DE2024882A1

DE2024882A1 - Einrichtung zum Messen der Schallge schwindigkeit in einem Fließmedium

Info

Publication number: DE2024882A1
Application number: DE19702024882
Authority: DE
Inventors: Elhs Mark Ridgewood Ciruhs Uldis Midland Park NJ Zachanas jun (V St A ) P HOIj 39 34
Original assignee: Nus Corp
Current assignee: Halliburton Nus Corp
Priority date: 1970-02-27
Filing date: 1970-05-22
Publication date: 1972-01-20
Also published as: DE2024882C3; FR2080290A5; GB1291181A; US3697936A; DE2024882B2

Description

DR.-ΙΝΘ. DIPU.-ING. M.8C. SiFL-FHVS. DR. DIPL -PHYS.

H4ÖQER -&TELLRECHT -«RIESSBACH -HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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19. Mai 1970

.NUS CORPORATION,
2351 Research Boulevard,
Rockville, Maryland 20850,
U. S. A.

Einrichtung zum Messen der Schallgeschwindigkeit in einem Fließmedium

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen
der Schallgeschwindigkeit in einem Fließmedium mit einem
elektrische Impulse in Schallimpulse umformenden Schallsender und einem diese Schallimpulse aufnehmenden und in elektrische Impulse umformenden Schallempfänger, die in festem Abstand
voneinander in dem Pließmedium angeordnet sind, sowie Meßsonden zur Verwendung in einer solchen Einrichtung.

Derartige Einrichtungen werden unter anderem zum Feststellen von Veränderungen in den Eigenschaften ruhender oder strömender Fließmedien, also Flüssigkeiten oder Gase, verwendet, z.B. von Veränderungen im Salzgehalt, in der Konzentration oder in

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der Zusammensetzung. Wenn sie bei Rohrleitungen eingesetzt werden, die hintereinander verschiedene, in gesonderte Tanks zuJLeitende Flüssigkeiten führen, z.B. verschiedene Ölarten bei Fernleitungen, können sie dazu dienen, schnell und sicher die Grenzschicht zwischen den verschiedenen ?lüssigkeiten festzustellen, um eine rechtzeitige Umleitung in einen anderen Tank zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde-, eine derartige Meßeinrichtung zu schaffen, die einen Schwungraaeffekt aufweist und damit unempfindlicher gegen elektrische Störispulse und akustische Störgeräusche sowie den Einfluß von Blasen, Feststoffen und fremden Flüssigkeitsteilchen ist als die bisher bekannten derartigen Meßeinrichtungen, die eine höhere Betriebsfrequenz zu "verwenden gestattet und bei der sichergestellt ist, daß der ausgesandte Schallimpuls nicht zu einem Zeitpunkt auftritt, an dem ein Schalliapuls empfangen wird_s. so daß die Messung nicht durch den starken ausgesandten Schallimpuls gestört wird.

Dies wird bei einer Meßeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, der der Schallsender mit dem Ausgang eines freilaufenden Impulsgebers verbanden ist, dessen Impulsfolgefrequenz an einem Steuereingang steuerbar ist, daß der Schallempfänger, vorzugsweise über einen Verstärker, zusammen mit dem Impulsgeber an die Eingänge einer αϊτ dem Steuereingang des Impulsgebers verbundenen Phasendetektorvorrichtung angeschlossen ist, die ein Ausgangssignal erzeugt, das dem Phasenunterschied zwischen den Ausgangsispulsen des Schallempfängers und denjenigen des Impulsgebers proportional ist, daß die Impulsfolgefj?;equenz des Impulsgebers durch das Ausgangssignal der Phasendetektorvorrichtung derart veränderbar ist, daß die Ausgangsimpulse des Schallempfängers eine Zeitspanne

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vor denjenigen des Impulsgebers auftreten, die einen vorgegebenen Teil des Impulsabstandes der Ausgangsimpulse des Impulsgebers beträgt, und daß für eine Anzeige der Schallgeschwindigkeiten im Fließmedium an den Impulsgeber eine Meßvorrichtung für dessen Impulsfolgefrequenz angeschlossen ist.

