DE1773777C3 - Einrichtung zur Geschwindigkeitsmessung an einem Strömungsmittelstrom - Google Patents

Description

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Achse (Y) mit dem Impulsweg (P) einen kleinen Winkel (λ) einschließt, welcher von dem Verhältnis der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten des Impulses in dem Medium einerseits und in dem Kristall (30) andererseits abhängig ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinus des Winkels zwischen der genannten ersten Achse (X) des Kristalls (30) und dem Impulsweg dem Ausdruck

V,-c

gleich ist, worin d die Dicke längs der ersten Achse, c die Dicke längs der zweiten Achse und V_e und V₁. die Geschwindigkeiten des Impulses in dem Gas bzw. in dem Kristall bedeuten.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Geschwindigkeitsmessung an einem Strömungsmittelstrom in einem Leitungsabschnitt durch Zeitmessung und Laufzeit-Differenzbildung an Druckimpulsen, die von jeweils an den Enden des Leitungsabschnittes gelegenen Druckimpulsgeneratoren er- zeugt und längs eines bestimmten, gemeinsamen, innerhalb des Strömungsmittelstromes zwischen den Druckimpulsgeneratoren verlaufenden Ausbreitungsweges abwechselnd stromaufwärts und stromabwärts zu piezoelektrischen Wandlern geschickt werden.

Eine aus der deutschen Auslegeschrift 1150213 bekannte Einrichtung dieser Art besitzt jeweils ein Druckimpubgenerator-Detektor-Paar einmal für die Meßstrecke mit einem Impulsausbreitungsweg in Strömungsrichtung und zum anderen für die Meßstrecke mit :inem Impulsausbreitungsweg entgegen der Strömung srichtung. Zur Laufzeitmessung wird bei der bekannten Einrichtung der Zeitabstand zwischen der Erregung des Druckimpulsgenerators und dem

Eintreffen des Dnickimpulses am zugehörigen Wandler verwendet.

Die bekannte Einrichtung hat den Nachteil, daß Korrekturrechnungen oder Korrekturvorrichtungcn notwendig sind, um die Zeitdauer von der Auslösung der Erregung des Druckimpulsgenerators bis zum Beginn des Laufes des Druckimpulses im Strörr.ungsmit"cl so zu berücksichtigen, daß das Meßergebnis nicht verfälscht wird.

Durch die Erfindung soll demgemäß die Aufgabe gelöst werden, die sich bei Meßeinrichtungen der eingangs kurz angegebenen Art aus der Geometrie und aus der Aufnahme der Impulse ergebenden Meßfehler herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß je einer der piezoelektrischen Wandler unmittelbar vor je einem Druckimpulsgenerator auf dem genannten Ausbreitungsweg in Richtung auf den jeweils anderen Druckimpulsgenerator liegt, so daß ein Zeitmeßabschnitt bezüglich der Laufzeit des Impulses von einem Druckimpulsgenera'.or durch Erregung des benachbarten piezoelektris;hen Wandlers in Lauf gesetzt und durcr Erregung des entfernt liegenden piezoelektrischen Wandlers beendet wird und daß ferner der piezoelektrische Kristall der beiden Wandler derart in dem Impulsweg gehaltert ist, daß eine empfindliche Achse des Kristalls im wesentlichen parallel zum Impulsweg verläuft, so daß aus um 180° verschiedenen Richtungen auf den Wandler auftreffende Druckimpulse den Kristall zu erreger vermögen.

Diese Ausbildung der Meßeinrichtung hat gegenüber entsprechenden bekannten Einrichtungen außerdem den Vorteil, daß der technische Aufwand verringert werden kann, da jedem piezoelektrischen Wandler doppelte Aufgabe zugewiesen wird, nämlich für den einen Meßvorgang das Iniaufsetzen der Zeitmessung und für den anderen Meßvorgang die Beendigung der Zeitmessung und daß außerdem für die Messung in Strömungsrichtung und für die Messung entgegen der Strömungsrichtung identische Meßstrecken vorliegen, ohne daß die Wandler synchron von Sendebetrieb auf Empfangsbetrieb umgeschaltet zu werden brauchen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der piezoelektrische Kristall von einem quaderförmigen Ouarzstück gebildet sein, dessen Achsen senkrecht zu einem Paar einander gegenüberliegender Kristalloberflächen verlaufen. Der Quarzkristall kann dabei innerhalb des Impulsweges mittels zweier elektrisch leitender Klammern gehaltert sein, welche dieselbe spezifische akustische Impedanz aufweisen wie der Kristall.

