CH644691A5

CH644691A5 - Throughflow volume meter

Info

Publication number: CH644691A5
Application number: CH570280A
Authority: CH
Inventors: Claudio Meisser
Original assignee: Landis & Gyr Ag
Priority date: 1980-07-25
Filing date: 1980-07-25
Publication date: 1984-08-15
Also published as: DE3030858C2; SE447162B; IT8123019A0; FR2487508A1; DK329681A; IT1137739B; SE8104493L; FR2487508B1; DE3030858A1

Description

644 691 644 691

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS

1. Durchflussvolumenzähler für flüssige Medien, mit zwei Ultraschallwandlern, mit einem Impulsgenerator, der von einem die Temperatur des Mediums erfassenden Temperaturfühler so gesteuert ist, dass die mittlere Ausgangsfrequenz des Impulsgenerators in einem vorgegebenen Temperaturbereich wenigstens näherungsweise die gleiche Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums aufweist wie das Quadrat der Schallgeschwindigkeit im Medium, und mit einer an die Ultraschallwandler und an den Impulsgenerator angeschlossenen Messrichtung, an deren Ausgang Zählimpulse entstehen, deren mittlere Pulsfrequenz dem Produkt aus der Ausgangsfrequenz des Impulsgenerators und der Laufzeitdifferenz der von den Ultraschallwandlern empfangenen Ultraschallimpulse entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsfrequenz (f3) des Impulsgenerators (3) aus einer konstanten Frequenz (fj) und einer von der Temperatur (d) des Mediums abhängigen variablen Frequenz (f2) zusammengesetzt ist. 1.Flow volume meter for liquid media, with two ultrasonic transducers, with a pulse generator that is controlled by a temperature sensor that detects the temperature of the medium in such a way that the average output frequency of the pulse generator in a given temperature range has at least approximately the same dependence on the temperature of the medium as the square of the speed of sound in the medium, and with a measuring direction connected to the ultrasonic transducers and to the pulse generator, at the output of which count pulses are generated, the mean pulse frequency of which corresponds to the product of the output frequency of the pulse generator and the transit time difference of the ultrasonic pulses received by the ultrasonic transducers, that the output frequency (f3) of the pulse generator (3) is composed of a constant frequency (fj) and a variable frequency (f2) dependent on the temperature (d) of the medium.

2. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgenerator (3) einen Quarzoszillator (6), einen durch den Temperaturfühler (5) gesteuerten Impulsgber (7) und einen Frequenzaddierglied (8; 12) aufweist. 2. Flow volume meter according to claim 1, characterized in that the pulse generator (3) has a crystal oscillator (6), a pulse sensor (7) controlled by the temperature sensor (5) and a frequency adder (8; 12).

3. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgenerator (3) ausserdem ein Frequenzsubtrahierglied besitzt. 3. Flow volume meter according to claim 2, characterized in that the pulse generator (3) also has a frequency subtractor.

4. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzaddierglied (8 ; 12) zum synchronen Einfügen einervon einem Impulsgeber (7; 9, 13,14,15, 16) erzeugten variablen Anzahl von Impulsen zwischen die vom Quarzoszillator (6; 9,10,11) erzeugten Impulse eingerichtet ist. Flow volume meter according to claim 2, characterized in that the frequency adder (8; 12) for synchronously inserting a variable number of pulses generated by a pulse generator (7; 9, 13, 14, 15, 16) between those of the quartz oscillator (6; 9) , 10,11) generated pulses is set up.

5. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzoszillator (9) einerseits über einen ersten Impulsuntersetzer (10) und andererseits über einen Schalter (13) und einen zweiten Impulsuntersetzer (14) mit dem Frequenzaddierglied (12) verbunden ist, dass der Ausgang des ersten Impulsuntersetzers (10) an den Takteingang einer monostabilen Kippstufe (16) angeschlossen ist, dass der Temperaturfühler (5) in den zeitbestimmenden Kreis der Kippstufe (16) geschaltet ist und dass der Ausgang der Kippstufe (16) mit dem Steuereingang des Schalters (13) verbunden ist. 5. flow volume meter according to claim 4, characterized in that the quartz oscillator (9) on the one hand via a first pulse coaster (10) and on the other hand via a switch (13) and a second pulse coaster (14) with the frequency adder (12) is connected that the Output of the first pulse reducer (10) is connected to the clock input of a monostable multivibrator (16), that the temperature sensor (5) is connected to the time-determining circuit of the multivibrator (16) and that the output of the multivibrator (16) is connected to the control input of the switch (13) is connected.

6. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die letzte Stufe des zweiten Impulsuntersetzers (14) ein D-Flipflop ist, dessen Takteingang an den Ausgang des ersten Impulsuntersetzer (10) angeschlossen ist. 6. Flow volume meter according to claim 5, characterized in that the last stage of the second pulse reducer (14) is a D flip-flop, the clock input of which is connected to the output of the first pulse reducer (10).

7. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (5) mit einem Abgleichwiderstand (17) in Reihe geschaltet ist. 7. flow volume meter according to claim 5, characterized in that the temperature sensor (5) with a trimming resistor (17) is connected in series.

8. Durchflussvolumenzähler nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgeber (7) mit einem Überwachungsglied verbunden ist, das ein Störsignal abgibt, wenn die Frequenz (f2) des Impulsgebers (7) einen vorgegebenen Wert unterschreitet. 8. Flow volume meter according to one of claims 2 to 7, characterized in that the pulse generator (7) is connected to a monitoring element which emits an interference signal when the frequency (f2) of the pulse generator (7) falls below a predetermined value.

9. Verwendung des Durchflussvolumenzählers nach Anspruch 1 in einem Wärmemengenzähler. 9. Use of the flow volume meter according to claim 1 in a heat meter.

Ein Durchflussvolumenzähler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus der CH-PS 604133 bekannt. Bei diesem Durchflussvolumenzähler kann je nach der konkreten schaltungstechnischen Ausbildung des Impulsgenerators ein Unterbruch oder ein Kurzschluss des Temperaturfühlers dazu führen, dass der Impulsgenerator keine Impulse mehr erzeugt, wodurch die Durchflussvolumenmessung unterbrochen wird. A flow volume meter of the type mentioned in the preamble of claim 1 is known from CH-PS 604133. With this flow volume meter, depending on the specific circuit design of the pulse generator, an interruption or a short circuit in the temperature sensor can result in the pulse generator no longer generating pulses, thereby interrupting the flow volume measurement.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflussvolumenzählerzu schaffen, bei dem ein Ausfall des Temperaturfühlers keine Unterbrechung der The invention specified in claim 1 has for its object to provide a flow volume meter in which a failure of the temperature sensor does not interrupt the

Messung, sondern lediglich eine etwas geringere Messgenauigkeit mit sich bringt. Measurement, but only a slightly lower measurement accuracy.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Some exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Durchflussvolumenzähles; 1 shows a basic circuit diagram of a flow volume meter;

Fig. 2 ein Diagramm; 2 shows a diagram;

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines Impulsgenerators, und Fig. 3 is a schematic diagram of a pulse generator, and

Fig. 4 ein Impulsdiagramm. Fig. 4 is a timing diagram.

In der Fig. 1 bedeuten 1 und 2 Ultraschallwandler, die zusammen mit einem Impulsgenerator 3 an eine Messeinrichtung 4 angeschlossen sind. Der Impulsgenerator 3 erzeugt Impulse, deren mittlere Pulsfrequenz mit f3 bezeichnet ist. Jeder dieser Impulse löst, wie dies aus der CH-PS 604133 bekannt ist, in der Messeinrichtung 4 eine Durchflussmessung aus. Hierbei senden die Ultraschallwandler 1,2 Ultraschallwellen aus, welche ein flüssiges Medium entlang einer Messstrecke in entgegengesetzter Richtung durchlaufen und jeweils vom anderen Ultraschallwandler 2 bzw. 1 empfangen werden. Die Messeinrichtung 4 misst die Laufzeitdifferenz At der Ultraschallwellen und gibt an ihrem Ausgang Zählimpulse ab, deren mittlere Pulsfrequenz f4 dem Produkt aus der Ausgangsfrequenz f3 des Impulsgenerators 3 und der Laufzeitdifferenz At entspricht. In FIG. 1, 1 and 2 mean ultrasonic transducers which are connected to a measuring device 4 together with a pulse generator 3. The pulse generator 3 generates pulses whose average pulse frequency is designated f3. As is known from CH-PS 604133, each of these pulses triggers a flow measurement in the measuring device 4. Here, the ultrasonic transducers 1, 2 emit ultrasonic waves, which pass through a liquid medium along a measuring path in the opposite direction and are received by the other ultrasonic transducers 2 and 1, respectively. The measuring device 4 measures the transit time difference At of the ultrasonic waves and emits counting pulses at its output, the average pulse frequency f4 of which corresponds to the product of the output frequency f3 of the pulse generator 3 and the transit time difference At.

