DE1234076B

DE1234076B - Method for measuring the flow velocity or the weight or volume per unit of time of gases or liquids

Info

Publication number: DE1234076B
Application number: DE1961F0035167
Authority: DE
Inventors: Dr Erich Baum
Original assignee: Fischer and Porter GmbH
Current assignee: Fischer and Porter GmbH
Priority date: 1961-10-20
Filing date: 1961-10-20
Publication date: 1967-02-09

Description

Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Gewichtes oder des Volumens pro Zeiteinheit von Gasen oder Flüssigkeiten Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Gewichtes oder des Volumens pro Zeiteinheit von Gasen oder Flüssigkeiten durch Messen der Phasendifferenz von Schallwellen, die von einem Schallsender in und entgegen der Strömungsrichtung auf zwei gleich weit vom Schallsender entfernte und vom strömenden Medium beeinflußte elektroakustische Wandler gelangen. Man hat hierzu vom Schallsender sinusförmige Schallwellen abgestrahlt, die in den Wandlern sinusförmige elektrische Signale hervorrufen, die in den Verstärkern in Rechteckspannungen umgewandelt werden. Da hierbei keine lineare Beziehung zwischen den sinusförmigen Schallwellen und den rechteckförmigen Ausgangsspannungen vorliegt, kann auch keine lineare Beziehung zwischen der Differenz der phasenverschobenen elektrischen Signale in den Wandlern und der Phasenverschiebung bestehen, so daß die elektrische Ausgangsgröße nicht ohne weiteres ein Maß für die zu messende Größe des strömenden Mediums darstellt. Um ein solches Maß zu erhalten, ist es beispielsweise erforderlich, die Frequenz der Schallwellen so zu verändern, daß bei Änderung der Strömungsgeschwindigkeit die Phasenverschiebung konstant bleibt.Method for measuring the flow velocity or weight or the volume per unit of time of gases or liquids The invention relates refers to a method for measuring the flow velocity or the weight or the volume per unit time of gases or liquids by measuring the Phase difference of sound waves emitted by a sound transmitter in and against the Direction of flow to two equidistant from the sound transmitter and from the flowing Electroacoustic transducers influenced by the medium reach. You have this from the sound transmitter sinusoidal sound waves emitted, which in the transducers sinusoidal electrical Generate signals that are converted into square-wave voltages in the amplifiers. Since there is no linear relationship between the sinusoidal sound waves and the There can be no linear relationship either between the difference in the phase-shifted electrical signals in the transducers and the phase shift exist, so that the electrical output does not represents a measure of the size of the flowing medium to be measured. In order to obtain such a measure, it is necessary, for example, to determine the frequency to change the sound waves so that when the flow velocity changes the phase shift remains constant.

Dies bedingt aber aufwendige, wartungsbedürftige und auch störungsanfällige Schaltungsanordnungen. However, this requires complex, maintenance-requiring and also failure-prone Circuit arrangements.

Darüber hinaus sind solche Anordnungen bezüglich einer Temperaturkompensation umständlich, und es ist ein erheblicher Schaltaufwand erforderlich für eine Umschaltung des Meßbereiches bei gleicher Skala eines Anzeigeinstrumentes.In addition, such arrangements are related to temperature compensation cumbersome, and a considerable amount of switching effort is required for a switchover of the measuring range with the same scale of a display instrument.