Durch diese Ausbildung der Meßeinrichtung bzw. ihrer piezoelektrischen Wandler wird eine weitere Quelle von Meßfehlern bekannter Meßeinrichtungen ausgeschaltet, worauf nachfolgend kurz eingegangen sei.

Piezoelektrische Kristalle erzeugen ein kleines Spannungssignal, wenn sie durch einen Druckimpuls erregt werden, doch ist dieses Signal außerordentlich schwach, unH bei einer Verstärkung des von dem Kristall abgenommenen Signals findet auch eine Verstärkung der Raiischspannung statt, welche so stark sein kann, daß das von dem Impuls verursachte Signal überdeckt wird. Zur Erzielung stärkerer Spannungssignale können größere Kristalle verwendet werden, doch bei einer Zunahme der Dicke des Kristalls in Richtung des lripulsweges durch den Kristall nimmt auch die Anstiegszeit für den Kristall zu. Kurze Anstiegszeiten werden jedoch angestrebt, um äie Ausgangssignale des betreffenden Wandlers mit dem Emtreffen einer Impulswellenfront auf dem Kristall unabhängig von Änderungen der Impulsstärke genau synchronisiert zu halten. Ein starker Impuls erzeugt an dem Kristall eine große Ausgangsspannung mit der gleichen Anstiegszeit wie ein schwacher Impuls.

ίο Da aber die Wandlerfchaltung normalerweise zur Auslösung eines Zählers bei einem ganz bestimmten festen Spannungspegel dient, würde ein starker Impuls dazu führen, daß dieser Spannungspegel eher erreicht wird, als dies bei einem schwachen Impuls der Fall ist. Die Größe dieser Abweichung bei der Zählerauslösung auf Grund von Veränderungen der Impulsstärke kann durch Einhalten sehr kleiner Anstiegszeiten auf Grund der zuvor beschriebenen Ausbildung des piezoelektrischen Wandlers auf einem kleinen Wert gehalten werden indem die Dicke des Kristalls in Richtung des Impulsweges kleingehalten und eine andere Möglichkeit zur Erhöhung der Ausgangsspannung des Kristalls ausgenutzt wird.

Im übrigen bilden weitere zweckmäßige Ausge-

»5 sfjtungen der erfindungsgemäßen Einrichtung Gegenstand der Patentansprüche.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispie! unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:

Fig. 1 eine Abbildung einer Einrichtung zur Messung von Gasströmen mit Druckimpulsgeneratoren und Wandlern, welche an zwei Meßstellen längs einer Leitung angeordnet sind,

F i g. 2 einen Schnitt durch einen der Wandler.

welche jeweils neben dem Ausgang einer Impulsquelle in der Wandung der betreffenden Leitung befestigt sind,

Fig. 3 eine Einzelheit aus F i g. 2 entsprechend der in dieser Zeichnung angedeuteten Schnittlinie 3-3

4P zur Verdeutlichung der federnden Aufhängung des Kristalls und

Fig. 4 eine Darstellung zur Erklärung, wie ein Dnickwellenimpuls einen piezoelektrischen Kristall erregt, so daß ein optimales Ausgangssignal erzeugt wird.

In Fig. 1 der Zeichnung ist eine Leitung 10 dargestellt, durch welche ein Gasstrom F geführt ist. der durch einen Pfeil innerhalb eines Zeitmeßabschnittes der Leitung angedeutet ist, in dem die Strömungs-

messung vorgenommen werden soll. An jedem Ende des Zeitmeßabschnittes sind Druckimpulsgeneratorer (auch als Impulsquellen bezeichnet) 12 und 12' sowie Druckimpjlswandlfr 14 und 14' gelegen. Die durcl einen Strich gekennzeichneten Zahlen bezeichnen je weils entsprechende Teile des stromab gelegener Teiles der Meßeinrichtung. Als Druckimpulsgenera toren können beliebige Generatoren dienen, die cinci Sehulldruckimpuls in einem gasförmigen Mediun erzeugen.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung ermittelt di< Geschwindigkeit des Gasstroms durch die Leitung 10 indem abvechselnd mit dem Strom von der Impuls quelle 12 aus stromabwärts und gegen den Stron von der Impulsquelle 12' stromaufwärts Druckwelle!