Die Einrichtung nach der Erfindung verwendet somit das Prinzip der Phasenmitnahme. Die Phasendetektorvorrichtung stellt den Phasenunterschied zwischen dem ausgesandten und. dem empfangenen Impulszug fest und verändert die Impulsfolgefrequenz derart, daß beide Phasen starr miteinander verknüpft sind. Die Impulsfolgefrequenz dient dann als Maß für die Schallgeschwindigkeit.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Impulsgeber einen freilaufenden und in seiner Impulsfolgefrequenz steuerbaren Impulsgenerator auf,- einen jeweils nach einer vorgegebenen Anzahl von Impulsen des Impulsgenerators einen Ausgangsimpuls liefernden Zählteilerund eine Treiberstufe für den Schallsender, die, vorzugsweise über eine von dem Impulsgenerator beeinflußbare Ausblendschaltung, durch die Ausgangsimpulse des Zählteilers auäösbar ist.

Zum Ausgleich von Veränderungen der akustischen Dämpfung des Fließmediums kann die Amplitude der ausgesandten Schaltimpulse dadurch selbsttätig verändert werden, daß die Amplitude der Ausgangsimpulse der Treiberstufe an einem Steuereingang steuerbar ist, daß der Schallempfänger, vorzugsweise über Verstärker, mit dem Steuereingang der Treiberstufe verbunden ist und daß die Amplitude der Ausgangsimpulse der Treiberstufe derart veränderbar ist, daß die Amplitude der Ausgangsimpulse des Schallempfängers konstant bleibt. Diese Amplitude kann dann als Maß für die Absorption der Schallimpulse in dem Fließmedium dienen.

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Nach einer anderen Ausgestaltung^ der Erfindung ist die Phasendetektorvorrichtung mit einem Ausgang des Zählteilers verbunden, der nach einer Anzahl von Impulsen des Impulsgenerators einen Ausgangsimpuls liefert, die um einen vorgegebenen Betrag kleiner als die vorgegebene Anzahl ist.

Die Schallgeschwindigkeit bzw. das Auftreten von Veränderungen im Fließmedium kann auch dadurch sichtbar gemacht werden, daß an den Ausgang der Phasendetektorvorriehtungs, vorzugsweise über eine Schwellwertvorrichtung, eine Anzeigevorrichtung für dessen Ausgangssignal angeschlossen ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind ein zwischen dem Schallempfänger und dem Steuereingang der Treiberstufe vorgesehener Spitzenwertdetektor und eine zwischen dem Schallempfänger und dem Impulsgeber vorgesehene Schwellwertvorrichtung an je einem mit dem Ausgang des Impulsgebers verbundenen Steuereingang derart steuerbar, daß sie nur in einem Teil der Zeitspanne zwischen jeweils zwei Ausgangsinpulsen des Impulsgebers, vorzugsweise in deren zweiten Hälfte, wirksam sind. Hierdurch wird erreicht, daß durch den ausgesandten Schallimpuls ausgelöste Störimpulse mit Sicherheit ohne Wirkung auf die Messung bleiben,,

Die Einrichtung nach der Erfindung kann dadurch wesentlich vereinfacht werden, daß als Schallsender und als Schallempfänger nur ein elektroakustischer Wandler dient, der mit einem in dem Pließmedium angeordneten Reflektor zusammenwirkt und über eine Gabelschaltung₉ deren weitere Anschlüsse gegeneinander entkoppelt sindj, mit der Phasendetekxorvorriehtung einerseits und dem Impulsgeber andererseits verbunden ist.