Die geforderte Linearität zwischen den Schallwellen und den Ausgangsspannungen sowie eine leichte Temperaturkompensation und eine einfache Meßbereichsumschaltung gelingt auf einfache und sichere Weise beim Verfahren nach der Erfindung dadurch, daß vom Schallsender rechteckförmige Schallwellen zu den Wandlern ausgesendet, dort in elektrische Größen umgewandelt und diesen nachgeordneten Verstärkeranordnungen mit Gleichrichtern zur Bildung von rechteckförmigen, pulsierenden Gleichspannungshalbwellen zugeführt werden und die pulsierenden Gleichspannungshalbwellen zur allein und linear von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen Phasendifferenzbildung verglichen werden. The required linearity between the sound waves and the output voltages as well as a slight temperature compensation and a simple measuring range switching succeeds in a simple and safe manner in the method according to the invention by that the sound transmitter emits rectangular sound waves to the transducers, there converted into electrical quantities and these downstream amplifier arrangements with rectifiers for the formation of square-wave, pulsating DC voltage half-waves are supplied and the pulsating DC voltage half-waves alone and linearly phase difference formation dependent on the flow velocity can be compared.

Die lineare Beziehung läßt sich besonders einfach dadurch erreichen, daß die Gleichspannungshalbwellen beider Verstärkeranordnungen unterschiedliche Polarität erhalten und bei der Strömungsgeschwindigkeit Null gegeneinander um 1800 phasenverschoben sind. Dadurch nimmt die Breite der Differenzhalbwellen proportional mit der Strömungsgeschwindigkeit zu. The linear relationship can be achieved particularly easily by that the DC voltage half-waves of the two amplifier arrangements are different Preserved polarity and at a flow velocity of zero against each other around 1800 are out of phase. This increases the width of the Difference half-waves proportional with the flow velocity.

Der Schallwellensender wird zur Abstrahlung rechteckförmiger Schallwellen von Rechteckwellengeneratoren an sich bekannter Art beeinflußt. Solche Generatoren bestehen zweckmäßig aus einer Art Gegentaktschaltung zweier steuerbarer kontaktloser elektronischer Schaltmittel, insbesondere Transistoren, die über einen Transformator induktiv miteinander gekoppelt sind. Die Steuerelektroden dieser Schaltmittel sind dabei über RC-Glieder an Zusatzwicklungen des Transformators angeschlossen. Durch abwechselnde Auf- und Entladung der Kondensatoren werden die Schaltmittel abwechselnd stromdurchlässig und stromsperrend ausgesteuert. Dadurch werden bei Verwendung von Transformatoren mit Kernen, deren Magnetisierungskennlinie rechteckförmig ist, rechteckförrnige Ausgangs spannungen erzeugt, die den Schallsendern zugeführt werden. Zur Erzeugung besonders exakter Rechteckspannungen können im Sekundärkreis des Transformators noch eine oder mehrere Zenerdioden angeordnet sein, an denen über Spannungsteiler und Kondensatoren die Rechteckspannung abgegriffen wird Die Zenerdioden schneiden die Halbwellen beim Sperrwert ab und machen somit kleinere Abweichungen der Spannung von der Rechteckform unwirksam. Als Schallsender können vorteilhaft Hochtonlautsprecher benutzt werden, die entsprechend modulierte rechteckförmige Schallwellen aussenden. The sound wave transmitter is used to emit rectangular sound waves influenced by square wave generators of a known type. Such generators consist expediently of a kind of push-pull circuit of two controllable contactless electronic switching means, in particular transistors, via a transformer are inductively coupled to one another. The control electrodes of these switching means are connected to additional windings of the transformer via RC elements. By alternating charging and discharging of the capacitors are the switching means alternately Current-permeable and current-blocking controlled. When using Transformers with cores whose magnetization characteristic is rectangular, rectangular Output voltages generated that are fed to the sound transmitters. To the generation Particularly exact square-wave voltages can be used in the secondary circuit of the transformer one or more Zener diodes can be arranged on which a voltage divider and capacitors the square wave voltage is tapped The Zener diodes cut the half-waves at the blocking value and thus make smaller deviations in the voltage of the rectangular shape ineffective. Tweeters can advantageously be used as sound transmitters be used, which emit appropriately modulated rectangular sound waves.