ausgesendet werden. Der Unterschied in lcr Laufzci jedes dieser Impulse bildet ein Maß für die Ge schwindigkcit der Gasströmung in der Leitung. Di Impulse werden längs eines gemeinsamen, zwischci

tlen Impulsqucllen 12 und 12' verlaufenden Weges P ausgesendet. Die Wandler 14 und 14' liegen jeweils neben den zugehörigen lmpulsqueilen auf diesem gemeinsamen Weg. Jede Druckwelle wird von den Wandlern aufgenommen, wenn sie sich durch das strömende Gas hindurch in Richtung auf die gegenüberliegende Impulsquelle bewegt. Ein stromabwärts laufender Impuls trifft zuerst auf den Wandler 14 und erzeugt ein Auslösesignal, welches über einen Verstärker 16 einen nicht dargestellten Zeitmesser auslöst. Wenn der stromabwärts laufende Impuls den Wandler 14' erreicht, so bewirkt das von diesem Wandler 14' abgegebene Signal über einen Verstärker 16' eine Abschaltung des Zeitmessers. Auf diese Weise kann die Zeit bestimmt werden, weiche ein Impuls benötigt, um sich innerhalb des Gasstromes über die feste Meßstrecke zwischen den Wandlern hinweg zu bewegen. Ist die Laufzeit eines sich stromabwärts bewegenden Impulses bestimmt worden, so wird ein von der stromabwärts gelegenen Impulsquclle 12' erzeugter Impuls stromaufwärts gesandt. Der sich stromaufwärts bewegende Impuls trifft zunächst auf den Wandler 14', der ein Auslösesigrial abgibt, das über den Verstärker 16' den Zeitmesser in Betrieb setzt. Wenn der Impuls den stromaufwärts gelegenen Wandler 14 erreicht, wird der Zeitmesser von einem über den Verstärker 16 herbeigeführten Signal abgeschaltet. Sind die Laufzeiten sowohl für stromaufwärts laufende Impulse als auch für stromabwärts laufende Impulse bestimmt worden, so ist es möglich, hieraus die Strömungsgeschwindigkeit oder den Massendurchsatz in dem betreffenden Leitungsabschnitt zu bestimmen.

Jede der Impulsquellen 12 und 12' sendet über eine Düse 18 bzw. 18' einen Impuls nach einem in der Wandung des betreffenden Leitungsabschnittes vorgesehenen Ausgang 20 bzw. 20'. An jedem der genannten Ausgänge ist jeweils ein Reflektor 22 bzw. 22' angeordnet, welcher die Ausbreitungsrichtung des impulses ändert und den betreffenden Impuls auf den an dem gegenüberliegenden Ende der Leitung gelegenen Wandler hinlenkt. Die Reflektoren sind so angeordnet, daß die in beiden Richtungen laufenden Impulse innerhalb der Leitung über den gemeinsamen Weg P zwischen den Wandlern 14 und 14' geführt werden. Hierdurch wird erreicht, daß der von jedem der Impulse durchlaufene Weg zwischen den Wandlern jeweils gleich ist. Irgendwelche Fehler hinsichtlich der von jedem Impuls zu durchlaufenden Strecke vor der Feststellung des Impulses bleiben hiermit auf Fehler begrenzt, die vor. geometrischen Unterschieden im Aufbau jedes Wandlers verursacht werden. Es ist daher von besonderer Bedeutung, daß beide Wandler in derselben Weise aufgebaut sind und im wesentlichen gleiche Abmessungen haben.

In Fig. 2 der Zeichnungen ist ein Schnitt durch den Wandler 14 und die Düse 18 dargestellt. Die Düse und der Wandler sind innerhalb eines Gehäases 24 angeordnet und an der Wandung der Leitung 10 befestigt. Im Bereich des Düsenausganges 20 der Wandung der Leitung 10 ist ein Reflektor 22 befestigt Zwischen der Düse 18 und dem Wandler 14 befindet sich eine Trennwandung 26. Diese Trennwandung verhindert, daß Impulse, welche sich durch die Düse nach oben bewegen, durch die untere Tragkonstruktion für den Wandler diesen erreichen, bevor die Impulse auf den Reflektor 22 treffen und längs des Weges P in Richtung auf das gegenüberliegende Ende des Leitungsabschnittes abgelenkt werden. Der Wandler wird daher nicht erregt, bis ein Impuls sich längs des erwähnten Weges in Richtung auf die gegenüberliegende Impulsquellc bewegt. Da die Druckimpulse schwächer werden während sie durch das Gas laufen, ist die Stärke eines von der entfernt liegenden Impulsquclle 12' ausgehenden, auf den Wandler 14 treffenden Impulses geringer als die Stärke eines Impulses, welcher unmittelbar von der benachharten Impulsquelle 12 ausgeht. Um nun die an dem jeweiligen Wandler wirksame ImpulsHtärke unabhängig davon auszugleichen, von welcher Impulsquclle her der betreffende Impuls einläuft, ist am oberen Ende der Trennungswand 26 ein Schild 27 befestigt, welcher die Intensität des von der jeweils benachbarten Impulsquclle ausgehenden Impulses abschwächt. Der Schild 27 besitzt einen Ausschnitt 29, welcher einem kleinen Anteil des von der jeweils benachbarten Impulsquellc ausgehenden Impulses einen

ao ungehinderten Zutritt zu dem Wandler gewährt.

Der Wandler 14 setzt sich aus einer trägen Masse 28, einem Kristall 30 und elektrisch leitenden Halterungsklammern 32 und 34 zusammen. Der Wandler 14 ist über eine federnde Halterung 36 an dem Ge-

»5 häuse 24 befestigt. Die Halterung 36 ist im einzelnen aus Fig. 3 der Zeichnungen zu erkennen und enthält Arme 38 und 40, die an die Wandungen des Gehäuses 24 angeschlossen oder mittels Schrauben 41 und 42 gehallen sind. Die träge Masse 28 ist über Schrauben 43 und 44 an der Halterung 36 befestigt. Die große Trägheit der Masse hat das Bestreben, den physikalischen Stoß abzuschwächen, welcher auf den Kristall 30 wirkt, wenn ein Impuls durch die Düse 18 läuft oder über die Halterungskonstruktion von der Leitung 10 aus eintrifft. Zusätzlich kann die Halterung 36 aus einem geeigneten Werkstoff, beispielsweise aus einem bekannten Polyamid hergestellt sein, wodurch die Federwirkung zwischen dem Gehäuse 24 und der trägen Masse 28 erhöht und gleichzeitig

eine Erschütterung der Masse abgedämpft wird, was auf den inneren Hysteresiseigenschaften dieses Werkstoffes beruht.

Das Kernstück des Wandlers 14 bildet der in F i g. 2 dargestellte piezoelektrische Kristall 30. Piezoelektrische Kristalle sind allgemein bekannte Wandler für Druckimpulse und erzeugen an ihren Oberflächen elektrische Spannungen, wenn sie von einem Impuls getroffen werden. Um diese Spannungen ausnützen zu können, sind die Halterungsklammern 32 und 34 elektrisch leitend ausgebildet and voneinander isoliert, so daß sie die Aufgabe von Elektroden zur Übertragung der Signalspannungen von dem Kristall 30 zu dem Verstärker 16 erfüllen können. Die Klammer 32 ist in der tragen Masse 28 verankert, weiche aus elektrisch leitendem Werkstoff, beispielsweise aus Messing bestehen kann. Nachdem die Halterung 36 aus Polyamid gefertigt ist, wird eine elektrische Isolation zwischen der Masse 28 und der Leitung 10 erzielt, und die Masse kann daher als Teil der elektrischen Verbindung zu dem Verstärker 16 über dem Erdpotential angesehen werden.

Nachdem die von dem piezoelektrischen Kristall erzeugten Spannungen sehr klein sind and nachdem außerordentlich genaue Spangsmessungea auageführt werden müssen, maß die kapazitive Kopplung zwischen den Leitungen von dem Kristall zu dem Verstärker klein Und konstant gehalten werden. Zu diesem Zweck werden die Klammern 32 und 34