Es gilt k2 • V K2 • V applies

f4 = kx • f3 • At = ki • f3 — f4 = kx • f3 • At = ki • f3 -

c wobei V den Volumenstrom des Mediums, c die Schallgeschwindigkeit im Medium und kj und k2 Messkonstanten bedeuten. c where V is the volume flow of the medium, c is the speed of sound in the medium and kj and k2 measuring constants.

Die Schallgeschwindigkeit c ist im allgemeinen nicht konstant, sondern von der Temperatur -fr des Mediums abhängig. Die Fig. 2 zeigt als Beispiel die Abhängigkeit des Quadrates der Schallgeschwindigkeit in Wasser von dessen Temperatur •&. Zur Kompensation des temperaturabhängigen Einflusses der Schallgeschwindigkeit c auf die Messung wird der Impulsgenerator 3 von einem die Temperatur ■& des Mediums erfassenden Temperaturfühler 5 so gesteuert, dass - wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist- die mittlere Ausgangsfrequenz f3 in einem vorgegebenen Temperaturbereich wenigstens näherungsweise die gleiche Abhängigkeit von der Temperatur •& des Mediums aufweist wie das Quadrat der Schallgeschwindigkeit im Medium. Es ist f3=k3 • c2 The speed of sound c is generally not constant, but depends on the temperature -fr of the medium. Fig. 2 shows an example of the dependence of the square of the speed of sound in water on its temperature • &. In order to compensate for the temperature-dependent influence of the speed of sound c on the measurement, the pulse generator 3 is controlled by a temperature sensor 5 which detects the temperature and the medium such that, as can be seen from FIG. 2, the average output frequency f3 in a predetermined temperature range is at least approximately has the same dependence on the temperature of the medium as the square of the speed of sound in the medium. It is f3 = k3 • c2

und somit f4-ki ■ k2 • k3 • V and thus f4-ki ■ k2 • k3 • V

wobei k3 wiederum eine Konstante bedeutet. Die Pulsfrequenzf4 ist also zum Volumenstrom V proportional. Durch Zählung der von der Messeinrichtung 4 abgegebenen Zählimpulse kann das Durchflussvolumen ermittelt werden. where k3 in turn means a constant. The pulse frequency f4 is therefore proportional to the volume flow V. The flow volume can be determined by counting the counting pulses emitted by the measuring device 4.

Die Ausgangsfrequeiiz f3 des Impulsgenerators 3 ist, wie aus der Fig. 2 hervorgeht, aus einer konstanten Frequenz fj und einer von der Temperatur des Mediums abhängigen Frequenz f2 zusammengesetzt. Zu diesem Zweck besteht der Impulsgenerator 3 vorteilhaft aus einem Quarzoszillator 6 zur Erzeugung der konstanten Frequenz fj, aus einem durch den Temperaturfühler 5 gesteuertem Impulsgeber 7 zur Erzeugung der variablen Frequenz f2 und aus einem Frequenzaddierglied 8 zur Bildung der Ausgangsfrequenz f3 = f2 + f2. Die konstante Frequenz^ ist im Vergleich zur variablen Frequenz f2 möglichst gross. Fällt die Frequenz f2 infolge eines Defektes des Temperaturfühlers 5 aus, so wird die Messeinrichtung 4 mit der Frequenz fj angesteuert und der Durchflussvolumenzähler arbeitet weiter, wobei lediglich ein geringer negativer Messfehler entsteht. The output frequency f3 of the pulse generator 3, as can be seen from FIG. 2, is composed of a constant frequency fj and a frequency f2 which is dependent on the temperature of the medium. For this purpose, the pulse generator 3 advantageously consists of a quartz oscillator 6 for generating the constant frequency fj, a pulse generator 7 controlled by the temperature sensor 5 for generating the variable frequency f2 and a frequency adder 8 for forming the output frequency f3 = f2 + f2. The constant frequency ^ is as large as possible in comparison to the variable frequency f2. If the frequency f2 fails as a result of a defect in the temperature sensor 5, the measuring device 4 is activated with the frequency fj and the flow volume counter continues to operate, with only a small negative measurement error occurring.

