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PATENANSPRÜCHE 1. Verfahren zur temperaturunabhängigen Messung einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit mit Hilfe zweier annähernd gleichen Ultraschallwandler, die stirnseitig an den beiden Enden einer von der Flüssigkeit in Längsrichtung durchflossenen Messstrecke angeordnet sind und die beide zeitlich abwechselnd und im Gegentakt als Sender und Empfänger trägerfrequenter Ultraschallimpulse arbeiten, wobei der eine Ultraschallwandlerjeweils die vom anderen Ultraschallwandler gesendeten Impulse empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich in aufeinanderfolgenden Zeitperioden (tl, t2, t3...) mit unterschiedlichen Werten der Trägerfrequenz (f) gesendet wird,
dass bei jedem Wert der Trägerfrequenz (f) je ein einziger trägerfrequenter Impuls stromabwärts und je ein einziger trägerfrequenter Impuls stromaufwärts gesendet wird, dass aus den gesendeten und den zugehörigen empfangenen Impulsen für jeden Wert der Trägerfrequenz (f) und für beide Senderichtungen ein Auswerteparameter ermittelt und in einem Speicher eines Rechners (12) abgespeichert wird, so dass für beide Senderichtungen je eine Funktion des Auswerteparameters in Abhängigkeit von der Trägerfrequenz (f) gespeichert ist, dass der Rechner (12) anschliessend die niedrigsten Trägerfrequenzen fi und f2, bei denen die beiden Funktionen (|1A+BD|2,|A+BU|2)einen dem Rechner (12) vorgegebenen Pegelwert (M2) besitzen,
sowie die drittniedrigste Trägerfrequenz f, bei der die dem stromabwärtigen Senden zugehörige Funktion (|A+BD|2) ebenfalls siesen Pegelwert (M ) besitzt, ermittelt und dass der Rechner (12) anschliessend zeitlich nacheinander die Differenzen Afp 2 = fl - f2 und = l = f3 - fl sowie die mittlere Strömungsgeschwindigkeit w =(L . #f1.2 - #f3.1) / (2 . f1) berechnet, wobei ihm der Wert des Abstandes L zwischen den beiden Ultraschallwandlern (US 1, US2) vorgegeben ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauer (all) und der räumliche Abstand (L) zwischen den beiden Ultraschallwandlern (US1, US2) derart gewählt ist, dass ein von einem Ultraschallwandler (US1 bzw.
US2) gesendeter Impuls den dazugehörigen, vom anderen Ultraschallwandler (US2 bzw. USl) empfangenen Impuls zeitlich überlappt, dass während jeder Überlappungszeit (tG), also zweimal pro Wert der Trägerfrequenz (f), die Summenspannung (A + BD, A+BU) des gesendeten und des zugehörigen empfangenen Impulses erzeugt, ihr Amplitudenwert (|A + BD|, |A + BU|) ermittelt und dieser einmal pro Überlappungszeit (1G) abgetastet und las Analogwert gespeichert wird, dass jeder gespeicherte analoge Abtastwert als Auswerteparameter nach seiner Umwandlung in einen Digitalwert im Speicher des Rechners (12) abgespeichert wird, wobei die Quadrate der digitalisierten Abtastwerte der Amplitudenwerte der Summenspannungen beim stromabwärtigen und beim stromaufwärtigen Senden in Funktion der Trägerfrequenz (f) je einen treppenförmigen Kosinus-Verlauf besitzen,
der vom Rechner (12) in je eine zugehörige kontinuierlich-analoge Kosinus-Funktion (|(A + BD|2,|A + BU|2) umgewandelt wird.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang eines Sinusgenerators (2) mit einem Eingangspol eines Tastkontaktes (3) sowie mit einem ersten Eingang eines Addierers (5) und dass ein Ausgangspol des Tastkontaktes (3) über einen Arbeitskontakt eines ersten einpoligen Umschalters (4a) eines zweipoligen Umschalters (4) mit einem nicht direkt an Masse liegenden ersten Pol eines ersten der beiden Ultraschallwandler(USl, US2) und über einen Ruhekontakt eines zweiten einpoligen Umschalters (4b) des zweipoligen Umschalters (4) mit einem nicht direkt an Masse liegenden ersten Pol des zweiten Ultraschallwandlers (US2) verbunden ist,
wobei ein zweiter Eingang des Addierers (5) über einen Ruhekontakt des ersten einpoligen Umschalters (4a) auf den ersten Pol des ersten Ultraschallwandlers (US1), über einen Arbeitskontakt des zweiten einpoligen Umschalters (4b) auf den ersten Pol des zweiten Ultraschallwandlers (US2) und über einen Widerstand (R3) auf Masse geführt ist und wobei der Ausgang des Addierers (5) über einen Amplitudendetektor (6) mit einem Dateneingang einer Abtast/Halte-Schaltung (7) verbunden ist, deren Ausgang auf den Analogeingang eines Analog/Digital-Wandlers (11) geführt ist, dessen Digitalausgang seinerseits mit einem Datenbus-Eingang (21) eines Rechners (12) verbunden ist.
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Einrichtung zur temperaturunabhängigen Messung einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3.
Solche Verfahren und Einrichtungen werden z.B. zur Durchflussmessung in Wärmezählern einer Heizungsanlage verwendet, da die Wärmeleistung einer Heizung bekanntlich proportional dem Volumendurchfluss des Heizwassers und dieser wiederum proportional der mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers ist.
Verschiedene Ultraschall-Messverfahren sind bekannt, z.B. aus den VDI-Berichten Nr. 509, 1984, Seiten 39 bis 42, Ultraschall-Durchfluss-Sensor für die Wärmemengenmessung, v. Jena. Diese Verfahren ermitteln in der Regel die mittlere Strömungsgeschwindigkeit w des Heizungswassers mit Hilfe der Formel c2 #t,
2L wobei c die Ultraschallgeschwindigkeit im Heizungswasser, L der räumliche Abstand zwischen zwei Ultraschallwandlern und At der Laufzeitunterschied zwischen einer stromabwärts und einer stromaufwärts gesendeten Ultraschallwelle ist. Da die Ultraschallgeschwindigkeit c temperaturabhängig ist, ist auch die unter Verwendung dieser Formel gefundene mittlere Strömungsgeschwindigkeitw temperaturabhängig.
Im bereits erwähnten Stand der Technik wird auf Seite 40 ein Lamda-Locked-Loop -Verfahren erwähnt, bei dem die Wellenlänge Ä der Ultraschallwelle für beide Senderichtungen konstant gehalten wird, sei es mit Hilfe einer Phasenregelung oder sei es durch Verwendung eines Durchflusssensors mit Interdigitalwandlern. Die letzten sind in der DE 3 120 541 Al beschrieben, wobei # = d cosa durch die Geometrie des relativ komplizierten Aufbaus der Interdigitalwandler und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit'11 durch die Formel
1 =#/2 . #f gegeben sind.
cos α Eine ähnliche Formel, nämlich
L .Af w = .#@
2n ergibt die in Acustica, Vol. 26(1972), Seiten 284 bis 288, One path ultrasonic flowmeter using electroacoustic feedback , D. Assenza und M. Pappalardo, beschriebene Methode, in der eine Ultraschall-Messstrecke einen Verstärker rückkoppelt.
Die beiden letzten Formeln sind unabhängig von der Ultraschallgeschwindigkeit c und damit auch von der Temperatur 8 des Heizungswassers; sie enthalten jedoch eine an sich unbekannte Konstante n.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Methode zu finden und eine Einrichtung zu verwirklichen, die es gestatten, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit, z.B. des Heizwassers einer Heizung, in relativ kurzer Zeit, mit hoher Geschwindigkeit, ohne grosse Stromauf- nahme, da Batteriebetrieb möglich sein sollte, ohne Verwendung eines komplizierten Messstreckenaufbaus oder eines Regelkreises und unter Verwendung frei wählbarer Ultraschall-Sendefrequenzen temperaturunabhängig zu messen, ohne dass dabei eine an sich unbekannte Konstante n vorhanden ist.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3 angegebenen Merkmale gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Aufbau einer Messstrecke,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Messeinrichtung,
Fig. 3 Zeitdiagramme der in der Messeinrichtung verwendeten Signale,
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Zeitgebers und
Fig. 5 eine Kennlinie des Quadrates der Amplitude der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses beim stromabwärtigen Senden in Funktion der Trägerkreisfrequenzen e3.
Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche Teile.
Die in der Fig. 1 dargestellte Messstrecke besteht aus einem einfachen und bekannten Messrohr 1 als Wellenleiter, das von einer Flüssigkeit, z.B. Heizungswasser, in Längsrichtung durchflossen wird. In der Darstellung der Fig. 1 strömt die Flüssigkeit oben links von oben nach unten in das Messrohr 1 hinein und oben rechts von unten nach oben hinaus.
Die Längsrichtung des Messrohres 1 bildet die eigentliche Messstrecke. Zwei annähernd identische Ultraschallwandler US 1 und US2 sind stirnseitig, in einem räumlichen Abstand L voneinander, an den beiden Enden der Messstrecke, d.h.
des Messrohres 1, angeordnet. Das Messrohr 1 besitzt einen Rohrinnenradius R.
Die Strömungsgeschwindigkeit w(r) der Flüssigkeit im Messrohr list eine Funktion der Radiuskoordinate r des Messrohres 1. In der Fig. 1 wurde das Vorhandensein eines parabolförmigen Strömungsprofils angenommen und dargestellt. Die gesuchte mittlere Strömungsgeschwindigkeit w der Flüssigkeit entspricht dem Integral (2/R2)S,RW(r) zur r , dr.
Die in der Fig. 2 dargestellte Messeinrichtung besteht aus einem Sinusgenerator 2 mit niederohmigem Ausgang, einem Tastkontakt 3, einem zweipoligen Umschalter 4, der aus einem ersten und einem zweiten einpoligen Umschalter 4a bzw. 4b besteht, einer Messstrecke, die symbolisch durch ihre Länge L dargestellt ist, zwei Ultraschallwandlern US 1 und US2, einem Addierer 5, einem Amplitudendetektor 6, einer Abtast/Halte-Schaltung 7, einem Zeitgeber 9, einem Analog/ Digital-Wandler 11, drei Widerständen R1, R2 und R3 sowie einem Rechner 12.
Die Abtast/Halte-Schaltung 7 ist ein bekannter, handels üblicher Sample/Hold-circuit . Die Frequenz des Sinusgenerators 2, dessen Ausgangswiderstand z.B. gleich Null ist, ist programmierbar, so dass er zeitlich nacheinander verschiedene Werte einer Trägerfrequenz f erzeugt. Jeder einpolige Umschalter 4a und 4b besteht z.B. aus einem Arbeitsund einem Ruhekontakt. Der Tastkontakt 3 ist z.B. ein Arbeitskontakt. Alle Arbeits- und Ruhekontakte sind z.B.
bekannte und handelsübliche CMOS-Analogschalter vom Typ MC 14066B der Firma Motorola Semiconductors, Phoenix, Arizona, die in derem Datenbuch The European cmos Selection beschrieben sind. Es gilt die Annahme, dass der geschlossene Tastkontakt 3 und der Widerstand R3 einen gleichen Widerstandswert besitzen. Je ein erster Pol der beiden Ultraschallwandler US1 und US2 liegt direkt an Masse, während der andere zweite Pol jeweils z.B. über einen 200 Ohm-Widerstand R1 bzw. R2 mit der Masse verbunden ist. Der Amplitudendektor 6 ist ein bekannter und beliebiger Amplitudendemodulator, z.B. ein Umhüllenden-Detektor, ein Peak Follower oder ein Gleichrichter, der von einem Integrator zwecks Bildung des Flächenintegrals gefolgt ist.
Der Rechner 12 ist z.B. ein Mikrocomputer.
Der einpolige Ausgang des Sinusgenerators 2 ist auf den Eingangspol des Tastkontaktes 3 und auf einen ersten Eingang des Addierers 5 geführt. Der Ausgangspol des Tastkontaktes 3 ist über den Arbeitskontakt des ersten einpoligen Umschalters 4a mit dem nicht direkt an Masse liegenden zweiten Pol des ersten Ultraschallwandlers UNS 1 und über den Ruhekontakt des zweiten einpoligen Umschalters 4b mit dem nicht direkt an Masse liegenden zweiten Pol des zweiten Ultraschallwandlers US2 verbunden. Ein zweiter Eingang des Addierers 5 ist seinerseits über den Ruhekontakt des ersten einpoligen Umschalters 4a auf den zweiten Pol des ersten Ultraschallwandlers US1, über den Arbeitskontakt des zweiten einpoligen Umschalters 4b auf den zweiten Pol des zweiten Ultraschallwandlers US2 und über den Widerstand R3 auf Masse geführt.
Der einpolige Ausgang des Addierers 5 speist den Eingang des Amplitudendetektors 6, dessen einpoliger Ausgang seinerseits mit dem Dateneingang der Abtast/ Halte-Schaltung 7 verbunden ist. Der einpolige Analogeingang des Analog/Digital-Wandlers 11 ist auf den Ausgang der Abtast/Halte-Schaltung 7 geführt. Der Zeitgeber 9 besitzt einen Starteingang 13 und vier Ausgänge 14 bis 17. Der Starteingang 13 ist mit einem Startausgang 20 des Rechners 12 verbunden, dessen Datenbus-Eingang 21 seinerseits vom Digitalausgang des Analog/Digital-Wandlers 11 gespeist ist.
Der Senderichtungsumschalt-Steuerausgang 14 des Zeitgebers 9 ist auf den Steuereingang des Sinusgenerators 2 und auf den Steuereingang des zweipoligen Umschalters 4 geführt, sein Tastausgang 15 auf den Steuereingang des Tastkontaktes 3, sein Rückstellausgang 16 auf den Rückstelleingang des Amplitudendetektors 6 und sein Abtast-Steuerausgang 17 auf den Steuereingang der Abtast/Halte-Schaltung 7.
Die Fig. 3 enthält acht Zeitdiagramme 3A, 3B, . ., 3H. Die Zeitdiagramme 3A, 3B und 3F bis 3H stellen verschiedene binäre Steuersignale dar, die alle nur die beiden Logikwerte 1 und 0 annehmen können. Die Zeitdiagramme 3C bis 3E dagegen besitzen Analogwerte.
Im Detail stellen die verschiedenen Zeitdiagramme folgende Signale dar:
3A: Steuersignal zum Umschalten von einem Wert der Trägerfrequenz auf den anderen und zum Umschalten der Senderichtung der beiden Ultraschallwandler US 1 und US2,
3B: Tastsignal zum Steuern des Tastkontaktes 3 der Messeinrichtung,
3C: Amplitude der Generatorspannung,
3D: Amplituden der Empfangsspannung der beiden Ultraschallwandler US1 und US2,
3E: Amplituden der Summenspannung der Sende- und Empfangsspannung der beiden Ultraschallwandler US1 und US2,
3F: Impulsfolge als Hilfssignal zur Erzeugung der Zeitdiagramme 3G und 3H,
3G: Impulsfolfe zur Rückstellunss des Amplitudfnf tors 6 und
3H: Abtastimpulse für die Abtast/Halte-Schaltung 7.
Die acht Zeitdiagramme 3A bis 3H sind für eine Dauert dargestellt, während der die Ultraschallwandler US 1 und US2 mit einem einzigen Wert der Trägerfrequenz f senden.
Während den zeitlich nachfolgenden Zeitperioden t2,t3, mit t = t3 = .. , senden sie jeweils mit einem anderen Wert der Trägerfrequenz f. Das durch das Zeitdiagramm 3A dargestellte Steuersignal hat eine Periode gleicht = t2 = t3 = und seine Impulsdauer beträgt tal/2, d.h. sein duty cylce ist gleich 50%. Die positiv- und die negativgehenden Flanken des im Zeitdiagramm 3A dargestellten Steuersignals erzeugen Tastimpulse der Dauer TI, die das im Zeitdiagramm 3B dargestellte Tastsignal bilden und zeitlich einer trägerfrequenten Sendespannung entsprechen, deren Amplitude im Zeitdiagramm 3C dargestellt ist. Die im Zeitdiagramm 3D dargestellte Empfangsspannung ist um eine Laufzeit tL gegenüber der Sendespannung zeitverzögert.
Der Sendeimpuls und der zugehörige Empfangsimpuls überlappen sich jeweils zeitlich während einer Überlappungszeit tG, so dass die Amplituden der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses jeweils aus drei Bereichen besteht: Vor der Überlappungszeit tG, d.h. während der Dauer tL, ist nur die Amplitude des Sendeimpulses vorhanden, während der Überlappungszeit tG die Amplitude der Summe des Sende- und des Empfangsimpulses und nach der Überlappungszeit tu nur mehr die Amplitude des Empfangsimpulses.
Die Amplituden dieser drei Bereiche sind für jeden Sendeimpuls aus dem Zeitdiagramm 3E ersichtlich, wobei in der Fig. 3 angenommen wurde, dass die Phasendifferenz zwischen dem Träger des Sendeimpulses und dem Träger des Empfangsimpulses Null ist, so dass die Amplituden des Sende- und des Empfangssignals sich jeweils während der Überlappungszeit tu arithmetisch addieren. Ist die Amplitude des Sendeimpulses z.B. A und diejenige des Empfangsimpulses z.B. BD, so sind in diesem Fall während einer Impulsdauer die Amplituden der Summenspannung gleich A während tl., gleich A + BD während tu und gleich BD nach tc.
Das im Zeitdiagramm 3F dargestellte Hilfssignal besitzt die gleiche Impulsfrequenz und die gleiche zeitliche Impulslage wie das im Zeitdiagramm 3B dargestellte Tastsignal, nur seine Impulsdauer 12 ist kürzer und zwar so gewählt, dass tLz12 < Tz, d.h. seine negativgehenden Flanken fallen zeitlich immer in eine Überlappungszeit tu der Sende- und Empfangsimpulse. Jede seiner negativgehenden Flanken erzeugt einen sehr kurzen Rückstellimpuls der Dauer Etc12. Diese kurzen Rückstellimpulse sind im Zeitdiagramm 3G dargestellt. Ausserdem erzeugen diese negativgehenden Flanken noch nach einer jeweiligen Verzögerungszeit tv Abtastimpulse der Dauer T3, die im Zeitdiagramm 3H dargestellt sind.
Es gilt dabei die Bedingung: t2+T3v+ TZtL + tG
Ist diese Bedingung erfüllt, dann liegen die Abtastimpulse des Zeitdiagramms 3H zeitlich innerhalb der Überlappungs zeit tu.
Der in der Fig. 4 dargestellte Zeitgeber 9 besteht aus einem astabilen Multivibrator 11, einem ersten und zweiten monostabilen Multivibrator 23 bzw. 24 zur jeweiligen Erzeugung von Impulsen der Dauer Tl, in einem ersten Oder-Gatter 25, einem dritten monostabilen Multivibrator 26 zur Erzeugung von Impulsen der Dauer 12, einem vierten monostabilen Multivibrator 27 zur Erzeugung von Impulsen der Dauer 1, einem fünften monostabilen Multivibrator 29 zurjeweiligen trsugllng uon YeriöwfungxzeitulmpulsQn der Dauer tv utld einem sechsten monostabilen Multivibrator 32 zur jeweiligen Erzeugung von Abtastimpulsen der Dauer etc3. Der Eingang des zweiten monostabilen
Multivibrators 24 ist symbolisch mit einem schwarzen Dreieck gekennzeichnet, was bedeutet, dass dieser Eingang durch negativgehende Flanken getriggert ist, während die Eingänge aller anderen monostabilen Multivibratoren symbolisch mit je einem weissen Dreieck gekennzeichnet sind, da diese Eingänge durch positivgehende Flanken getriggert sind.
Der Starteingang 13 des Zeitgebers 9 ist auf den Speiseeingang des astabilen Multivibrators 22 geführt, dessen Ausgang mit dem Senderichtungsumschalt-Steuerausgang 14 des Zeitgebers 9 und jeweils mit dem Eingang des ersten und des zweiten monostabilen Multivibrators 23 und 24 verbunden ist. Die Q-Ausgänge der beiden monostabilen Multivibratoren 23 und 24 sind auf je einen Eingang des ersten Oder Gatters 25 geführt, dessen Ausgang mit dem Tastausgang 15 des Zeitgebers 9 und mit dem Eingang des dritten monostabilen Multivibrators 26 verbunden ist. Der Q-Ausgang des dritten monostabilen Multivibrators 26 ist auf den Eingang des vierten und den Eingang des fünften monostabilen Multivibrators 27 und 29 geführt. Der Q-Ausgang des monostabilen Multivibrators 27 bildet den Rückstellausgang 16 des Zeitgebers 9.
Der Q-Ausgang des fünften monostabilen Multivibrators 29 ist auf den Eingang des sechsten monostabilen Multivibrators 32 geführt, dessen Q-Ausgang mit dem Abtast-Steuerausgang 17 des Zeitgebers 9 verbunden ist.
Die Funktion des Zeitgebers 9 kann durch den Rechner 12 selber übernommen werden, der entsprechend programmiert ist, so dass in diesem Fall der Zeitgeber 9 überflüssig ist und weggelassen werden kann.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die beschriebene Messeinrichtung keine schnellen Komparatoren benötigt, die viel Strom verbrauchen, so dass die Messeinrichtung eine geringe Stromaufnahme besitzt und mittels Batterien gespeist werden kann.
Die in der Fig. 5 dargestellte Kennlinie des Quadrates der Amplitude der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses beim stromabwärtigen Senden ist eine Kosinus-Funktion der Trägerkreisfrequenz o und besitzt eine Periode Q.
Die beiden Ultraschallwandler US 1 und US2 arbeiten als Dickenschwinger. Die mittlere Frequenz fm ihres Frequenzspektrums ist z.B. bei einer Dicke von 2 mm annähernd 950 kHz und die Bandbreite ihres Frequenzspektrums z.B.
+ 30 kHz. Die beiden Ultraschallwandler USl und US2 arbeiten zeitlich abwechselnd und im Gegentakt als Sender und Empfänger trägerfrequenter Ultraschallimpulse der Dauer Tl, wobei der eine Ultraschallwandlerjeweils die vom anderen Ultraschallwandler gesendeten trägerfrequenten Impulse empfängt.
Der räumliche Abstand L zwischen den beiden Ultraschallwandlern US 1 und US2, in Längsrichtung der Messstrecke gemessen, und die Impulsdauer ll werden in Zusammenhang mit der Ultraschallgeschwindigkeit c so gewählt, dass, wie bereits erwähnt, ein von einem Ultraschallwandler gesendeter Impuls durch die Messstrecke nur um so viel verzögert wird, dass er den dazugehörigen, vom anderen Ultraschallwandler empfangenen Impuls zeitlich während einer Überlappungszeit tG überlappt.
Es wird während zeitlich aufeinanderfolgenden Zeitperioden tl, t2, t3. . . mit unterschiedlichen Werten der Trägerfrequenz f gesendet, wobei diese Werte im Durchlassfrequenzbereich 920 kHz bis 980 kHz des Frequenzspektrums der Ultraschallwandler US 1 und US2 liegen. Es gilt wie bereits erwähnt:tl = t2 = t3 = ... Der Sinusgenerator 2 erzeugt ein Dauersignal, dessen Frequenz während den Zeitperioden t1,t2,t3,... jeweils den entsprechenden Wert der Trägerfrequenz f besitzt. Dieses Dauersignal wird mit Hilfe des Tastkontaktes 3 moduliert. Das Umschalten des programmierbaren Sinusgenerators 2 von einem Wert der Frequenz f auf den anderen erfolgt mit Hilfe des im Zeitdiagramm 3A der Fig. 3 dargestellten-Steuersignals, dessen Perioden tl = t2 = t3 = . .
. im Sinusgenerator 2 z.B. gezählt werden, damit der Zählwert anschliessend den Wert der Frequenz f des Sinusgenerators 2 auf einen anderen Wert umschaltet. Dieses Steuersignal wird im Zeitgeber 9 erzeugt und erreicht gemäss Fig. 2 über den Senderichtungsumschalt-Steuerausgang 14 sowohl den Steuereingang des Sinusgenerators 2 als auch den Steuereingang des zweipoligen Umschalters 4. Der letzte wird dadurch mit einer Periode t1/2 = t2/2 = t3/2 = . . . umgeschaltet, so dass er beim Logikwert 0 des Steuersignals die in der Fig. 2 dargestellte Stellung einnimmt, bei der der zweite Ultraschallwandler US2 als Sender arbeitet und Ultraschallwellen z.B. stromaufwärts gesendet werden.
Beim Logikwert 1 des Steuersignals nimmt dagegen der zweipolige Umschalter 4 die andere Stellung ein, bei der der erste Ultraschallwandler US 1 als Sender arbeitet und Ultraschallwellen stromabwärts gesendet werden. Mit anderen Worten: In der Darstellung der Fig. 3 wird während der ersten Hälfte des Zeitbereichs tl stromabwärts und während der zweiten Hälfte stromaufwärts gesendet. Es wird für jeden Wert der Trägerfrequenz f nur je ein einziger trägerfrequenter Impuls stromabwärts und je ein einziger trägerfrequenter Impuls stromaufwärts gesendet, d.h. der erste Impuls des im Zeitdiagramm 3B der Fig. 3 dargestellten Tastsignals entspricht der einen Senderichtung, nämlich der stromabwärtigen Richtung, und der zweite Impuls der anderen Senderichtung, also der stromaufwärtigen Richtung.
Dieses Tastsignal wird ebenfalls im Zeitgeber 9 erzeugt und erreicht über dessen Tastausgang 15 den Steuereingang des Tastkontaktes 3(Fig. 2). Seine Impulsdauer ist t1 und seine Impulsperiode t1/2. Durch das Öffnen und Schliessen des Tastkontaktes 3 im Rhythmus des Tastsignals erreichen trägerfrequente Sendeimpulse, je nach augenblicklicher Stellung des zweipoligen Umschalters 4, entweder den ersten oder den zweiten Ultraschallwandler USI bzw. US2. Die Amplituden der gesendeten trägerfrequenten Impulse sind aus dem Zeitdiagramm 3C der Fig. 3 und die Amplituden der dazugehörigen und um die Laufzeit tL verzögerten empfangenen trägerfrequenten Impulse aus dem Zeitdiagramm 3D der Fig. 3 ersichtlich. Die Amplituden der Summenspannung beider Impulsarten sind im Zeitdiagramm 3E der Fig. 3 dargestellt.
Dieses besteht aus Impulsen, die je aus den drei bereits erwähnten Zeitbereichen tL, tG und > tG bestehen, die unterschiedliche Amplitudenwerte besitzen. Die Summenspannung wird mit Hilfe des Addierers 5 und ihre Amplituden anschliessend mit Hilfe des Amplitudendetektors 6 ermittelt. Der Amplitudendetektor 6 wird jeweils vor der Ermittlung einer neuen Amplitude mit Hilfe der im Zeitdiagramm 3G der Fig. 3 dargestellten sehr kurzen Rückstellimpulse der Dauer T auf Null zurückgestellt. Diese Rückstellimpulse werden im Zeitgeber 9 erzeugt und über dessen Rückstellausgang 16 dem Rückstelleingang des Amplitudendetektors 6 zugeführt.
Nachfolgend werden folgende Bezeichnungen verwendet: A Augenblickswert der am Ultraschallwandler anste henden Generatorausgangsspannung, A die zu gehörende Sendeamplitude, BD Augenblickswert der am Ultraschallwandler anste henden Empfängerspannung beim stromabwärtigen SendenD bedeutet Downwards ), BD die zu BD gehörende Empfangsamplitude, B*u Augenblickswert der am Ultraschallwandler anste henden Empfängerspannung beim stromaufwärtigen
Senden bedeutet Upwards ) und Bu die zu Bu gehörende Empfangsamplitude.
Für die Empfangsamplituden gilt die Annahme, dass BD=Bu=B.
Es gelten die Gleichungen: = A . ej#t, = B . ej#(t + bzw
HBu=U & o(t+ L @ . ej#(t + ), wobei: c - w die Trägerkreisfrequenz 2#f, t die Zeit, w die gesuchte mittlere Strömungsgeschwindigkeit der
Flüssigkeit und c = c(o) die temperaturabhängige Ultraschallgeschwindig keit in der Flüssigkeit darstellen.
Während jeder Überlappungszeit tG, also zweimal pro Wert der Trägerfrequenz f, wird am Ausgang des Addierers 5 entweder die Summenspannung A + BD oder die Summenspannung A + BU des gesendeten und des zugehörigen empfangenen Impulses erzeugt. In der Fig. 3 wurde ange- nommen, dass während des ersten Sendeimpulses innerhalb eines der Zeitbereiche tl, t2, t3, . . . die Summenspannung t + BD und während des zweiten Impulses A und BU am Ausgang des Addierers 5 ansteht.