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so stun ausgeführt, daß sie den Kristall unter gerin- Achsen, längs welchen Signalspannungen erzeugt p:r AbbieguiiRsmöglichkeit zu haltern vermögen. werden, sind mit X und Y bezeichn-t. Die dritte Line isolierte elektrische Leitung 46, v/elche von der Achse ist die Z-Achse, welche senkrecht zu der Klammer 34 herbeigeführt ist, läuft durch eine Bob- Zeichenebene von F ig. 4 der Zeichnungen gerichtet rung 48 der tragen Masse 28 hindurch und ist gegen- 5 ist. Die längs der Λ'-Achsc und der V-Achse erzeugiiber der Masse 28 mittels einer keramischen Masse ten Spannungen entsprechen jeweils der innerhalb 50 fixiert. Um eine federnde Bewegung des Wandlers des Kristills herrschenden Druck- oder Zugsparzu ermöglichen, sind für die Verbindung desselben nung bzw. der innerhalb des Kristalls herrschenden mit einer Koaxialleitung 56. die zu dem Verstärker Scherspannung, obgleich nicht sämtliche Erregungs-16 führt, knr/c flexible Leitungsstücke 52 und 54 vor- io müglichkeiten des Kr'italls Verwendung finden. Beigesellen. Die Koaxialleitung 56 besteht aus einem spielswcise erzeugt ein Druckimpuls, welcher in zentrischen Draht 58 und einer zylindrischen Hülse Richtung der Λ'-Achsc durch den Kristall läuft, eine 6(K Das Verhältnis des Durchmessers des Drahtes zu Signalspannung längs der X-Achse. Diese Spannung dem Durchmesser der Hülse ist möglichst klein ge- kann mittels elektrischer Anschlüsse abgeleitet wcrhalicn. um einen niedrigen Kapazitätswert zwischen »5 den. welche Verbindung mit den Flächen 70 und 72 Draht und ^lI!ilse zu erzielen. Die träge Masse 28 ist haK n. Ferner ist es eine charakteristische Eigenübcr die flexible Leitung 52 an die Hülse 60 ange- schaft solcher Kristalle, daß eine Druckwelle, welche schlossen, während der zentrische Draht 58 über die in Richtung der Y-Achse durch den Kristall läuft, flexible Leitung 54 mit der isolierten elektrischen eine Spannung längs der X-Achse erzeugt, die vor-I.eitung 46 in Verbindung steht. Der zentrische *« zeichenmäßig entgegengesetzt zu der Spannung ist, Draht 58 ist mittels einer niedrige Dielektrizitätskon- die von einer sich längs der X-Achse durch den Kristantc aufweisenden keramischen Schaummasse 62 stall bewegenden Druckwelle hervorgerufen wird, innerhalb der Hülse 60 gchaltcrt und von der Hülse Wird daher der Kristall einem hydrostatischen elektrisch isoliert. Eine DruckdiclHung 63 schließt Druck ausgesetzt, welcher sowohl längs der X-Achse das obere Ende der Hülse 60 ab und verhindert ein »5 als auch längs der Y-Achse laufende Druckimpulsc Einwirken des in der Leitung 10 wirksamen Druckes verursacht, so versteht es sich, daß das Spannungsauf den Verstärker, da die in dem Verstärker be- Ausgangssignal des Kristalls längs der X-Achse fi -dlichcn elektrischen Bauteile von dem hohen gleich Null ist.

Druck der Leitung ungünstig beeinflußt werden Außerdem spricht der Kristall auf Scherspannunkönnten. Die Koaxialleitung 56 ist in dem Gehäuse 3° gen um die Z-Aohse an. Scherspannungen um die 24 über O-förmige Dichtungsringe 64 und 66 be- Z-Achse treten beispielsweise auf, wenn Kräfte in festigt, welche die Leitung gegenüber dem Gehäuse Richtung der Diagonalen mit Bezug auf die Darstelisolicren. Die Leitung 56 ist im übrigen von dem lung 'es Kristalls nach Fig. 4 wirken. Ein auf ein Gehäuse 24 auf ihrer gesamten Länge durch einen Paar diagonal gegenüberliegender Ecken des Krischmalen Luftspalt getrennt. Durch diese Konstruk- 35 stalls wirkender Druck erzeugt eine Spannung längs tion wird erreicht, dab beide Verbindungen zu dem der Y-Achsc. Ein entsprechender, auf das jeweils Kristall über dem Erdpotential betrieben werden gegenüberliegende Paar diagonaler Ecken wirkender können, was wünschenswert ist, wenn zur Auswer- Druck ruft eine gleiche, jedoch in ihrem Vorzeichen tung der vom Kristall abgenommenen Signale ein entgegengesetzte Spannung längs der Y-Achse hersogenannter Bootstran-Verstärker verwendet wird. 40 vor. Diese Spannungen können durch elektrische Die Ausnehmung, durch weiche die Koaxialleitung Kontakte abgenommen werden, die mit den Flächen 56 hindurchgeführt ist. weist eine akustisch dämp- 74 und 76 verbunden sind.