Gemäß Fig. 1 gelangen diese Schallwellen auf zwei elektroakustische Wandler mit Hochtonlautsprechern, die ihrerseits jeweils an Eingangswicklungen von Transformatoren 1 und 2 angeschlossen sind. According to FIG. 1, these sound waves reach two electroacoustic ones Transducers with tweeters, which in turn are connected to input windings of transformers 1 and 2 are connected.

Auf diese Weise werden die rechteckförmigen Schallwellen wieder in entsprechend rechteckförmige Spannungen umgewandelt, wobei zur Verstärkung dieser Spannungen an die Sekundärwicklungen dieser Transformatoren je zwei Transistoren 3 und 4 bzw. 5 und 6 angeschlossen sind, die in Gegenreihenschaltung ihrer Steuerkreise miteinander verbunden sind. Die Basen beider Transistoren sind gemeinsam an positives Potential unmittelbar und die Kollektoren über gleich große Widerstände an negatives Potential gelegt. Die Mittelanzapfung der Transformator-Sekundärwicklung ist jeweils an einen verstellbaren Spannungsteiler 7, 8 bzw. 9, 10 angeschlossen, der von einer eigenen Spannungsquelle gespeist wird. Durch die besagten Spannungsteiler 7 und 8 bzw. 9 und 10 kann das Basispotential der Transistorpaare leicht so eingesteIlt werden, daß der Verstärkungsgrad beider Verstärker gleich groß wird.In this way, the square-wave sound waves are back in correspondingly converted to square-wave voltages, with the amplification of this Voltages on the secondary windings of these transformers are two transistors each 3 and 4 or 5 and 6 are connected, which are connected in series with their control circuits are connected to each other. The bases of both transistors are common to positive Immediate potential and the collectors to negative via equally large resistances Potential. The center tap of the transformer secondary winding is in each case connected to an adjustable voltage divider 7, 8 or 9, 10, of a own voltage source is fed. By said voltage divider 7 and 8 or 9 and 10, the base potential of the transistor pairs can easily be set in this way that the gain of both amplifiers is the same.

Bei passender Polung der beiden nicht dargestellten Empfänger kann eine gleichgerichtete Differenz der Eingangsspannungen dadurch erhalten werden, daß jeweils die Kollektoren der Transistoren 4 und 5 an eine Gleichrichteranordnung 11 angeschlossen sind, von der dann das Ausgangssignal abgenommen wird. Dieses Ausgangssignal wird von einer Spannung gebildet, die in ihrem Wert der Strömungsgeschwindigkeit direkt proportional ist, da sie eine von der Strömungsgeschwindigkeit linear abhängige Phasenverschiebung derEmpfängerspannungen erfaßt. With the correct polarity of the two receivers, not shown, can a rectified difference in input voltages can be obtained by that in each case the collectors of the transistors 4 and 5 to a rectifier arrangement 11 are connected, from which the output signal is then taken. This output signal is formed by a tension, which in its value is the flow velocity is directly proportional, since it is a linear function of the flow velocity Phase shift of the receiver voltages detected.