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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf Meßsonden, die "besonders zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung geeignet sind. Pur Messungen an strömenden Fließmedien ist es günstig, wenn der elektroakustische Wandler an einem Ende und der Reflektor, dem Wandler zugewandt, an dem anderen Ende eines zylindrischen Hohlkörpers befestigt ist, dessen Wandungen mindestens zwei Öffnungen zum Zutritt des Fließmediucs aufweist. Vorteilhafterweise ist hErbei der zylindrische Hohlkörper im Innern eines vom Fließmedium durchströmten Rohrstückes angeordnet und dort in einer Querbohrung des Rohrstückes befestigt.

Bei ruhenden Fließmedien ist eine Meßsonde besonders geeignet, bei welcher der elektroakustische Wandler in einer Querbohrung eines in ein mit dem Fließmedium gefülltes Gefäß eintauchbaren Ringes und der Reflektor ihm gegenüber und parallel zu ihm an der Innenwandung des Ringes befestigt ist.

Die Meßgenauigkeit kann noch gesteigert werden, indem der Keßweg dadurch verlängert wird, daß zwei elektroakustische Wandler in Querbohrungen eines in ein mit dem Fließmediuai gefüllten Gefäß eintauchbaren Ringes angeordnet und so ausgerichtet sind, daß die Schallimpulse von dem einen Wandler nicht unmittelbar auf den anderen auftreffen, und daß ihnen gegenüber mindestens ein Umlenkspiegel derart an der Innenwandung des Ringes befestigt ist, daß die Schallimpulse von dem einen Wandler auf den anderen reflektiert werden. Vorteilhafterweise sind hierbei mindestens zwei Umlenkspiegel vorgesehen und so angeordnet, daß die Schallimpulse von dem einen Wandler, von umlenkspiegel zu Umlenkspiegel je einmal reffektiert, zu dem anderen Wandler gelangen.

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Zur Temperaturkompensation der Meßsonden sind nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der zylindrische Hohlkörper bzw. der Ring und der Reflektor bzw. die Umlenkspiegel aus^: Materialien mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten geformt und ihre Abmessungen jeweils so gewählt, daß der Abstand zwischen dem Wandler und dem Reflektor bzw. zwischen den beiden Wandlern von der Temperatur unabhängig ist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der beigefügten Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und 1A, an den Punkten A und F verbunden,, ein Blockdiagramm einer Meßeinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht

einer in einem Rohrstück eingebauten Meßsonde für die Verwendung in einer Keßeinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Schnitt entlang der Linie 3 - 3 nach

Fig. 2,

Fig. 4 eine andere Seitenansicht der Meßsonde nach

den Fig. 2 und 3*

Fig. 5 eine in Richtung des Pfeiles 5 gesehene

Draufsicht der Meßsonde nach Fig. 4_f

Fig. 6 eine Draufsicht einer Meßsonde, die mit ruhenden FlieSmedien verwendet werden kann.

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Pig. 7 eine Seitenansicht der Meßsonde nach Fig. 6

und

Fig. 8. eine Draufsicht ähnlich derjenigen nach

Fig. 6 einer weiteren Meßsonde für die Verwendung in ruhenden Fließmedien.

In den Fig. 1 und 1A ist eine elektronische Schaltung 20 dargestellt t die in der Meßeinrichtung nach der Erfindung verwendet werden kann. Eine Gabelschaltung 22 ist mit einem elektroakustischen Wandler 24 verbunden, welcher durch das Fließmedium Schallimpulse zu einem Reflektor 26 aussendet und die von diesem reflektierten Schallimpulse empfängt. Ein freilaufender und durch eine Spannung steuerbarer Impulsgenerator 28 arbeitet auf einer Frequenz, die mit der Schallweglänge, der Schallgeschwindigkeit in dem Fließmedium und dem Teilerverhältnis eines mit seinem Eingang an den Ausgang des Impulsgenerators 28 angeschlossenen Zählteilers 50 verträglich ist. Der Zahlteller 30 teilt den von dsm Impulsgenerator 28 gelieferten Impulszug durch 2 (wobei η eine positive, ganze Zahl größer als 1 ist). Vorzugsweise ist η = 31 so daß der Impuls— zug des Impulsgenerators 28 durch 8 geteilt wird.

Der Ausgang des Zählteilers 30 ist mit einer Ausblendschaltung 32 verbunden, welcher bei dem achten Zählimpuls des Zählteilers 30 einen Ausgangsimpuls erzeugt. Der Ausgang der Ausblendschaltung 32 ist mit einer Trägerstufe 34 verbunden, welche den Wandler 24 über die Gabelschaltung 22 erregt. Die Gabelschaltung 22 verhindert, daß der Auslöseimpuls an einen ebenfalls mit der Gabelschaltung 22 verbundenen Verstärker 36 übertragen wird. Da der empfangene Impuls nur eine kleine Amplitude hat, sperrt die Gabelschaltung 22 die Treiberstufe 34, um eine Belastung des empfangenen Impulses zu verhindern.

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Die Gabelschaltung 22 verhindert -somit, daß der Verstärker 36 durch den ausgesandten Impuls übersteuert wird, und daß der empfangene Impuls von der Treiberstufe 34 kurzgeschlossen wird.

Der Wandler 24 ist von umkehrbarer Art, d.h., er erzeugt ein Schallsignal, wenn er durch ein elektrisches Signal erregt wird, und ein elektrisches Signal, wenn er durch ein Schallsignal erregt wird. Vorzugsweise besteht er aus einer Scheibe eines polarisierten elektrostriktiven Keramikmaterials, die in ihrer Dickenausdehnung orientiert ist, und somit als Dickenschwinger wirkt. Es können jedoch auch andere Arten von Wandlern verwendet werden, die mit anderer Orientierung arbeiten.

Das vom Reflektor 26 zum Wandler 24 zurückgeworfene Schallsignal, das somit das Fließmedium zweimal durchlaufen hat, wird durch den Wandler 24 in ein elektrisches Signal umgeformt. Dieses dem von dem Wandler empfangenen Schallsignal entsprechende elektrische Signal wird über die Gabelschaltung 22 an den Hochfrequenzverstärker 36 weitergeleitet. Der Ausgang des Verstärkers 36 ist mit einem Eingang eines Spitzenwertdetektors 38 verbunden.

Die Frequenz des Impulsgenerators 28 wird zunächst durch einen Bereichsumschalter 40 manuell eingestellt_s der weiterhin mit einer Verknüpfungsschaltung 42 verbunden ist. Wenn eine Bereichsumschaltung nicht erforderlich ist, kann der Bereichsumschalter 40 auch weggelassen werden. Der Ausgang der Verknüpfungsschaltung 42 ist an einen zweiten Eingang des Spitzenwertdetektors 38 angeschlossen. Der Spitzenwertdetektor 38 ist nur kurz bevor ein Impuls empfangen wird wirksam, um zu verhindern, daß er einen ausgesandten Impuls durchläßt. Er wird während eines Zeitraumes gesperrt, der dem ausgesandten Impuls

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folgt und kürzer ist als die akustische Laufzeit, so daß er wieder betriebsbereit ist, wenn ein Schallimpuls empfangen wird. Der Spitzenwertdetektor 38 wird während dieses Zeitraumes gesperrt, um zu verhindern, daß ungewollte akustische Reflektionen oder elektronische Rausch- und Einschwingvorgänge einen Impuls auslösen. Vorteilhafterweise ist dieser Zeitraum etwas größer als die halbe akustische Laufzeit. Wenn er kleiner ist als die halbe Laufzeit, kann die Meßeinrichtung durch unerwünschte Reflektionen ausgelöst werden und mit doppelter Grundfrequenz arbeiten.