fende Auskleidung 67 auf, welche zur Abschwächung Aus Obigem ergibt sich, daß eine auf den Kristall von Drackimnulsen dient, die von dem Gehäuse 24 treffende Druckwelle, welche auf dem Weg P unter auf die Leitung 56 übertragen werden könnten. Die 45 einem bestimmten Winkel zur Y-Achse eintrifft, so* sich durch das Gehäuse 24 hindurchbewegenden Im- wohl eine Scherspannungswelle als auch eine Druckpulse bewirken zwar eine kleine Verschiebung der Spannungswelle hervorruft, die durch den Kristall Auskleidung 57. doch werden die Impulse auf Grund hindurchlaufen und entsprechende Ausgangsspander schlechten Kopplung über den Luftspalt zwischen nungen sowohl längs der X-Achse als auch der längs der Hililse 60 und der Auskleidung 67 nicht auf die 50 der Y-Achse hervorrufen. Diese Spannungen können Hülse 60 übertragen. Die Auskleidung 67 kann abgenommen werden, indem man Elektroden an die außerdem gegenüber dem Verstärker elektrisch ge- Flächen 70, 72, 74 und 76 anlegt.
err¹"* sein, so daß eine elektrische Abschirmung der Mit dem Buchstaben W ist ein Druckimpuls beLeitung 56 erreicht wird. zeichnet, welcher unter einem kleinen Winkel au Der piezoelektrische Kristall 30 soll so betrieben 55 den Kristall trifft Dieser Impuls möge den Kristal werden, daß sich ein optimales Ausgangssignal ergibt. zu der Zeit r, erreichen. Zu der Zeit f, hat sich dii Die Art und Weise der Erregung des Kristalls bei Impulswelle um ein endliches Stück in dem gasförmi einem Einfall der Wellen aus Richtungen, die einen gen Medium, innerhalb welchem der Kristall ange Winkel von 180° gegeneinander einschließen, wird ordnet ist, fortbewegt Die Stellung der Druckwelle zi unter Bezugnahme auf F i g. 4 der Zeichnungen näher 60 der Zeit t, ist in der Zeichnung in etwas vorgerückte erläutert. Der piezoelektrische Kristall 30 wird aus Lage angegeben. Die Druckwelle ist auch in der Quarz hergestellt und wird quaderförmig ausge- Kristall unter einem kleinen Winkel zu dem zwische schnitten. Auch andere Kristalle, welche die nach- den Druckimpulsquellen verlaufenden Weg P vorgc folgend angegebenen Eigenschaften zeigen, können rückt, wie durch die in unterbrochener Linie eingi verwendet werden. Der Kristall hat drei zueinander 65 zeichnete Diagonale angedeutet ist. Der Vorgang \\ senkrecht stehende Achsen, welche den beim Auf- hierbei ähnlich der Brechung von Licht beim Durcl treffen eines Schockimpulses von dem Kristall er- gang von einem Medium in ein anderes und bend zeugten Spannungen zugeordnet sind. Die beiden auf der Tatsache, daß die Geschwindigkeit des In

pulses in dem Kristall größer als in dem gasförmigen Medium ist. Der Impuls hat daher an der Fläche 72 den Kristall bereits vollständig durchlaufen, während er an der Fläche 70 sueben erst in den Kristall eintritt. Bei dieser besonderen Lage des Impulses wird sowohl längs der .Y-Achse entsprechend der Druckspannung als auch längs der Y-Achse entsprechend der Schubspannung ein Ausgangssignal beobachtet. Berechnet man den Einfallswinkel, bei welchem eine solche Lage des Impulses in dem Kristall zustande to kommt, so ergibt sich, daß sich der Sinus des Winkels folgendermaßen ausdrücken läßt:

sin a — ■

Vg-(I

worin d und c die in F i g. 4 der Zeichnungen angegebenen Abmessungen des Kristalls bedeuten. Für einen Quarzkristall, der in der Umgebung natürlichen ao Gases betrieben wird und dessen Abmessungen durch c=0,228cm und d=0,228cm gegeben sind, ergibt sich für den Winkel λ ein Wert von etwa 3°.

Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß das Ausgangssignal eines Kristalls mit untereinander ver- *$ bundenen Elektroden bei Erregung unter einem Winkel von 3° zweifach größer als das Ausgangssignal ist, welches erhalten wird, wenn ein Impuls gleicher Stärke den Kristall unmittelbar entweder längs der .Y-Achse oder der Y-Achse trifft. Die Anstiegszeit bleibt jeweils gleich. Ein direktes Auftreffen eines Impulses längs der Achsen unter der Bedingung λ = 0° führt zu einer einfachen Druckwelle in dem Kristall, und es ergibt sich kein auf einer Scherspannungswelle beruhendes Ausgangssignal, so daß ein kleineres zusammengesetztes Signal an den Elektroden auftritt. Eine Erhöhung des Winkels « bis auf 10° ergibt auch ein Ausgangssignal, welches größer ist als bei a = 0°, was offenbar auf dem Vorhandensein sowohl von Scherspannungswellen als auch von Druckwellen beruht. Das Ausgangssignal fällt jedoch bei einem Winkel von über 3° rasch ab. Die angegebene Formel für sin α liefert daher den annähernden Winkel, unter welchem der Druckimpuls auf den Kristall treffen soll, um ein optimales Ausgangssignal hervorzurufen.