Der Impulsgeber 7 ist vorteilhaft mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Überwachungsglied verbunden, das ein Stör- The pulse generator 7 is advantageously connected to a monitoring element, not shown in the drawing, which

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 644 691 3,644,691

signal abgibt, wenn die Frequenz f2 ganz ausfällt oder einen dem Faktor 212 und erzeugt demnach eine Rechteckspannung Ui vorgegebenen Wert unterscheidet. Dieses Überwachungsglied (Fig. 3 und 4) mit der Frequenz fa = 256 Hz und der Perioden- emits signal when the frequency f2 fails completely or a value different from the factor 212 and accordingly generates a square-wave voltage Ui. This monitoring element (Fig. 3 and 4) with the frequency fa = 256 Hz and the period

kann auch derart ausgestaltet sein, dass ein Störsignal abgegeben dauer . Jede ansteigende Flanke dieser Rechteckspannung Ui wird, wenn die variable Frequenz f2 einen vorgegebenen Wert löst die Kippstufe 16 aus. An deren Ausgang entsteht eine can also be configured such that an interference signal is emitted for a long time. Each rising edge of this square-wave voltage Ui is triggered when the variable frequency f2 triggers a predetermined value. At the exit there is a

überschreitet. 5 Rechteckspannung U2 mit der Periodendauer Tj und der Impuls- exceeds. 5 square wave voltage U2 with the period Tj and the pulse

Der beim Ausfall der variablen Frequenz f2 auftretende Mess- dauer T2, wobei T2 vom Widerstandswert des Temperaturfühlers fehler wird minimal, wenn die konstante Frequenz einen 5 und des Abgleichwiderstandes 16 abhängig ist. Während der solchen Wert aufweist, dass in der Fig. 2 die Gerade fj die Kurve Impulsdauer T2 ist der Schalter 13 gesperrt, so dass die Frequenz f3 in einem Punkt schneidet, der etwa dem Mittelwert dm der f5 nur während der Pausendauer T3 = T[-T2zum Impulsunter- The measurement time T2 occurring when the variable frequency f2 fails, T2 being minimal from the resistance value of the temperature sensor if the constant frequency is a 5 and the adjustment resistor 16 is dependent. While such a value shows that the straight line fj, the curve pulse duration T2 in FIG. 2, the switch 13 is blocked, so that the frequency f3 intersects at a point which is approximately the mean value dm of the f5 only during the pause duration T3 = T [ -T2 to pulse impulse-

Temperatur ■& entspricht. In diesem Fall ist zusätzlich zum io setzer 14 gelangt. Dieser Impulsuntersetzer 14 teilt die in Paketen Temperature ■ & corresponds. In this case, in addition to the io setter 14. This pulse reducer 14 divides the into packets

Frequenzaddierglied 8 ein Frequenzsubtrahierglied vorzusehen, auftretenden Impulse der an seinem Eingang erscheinenden wobei bei § < die Summe f3 = fj + f2 und bei ö die Pulsspannung U3 mit dem Faktor 214 und erzeugt eine Recht- Frequency adder 8 to provide a frequency subtractor, occurring pulses of those appearing at its input, where at § <the sum f3 = fj + f2 and at ö the pulse voltage U3 with the factor 214 and generates a right

Differenz f3 = fj — f2 zu bilden ist. Eine solche Lösung lässt sich eckspannung U4 mit der Frequenz f2<64 Hz. Difference f3 = fj - f2 is to be formed. Such a solution can be found at corner voltage U4 with the frequency f2 <64 Hz.

besonders einfach mittels eines Mikrocomputers realisieren, der Infolge der Synchronisierung der letzten Stufe des Impulsun- realized particularly easily by means of a microcomputer which, as a result of the synchronization of the last stage of the pulse

die temperaturabhängigen Werte für die Schallgeschwindigkeit c 15 tersetzers 14 mit der Rechteckspannung Uj fallen die Flanken der in einem digitalen Speicher abruft. Rechteckspannung U4 jeweils mit einer abfallenden Flanke der the temperature-dependent values for the speed of sound c 15 tersetzers 14 with the square wave voltage Uj fall on the edges that are retrieved in a digital memory. Square wave voltage U4 each with a falling edge of the

Die Addition der Frequenzen fi und f2 erfolgt vorteilhaft Rechteckspannung U1 zusammen. Die Impulsformer 11 und 15 The frequencies fi and f2 are advantageously added together with square wave voltage U1. The pulse shapers 11 and 15

dadurch, dass das Frequenzaddierglied 8 eine vom Impulsgeber 7 erzeugen aus der Rechteckspannung Ui bzw. U4 eine nadelim- by the fact that the frequency adder 8 generates a needle-like one from the square wave voltage Ui or U4 by the pulse generator 7

erzeugte variable Anzahl von Impulsen synchron zwischen die pulsförmige Spannung U5 bzw. U6. Am Ausgang des ODER- generated variable number of pulses synchronously between the pulse-shaped voltage U5 or U6. At the exit of the OR

vom Quarzoszillator 6 erzeugten Impulse einfügt. Die Fig. 3 zeigt 20 Tores 12 entsteht eine nadelimpulsförmige Spannung U7 mit der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines derart arbeitenden mittleren Ausgangsfrequenz f3. inserts pulses generated by the crystal oscillator 6. FIG. 3 shows 20 gates 12, a needle pulse-shaped voltage U7 with which an advantageous embodiment of an average output frequency f3 operating in this way is produced.

