DE10036732A1

DE10036732A1 - Vorrichtung zur Ultraschallmessung einer Fliessgeschwindigkeit

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Publication number: DE10036732A1
Application number: DE10036732A
Authority: DE
Inventors: Sang-Yong Nam
Original assignee: Chang Min Tech Co; Chang Min Tech Co Ltd
Current assignee: Chang Min Tech Co; Chang Min Tech Co Ltd
Priority date: 2000-04-24
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2001-10-31
Anticipated expiration: 2020-07-28
Also published as: US6435038B1; RU2189602C2; DE10036732C2; CN1175250C; KR20010097550A; JP2001343266A; KR100349504B1; CN1320809A

Abstract

Eine Vorrichtung zur Ultraschallmessung einer Fließgeschwindigkeit misst eine Übergangszeit unter der Bedingung, dass eine Synchronisation eines Ultraschallsignals mit einer modulierten Frequenz durch einen PN-Code ("Pseudo Noise", Pseudorauschen) eines Diffusionsbandes an einer Sendeseite an einer Empfangsseite verriegelt ist, wobei ein übermäßiger Messfehler, welcher einen gestatteten Bereich überschreitet, vermieden wird. Wenn die Installationspositionen der Ultraschalltransducer der oberen und der unteren Stromseite bewegt werden, kann eine Ultraschalllaufzeit präzise gemessen werden, indem ein anderer Signalserien-PN-Code verwendet wird, ohne dass eine elektronische Komponente und ein Programm geändert würden. Zusätzlich installiert die Vorrichtung zur Ultraschallmessung einer Fließgeschwindigkeit eine Mehrzahl von Ultraschalltransducern gemäß verschiedenen Abständen von der Unterseite einer Flüssigkeitspassage und misst genau die durchschnittliche Fließgeschwindigkeit, welche in Abhängigkeit der Höhe in einer gekrümmten Flüssigkeitspassage variabel ist. Daher kann die Vorrichtung zur Ultraschallmessung einer Fließgeschwindigkeit effektiv für einen größeren Fluss oder einen offenen Schleusenkanal verwendet werden, oder sie kann zur Messung einer Fluidmenge von Gas eines Wasserniveaus usw. verwendet werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vor richtung zur Messung der Fließgeschwindigkeit einer Flüssig keit unter Verwendung eines Ultraschallstrahls. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Vorrichtung zur Ultraschallmessung einer Fließgeschwindigkeit, welche einen Ultraschallstrahl er zeugt oder empfängt, dessen Frequenz gemäß einem PN-Code ("Pseudo Noise", Pseudorauschen) eines Diffusionsbandes ("dif fusion band") einer Übergangsseite moduliert wird, und eine Fließgeschwindigkeit einer Rohrleitung oder eines offenen Schleusenkanals präzise misst.

Beschreibung des Standes der Technik

Es ist gut bekannt, in herkömmlicher Weise einen Ultraschall flussmesser zu verwenden, welcher einen Ultraschallstrahl be nutzt, um eine Fließmenge einer großen Rohrleitung oder eines großen Flusses zu messen.

Der konventionelle Ultraschallflussmesser verwendet häufig ein Verfahren zum Messen einer Fließgeschwindigkeit unter Verwen dung einer Ultraschalllaufzeitdifferenz. Fig. 1 veranschau licht ein Beispiel, bei dem Ultraschalltransducer 1 und 2 in einem konventionellen Ultraschallflussmesser voneinander ge trennt installiert sind. Die Ultraschalltransducer 1 und 2 er zeugen oder empfangen alternierend einen Ultraschallstrahl und messen eine Fließgeschwindigkeit unter der Verwendung der fol genden Gleichung (1).

V = Δt.C²/2.L.cosϕ = (L²/2d).[(t₂₁-t₁₂)/(t₁₂.t₂₁)] [Gleichung 1]

Hier ist Δt gleich t₂₁-t₁₂, und t₁₂ und t₂₁ sind die Zeiten, in welchen der Ultraschallstrahl in Fließrichtung unter einem Winkel ϕ oder entgegen der Fließrichtung übertragen wird. L ist ein Intervall zwischen zwei Ultraschalltransducern, d ist gleich L.cosϕ, und C ist eine Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit (weiter unten stattdessen Ultraschallübergangsge schwindigkeit genannt).

Das Verfahren zum Messen der Fließgeschwindigkeit unter Ver wendung der Differenz der Ultraschalllaufzeit gibt vorher eine vorbestimmte Konstante L²/2d ein und berechnet eine Zeitdiffe renz zwischen einer Zeit t₁₂ und einer Zeit t₂₁, wobei die Zeit t₁₂ gemessen wird, wenn der Ultraschallstrahl in einer Fließge schwindigkeitsrichtung emittiert wird, und wobei die Zeit t₂₁ gemessen wird, wenn der Ultraschallstrahl in einer zur Fließ geschwindigkeitsrichtung der Zeit t₁₂ entgegengesetzten Rich tung emittiert wird. Solch ein Verfahren zum Messen einer Fließgeschwindigkeit ist Fachleuten gut durch das US-Patent Nr. 5,531,124 (2. Juli 1996) und das Japanische Patent Nr. 2676321 (26. Juli 1998) bekannt.

Wenn jedoch gemäß dem vorstehenden Verfahren des Standes der Technik ein Intervall L zwischen den Ultraschalltransducern vergleichsweise länger ist oder verschiedene Größen von Wir beln oder Strudeln in dem Flüssigkeitsfluss auftreten oder wenn sich die Suspensionskonzentration der Flüssigkeit und ei ner Temperaturverteilung in einem natürlichen Fluss ändern, wird ein Schalldruck eines Ultraschallstrahls an einem Ultra schallempfangsort ernsthaft pulsiert, da der Ultraschallstrahl gebrochen oder zerstreut wird, oder der Absorptionsdämpfungs faktor wird geändert.

Wenn weiterhin selbst ein idealer Ultraschallstrahl mit einer kurzen Wellenlänge übertragen wird, so wird das Empfangssignal zu einem glockenförmigen Puls, da die höhere harmonische Kom ponente des Ultraschallstrahls ernsthaft gedämpft wird. Daher tritt gewöhnlich ein Empfangsfehler beim Erfassen des Zeit punktes, zu dem der Ultraschallstrahl empfangen wird auf, wel cher einigen wenigen Perioden des Ultraschallstrahls ent spricht, wobei Fälle mit einem Empfangsfehler relativ häufig auftreten.

Um die Gestalt des empfangenen Pulses beim Senden und Empfan gen des Ultraschallstrahls nicht zu stören, wird ein breitban diger Verstärker verwendet, wobei jedoch verschiedenartiges Rauschen verstärkt wird. Insbesondere verursacht dies eine Störung beim Messen der Ultraschallübertragungszeit aufgrund des Pulsrauschens.

Unter Berücksichtigung der obigen Probleme wird gemäß einem anderen Stand der Technik eine Ultraschalllaufzeit gemessen, indem ein frequenzmodulierter Ultraschallstrahl emittiert oder empfangen und so eine Fließgeschwindigkeit erhalten wird, wie es in dem US-Patent Nr. 6,012,338 offenbart und in Fig. 2 dar gestellt ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein Frequenzmodulationsoszilla tor 3 mit einem Transducerschaltteil 14 über einen Ausgangs verstärker 6 verbunden. Ein Paar von Ultraschalltransducern 1 und 2 sind mit dem Transducerschaltteil 14 verbunden. Der Ult raschallmodulationsoszillator 3, welcher mit einem Eingangsan schluss des Ausgangsverstärkers 6 verbunden ist, gibt sukzes sive eine Oszillationsfrequenz f aus, wenn keine Pulseingabe von einem monostabilen Multivibrator 4 ("one-shot multivibra tor") vorliegt, und gibt eine Frequenz f₀ (in Fig. 3c gezeigt) aus, welche gemäß einem kurzen Puls (in Fig. 3b gezeigt) modu liert wird, welcher von dem monostabilen Multivibrator 4 durch einen langen Impuls (in Fig. 3a gezeigt) erzeugt wird, welcher von einem Steuerungsrechteckpulsoszillator 5 mit einer vorge gebenen Periode erzeugt wird.

Die Frequenzen f und f₀, welche von dem Frequenzmodulationsos zillator 3 erzeugt werden, gehen durch den Ausgangsverstärker 6, und sie werden dem Transducerschaltteil 14 eingegeben. Der Transducerschaltteil 14 gibt die verstärkten Frequenzen f und f₀ in den Ultraschallsendetransducer 1 ein. Der Ultraschallsen detransducer 1 emittiert sukzessive die Oszillationsfrequenz f und eine frequenzmodulierte Frequenz f₀, wie es in Fig. 3d ge zeigt ist. Der Ultraschallempfangstransducer 2, welcher an ei nem niedrigeren Ort bezüglich des Ultraschallsendetransducers 1 installiert ist, empfängt die Oszillationsfrequenz f und die frequenzmodulierte Frequenz f₀.

Zu diesem Zeitpunkt wird das Ausgangssignal des Ausgangsver stärkers 6 zu einem Frequenzdiskriminator 9 über einen Abschwächer 13 und den Ausgangsschaltteil 8 gesendet. Der Fre quenzdiskriminator 9 erzeugt eine Ausgangsspannung (in Fig. 3e gezeigt) während einer Zeitdauer der Frequenz f₀. Die Ausgangs spannung aus Fig. 3e wird zu einem Rechteckpuls durch einen Pulsformteil 10 geändert, wie es in Fig. 3f gezeigt ist. Ein Zeitintervallmessteil 11 beginnt eine Zähloperation von einem Zeitpunkt, zu welchem ein Rechteckimpuls empfangen wird. Hier nach, zu dem Zeitpunkt einer hinteren Impulsflanke werden ein Ausgangsschaltteil 8 und der Transducerschaltteil 14 gemäß ei ner Steuerung des Steuerungsrechteckpulsoszillators 5 geschal tet, ein Ausgangssignal (in Fig. 3g gezeigt) des Empfangsver stärkers 7 wird in den Frequenzdiskriminator 9 eingegeben, und eine Ausgangsspannung (in Fig. 3h gezeigt) wird zu einem Rechteckimpuls (in Fig. 31 gezeigt) durch den Impulsformteil 10 geändert, und sie wird dann zu dem Zeitintervallmessteil 11 gesendet. Zu diesem Zeitpunkt, beendet der Zeitintervallmess teil 11 eine Zähloperation. Zusätzlich gibt die Zeitintervall messvorrichtung die gezählte Ultraschalllaufzeit t₁₂ an eine arithmetische Logikverarbeitungseinheit 12 für die Fließge schwindigkeit.

Danach sendet der Transducerschaltteil 14 ein Ausgangssignal des Ausgangsverstärkers 6 zu dem Ultraschallempfangstransducer 2 durch eine Steuerung des Steuerungsrechteckpulsoszillators 5 und emittiert den Ultraschallstrahl mit einer modulierten Fre quenz des Ultraschallsendetransducers 1. Durch die vorgenann ten Betriebsschritte wird eine Ultraschalllaufzeit t₂₁ gemes sen. Die arithmetische Logikverarbeitungseinheit 12 für die Fließgeschwindigkeit empfängt eine Zeit t₂₁ für eine entgegen gesetzten Richtung als für die Zeit t₁₂ von dem Zeitintervall messteil 11 und berechnet eine Fließgeschwindigkeit unter Ver wendung der obigen Gleichung (1).

Das vorgenannte US-Patent Nr. 6,012,338 des Standes der Tech nik misst eine Ultraschalllaufzeit durch Erfassen eines Zeit punktes, zu welchem eine Frequenz eines Empfangssignals geän dert wird, und misst diese somit selbst unter der Bedingung, dass ein Schalldruck des Ultraschallstrahls pulsiert wird.

Jedoch wird der Ultraschallstrahl, welcher von dem Ultra schallsendetransducer 1 erzeugt wird, von einer Oberfläche o der einer Unterseite reflektiert und zu dem Ultraschal lempfangstransducer 2 nach einer Verzögerung gesendet, so dass es schwierig ist, den genauen Frequenzmodulationszeitpunkt zu erfassen. Mit anderen Worten, wie in Fig. 4 gezeigt, wenn der Ultraschallsendetransducer 1 einen Ultraschallstrahl zu dem Ultraschallempfangstransducer 2 emittiert, wird der Ultra schallstrahl zu dem Ultraschallempfangstransducer 2 über meh rere Wege gesendet. Beispielsweise hat der Ultraschallstrahl über die Wege 1 bis 3, P1, P2 und P3, eine vorbestimmte Pha sendifferenz (in Fig. 5a-5c gezeigt) entsprechend einer Weg differenz. Zu diesem Zeitpunkt, wie es in Fig. 5d gezeigt ist, liegen viele Ausgangsspannungen Vo1, Vo2 und Vo3 in den Fre quenzdiskriminator 9 vor. Aufgrund von Vo1, Vo2 und Vo3 an der Empfangsseite wird der Zeitpunkt, zu welchem eine Oszillati onsfrequenz f zu einer frequenzmodulierten Frequenz f₀ geändert wird nicht genau nachgewiesen, wodurch ein Messfehler verur sacht wird.

Beispielsweise unter der Bedingung, dass ein Intervall L zwi schen zwei Ultraschalltransducern 1 und 2 sehr kurz ist (z. B. 0,05 m), eine Fließgeschwindigkeit V sehr klein ist (z. B. 0,1 m/s) und eine Schallgeschwindigkeit C etwa 1500 m/s beträgt, hat die Ultraschalllaufzeit Δt einen Wert von 3,14.10^-9 s, wenn der Messfehler ausgeschlossen ist. Wenn die Ultraschall laufzeit Δt innerhalb eines gestatteten Fehlerbereiches von 1% mit hoher Präzision gemessen wird, sollte der absolute Fehler der gemessenen Laufzeitdifferenzen einen Wert von 3.10^-11 s nicht überschreiten. Bei diesen Bedingungen im Zusammenhang mit dem absoluten Fehler wird die Messvorrichtung für die Laufzeit kompliziert, und die Vorrichtung zum Erfassen und Empfangen des Zeitpunktes des modulierten Ultraschallpulses sollte ein sehr stabiles und präzises System sein, wodurch die Kosten des hergestellten Produktes steigen.

Zusätzlich liegen für die Fließgeschwindigkeit in einem ge krümmten Bereich große Abweichungen für die Messung der Fließ geschwindigkeit bei unterschiedlichen Messorten vor, so dass eine Mehrzahl von Ultraschalltransducern installiert werden sollte, um eine Ultraschalllaufzeitdifferenz zu messen. Wenn jedoch nur zwei Transducer verwendet werden, wie gemäß dem o bigen Stand der Technik, wird der Messfehler der Fließge schwindigkeit größer, so dass eine präzise Messoperation nicht erreicht werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist mit dem Bestreben entstanden, die obigen Probleme zu lösen. Es ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultraschallmessvorrichtung für eine Fließgeschwindigkeit zur Verfügung zu stellen, welche ei ne Laufzeit unter der Bedingung misst, dass eine Synchronisa tion eines Ultraschallsignals, welches eine modulierte Fre quenz durch PN-Code (Pseudorauschen ("pseudo noise")) eines Diffusionsbandes an einer Sendeseite aufweist, an einer Emp fangsseite verriegelt ist, wobei ein übermäßiger Messfehler verhindert wird, welcher einen gestatteten Fehlerbereich über schreitet.

Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultraschallmessvorrichtung für eine Fließgeschwindigkeit zur Verfügung zu stellen, bei welcher eine Sendeseite und eine Empfangsseite denselben PN-Code benutzen, wobei somit die Emp fangsseite ihr eigenes Ultraschallmodulationssignal empfängt, selbst wenn mehrere Paare von Ultraschalltransducern verwendet werden.

Es ist eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultraschallmessvorrichtung für eine Fließgeschwindigkeit zur Verfügung zu stellen, bei welcher eine Mehrzahl von Ultra schalltransducern an jeder Position installiert ist, wobei die durchschnittliche Fließgeschwindigkeit in einem gekrümmten Be reich genau gemessen wird.

Die erste Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Ult raschallmessung einer Fließgeschwindigkeit, bei welcher ein Paar von Transducern an einem oberen Strom und einem unteren Strom einer Flüssigkeitspassage installiert ist und welche ei ne Fließgeschwindigkeit gemäß einer Ultraschalllaufzeitdiffe renz zwischen den Ultraschalltransducern misst, wobei die Vor richtung zur Ultraschallmessung einer Fließgeschwindigkeit aufweist: einen Sendeteil zum Erzeugen eines Ultraschallsig nals mit einer modulierten Frequenz gemäß einem PN-Code eines Diffusionsbandes; einen Transducerschaltteil zum alternieren den Zuführen des Ultraschallsignals von dem Sendeteil zu einem Paar von Ultraschalltransducern und zum Schalten eines Verbin dungszustandes des Paars von Ultraschalltransducern für eine Sende- oder Empfangsoperation; einen Empfangsteil zum Demodu lieren eines Ausgangssignals des Transducerschaltteils und zum Erfassen eines Zeitpunktes, zu welchem sein eigenes Signal i dentisch zu einem Signal des Sendeteils ist; einen Signalsyn chronisationsteil zum Verriegeln einer Synchronisation eines Empfangssignals, wenn der Empfangsteil ein Signal erfasst; ei nen Zeitintervallmessteil zum Messen einer Ultraschalllaufzeit unter der Bedingung, dass eine Synchronisation eines Empfangs signals in dem Signalsynchronisationsteil verriegelt ist; und eine Steuerung zum Steuern einer Schaltoperation des Transdu cerschaltteils und zum Berechnen einer Fließgeschwindigkeit gemäß einer Ultraschalllaufzeit gegenüber einer von dem Zeit intervallmessteil gemessenen Fließgeschwindigkeit.

Der Sendeteil umfasst einen sendenden PN-Codegenerator, einen Frequenzmodulator und einen Ausgangsverstärker. Der sendende PN-Codegenerator umfasst einen Oszillator um darin ein Takt signals einer vorbestimmten Periode zu erzeugen, und er er zeugt einen PN-Code, welcher durch eine Pulsbreite von hohem Niveau und eine Pulsbreite von niedrigem Niveau bestimmt ist, gemäß einem von dem Oszillator erzeugten Taktsignal.

Der Empfangsteil umfasst einen Empfangsverstärker, einen Fre quenzdemodulator und einen Signalerfassungsteil. Der Signaler fassungsteil weist einen Zeitpunkt nach, zu welchem eine demo dulierte Signalserie identisch zu einer PN-Codesignalserie ist, welche von dem sendenden PN-Codegenerator erzeugt wurde.

Der Signalsynchronisationsteil umfasst einen ersten und einen zweiten Synthesizer, einen ersten und einen zweiten LPF ("low pass filter", Tiefpassfilter), einen Differentialverstärker, ein Schleifenfilter, einen VCO (spannungsgesteuerter Oszilla tor, "voltage controlled oscillator") und einen empfangenden PN-Codegenerator. Der empfangende PN-Codegenerator erzeugt denselben PN-Code wie eine Ausgangssignalserie des sendenden PN-Codegenerators gemäß einer Eingangsfrequenz des VCO nach dem Empfang eines Freigabesignals (ENABLE) von dem Signaler fassungsteil. Darauf erzeugt der empfangende PN-Codegenerator einen PN-Code dessen Phase um eine vorbestimmte Periode des ersten Synthesizer vorauseilt, und er erzeugt einen PN-Code dessen Phase um eine vorbestimmte Periode des zweiten Synthe sizer hinterherhinkt.

Gemäß einer zweiten Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Ultra schallmessung eines Fließgeschwindigkeit zur Verfügung ge stellt, welche ein Paar von Transducern an einem oberen Strom und einem unteren Strom einer Flüssigkeitspassage installiert und eine Fließgeschwindigkeit gemäß einer Ultraschalllaufzeit differenz zwischen den Ultraschalltransducern misst, wobei die Vorrichtung zur Ultraschallmessung einer Fließgeschwindigkeit umfasst: einen Sendeteil zum Auswählen eines PN-Code aus einer Mehrzahl von PN-Codesignalserien gemäß einem Signalauswahlsig nal und zum Erzeugen eines Ultraschallsignals mit einer modu lierten Frequenz gemäß dem ausgewählten PN-Code; einen Trans ducerschaltteil zum alternierenden Zuführen des Ultraschall signals von dem Sendeteil zu einem Paar von Ultraschalltrans ducern und zum Schalten eines Verbindungszustandes des Paars von Ultraschalltransducern für eine Sende- oder eine Empfangs operation; einen Empfangsteil zum Demodulieren eines Ausgangs signals des Transducerschaltteils und zum Erfassen eines Zeit punktes, zu welchem sein eigenes Signal identisch zu einem Signal des Sendeteils ist; einen Signalsynchronisationsteil zum Verriegeln einer Synchronisation eines Empfangssignals, wenn der Empfangsteil ein Signal erfasst; einen Intervallmess teil zum Messen einer Ultraschalllaufzeit unter der Bedingung, dass eine Synchronisation eines Empfangssignals in dem Signal synchronisationsteil verriegelt ist; und eine Steuerung, wel che ein Signalauswahlsignal zum Auswählen eines PN-Code aus einer Mehrzahl von PN-Codesignalserien bei dem Sendeteil er zeugt und eine Fließgeschwindigkeit gemäß einer Ultraschall laufzeit gegenüber einer von dem Zeitintervallmessteil gemes senen Fließgeschwindigkeit berechnet.

Gemäß einer dritten Aufgabe enthält eine Vorrichtung zur Ult raschallmessung einer Fließgeschwindigkeit eine Mehrzahl von Satzeinheiten, welche einen Ultraschallstrahl mit einer modu lierten Frequenz gemäß einem unterschiedlichen PN-Code emit tieren oder empfangen und eine Ultraschalllaufzeit messen; und eine Steuerung, welche die Ultraschalllaufzeiten sammelt, wel che von der Mehrzahl von Satzeinheiten gemessen wurden und ei ne durchschnittliche Fließgeschwindigkeit berechnet.

Die Satzeinheit enthält: eine Mehrzahl von Ultraschalltransdu cern, welche einander zugewandt an einer unterschiedlichen Hö he bei einem oberen Strom und einem unteren Strom einer Flüs sigkeitspassage angeordnet sind; einen Sendeteil zum Erzeugen eines Ultraschallsignals mit einer modulierten Frequenz gemäß einem vorbestimmten PN-Code; einen Transducerschaltteil zum alternierenden Zuführen des Ultraschallsignals von dem Sende teil zu einem Paar von Ultraschalltransducern und zum Schalten eines Verbindungszustandes des Paars von Ultraschalltransdu cern für eine Sende- oder eine Empfangsoperation; einen Emp fangsteil zum Demodulieren eines Ausgangssignals des Transdu cerschaltteils und zum Erfassen eines Zeitpunktes, zu welchem sein eigenes Signal identisch zu einem Signal des Sendeteils ist; einen Signalsynchronisationsteil zum Verriegeln einer Synchronisation eines Empfangssignals, wenn der Empfangsteil ein Signal erfasst; und einen Zeitintervallmessteil zum Messen einer Ultraschalllaufzeit unter der Bedingung, dass eine Syn chronisation eines Empfangssignals in dem Signalsynchronisati onsteil verriegelt ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Weitere Gegenstände und ändere Vorteile der vorliegenden Er findung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbin dung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich:

Fig. 1 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem Ultraschalltrans ducer in einem konventionellen Ultraschallflussmesser so installiert sind, dass sie voneinander getrennt sind;

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Ultra schallmessung einer Fließgeschwindigkeit des Standes der Technik;

Fig. 3 veranschaulicht jeweils eine Pulswellenform von jedem Teil aus Fig. 2;

Fig. 4 veranschaulicht einen Ultraschallsendeweg zwischen den Ultraschalltransducern aus Fig. 2;

Fig. 5 veranschaulicht eine Ausgangsspannung eines Frequenz diskriminators aus Fig. 2;

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Ultra schallmessung einer Fließgeschwindigkeit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 veranschaulicht jeweils eine Pulswellenform von jedem Teil aus Fig. 6;

Fig. 8 veranschaulicht eine Pulswellenform zum Erläutern einer Operation eines Signalsynchronisationsteils aus Fig. 6;

Fig. 9 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Ultra schallmessung einer Fließgeschwindigkeit gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 veranschaulicht eine durchschnittliche Fließgeschwin digkeit in einer gekrümmten Flüssigkeitspassage;

Fig. 11 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Ultra schallmessung einer Fließgeschwindigkeit gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 12 veranschaulicht ein Installationsbeispiel der Ultra schalltransducer aus Fig. 11.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun detailliert mit Bezug auf die begleitenden Zeichnun gen beschrieben.

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Ultra schallmessung einer Fließgeschwindigkeit gemäß einer bevorzug ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, enthält die Vorrichtung zur Ultra schallmessung einer Fließgeschwindigkeit:
einen Sendeteil 10 zum Erzeugen eines Ultraschallsignals mit einer modulierten Frequenz gemäß einem PN-Code eines Diffusi onsbandes;
einen Transducerschaltteil 20 zum alternierenden Zuführen ei nes Ausgangssignals des Sendeteils 10 zu einem Paar von Ultra schalltransducern 21 und 22 und zum Ausgeben des empfangenen Signals der Ultraschalltransducer 21 und 22;
einen Sendeteil 30 zum Demodulieren eines Ausgangssignals des Transducerschaltteils 20 und um dieses zu erfassen;
einen Signalsynchronisationsteil 40 für eine Verbindung mit einem Ausgangsanschluss des Empfangsteils 30 und zum Verrie geln einer Synchronisation eines erfassten Signals;
einen Zeitintervallmessteil 50 zum Zählen einer Ultraschall laufzeit unter der Bedingung, dass in dem Signalsynchronisati onsteil 40 eine Signalsynchronisation verriegelt ist und zum Konvertieren eines gezählten Wertes zu Daten; und
eine Steuerung 60 zum Steuern einer Schaltoperation des Trans ducerschaltteils 20, um die Ultraschalltransducer 21 und 22 zum alternierenden Emittieren oder Empfangen eines Ultra schallmodulationssignals zu veranlassen, zum Empfangen von Ausgangsdaten des Zeitintervallmessteils 50 und zum Berechnen einer Fließgeschwindigkeit.

Die Steuerung 60 ist mit einem Eingabeteil 70 und einem Ausga beteil 80 verbunden. Der Eingabeteil 70 bestimmt durch einen Benutzer einen Anfangswert für die Berechnung einer Fließge schwindigkeit, und sie ist gewöhnlich mit einer Tastatur ver sehen. Der Ausgabeteil 80 zeigt eine berechnete Fließgeschwin digkeit durch die Steuerung 60 an, und sie weist eine Anzeige vorrichtung auf, wie zum Beispiel eine LCD-Anzeige mit sieben Segmenten.

Die Ultraschalltransducer 21 und 22 werden separat an einer Rohrleitung oder einem offenen Schleusenkanal installiert. Der Ultraschalltransducer 21 wird an einem oberen Strom einer Flüssigkeitspassage installiert. Der Ultraschalltransducer 22 wird an einem unteren Strom einer Flüssigkeitspassage instal liert.

Der Sendeteil 10 umfasst einen sendenden PN-Codegenerator 11, einen Frequenzmodulator 12 und einen Ausgangsverstärker 13.

Der sendende PN-Codegenerator 11 enthält einen Oszillator, um darin ein Taktsignal mit einer vorbestimmten Periode zu erzeu gen, und er gibt sukzessive einen PN-Code eines Streuspektrums gemäß dem Taktsignal von dem Oszillator aus, simultan zu der periodischen Ausgabe eines Startsignals START zu dem Zeitin tervallmessteil 50. Unter dem PN-Code versteht man eine Puls serie, bei welcher Signalserien mit einer vorbestimmten Perio de wiederholt werden, welche von einer Pulsbreite von hohem Niveau und einer Pulsbreite von niedrigem Niveau bestimmt sind. Der Frequenzmodulator 12 gibt eine erste Frequenz f1 in einer Periode aus, bei der ein hohes Niveau des PN-Code auf rechterhalten wird, und er gibt eine zweite Frequenz (f2 = f1 + Δf) in einer Periode aus, in der ein PN-Code mit einem nied rigen Niveau aufrechterhalten wird.

Der Ausgangsverstärker 13 verstärkt die modulierten ersten und zweiten Frequenzen f1 und f2 mit einem vorbestimmten Niveau und gibt diese an den Transducerschaltteil 20 aus.

Durch den Transducerschaltteil 20 sendet der Ultraschalltrans ducer 21 an der oberen Stromseite die modulierten ersten und zweiten Frequenzen f1 und f2 zu dem Ultraschalltransducer 22 an der unteren Stromseite. Andererseits sendet der Ultra schalltransducer 22 an der unteren Stromseite die modulierten ersten und zweiten Frequenzen f1 und f2 zu dem Ultra schalltransducer 21 an der unteren Stromseite. Eine solche Schaltoperation des Transducerschaltteils 20 wird durch ein Schaltsteuersignal UP/DOWN der Steuerung 60 erreicht.

Der Empfangsteil 30 umfasst einen Empfangsverstärker 31, einen Frequenzdemodulator 32 und einen Signalerfassungsteil 33. Der Empfangsverstärker 31 empfängt ein schwaches Signal, welches von einem der Ultraschalltransducer 21 und 22 empfangen wurde über den Transducerschaltteil 20 und verstärkt das schwache Eingangssignal mit einem vorbestimmten Verstärkungsniveau. Der Frequenzdemodulator 32 demoduliert ein Empfangssignal, welches mit einem vorbestimmten Niveau verstärkt wurde und gibt ein demoduliertes Signal aus. Der Signalerfassungsteil 33 weist einen Zeitpunkt nach, zu welchem eine demodulierte Signalserie identisch zu einer PN-Codesignalserie ist, welche von dem sen denden PN-Codegenerator 11 erzeugt wurde. Zu diesem Zeitpunkt gibt der Signalerfassungsteil 33 simultan sowohl ein Freigabe signal ENABLE als auch die PN-Codesignalserie an den Signal synchronisationsteil 40 aus.

Der Signalsynchronisationsteil 40 umfasst einen ersten und ei nen zweiten Synthesizer 41 und 42, einen ersten und einen zweiten LPF 43 und 44, einen Differentialverstärker 45, ein Schleifenfilter 46, einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 47 und einen empfangenden PN-Codegenerator 48. Der erste und der zweite Synthesizer 41 und 42 sind jeweils mit einem Ausgangsanschluss des Signalerfassungsteils 33 und einem Aus gangsanschluss des empfangenden PN-Codegenerators 48 verbun den. Der erste Synthesizer 41 synthetisiert ein Ausgangssignal des Signalerfassungsteils 33 mit demselben Serien-PN-Code (dessen Phase um eine vorbestimmte Periode vorauseilt), wel cher von dem empfangenden PN-Codegenerator 48 erzeugt wird, und er erzeugt ein synthetisiertes Signal. Der zweite Synthe sizer 42 synthetisiert ein Ausgangssignal des Signalerfas sungsteils 33 mit demselben Serien-PN-Code (dessen Phase um eine vorbestimmte Periode hinterherhinkt), und er erzeugt ein synthetisiertes Signal. Der erste und der zweite LPF 43 und 44 sind mit den Ausgangsanschlüssen des ersten und des zweiten Synthesizer 41 und 42 verbunden und entfernen unnötige Hoch frequenzkomponenten, welche durch die Synthesizeroperation beigemischt werden. Der Differentialverstärker 45 führt eine Differentialverstärkung proportional zu einer Signaldifferenz zwischen einem Gleichstromkomponenten-Spannungssignal Vdc1, welches von dem ersten LPF 43 gefiltert ist, und einem Gleich stromkomponenten-Spannungssignal Vdc2 aus, welches von dem zweiten LPF 44 gefiltert ist, und er erzeugt eine Steuerungs spannung Vc zum Steuern des VCO 47. Das Schleifenfilter 46 entfernt Rauschen, welches einer differentiell verstärkten Steuerspannung Vc von dem Differentialverstärker 45 beige mischt ist. Der VCO 47 verändert eine Bezugsfrequenz fr gemäß einer Steuerungsspannung Vc' ohne Rauschen. Nach dem Empfang des Freigabesignals ENABLE von dem Signalerfassungsteil 33 er zeugt der empfangende PN-Codegenerator 48 denselben Serien-PN- Code wie eine Ausgangssignalserie des sendenden PN- Codegenerators 11 gemäß einer Eingangsfrequenz von dem VCO 47. Danach erzeugt der empfangende PN-Codegenerator 48 einen PN- Code, dessen Phase um eine vorbestimmte Periode des ersten Synthesizer vorauseilt, und er erzeugt einen PN-Code dessen Phase um eine vorbestimmte Periode des zweiten Synthesizer hinterherhinkt.

Der PN-Code, welcher dem ersten Synthesizer 41 von dem empfan genden PN-Codegenerator 48 gesendet wird, wird so eingegeben, dass er schneller ist als ein Empfangssignalserien-PN-Code, welcher von dem Signalerfassungsteil 31 an den ersten Synthe sizer 41 gesendet wird, wobei er um eine vorbestimmte Zeit schneller ist als der Empfangssignalserien-PN-Code. Zur selben Zeit wird ein PN-Code, welcher von dem empfangenden PN- Codegenerator 48 dem zweiten Synthesizer 42 eingegeben wird, von dem Signalerfassungsteil 33 erzeugt, wobei er dem Emp fangssignalserien-PN-Code um eine vorbestimmte Periode hinter herhinkt, welcher dem zweiten Synthesizer 42 eingegeben wird. Wenn daher eine Signalsynchronisation verriegelt ist, gibt der empfangende PN-Codegenerator 48 ein Vervollständigungssignal STOP an den Zeitintervallmessteil 50 aus.

Unter der Bedingung, dass die Signalsynchronisation verriegelt ist, zählt der Zeitintervallmessteil 50 eine Ultraschalllauf zeit von einem Zeitpunkt des Empfangens des Startsignals START des sendenden PN-Codegenerators 11 bis zu einem anderen Zeit punkt des Empfangens des Vervollständigungssignals STOP des empfangenden PN-Codegenerators 48.

Der Zeitintervallmessteil 50 konvertiert den gezählten Wert zu Daten (data) und gibt die Daten an die Steuerung 60 aus.

Die Steuerung 60 empfängt vorher Anfangswerte, wie zum Bei spiel einen geraden Abstand d und ein Intervall L zwischen zwei Ultraschalltransducern 21 und 22, und speichert die An fangswerte, und er berechnet eine Fließgeschwindigkeit V durch Einsetzen von Ausgangsdaten (d. h. der Ultraschalllaufzeit) des Zeitintervallmessteils 25 in die folgende Gleichung (2).

V = (L²/2d).[(t_ba-t_ab)/(t_ba.t_ab)] [Gleichung 2]

Hier ist t_ab eine Ultraschalllaufzeit, welche gemessen wird, wenn der Ultraschalltransducer 21 einen Ultraschallstrahl zu dem Ultraschalltransducer 22 sendet, und t_ba ist eine Ultra schalllaufzeit, welche gemessen wird, wenn der Ultra schalltransducer 22 einen Ultraschallstrahl zu dem Ultra schalltransducer 21 sendet.

Die Steuerung 60 gibt ein Rechenergebnis an den Ausgabeteil 80 aus. Entsprechend zeigt der Ausgabeteil 80 eine Fließgeschwin digkeit V auf einer Anzeigevorrichtung durch Verwendung einer Zahl oder eines Zeichens.

Nachfolgend werden die Operationen der Vorrichtung zur Ultra schallmessung einer Fließgeschwindigkeit beschrieben.

Jeder Teil der Vorrichtung erhält eine Energieversorgung als eine Eingabe, und der Anwender führt einen Leitbefehl durch Verwendung des Eingabeteils 70 zu. Entsprechend gibt die Steu erung 60 ein erstes Schaltsignal UP an den Transducerschalt teil 20 aus. Der Transducerschaltteil 20, welcher das erste Schaltsignal UP empfängt, verbindet den Ultraschalltransducer 21 mit einem Ausgabeanschluss des Sendeteils 10 gleichzeitig mit dem Verbinden des Ultraschalltransducers 22 mit einem Ein gabeanschluss des Empfangsteils 30.

Der sendende PN-Codegenerator 11 gibt einen PN-Code (in Fig. 7a gezeigt) einer Signalserie, welche sowohl ein Signal mit hohem Niveau als auch ein Signal mit niedrigem Niveau auf weist, entsprechend einem Taktsignal einer vorbestimmten Peri ode Tc, wobei das Taktsignal von einem inneren Oszillator des PN-Codegenerators 11 erzeugt wird, an den Frequenzmodulator 12 und den Signalerfassungsteil 33 aus. Hierzu gleichzeitig er zeugt der sendende PN-Codegenerator 11 wiederholt ein Start signal (in Fig. 7b gezeigt) zu einer vorbestimmten Periode Ta. Der Frequenzmodulator 12 erzeugt eine vorbestimmte erste Fre quenz f1 während einer Periodendauer eines PN-Code mit hohem Niveau, und er erzeugt eine vorbestimmte zweite Frequenz (f2 = f1 + Δf, in Fig. 7C gezeigt) während einer Periodendauer eines PN-Code mit niedrigem Niveau. Der Ausgangsverstärker 13 ver stärkt das Ultraschallsignal mit einer modulierten Frequenz mit einem vorbestimmten Niveau und gibt dann das verstärkte Ultraschallsignal aus. Das Ultraschallmodulationssignal wird dem Ultraschalltransducer 21 über den Transducerschaltteil 20 zugeführt, wodurch der Ultraschalltransducer 21 ein modulier tes Ultraschallsignal zu dem Ultraschalltransducer 22 sendet.

Das von dem Ultraschalltransducer 22 empfangene Signal wird dem Empfangsverstärker 31 durch den Transducerschaltteil 20 eingegeben. Der Empfangsverstärker 31 verstärkt ein empfange nes schwaches Ultraschallmodulationssignal mit einem vorbe stimmten Niveau und gibt das verstärkte Signal (in Fig. 7d ge zeigt) an den Frequenzdemodulator 32 aus. Der Frequenzdemodu lator 32 demoduliert das verstärkte empfangene Signal und gibt das demodulierte Signal (in Fig. 7e gezeigt) an den Signaler fassungsteil 33 aus. Der Signalerfassungsteil 33 weist einen Zeitpunkt nach, zu welchem eine demodulierte Signalserie iden tisch zu einer Signalserie des PN-Code ist, welche von dem sendenden PN-Codegenerator 11 erzeugt wurde. Während eines an fänglichen Übergangszustandes sind beide Signalserien nicht zueinander identisch. Nach einer vorbestimmten Zeit (t) sind beide Sig nalserien identisch zueinander. Zu diesem Zeitpunkt gibt der Signalerfassungsteil 33 sowohl ein Freigabesignal ENABLE, wel ches zu einem Signal mit hohem Niveau zu dem Erfassungszeit punkt des Signalerfassungsteils 33 geändert wird, als auch ei nen Ausgabe-PN-Code (in Fig. 7g gezeigt) des sendenden PN- Codegenerators 11 an den Signalsynchronisationsteil 40 aus.

Der empfangende PN-Codegenerator 48 empfängt das Freigabesig nal ENABLE und gibt einen PN-Code ein, welcher eine andere Phase gemäß einer Bezugsfrequenz fr aufweist, die von dem VCO 47 erzeugt wurde, an den ersten Synthesizer 41 gleichzeitig mit dem Eingeben, wobei der PN-Code mit einer anderen Phase eine vorauseilende Phase hat, verglichen mit dem PN-Code aus Fig. 7g. Zur selben Zeit gibt der empfangende PN-Codegenerator 48 einen anderen PN-Code dem zweiten Synthesizer 42 mit einer hinterherhinkenden Phase ein, verglichen mit dem PN-Code aus Fig. 7g.

Der erste und der zweite Synthesizer 41 und 42 synthetisieren untereinander die beiden eingegebenen PN-Codes und geben die synthetisierten Signale (in den Fig. 8(k1) und 8(l1) gezeigt) an den ersten und den zweiten LPF 43 und 44 aus. Der erste und der zweite LPF 43 und 44 entfernen unnötige Hochfrequenzkompo nenten und geben Ausgangsgleichstromkomponenten- Spannungssignale Vdc1 und Vdc2 an den Differentialverstärker 45 aus. Der Differentialverstärker 45 gibt eine Steuerspannung Vc proportional zu einer Spannungsdifferenz zwischen den bei den Spannungssignalen Vdc1 und Vdc2 an ein Schleifenfilter 46 aus. Das Schleifenfilter 46 gibt eine Steuerspannung Vc' an den VCO 47 aus, wobei das gemischte Rauschen entfernt wird. Während der VCO 47 die Bezugsfrequenz fr ausgibt, verändert der VCO 47 die Bezugsfrequenz fr entsprechend einer Eingabe steuerspannung Vc' von dem Schleifenfilter 46 und gibt eine veränderte Frequenz an den empfangenden PN-Codegenerator 48 aus. Entsprechend verändert der empfangende PN-Codegenerator 48 eine Phase des PN-Code, welcher dem ersten und dem zweiten Synthesizer 41 und 42 eingegeben wird.

Zu diesem Zeitpunkt, wenn die Phase des PN-Code, welcher dem ersten Synthesizer 41 eingegeben wird, um eine vorbestimmte Periode Tc/2 führt (in Fig. 7h gezeigt), verglichen mit einem Ausgabe-PN-Code (in Fig. 7g gezeigt) des Signalerfassungsteils 33, und die Phase des PN-Code, welcher dem zweiten Synthesizer 42 eingegeben wird, um die vorbestimmte Periode Tc/2 hinter herhinkt (in Fig. 7i gezeigt), verglichen mit dem Ausgabe-PN- Code (in Fig. 7g gezeigt) des Signalerfassungsteils 33, das heißt, wenn der PN-Code von Fig. 7g an eine Mittelposition plaziert wird, verriegelt der Signalsynchronisationsteil 40 eine Signalsynchronisation und verfolgt dann ein Empfangssig nal. Wenn eine Periode unter dem Signalverriegelungszustand abläuft, gibt der empfangende PN-Codegenerator 48 ein Vervoll ständigungssignal STOP an den Zeitintervallmessteil 50 aus. Unter dem Verriegelungszustand zählt der Zeitintervallmessteil 50 eine Ultraschalllaufzeit t_ab während einer Zeitperiode von einem Zeitpunkt des Empfangens des Startsignals START (von dem sendenden PN-Codegenerator 11) bis zu einem anderen Zeitpunkt des Empfangens des Vervollständigungssignals STOP (von dem empfangenden PN-Codegenerator 48).

Daraufhin gibt die Steuerung 60 ein zweites Schaltsignal DOWN an den Transducerschaltteil 20 aus. Daher verbindet der Trans ducerschaltteil 20 den Ultraschalltransducer 22 mit dem Aus gangsanschluss des Sendeteils 10 und verbindet den Ultra schalltransducer 21 mit einem Eingangsanschluss des Empfangs teils 30. Daraufhin wird ein Ultraschallsignal mit einer modu lierten Frequenz gemäß einem PN-Code eines Streuspektrums an den Ultraschalltransducer 21 durch den Ultraschalltransducer 22 übertragen. Ein Signal, welches von dem Ultraschalltransdu cer 21 empfangen wird, wird demoduliert und in dem Empfang steil 30 erfasst. Der Zeitintervallmessteil 50 zählt eine Ult raschalllaufzeit tba während einer Zeitperiode von einem Zeit punkt des Empfangens des Startsignals START (von dem sendenden PN-Codegenerator 11) bis zu einem anderen Zeitpunkt des Emp fangens des Vervollständigungssignals STOP (von dem empfangen den PN-Codegenerator 48).

Wenn jedoch die PN-Codes (in den Fig. 7h und 7i gezeigt), wel che dem ersten und dem zweiten Synthesizer 41 und 42 eingege ben werden, von der vorbestimmten Periode Tc/2 abweichen (d. h. ein anfänglicher Übergangszustand), wird eine Ausgabebezugs frequenz fr des VCO 47 gemäß einer Steuerspannung Vc verän dert, welche von dem Differentialverstärker 45 durch eine Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsspannungen des ersten und zweiten LPF 43 und 44 verstärkt wurde. Als ein Ergebnis verändert der empfangende PN-Codegenerator 48 jede Phase der PN-Codes, welche dem ersten und dem zweiten Synthesizer 41 und 42 eingegeben werden. Es gibt zwei Arten von veränderten Pha sen von PN-Codes, d. h. eine zweite Signalart (in Fig. 8II ge zeigt), welche um eine vorbestimmte Periode Tc/4 vorauseilt, verglichen mit der ersten Signalart (in Fig. 8I gezeigt), und eine dritte Signalart (in Fig. 8 III gezeigt), welche um eine vorbestimmte Periode Tc/4 hinterherhinkt, verglichen mit der ersten Signalart aus Fig. 8I, wobei eine Signalsynchronisati on verriegelt wird. Wenn die Bezugsphase eine Abweichung auf weist, wie bei der zweiten und dritten Signalart, wird die Be zugsfrequenz fr des VCO 47 durch eine Steuerspannung Vc von dem Differentialverstärker 45 variiert. Als ein Ergebnis ver ändert der empfangende PN-Codegenerator 48 eine Phase des PN- Code, welcher dem ersten und dem zweiten Synthesizer 41 und 42 eingegeben wird. Schließlich werden die Phasen des ersten und des zweiten Synthesizer 41 und 42 zu der ersten Signalart I geändert.

In der Zwischenzeit verwenden der sendende PN-Codegenerator 11 und der empfangende PN-Codegenerator 48 dieselben Signalse rien-PN-Codes. Eine Periode Ta eines solchen PN-Code wird sorgfältig gemäß einem Abstand zwischen den Ultraschalltrans ducern 21 und 22 gesetzt. Wenn die Installationspositionen der Ultraschalltransducer 21 und 22 geändert werden, muss die Pe riode Ta kürzer sein, verglichen mit der Ultraschalllaufzeit, womit ein PN-Code aus vielen Signalserien-PN-Codes mit einer anderen Periode ausgewählt und verwendet wird. Dieser Fall wird nun mit Bezug auf Fig. 9 beschrieben.

Fig. 9 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Ultra schallmessung einer Fließgeschwindigkeit gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die gleichen Teile wie in Fig. 6 werden im Folgenden nicht be schrieben.

Wie in Fig. 9 gezeigt ist, haben der sendende PN-Codegenerator 11 und der empfangende PN-Codegenerator 48 eine andere Signal serie mit einer anderen Periode (3+n Bit) zusätzlich zu einer Signalserie mit einer vorbestimmten Periode (Ta; 3 Bit), wel che in Fig. 8 gezeigt ist, und können als eine Mehrzahl von Oszillatoren und Flip-Flops ausgeführt sein.

Wenn der Anwender einen Signalseriensetzbefehl zum Verändern einer Signalserie des PN-Code unter Verwendung des Eingabe teils 70 eingibt, gibt die Steuerung 60 Signalserienauswahl signale Sa und Sb an den sendenden PN-Codegenerator 11 und den empfangenden PN-Codegenerator 48 gemäß dem vom Nutzer ausge wählten Befehl aus.

Der sendende PN-Codegenerator 11 gibt einen PN-Code einer Sig nalserie aus, welche von dem Signalserienauswahlsignal Sa von der Steuerung 11 ausgewählt wurde. Der empfangende PN- Codegenerator 48 gibt einen PN-Code aus einer Signalserie aus, welche von dem Signalserienauswahlsignal Sb von der Steuerung 60 ausgewählt wurde. Natürlich sollte eine Ausgabesignalserie des sendenden PN-Codegenerators 11 identisch zu derjenigen des empfangenden PN-Codegenerators 48 sein.

In der Zwischenzeit tritt eine beträchtliche Abweichung in ei nem gekrümmten Flüssigkeitspassagenauslass entsprechend einer Höhe auf. Da beispielsweise ein Fließen einer Flüssigkeit in einer geraden Flüssigkeitspassage konstant ist, sind eine Fließgeschwindigkeit in einem unteren Teil der Flüssigkeits passage und eine Fließgeschwindigkeit in einem oberen Teil der Flüssigkeitspassage relativ gleichförmig, wie es in Fig. 10 (V1) gezeigt ist. In einer gekrümmten Flüssigkeitspassage sind jedoch eine Fließgeschwindigkeit von einem unteren Teil der Flüssigkeitspassage und eine Fließgeschwindigkeit von einem oberen Teil der Flüssigkeitspassage in verschiedener Weise verändert, wie es in Fig. 10 (V2 und V3) gezeigt ist. Entspre chend werden eine Mehrzahl von Ultraschalltransducern an obe ren und unteren Stromseiten entsprechend einer Höhe der Flüs sigkeitspassage montiert, wobei eine Ultraschalllaufzeit an jeder Stromposition gemessen wird, eine durchschnittliche Ult raschalllaufzeit über die Ultraschalllaufzeiten berechnet wird und hierdurch eine Fließgeschwindigkeit gemessen wird. Dies wird mit Bezug auf Fig. 11 beschrieben.

Fig. 11 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Ultra schallmessung einer Fließgeschwindigkeit gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Durch Verwendung von Fig. 11 kann eine Fließgeschwindigkeit an jeder Installationsposition gemessen werden. Dieselben Teile wie in Fig. 6 werden unten nicht beschrieben.

Wie in Fig. 11 gezeigt ist, haben eine erste Satzeinheit S1 bis zu einer n-ten Satzeinheit Sn jeweils eine Mehrzahl von Ultraschalltransducern [(t₁₁, t₂₁) . . . (t_1n, t_2n)], welche an un terschiedlichen Positionen an der oberen und der unteren Stromseite installiert sind. Zusätzlich haben die erste Satz einheit S1 bis zur n-ten Satzeinheit Sn gemeinsam einen Sende teil 10, einen Transducerschaltteil 20, einen Empfangsteil 30, den Signalsynchronisationsteil 40 und den Zeitintervallmess teil 50. Die erste Satzeinheit S1 bis zur n-ten Satzeinheit Sn messen eine Laufzeit unter Verwendung eines Ultraschallstrahls mit einer modulierten Frequenz gemäß PN-Codes mit unterschied lichen Signalserien. Daher verwendet jeder der Mehrzahl von Transducern [(t₁₁, t₂₁) . . . (t_1n, t_2n)] seinen eigenen Signalse rien-PN-Code, welcher jedem Transducer gegeben ist, wobei das Messen einer Laufzeit in einem verriegelten Zustand einer Syn chronisation eines Empfangssignals gemessen wird.

Die Steuerung 90 ist gemeinsam an den Ausgangsanschlüssen der ersten Satzeinheit S1 bis zur n-ten Satzeinheit Sn angeschlos sen. Die Steuerung 90 empfängt die Ausgangsdaten der Zeitin tervallmessteile 50 der ersten Satzeinheit S1 bis zur n-ten Satzeinheit Sn, berechnet eine Fließgeschwindigkeit an ver schiedenen Positionen, berechnet einen Durchschnittswert über die berechneten Fließgeschwindigkeitswerte und erhält eine durchschnittliche Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit. Die Ausgangsdaten des Zeitintervallmessteils 50 bedeuten eine Ult raschalllaufzeit von einem oberen Strom zu einem unteren Strom und bedeuten eine Ultraschalllaufzeit von einem unteren Strom zu einem oberen Strom. Wie es zum Beispiel in Fig. 12 gezeigt ist, sind fünf Paare von Ultraschalltransducern (t₁₁, t₂₁) (t₁₂, t₂₂) (t₁₃, t₂₃) (t₁₄, t₂₄) (t₁₅, t₂₅) an der oberen und der unteren Stromseite gemäß verschiedenen Höhen der Flüssigkeits passage installiert. Durch die Steuerung der Steuerung 90 e mittieren oder empfangen die Mehrzahl von Ultraschalltransdu cern frequenzmodulierte Ultraschallstrahlen zur selben Zeit, eine Ultraschalllaufzeit wird gezählt, um eine durchschnittli che Ultraschalllaufzeit zu erhalten, und somit kann eine Fließgeschwindigkeit an verschiedenen Installationspositionen gemessen werden.

Wie oben beschrieben emittieren oder empfangen in der Vorrich tung zur Ultraschallmessung einer Fließgeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung ein Paar von Ultraschalltransducern eines Sendeteils alternierend den Ultraschallstrahl durch Ver wendung eines Ultraschallstrahls mit einer ersten Frequenz, welche gemäß einem PN-Code moduliert ist, und eine Ultra schalllaufzeitdifferenz wird in einem Verriegelungszustand ei ner Signalsynchronisation gezählt, wodurch eine Fließgeschwin digkeit gemessen wird. Daher misst die Vorrichtung zur Ultra schallmessung einer Fließgeschwindigkeit präzise eine Ultra schalllaufzeit innerhalb eines gestatteten Fehlerbereiches.

Wenn die Installationspositionen der Ultraschalltransducer der oberen und der unteren Stromseite bewegt werden, kann eine Ul traschalllaufzeit präzise gemessen werden, indem ein anderer Signalserien-PN-Code verwendet wird, ohne dass eine elektroni sche Komponente und ein Programm geändert würden.

Wenn eine Mehrzahl von Ultraschalltransducern so installiert sind, dass sie einander zugewandt sind, gemäß einem Abstand von der Unterseite einer Flüssigkeitspassage, und PN-Codes mit unterschiedlichen Signalserien zu den Sende- und Empfangstei len gesetzt werden, welche mit den Ultraschalltransducern ver bunden sind, misst die vorliegende Erfindung eine Fließge schwindigkeit an jeder Position durch Emittieren oder Empfan gen eines Ultraschallstrahls zur selben Zeit und misst die durchschnittliche Fließgeschwindigkeit. Als Ergebnis misst die vorliegende Erfindung präzise Durchschnittswerte einer Fließ geschwindigkeit, welche entsprechend einer Höhe einer gekrümm ten Flüssigkeitspassage variabel ist.

Während diese Erfindung in Verbindung damit beschrieben wurde, was gegenwärtig als die praktischste und bevorzugteste Ausfüh rungsform betrachtet wird, ist dies so zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen be grenzt ist, sondern es ist im Gegensatz beabsichtigt, die ver schiedenen Modifikationen und äquivalenten Anordnungen abzude cken, welche im Gedanken und im Umfang der beigefügten Ansprü che enthalten sind.

Claims

1. Vorrichtung zur Ultraschallmessung einer Fließgeschwindig keit, bei welcher ein Paar von Transducern an einem oberen Strom und einem unteren Strom einer Flüssigkeitspassage in stalliert ist und welche eine Fließgeschwindigkeit gemäß einer Ultraschalllaufzeitdifferenz zwischen den Ultra schalltransducern misst, wobei die Vorrichtung zur Ultra schallmessung einer Fließgeschwindigkeit aufweist:
einen Sendeteil zum Erzeugen eines Ultraschallsignals mit einer modulierten Frequenz gemäß einem PN-Code eines Diffu sionsbandes;
einen Transducerschaltteil zum alternierenden Zuführen des Ultraschallsignals von dem Sendeteil zu einem Paar von Ultraschalltransducern und zum Schalten eines Verbindungs zustandes des Paars von Ultraschalltransducern für eine Sende- oder Empfangsoperation;
einen Empfangsteil zum Demodulieren eines Ausgangssignals des Transducerschaltteils und zum Erfassen eines Zeitpunk tes, zu welchem sein eigenes Signal identisch zu einem Sig nal des Sendeteils ist;
einen Signalsynchronisationsteil zum Verriegeln einer Syn chronisation eines Empfangssignals, wenn der Empfangsteil ein Signal erfasst;
einen Zeitintervallmessteil zum Messen einer Ultraschall laufzeit unter der Bedingung, dass eine Synchronisation ei nes Empfangssignals in dem Signalsynchronisationsteil ver riegelt ist; und
eine Steuerung zum Steuern einer Schaltoperation des Trans ducerschaltteils und zum Berechnen einer Fließgeschwindig keit gemäß einer Ultraschalllaufzeit gegenüber einer von dem Zeitintervallmessteil gemessenen Fließgeschwindigkeit.

2. Vorrichtung zur Ultraschallmessung einer Fließgeschwindig keit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendeteil einen sendenden PN-Codegenerator, einen Frequenzmodulator und einen Ausgangsverstärker aufweist, wobei der sendende PN-Codegenerator einen Oszillator umfasst, um darin ein Taktsignals einer vorbestimmten Periode zu erzeu gen, und einen PN-Code erzeugt, welcher durch eine Puls breite von hohem Niveau und eine Pulsbreite von niedrigem Niveau bestimmt ist, gemäß einem von dem Oszillator erzeug ten Taktsignal.

3. Vorrichtung zur Ultraschallmessung einer Fließgeschwindig keit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfangsteil einen Empfangsverstärker, einen Fre quenzdemodulator und einen Signalerfassungsteil aufweist, wobei der Signalerfassungsteil einen Zeitpunkt nachweist, zu dem eine demodulierte Signalserie identisch zu einer PN- Codesignalserie ist, welche von dem sendenden PN- Codegenerator erzeugt wurde.

4. Vorrichtung zur Ultraschallmessung einer Fließgeschwindig keit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalsynchronisationsteil einen ersten und einen zweiten Synthesizer, einen ersten und einen zweiten LPF ("low pass filter", Tiefpassfilter), einen Differentialver stärker, ein Schleifenfilter, einen VCO (spannungsgesteuer ter Oszillator, "voltage controlled oscillator") und einen empfangenden PN-Codegenerator aufweist, wobei der empfangende PN-Codegenerator denselben PN-Code erzeugt wie eine Ausgangssignalserie des sendenden PN- Codegenerators gemäß einer Eingangsfrequenz des VCO nach dem Empfang eines Freigabesignals (ENABLE) von dem Signal erfassungsteil, woraufhin der empfangende PN-Codegenerator einen PN-Code erzeugt, dessen Phase um eine vorbestimmte Periode des ersten Synthesizer vorauseilt und einen PN-Code erzeugt, dessen Phase um eine vorbestimmte Periode des zweiten Synthesizer hinterherhinkt.

5. Vorrichtung zur Ultraschallmessung einer Fließgeschwindig keit, bei welcher ein Paar von Transducern an einem oberen Strom und einem unteren Strom einer Flüssigkeitspassage in stalliert ist und welche eine Fließgeschwindigkeit gemäß einer Ultraschalllaufzeitdifferenz zwischen den Ultra schalltransducern misst, wobei die Vorrichtung zur Ultra schallmessung einer Fließgeschwindigkeit umfasst:
einen Sendeteil zum Auswählen eines PN-Code aus einer Mehr zahl von PN-Codesignalserien gemäß einem Signalauswahlsig nal und zum Erzeugen eines Ultraschallsignals mit einer modulierten Frequenz gemäß dem ausgewählten PN-Code;
einen Transducerschaltteil zum alternierenden Zuführen des Ultraschallsignals von dem Sendeteil zu einem Paar von Ultraschalltransducern und zum Schalten eines Verbindungs zustandes des Paars von Ultraschalltransducern für eine Sende- oder eine Empfangsoperation;
einen Empfangsteil zum Demodulieren eines Ausgangssignals des Transducerschaltteils und zum Erfassen eines Zeitpunk tes, zu welchem sein eigenes Signal identisch zu einem Sig nal des Sendeteils ist;
einen Signalsynchronisationsteil zum Verriegeln einer Syn chronisation eines Empfangssignals, wenn der Empfangsteil ein Signal erfasst;
einen Zeitintervallmessteil zum Messen einer Ultraschall laufzeit unter der Bedingung, dass eine Synchronisation ei nes Empfangssignals in dem Signalsynchronisationsteil ver riegelt ist; und
eine Steuerung, welche ein Signalauswahlsignal zum Auswäh len eines PN-Code aus einer Mehrzahl von PN- Codesignalserien bei dem Sendeteil erzeugt und eine Fließ geschwindigkeit gemäß einer Ultraschalllaufzeit gegenüber einer von dem Zeitintervallmessteil gemessenen Fließge schwindigkeit berechnet

6. Vorrichtung zur Ultraschallmessung einer Fließgeschwindig keit, mit:
einer Mehrzahl von Satzeinheiten, welche einen Ultraschall strahl mit einer modulierten Frequenz gemäß einem unter schiedlichen PN-Code emittieren oder empfangen und eine Ul traschalllaufzeit messen; und
einer Steuerung, welche die Ultraschalllaufzeiten sammelt, welche von der Mehrzahl von Satzeinheiten gemessen wurden, und eine durchschnittliche Fließgeschwindigkeit berechnet, wobei die Satzeinheit enthält:
eine Mehrzahl von Ultraschalltransducern, welche einander zugewandt an einer unterschiedlichen Höhe bei einem oberen Strom und einem unteren Strom einer Flüssigkeitspassage an geordnet sind;
einen Sendeteil zum Erzeugen eines Ultraschallsignals mit einer modulierten Frequenz gemäß einem vorbestimmten PN- Code;
einen Transducerschaltteil zum alternierenden Zuführen des Ultraschallsignals von dem Sendeteil zu einem Paar von Ultraschalltransducern und zum Schalten eines Verbindungs zustandes des Paars von Ultraschalltransducern für eine Sende- oder eine Empfangsoperation;
einen Empfangsteil zum Demodulieren eines Ausgangssignals des Transducerschaltteils und zum Erfassen eines Zeitpunk tes, zu welchem sein eigenes Signal identisch zu einem Sig nal des Sendeteils ist;
einen Signalsynchronisationsteil zum Verriegeln einer Syn chronisation eines Empfangssignals, wenn der Empfangsteil ein Signal erfasst; und
einen Zeitintervallmessteil zum Messen einer Ultraschall laufzeit unter der Bedingung, dass eine Synchronisation ei nes Empfangssignals in dem Signalsynchronisationsteil verriegelt ist.