Selbstverständlich ist es von wesentlicher Bedeutung, daß die richtigen Paare der an dem Kristall anliegenden Elektroden zusammengeschlossen werden. Beispielsweise müssen die beim Auftreffen einer Druckwelle auf den Kristall positiv geladenen, normal zur X-Achse bzw. zur Y-Achse orientierten Flächen miteinander verbunden und die beim Auftreffen einer Druckwelle auf den Kristall negativ geladenen, senkrecht zu der ÄT-Achse bzw. der Y-Achse orientierten Flächen zusammengeschlossen werden.

Würde ein Druckimpuh auf diejenige Ecke des Kristalls auftreffen, welche den Kristall flächen 70 und 74 gemeinsam ist, so würde die hierbei entstehende Scherspanmmgswelle eine Spannung erzeugen, die genau entgegengesetzt zu der Spannung ist, die von einem Schockinipuls entsprechend F Tg. 4 der Zeichnungen längs der Y-Achse hervorgerufen wird. Ist also der Kristall so ausgerichtet daß eine Druckwelle auf die den Kristallflächen 70 und 74 gemein- same Kante des Kristalls trifft, wobei «=3° sei, so wird das maximale Ausgaiigssignal erhalten, indem die an den Flächen 70 und 74 anliegenden Elektroden /.usammengeschlossen und die an den Flächen 72 und 76 anliegenden Elektroden miteinander verbunden werden. Ohne eine solche Umschaltung der Verbindung der Oberflächen wären die von der Druckspannung und die von der Scherspannung herrührenden elektrischen Spannungen in Gegenphase und der zusammengesetzte Ausgang wäre im wesentlichen Null.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die zur Ausnützung der geeigneten Richtungen der Spannungen zusammenzuschaltenden Flächen die gleichen für beide Richtungen sind, aus welchen Impulse, die längs des Weges P laufen, auf den Kristall auftreffen. Dies beruht auf der Tatsache, daß die Scherspannungsweile in dem Kristall dieselbe innere Verzerrung erzeugt, wenn die diagonal gegenüberliegende Ecke des Kristalls von der Druckwelle getroffen wird. Das Ansprechen des Kristalls bleibt daher gegenüber Druckwellen, die aus um 180° verschiedenen Richtungen auf den Kristall treffen, gleich. Der Einsatz eines erftndungsgemäßen Wandlers mit jeweils einem Paar miteinander verbundener Elektroden ist daher besonders dann sehr vorteilhaft, wenn der betreffende Kristall von Impulsen erregt werden soll, die aus um 180° verschiedenen Richtungen auf den Kristall auftreffen. Um dann für solche Impulse die maximale Ausgangsspannung von dem Kristall abnehmen zu können, ist es nur erforderlich, den Kristall so zu orientieren, daß die Z-Achse normal zu dem Impulsweg gerichtet ist, während die X-Achse oder die Y-Achse die Winkelstellung einnimmt, bei welcher an den zusammengeschlossenen Elektroden die optimale Ausgangsspannung abnehmbar ist.

Betrachtet man nochmals F i g. 2 der Zeichnungen, so sieht man, daß die elektrisch leitenden Klammern 32 und 34 Berührung mti benachbarten Flächen des Kristalls haben, die jeweils normal zu den spannungsabgebenden Achsen X und Y orientiert sind. Die Klammern 32 und 34 bilden jeweils die Elektroden, welche den für die Aufgabe der optimalen Ausgangsspannung zusammenzuschaltenden Kristallflächenpaaren gemeinsam sind. Um sicherzustellen, daß den Kristall eine maximale Impulsstärke erreicht, sind die Klammern aus einem bestimmten Werkstoff, beispielsweise aus Aluminium gefertigt, falls als Kristallmaterial Quarz Verwendung findet. Aluminium und Quarz haben annähernd dieselbe spezifische akustische Impedanz, und demzufolge werden an der Trennfiäche zwischen dem Kristall und den Klammem keine Reflexionswellen erzeugt, wenn eine Druckwelle auf dem Detektor auftrifft Femer ist es zweckmäßig, einen Flüssigkeitsfilm, beispielsweise aus Silikonöl, in die Trennfläche zwischen Kristall und Klammer einzubringen, wodurch der Übergang akustischer Energie erleichtert wird. Sflikonöl ist deswegen besonders geeignet, da sein niedriger Dampfdruck ein Verdunsten oder Verdampfen verzögert