Impulsgenerators. Ein Quarzoszillator 9 ist einerseits über einen Als Temperaturfühler 5 kann ein Widerstand mit negativem ersten Impulsuntersetzer 10 und einen Impulsformer 11 mit oder mit positivem Temperaturkoeffizienten eingesetzt werden, Pulse generator. A quartz oscillator 9 is connected on the one hand via a resistor 5 with a negative first pulse reducer 10 and a pulse shaper 11 with or with a positive temperature coefficient.

einem ersten Eingang eines ODER-Tores 12 und andererseits Ein negativer Temperaturkoeffizient erfordert die beschriebene a first input of an OR gate 12 and, on the other hand, a negative temperature coefficient requires that described

über einen Schalter 13, einen zweiten Impulsuntersetzer 14 und 25 Sperrung des Schalters 13 während der Impulsdauer T2, ein einen zweiten Impulsformer 15 mit einem zweiten Eingang des positiver Temperaturkoeffizient dagegen die Sperrung des Schal- By means of a switch 13, a second pulse coaster 14 and 25, the switch 13 is blocked during the pulse duration T2, and a second pulse shaper 15 with a second input of the positive temperature coefficient, on the other hand, the blocking of the switch

ODER-Tores 12 verbunden. Der Ausgang des Impulsunterset- ters 13 während der Pausendauer T3. Der Abgleichwiderstand 17 OR gate 12 connected. The output of the pulse coaster 13 during the pause period T3. The trimming resistor 17

zers 10 ist auch an den Takteingang einer monostabilen Kippstufe kann zum Abgleich der Toleranzen der Messstrecke und des zers 10 is also connected to the clock input of a monostable multivibrator to compare the tolerances of the measuring section and the

16 angeschlossen. DerTemperaturfühler5istinReihe mit einem Temperaturfühlers 5 dienen. 16 connected. The temperature sensor 5 is used in series with a temperature sensor 5.

Abgleichwiderstand 17 in den zeitbestimmenden Kreis der Kipp-30 Es ist leicht ersichtlich, dass die Ausgangsfrequenz f3 des stufe 16 geschaltet. Der Ausgang der Kippstufe 16 ist mit dem beschriebenen Impulsgenerators auch bei einem Unterbruch Trimmer resistor 17 in the time-determining circuit of Kipp-30 It is easy to see that the output frequency f3 of stage 16 is switched. The output of flip-flop 16 is with the pulse generator described even in the event of an interruption

Steuereingang des Schalters 13 verbunden. Als letzte Stufe des oder Kurzschluss des Temperaturfühlers 5 den unteren Grenz- Control input of the switch 13 connected. As the last stage of or short circuit of the temperature sensor 5 the lower limit

Impulsuntersetzers 14 dient ein D-Flipflop, dessen Takteingang wert f3min = 256 Hz nicht unterschreiten und den oberen Gren- Pulse reducer 14 serves a D flip-flop, the clock input value of which does not fall below f3min = 256 Hz and the upper limit

an den Ausgang des Impulsuntersetzers 10 angeschlossen ist. zwertf3max = 256 + 64 Hz nicht überschreiten kann, so dass ein is connected to the output of the pulse reducer 10. zwertf3max = 256 + 64 Hz, so that a

Zur Erläuterung der Arbeitsweise des beschriebenen Impuls- 35 solcher Fehler weder eine Unterbrechung der Messung noch generators wird angenommen, dass die vom Quarzoszillator 9 einen unbeschränkt grossen positiven Messfehler verursachen abgegebene Frequenz f5 = 220Hz beträgt und die Impulsunterset- kann. In order to explain the mode of operation of the pulse described, such errors, neither an interruption of the measurement nor of the generator, it is assumed that the frequency emitted by the quartz oscillator 9, which causes an unlimitedly large positive measurement error, is f5 = 220 Hz and the pulse subset can.

zer 10 und 14 einen Untersetzungsfaktor von 212 bzw. 214 Der beschriebene Durchflussvolumenzähler eignet sich voraufweisen. Der Impulsuntersetzer 10 teilt die Frequenz f5 mit teilhaft zur Verwendung in einem Wärmemengenzähler. zer 10 and 14 a reduction factor of 212 and 214 respectively. The flow volume counter described is suitable to have. The pulse reducer 10 shares the frequency f5 with some for use in a heat meter.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings