acoustic signals transmitted through the liquid, the transducers 13 and 14 generate corresponding output signals which go to receivers 26 and 27 via the switches 23 and 24. The difference in the temporal occurrence of the signals generated by the receivers 26 and 27 is determined in a comparison circuit 30.
The device for summing the values derived during the periodic transmission cycles has the form of an accumulator 31, the results of which are fed to an output circuit 33 in order to provide a meaningful output display or reading, e.g. B. for control purposes, for processing in computers or for optical control.
Converter drives 34 and 35 are used to move the converter 13 and 14 along the predetermined path. As already mentioned, the converters are preferably moved by the drives at a predetermined constant speed. In cases where speed changes are possible, a modification value must be introduced in the final determination of the flow rate etc.
A digital measuring system using a tuning oscillator is preferably used, the oscillator frequency being periodically corrected by an acoustic auxiliary circuit, and the tuning oscillator belonging to both the measuring and the auxiliary circuit.
Such an arrangement is shown in the form of a block diagram in FIG.
The system for the movable transducers is similar to that depicted in Figure 3 and like components have like numerals. Since the system described is a digital one, threshold circuits 38 and 39 are provided to generate a sharply defined pulse in response to the outputs of receivers 26 and 27. The auxiliary circuit includes fixed transducers 13 'and 14' together with components which are similar to those of the movable system, and the counterparts are provided with primed reference numerals. The pulses generated by the thresholds 38 'and 39' of the auxiliary circuit are fed to an oscillator control circuit and an associated circuit 41, which can change the frequency of the tuning oscillator 42 according to the varying speed of sound in the liquid to be measured.
The oscillator 42 is not only used in the auxiliary circuit, but also fed into the block referred to as arithmetic circuit 45, which can be operated in conjunction with the pulses received from the thresholds 38 and 39 to obtain a value appropriate for the product LV of each transmission is representative, derive, accumulate the values derived during a movement of the transducer and modify the sum to meaningful output signals.
A preferred arrangement of the transducers 13 'and 14' can be seen from FIGS. 5 and 6. Basically, in order to avoid complicated gate connections and time division processes, the fixedly arranged transducers 13 'and 14' in principle form an acoustic path P 'which runs essentially at right angles to the acoustic path P of the movable transducers. In this way, there can be no interference between the acoustic paths.
The oscillator control with the associated circuit structure 41 and the computing circuit 45 are shown in detail in FIG. The following text refers to FIG. 7.
The logic circuit 50 fades the output of the tuning oscillator 42 into the LXT counter for a period of time beginning with the first pulse received from the thresholds 38 'and 39' via the input lines 38'A and 39'A and with the second pulse ends. An indication corresponding to the count in the counter 52 is fed to the oscillator correction circuit 54 which is then operable to change the output frequency of the tuning oscillator 42 in accordance with changes in the speed of sound in the liquid. One embodiment of an arrangement for correcting the tuning oscillator is the subject of patent specification No. 508 883. If there were no oscillator correction circuit, the count in the AT counter would have an error which is a function of C2.
The correction circuit reduces the error so that it is a function of C. In order to eliminate this residual error, further compensation devices can be provided.
One embodiment of such a further compensation device is designed as a final correction circuit 56. This forms the subject of Swiss patent specification No. 511 437. In principle, the end correction circuit 56 consists of a corrected AT counter 57, a device that counts on the count in the AT counter 52 to generate a time interval t as it was from Time (t) generator 58 is displayed, responds and from a gate circuit 60 for fading in the output of the oscillator in the corrected AT counter 57, during the mentioned time interval t.
With reference to the aforementioned patent specification No. 511 437 it can be shown that the count in the corrected numerator is completely independent of the speed of sound C and is proportional to LV.
Since L is known as the fixed distance between the fixed transducers, the count in the corrected AT counter 57 indicates the flow rate at the particular level of the liquid in which the fixed transducers are located. If an indication of this speed is desired, an output such as readout device 62 can be provided.
In a similar manner, the arithmetic circuit 45 includes a logic gate 64 which controls the output of the tuning oscillator 42 for a time period AT corresponding to the first and second pulses received on input lines 38A and 39A from thresholds 38 and 39 (Fig. 4) fades into the AT counter 65. For each acoustic transmission cycle in which the tuning oscillator output is faded in in the QT counter, the AT counter has a count value that depends on AT and is representative of LV. In the case of the moving transducers, the actual expression for L may be different for each transmission. However, it is only necessary to calculate the product of A and V.
Since the tuning oscillator is initially corrected by the tuning oscillator control circuit 41, the count in the AT counter 65 may contain an error proportional to C. In order to remove this residual error, a final correction circuit 67 is provided. The final correction circuit 67 receives as input a signal corresponding to the count value in the AT counter 65; the output signal from the final correction circuit 67 therefore depends on AT and is also representative of the product AV and completely independent of the speed of sound C.
A modify and summing circuit 68 is provided which is responsive to the results from the final correction circuit 67 during the repetitive transmission cycles to integrate, i. H. to perform a summation of the values thus received.
The final correction circuit may operate to pass the output of the tuning oscillator 42 to the modifying and summing circuit during an artificially generated time interval t (t represents any time period that does not necessarily correspond to the t interval associated with generator 58 is). By manipulating the means for generating the time interval, the count generated by the final correction circuit in response to the tuning oscillator output signal can have a built-in multiplication or division factor.
Recall that dQ = [dh.tanö-] L11Vp
Since the count value generated before the final correction circuit 67 is related to Ln Vp by a proportionality constant, the proportionality constant can be selected by suitable selection of the time interval t so that it contains the expression dh tang 0, so that the count value generated is equal to dQ .