Die Klammern haltern den Kristall unter einem Winkel * mit Bezug auf den Impulsweg P, so daß die optimale Ausgangsspannung abgenommen werden k?nn, wie unter Bezugnahme auf Fi g. 4 beschrieben wurde. Da die Laufzeit des Impulses durch jeden Detektor von der Dicke der Klammern und des Kristalls in Richtung des Weges P beeinflußt wird, ist es außerdem zweckmäßig, die Klammern und den Kristall so gleichförmig wie möglich auszubilden, um die Laufzeit jedes Impulses in dem Detektor zu vergleichmäßigen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Geschwindigkeitsmessung an einem Strömungsmittelstrom in einem Leitungsabschnitt durch Zeitmessung und Laufzeit-Differenzbildung an Druckimpulsen, die von jeweils an den Enden des Leitungsabschnittes gelegenen Druckimpulsgeneratoren erzeugt und längs eines bestimmten gemeinsamen, innerhalb des Strömungsmittelstroms zwischen den Druckimpulsgeneratoren verlaufenden A.usbreitungsweges abwechselnd stromaufwärts und stromabwärts zu piezoelektrischen Wandlern geschickt werden, dadurch gekennzeichnet, daß je einer der piezoelektrischen Wandler unmittelbar vor je einem Druckimpulsgenerator (12, 12', 18, 18', 20, 20', 27 27') auf dem genannten Ausbreitungsweg in Richtung auf den jeweils anderen Druckimpulsgenerator liegt, so daß ein Zeitmeßabschnitt bezüglich der Laufzeit des Impulses von einem Druckimpulsgenerator durch Erregung des benachbarten piezoelektrischen Wandlers in Lauf gesetzt und durch Erregung des entfernt liegenden piezoelektrischen Wandlers beendet wird, und daß ferner der piezoelektrische Kristall (30, 30') der beiden Wandler derart in dem Impulsweg (P) gehaltert ist, daß eine empfindliche Achse des Kristalls im wesentlichen parallel zum Impulsweg verläuft, so daß au^c um '80° verschiedenen Richtungen auf den Wandler auftreffende Druckimpulse den Kristall erregen kennen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Druckimpulsgenerator (12, 18, 20. 22. 12', 18', 20', 22') und dem jeweils benachbarten piezoelektrischen Wandler (30. 30') ein Schild (27, 27') angeordnet ist, der die Stärke derjenigen den Kristall erregenden Impulse abschwächt, die aus einer der beiden um 180° entgegengesetzten Richtungen auftreffen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang (20. 20') jedes Druckimpulsgenerators (12, 12'. 18. 18', 20. 20'. 22. 22') ein Reflektor (22, 22') befestigt ist, der die Druckimpulse auf den gemeinsamen, zwischen den Druckimpulsgeneratoren verlaufenden Weg (P) lenkt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Kristall (30) der Wandler die Form eines Ouadcrs hat, dessen Achsen senkrecht zu je einem Paar einander gegenüberliegender Kristallflächen (70, 72; 74, 76) verlaufen und daß der Kristall in dei.i Impulsweg (P) mittels zweier elektrisch leitender Klammern (32, 34) gehaltert ist. welche die gleiche spezifische akustische Tmpe-. danz wie der Kristall aufweisen.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Kristall (30, 30') gegenüber der die Gasströmung führenden Leitung (10) jeweils mittels einer crschütterüngsabsorbiereqden Halterung (28, 32) befestigt ist, welche elektrisch leitend ausgebildet ist und einen elektrischen Anschluß für den Kristall bildet.

6. Einrichtung nach Anspruch 5 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine (32) der Klam-

mern (32, 34) an einer federnd (36, 38, 41) aufgehängten tragen Masse (28) befestigt ist, welche den Kristall (30) von Erschütterungen isoliert.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6 und/ oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß längs einer ersten Achse (X) des piezoelektrischen Kristalls (30) eine elektrische Spannung abnehmbar ist, die der Druckspannung entspricht, welche von einem sich normal zu einer dritten Achse des Kristalls bewegenden Impuls in dem Kristall erzeugt wird, daß längs einer zweiten Achse (Y) eine elektrische Spannung abnehmbar ist, die der Scherspannung entspricht, welche von einem sich normal zu der dritten Achse bewegenden Impuls in dem Kristall erzeugt wird, daß ferner eine Halterung (28, 38) zur Befestigung des Kristalls im Impulsweg (P) vorgesehen ist derart, daß die dritte Achse normal zu dem Impulsweg verläuft, und daß die erwähnten Spannungen mittels der elektrisch leitenden Klammern (32, 34) abnehmbar und zu einem zusammengesetzten Spannungssignal kombinierbar sind.