Der Amplitudendetektor 6 ermittelt dann anschliessend während jeder Überlappungszeit tG die Amplitudenwerte dieser Summenspannungen 2+ lbzw.WA+ +
Wenn mit dem Index * eine konjugiert komplexe Grösse dargestellt wird, dann gilt beim stromabwärtigen Sender: L (A + BD) = Aej#t + Bej#(t+) und c + w
L A + BD)* = Ae-j#t + Be-j#(t+).
c + w Diese Gleichungen ergeben zusammen:
L L |A + BD|2 = A2 + A . B . (ej#) + B2 c + w c + W =A2 + 2A . B . cos[#L/(c+w)] + B2 (I)
Auf die gleiche Weise wird für das stromaufwärtige Senden folgende Gleichung ermittelt: +BU|2 = A2 + 2A . B. cos[#L/(c-w)] + B2 (II)
Die beiden Gleichungen (I) und (II) stellen in Funktion der Trägerkreisfrequenz # = 2sf Kosinus-Funktionen dar, die unterschiedliche Perioden besitzen. Die durch die Gleichung (I) dargestellte erste Kosinus-Funktion|A + BD|2 ist in der Fig. 5 dargestellt. Ihr Mittelwert, d.h. ihre Gleichspannungs-Komponente, ist gleich A2 + B2, ihre Wechselspannungs-Amplitude gleich 2A . B, ihre Periode # gleich 211 (c+w) / L und ihr Anfangswert gleich (A + B)2.
Die niedrigste Trägerkreisfrequenz, bei der die erste Kosinus Funktion. 1t + TD einen vorgegebenen konstanten Pegel- wert M2 besitzt, ist mit ol = 2#f1 bezeichnet (siehe Fig. 5).
Die niedrigste Trägerkreisfrequenz bei der die zweite Kosinus-Funktion|A + BU|2 den gleichen Pegelwert M2 besitzt, wird dagegen mit #2 = 2#f2 bezeichnet. Die drittniedrigste Trägerkreisfrequenz bei der die erste Kosinus-Funktion lX + tD 12 wieder einen Pegelwert M2 besitzt, ist mit e3 = 2#f3 bezeichnet (siehe Fig. 5), d.h.
#3 = #1 + # = #1 + 2#(c+w)/L oder f3 = fl + (c+W)/Loder = f3-fI = (c+w)/L(III)
Mit anderen Worten: Beim stromabwärtigen Senden besitzen die Amplituden |A + BD I der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses bei den Trägerkreisfrequenzen ol und #3 bzw. bei den Trägerfrequenzen fl und fi einen Pegelwert M. Desgleichen besitzen beim stromaufwärtigen Senden die Amplituden A + BU 1 der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses bei der Trägerkreisfrequenz #2 bzw. bei der Trägerfrequenz f2 ebenfalls den Pegelwert M.
Wie bereits erwähnt, liegen die im Zeitdiagramm 3H der Fig. 3 dargestellten Abtastimpulse der Dauer T3 zeitlich alle in den Überlappungszeiten tG, so dass die Abtast/Halte Schaltung 7 die Amplitudenwerte A + + bzw der derjeweiligen Summenspannungen abwechselnd einmal pro Überlappungszeit tn abtastet und als Analogwerte speichert. Die gespeicherten analogen Abtastwerte stellen einen Auswerteparameter dar, der aus den gesendeten und den zugehörigen empfangenen Impulsen für jeden Wert der Trägerfrequenz f und für beide Senderichtungen ermittelt wird. Diese Abtastimpulse werden im Zeitgeber 9 erzeugt und erreichen über dessen erste Abtast-Steuerausgang 17 den Steuereingang der Abtast/Halte-Schaltung 7 (Fig. 2).
Der Analog/Digitalwandler 11 wandelt die gespeicherten analogen Abtastwerte anschliessend um in je einen Digitalwert, um diese dann anschliessend dem Speicher des Rechners 12 zuzuführen, wo sie dann unter geeigneten Adressen abgespeichert werden.
Mit anderen Worten: Für jeden Wert der Trägerfrequenz f werden zeitlich nacheinander und in der angegebenen Reihenfolge je ein diskreter digitalisierter Abtastwert der Amplituden |A + BD|und|A + BU| im Speicher des Rechners 12 gespeichert, so dass für beide Senderichtungen je eine Funktion des Auswerteparameters in Abhängigkeit von der Trägerfrequenz f gespeichert ist.
Da dieses Abspeichern für eine Vielzahl Werte der Trägerfrequenz verfolgt, ergeben die Quadrate der digitalisierten Abtastwerte der Amplitudenwerte |A + TD I und |A + BU I der Summenspannungen beim stromabwärtigen und beim stromaufwärtigen Senden in Funktion der Trägerkreisfrequenz bzw. der Trägerfrequenz f je eine Vielzahl diskreter Kennlinienpunkte und damit je einen treppenförmigen Kosinus-Verlauf, der vom Rechner 12. z.B. mit Hilfe eines bekannten statistischen Verfahrens, in je eine zugehörige kontinuierlich-analoge Kosinus-Funktion umgewandelt wird, die durch die Gleichung (I) bzw. (II) dargestellt ist.
Der Rechner 12 ermittelt anschliessend die niedrigsten Trägerfrequenzen fl und f2, bei denen die beiden Kosinus-Funktionen |A+ +BD 12 und |A+ + | 12 einen dem Rechner 12 vorgegebenen Pegelwert M2 besitzen, sowie die drittniedrigste Trägerfrequenz f3, bei der die erste, dem stromabwärtigen Senden zugehörigen Kosinus-Funktion + + 12 ebenfalls diesen Pegelwert M2besitzt.
Für # = o)l = 2xfi bzw. so = #2 = 27xf2 ergeben die Glei chungen (I) bzw. (II) die Gleichungen: M2=|A + BD|2=A2 + 2 . A . B cos[#1L/(c+w)]+B2bzw.
M2=|A + BD|2=A2 + 2 . A . B cos[#2L/(c-w)]+B2oder: cos[#1 . L/(c+2)]=(M2-A2-B2)/2 . A . B = P bzw.
cos[#2 . L/(c-w)]=(M2-A2-B2)/2 . A . B = P oder: #1 . L/(c+w)=are cos P = K bzw.
#2 . L/(c-w)=are cos P = K.
Die beiden letzten Gleichungen ergeben zusammen: f1.L f2.L =m (IV), (c+w) (c-w) wobei m eine Konstante ist.
m 2m #f1.2=f1-f2= [(c+w)-(c+w)]= w (V) oder
L L
L w= #f1.2 (VI)
2 . m
Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit w der Flüssigkeit ist somit gemäss der Gleichung (VI) unabhängig von der temperaturabhängigen Ultraschallgeschwindigkeit c und damit auch selber unabhängig von der Temperatur 8. Sie ist dagegen abhängig von der vorläufig unbekannten Konstanten m. Diese wird mit Hilfe der Gleichungen (III) und (IV) ermittelt, da: f1 . L 1 m= =f1. (VII).
(c+w) f3,1 Die Gleichungen(VI)und (VII)ergeben zusammen:
L w=#1.2 . #f3.1 (VIII).
2 . f1
Nachdem der Rechner 12 die Frequenzen fl, fi und f3 ermittelt hat, berechnet er mit Hilfe des ihm vorgegebenen Abstandswertes L der beiden Ultraschallwandler US1 und US2 zeitlich nacheinander: #f1.2=f1-f2, #f3.1=f3-f1 und w=L.#f1,2.#f3,1
2f1
Es ist bei dieser Gelegenheit darauf hinzuweisen, dass die Messstrecke einen symmetrischen Vierpol darstellt, der praktisch nur ein Verzögerungsglied ist.
Die beschriebene Methode gestattet es den Einfluss vorhandener Echos zu eliminieren und in relativ kurzer Zeit und unter Verwendung eines normalen und nicht komplizierten Aufbaus der Messstrecke die mittlere Strömungsgeschwindigkeit w mit hoher Genauigkeit temperaturunabhängig zu ermitteln. Die Ultraschall-Sendefrequenz, d.h. die Trägerfrequenzen f, sind innerhalb der Bandbreite des Frequenzspektrums der Ultraschallwandler US1 und US2 frei wählbar. Ein Regelkreis wird nicht benötigt.
Der in der Fig. 4 dargestellte Zeitgeber 9 erzeugt die in den Zeitdiagrammen 3A, 3B und 3F bis 3H der Fig. 3 dargestellten Signale. Der astabile Multivibrator 22 beginnt zu schwingen, sobald an seinem Speiseeingang über den Starteingang 13 des Zeitgebers 9 vom Rechner 12 eine Spannung angelegt wird.
Die Periode seines Ausgangssignals, das im Zeitdiagramm 3A der Fig. 3 dargestellt ist, ist tl = t2 = t3 = Jede seiner positivgehenden Flanken erzeugt mit Hilfe des ersten monostabilen Multivibrators 23 einen Impuls der Dauer TI und jede seiner negativgehenden Flanken mit Hilfe des zweiten monostabilen Multivibrators 24 einen Impuls ebenfalls der Dauer Tl. Der erste Oder-Gatter 25 addiert beide Impulsarten zeitseriell, so dass die im Zeitdiagramm 3B der Fig. 3 dargestellte Impulsfolge des Tastsignals entsteht.
Jede negativgehende Flanke dieses Tastsignals erzeugt mit Hilfe des dritten monostabilen Multivibrators 26 je einen Impuls der Dauer T2, der im Zeitdiagramm 3F der Fig. 3 wiedergegeben ist.
Jede negativgehende Flanke dieser Impulse der Dauer T2 erzeugt mit Hilfe des vierten monostabilen Multivibrators 27 je einen kurzen Rückstellimpuls der Dauer T und erzeugt so die im Zeitdiagramm 3G der Fig. 3 dargestellte Rückstell Impulsfolge.
Jede negativgehende Flanke der Impulse der Dauer T2 erzeugt ausserdem noch mit Hilfe des fünften monostabilen Multivibrators 29 je eine Verzögerungszeit tv, nach deren Ablauf je eine positivgehende Flanke am Eingang des sech- sten monostabilen Multivibrators 32 erscheint, der nun jeweils einen Abtastimpuls der Dauer T3 erzeugt. Diese Abtastimpulse sind im Zeitdiagramm 3H der Fig. 3 dargestellt.