The total Q is obtained by adding up the count values generated during each transmission cycle.
The modifying portion of circuit 68 may be a division circuit for scaling to obtain output fraction values in desired units. After modification and summation of the values coming from the final correction circuit 67, an indication of the flow rate can be tapped from the Q output circuit 69. With a suitable reduction, this display can be displayed in units such as m3 per minute, liters per minute, liters per hour, etc.
are provided. If the total elapsed time over which the flow rate was measured is known, a display of the total flow rate can be provided on the T output circuit 70. With a suitable reduction, this display can be made directly in m3, liters, etc. The output circuit 71 is shown for other related measured values which can be taken once the value of the product LV is known.
The arithmetic circuit 45 supplies a value which depends on AT and is proportional to LV. Once this value has been obtained, it is obvious to a person skilled in the art that the values can be first summed and then modified, first modified and then summed or combined by both methods, as is done in FIG. 7.
As indicated, the main purpose of the converter auxiliary circuit is the correction of the tuning oscillator frequency with regard to changes in the speed of sound in the liquid to be measured. 8 and 9 show an arrangement of auxiliary transducers 13 'and 14', which are arranged such that the acoustic path between the transducers is perpendicular to the flow; In this way, various electronic assemblies can be eliminated, since the speed component along the acoustic path is then known to be zero.
In Fig. 10, an auxiliary circuit which corrects the frequency of the tuning oscillator 42 is shown.
Components in Fig. 10 that are similar to those already described have been given the same reference numerals. A simplified tuning oscillator control 41 'contains a marker pulse generator 73 which responds to the output signals of the tuning oscillator 42 and gives a marker pulse after a certain count has been reached. First, a nominally correct speed of sound is assumed. If the frequency of the tuning oscillator 42 is known, the marking pulse is generated when a count value is reached corresponding to the time that the acoustic pulse would need to transmit from the transmitting transducer 13 'to the receiving transducer 14', which are separated by a known and fixed distance.
If the assumed and actual sound velocities are the same, the marker pulse and the pulse generated by the threshold circuit 39 'arrive at the time coincidence 74 at the same time. This indicates that there is no need to adjust the tuning oscillator frequency. However, if the assumed not equal to the actual speed of sound or the actual speed of sound increases or decreases, the pulse generated by the threshold circuit 39 'and the marking pulse from the generator 73 do not arrive at the same time, and a correction signal is therefore given to the tuning oscillator 42, to change its frequency accordingly.
The special tuning oscillator control 41 'does not form part of the present invention, but rather serves only to illustrate a control possibility that can be used.
For those applications in which an output signal proportional to the average velocity in the channel is desired, an arrangement according to FIG. 11 can be provided. In the arrangement of FIG. 11, two tuning oscillators 42 and 75 are used. The tuning oscillator 42 provides an output signal whose frequency is proportional to the speed of sound in the liquid; it is controlled by an auxiliary circuit including the tuning oscillator control circuit 41 'which may be similar to that described in FIG.
A second variable frequency oscillator 75 supplies the output signal to a primary digital counter in the form of the AT counter 77, through the gate circuit 79, over a period of AT determined by the input of signals on the input lines 82 and 83, the the input pulses from the lower and upper transducers are determined.
With each acoustic transmission, the distance Ln between the movable transducers 13 and 14 increases progressively, but at the moment between two transmissions and by an infinitely small amount. Taking advantage of this prerequisite, a tuning oscillator correction circuit 85 is provided which can be identical to the aforementioned tuning oscillator correction arrangement according to FIG. The end circuit 87 contains a secondary digital counter 89, a generator circuit 91 for generating a time interval t which depends on the count value in the counter 77, and a gate circuit 93 for switching the output signal from the tuning oscillator 42 through to the counter 89 during the period t.
The average of the values in the counter 89 can then be obtained via the V accumulator 95, which averages all measured values received during the time interval in which the measurements were taken.
The corrected AT counter 89 actually functions as a memory for transferring its count value to the V accumulator 95, in which summation and division can be performed to obtain an average value. It will be apparent that other memory arrangements can be used to perform this function. For example, the corrected AT counter can be eliminated if desired; the output signal of the tuning oscillator 42 is then switched through directly to a division and accumulation circuit.
The operation of the arrangement of FIG. 11 can best be demonstrated mathematically. The frequency of the tuning oscillator 42 is proportional to the speed of sound in the liquid; H.
F1 = KtC (3)
The time TF that an acoustic signal needs for the path between the fixed transducers depends on the distance LF between them, i.e. H.
EMI6.1
Since the marker pulse generator counts the output signals of the tuning oscillator 42 during a period of time TF, the final count Nl in the marker pulse generator after this period of time is N, = F, T, (5)
From the above equations we get:
EMI6.2
Likewise, F2 = K2C (7) for the tuning oscillator 75 and it can be shown that
EMI6.3
where N2 is the count in the marker pulse generator located in the tuning oscillator correction circuit 85, and Ln is the instantaneous distance between the moving transducers.
The generator 91 supplying the time period t mainly contains a controllable, frequency-constant crystal oscillator which supplies any constant frequency F. According to patent specification number 511,437 mentioned earlier, t = B, (9) where p is the count in tiT counter 77.
Next is
EMI6.4
The count ss' in the secondary digital counter 89 is
EMI6.5
From equations 3, 6 and 8 one obtains by substitution:
EMI6.6
and it can be seen that the count in the secondary digital counter 89 is proportional to speed.