Da die Schallgeschwindigkeit von der Temperatur des Mediums abhängt, wird die Messung der Strömungsgeschwindigkeit ebenfalls von der Temperatur beeinflußt. Dies kann aber dadurch leicht vermieden werden, daß als Meßgröße das Gewicht des pro Zeiteinheit durch den Querschnitt der Meßstrecke transportierten Gases gewählt wird. Bei den nachfolgenden Überlegungen zur Erläuterung des Sachverhaltes sind Größen folgender Bedeutung benutzt: T0 = 273 [0C), T1 = 273 +t1 [°C], T2=273+ t2[0cj, M = Molekulargewicht des Meßgases, V = Gasvolumen, R = universelle Gaskonstante, s = Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Meßrohr, q = Querschnitt des Meßrohres, I = Abstand zwischen Sender und Empfänger (Wandler), J q3 = Phasenverschiebung der Schallwellen an den Empfängern, und zwar A q> bei T1 und # bei T2, cp = = spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck p, c# = spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen, Cp x = . cv Allgemein ist das Gewicht G1 eines bestimmten Gasvolumens V bei der Temperatur T1 und dem Molekulargewicht M G1 = M#T0/22,4#T1 . V. (1) Bei einer Temperatur T2 gilt für das Gewicht G, des gleichen Volumens V M . T0 G2 = . V . (2) 22,4 . T2 Daraus ergibt sich G1/G2 = T2/T1 . (3) Die Phasenverschiebung ist 2 . 1 .#.s ## = , (4) V wobei s = die Strömungsgeschwindigkeit des Gases q und q der Querschnitt der Meßstrecke ist. Since the speed of sound depends on the temperature of the medium, the measurement of the flow velocity is also influenced by the temperature. But this can easily be avoided that the weight of the selected per unit of time through the cross section of the measuring section transported gas will. In the following considerations to explain the facts Sizes used with the following meaning: T0 = 273 [0C), T1 = 273 + t1 [° C], T2 = 273 + t2 [0cj, M = molecular weight of the measuring gas, V = gas volume, R = universal gas constant, s = flow velocity of the gas in the measuring tube, q = cross section of the measuring tube, I = distance between transmitter and receiver (transducer), J q3 = phase shift of the Sound waves at the receivers, namely A q> at T1 and # at T2, cp = = specific Heat capacity at constant pressure p, c # = specific heat capacity at constant Volume, Cp x =. cv In general, the weight G1 of a particular one Gas volume V at the temperature T1 and the molecular weight M G1 = M # T0 / 22.4 # T1. V. (1) At a temperature T2 applies to the weight G, the same volume V M. T0 G2 = . V. (2) 22.4. T2 This results in G1 / G2 = T2 / T1. (3) The phase shift is 2. 1. #. S ## =, (4) V where s = the flow velocity of the gas q and q is the cross section of the measuring section.

Für die Schallgeschwindigkeit c gilt R . T1 . x M cp mit x = . (5) cv Somit gilt auch 2 . 1 .#. V . M ## = (6) qRT7x Für ,< ergibt sich daraus ##1/##2 = T2/T1 = G1/G2 . For the speed of sound c, R applies. T1. x M cp with x =. (5) cv Thus, 2 also applies. 1 .#. V. M ## = (6) qRT7x For, <this results in ## 1 / ## 2 = T2 / T1 = G1 / G2.

Dies gilt jedoch exakt nur theoretisch, da eine kleine Temperaturabhängigkeit trotzdem besteht, da die wirklichen Gase den Gasgesetzen für ideale Gase nicht vollständig folgen. However, this is only true theoretically, as there is a small temperature dependence nevertheless exists, since the real gases do not completely comply with the gas laws for ideal gases follow.

Wird dagegen die einwandfreie und zuverlässige Messung des Volumens eines strömenden Gases gefordert, so muß der Einfluß der Gastemperatur auf die Schallgeschwindigkeit und damit auch auf die Phasenverschiebung der von den Empfängern aufgenommenen Signale kompensiert werden. Dies geschieht gemäß der Erfindung, wie nachfolgend näher dargelegt ist, auf sehr einfache Weise: Wenn die als Phasenverschiebung erfaßte Strömungsgeschwindigkeit in Form einer gleichgerichteten Amplitudendifferenz am Gleichrichter erhalten wird dann kann der Einfluß der Temperatur auf das Meßergebnis durch entsprechende Veränderung der Amplituden leicht ausgeglichen werden. Hat beispielsweise eine Erhöhung der Temperatur eine Verringerung der Phasenverschiebung zur Folge, dann ist die Ausgangsspannung am Gleichrichter 11 bei einer Temperaturänderung kleiner als ohne Temperaturänderung, so daß man in diesem Fall die Amplitude nur entsprechend der Temperaturänderung zu vergrößern braucht. On the other hand, it is the correct and reliable measurement of the volume of a flowing gas is required, the influence of the gas temperature on the speed of sound must be and thus also on the phase shift of the signals picked up by the receivers be compensated. This is done according to the invention, as set out in more detail below is, in a very simple way: If the flow velocity recorded as a phase shift is obtained in the form of a rectified amplitude difference at the rectifier then the influence of the temperature on the measurement result can be changed accordingly the amplitudes can be easily compensated. For example, has an increase in Temperature results in a reduction in the phase shift, then the output voltage at the rectifier 11 with a temperature change smaller than without a temperature change, so that in this case the amplitude only corresponds to the temperature change needs to enlarge.

In Fig. 2 ist ein eingangs erwähnter Schallwellensender gezeigt, dessen ausgangsseitiger Spannungsteiler einen temperaturunabhängigen Widerstand 12 und einen temperaturabhängigen Widerstand 13 aufweist. Der temperaturabhängige Widerstand ist dabei in an sich bekannter Weise der Temperatur des zu messenden strömenden Gases ausgesetzt. Je nachdem, ob die Amplitude mit zunehmender Temperatur größer oder kleiner werden soll, wird die Spannung an dem einen oder dem anderen der beiden Widerstände abgegriffen. In Fig. 2, a sound wave transmitter mentioned at the beginning is shown, whose output voltage divider has a temperature-independent resistor 12 and a temperature-dependent resistor 13. The temperature dependent There is resistance in a known manner the temperature of the to be measured flowing gas exposed. Depending on whether the amplitude increases with Temperature should be higher or lower, the voltage on the one or the other of the two resistors.

Andererseits kann man eine Temperaturkompensation auch so durchführen, daß man dieHalbwellenbreite vergrößert. Dem entspricht eine Frequenzänderung des Senders. Da die Sendefrequenz von der Größe der Speisespannung beeinflußt wird, kann man diese von der Temperatur abhängig machen. On the other hand, temperature compensation can also be carried out that the half-wave width is increased. This corresponds to a change in frequency of the Transmitter. Since the transmission frequency is influenced by the size of the supply voltage, you can make this dependent on the temperature.

Claims

Claims: 1. Method for measuring the flow velocity or the weight or volume per unit of time of gases or liquids by measuring the phase difference of sound waves emitted by a sound transmitter in and against the direction of flow to two equidistant from the sound transmitter and electroacoustic transducers influenced by the flowing medium get through it marked that from the sound transmitter rectangular sound waves to the transducers sent out, converted there into electrical quantities and these downstream amplifier arrangements with rectifiers for the formation of square-wave, pulsating DC voltage half-waves are supplied and the pulsating DC voltage half-waves alone and linearly phase difference formation dependent on the flow velocity can be compared.

2. The method according to claim 1, characterized in that the DC voltage half-waves have different polarity and at zero flow velocity against each other are phase shifted by 1800, so that the width of the difference half-waves is proportional increases with the flow velocity.

3. The method according to claim 1 or 2, for measuring the weight per Time unit, characterized in that independently of the temperature as a measure for the weight per unit of time is taken as the uncompensated measured phase difference will.

4. The method according to claim 1 or 2 for measuring the volume per Time unit, characterized in that to compensate for the temperature influence the width of the difference half-wave and / or the amplitude of the voltages of both converters changed proportionally to the temperature deviation from a temperature setpoint and the compensated size is taken as a measure of the volume per unit of time.

5. The method according to claim 4, characterized in that the change the width and / or the amplitude takes place automatically.

Considered publications: German Patent Specifications No. 520 484, 939 411; U.S. Patent No. 2534712; Journal “The Review of Scientific Instruments "Vol. 25, No. 3, March 1954, pp. 201 to 206; »VDI magazine«, 103 (1961), No. 24 of August 21, pp. 1202 to 1205; »Voith Research and Construction«, no. 3, from August 1958, pp. 1.1 to 1.40.