Das Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors 38 wird an den Eingang des Gleichspannungsverstärkers 44 angelegt und in diesem mit einer Bezugsspannung V ,. verglichen. Der Verstärker 44 erzeugt eine Ausgangsspannung, die der Amplitude des empfangenen Impulses proportional ist. Diese Spannung wird an die Treiberstufe 34 angelegt und dient zur Steuerung der Amplitude des von der Treiberstufe 34 an die Gabelschaltung 22 weitergeleiteten Ausgangsimpulses.

An die Treiberstufe 34 ist eine Meßvorrichtung 46 angeschlossen, welche die der Absorption der Schallimpulse in dem Pließmedium proportionale Amplitude des übertragenen Impulses anzeigt. Je größer die Absorption ist, desto größer ist die Amplitude des übertragenen Impulses, da ein größeres Signal erforderlich ist, um die Dämpfung in dem Pließmedium zu überwinden.

Der Ausgang des Verstärkers 36 ist weiterhin mit einem Eingang einer Schwellwertvorrichtung 48 verbunden, deren zweiter Eingang an den Ausgang der Verknüpfungsschaltung 42 angeschlossen ist. Die Schwellwertvorrichtung 48 ist derart steuerbar, daß sie gesperrt ist, wenn der Spitzenwertdetektor 38 gesperrt ist

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und einen Ausgangsimpuls erzeugt, wenn ein verstärkter empfangener Impuls an seinen Eingang gelangt. Das Ausgangssignal der Schwellwertvorriciitung 48 wird an einen Eingang einer Verknüpfungsschaltung 50 weitergeleitet. Andere Eingänge der Verknüpfungsschaltung 50 sind mit dem Ausgang des Impulsgenerator 28 und demjenigen des Zählteilers 30 verbunden. Die Verknüpfungsschaltung 50 stellt die zeitliche Lage des empfangenen Impulses gegenüber dem ausgesandten Impuls fest. In .dem ge-, wählten Beispiel mit einer Teilung durch acht ist die günstigste Lage für den empfangenen Impuls der siebente gezählte Impuls. Wenn andere Teilungen verwendet werden, kann eine andere Lage für den empfangenen Impuls günstiger sein.

Das Ausgangssignal der Verknüpfungsschaltung 50 erzeugt entweder auf einer Leitung 52 ein Verzögerungssignal oder auf einer Leitung 54 ein Beschleunigungssignal, das an den Eingang eines Phasendetektors 56 gelangt. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 56 wird an einen Gleichspannungsverstärker 58 angelegt und dort mit einer Bezugsspannung V^ verglichen. Wenn die angelegte Spannung größer als die Bezugsspannung ist (Beschleunigung), steigt die Ausgangsspannung an. tfenn sie kleiner ist (Verzögerung), nimmt die Ausgangsspannung ab. Das Ausgangssignal des Verstärkers 58 gelangt an den Eingang des Impulsgeneist οrs 28 und verändert die Frequenz des Impulsgenerators 28 derart, daß das empfangene Signal mit dem siebenten Zählimpuls des Impulsgenerators 28 phasenstarr gekoppelt ist. Die Baueinheiten 50, 56 und 58 erzeugen miteinander ein Gleichspannungssignal, daß dem Phasenunterschied zwischen dem empfangenen Signal und, in dem gewählten Beispiel, dem siebenten Zählimpuls proportional ist.

Es ist noch möglich, ein Phasenmitnahnesystern vorzusehen, bei welchem das Ausgangssignal der Verknüpfungsschaltung 50 stets

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ein Beschleunigungssignal ist und der Phasendetektor 56 die Stärke des Beschleunigungssignales derart ändert, daß die Frequenz des Impulsgenerators 28 entsprechend eingestellt wird.

Da die Frequenz des Impulsgenerators 28 durch die zeitliche Lage des empfangenen Signales gesteuert wird, ist seine Frequenz eine Funktion der Schallgeschwindigkeit in dem Fließmedium. Der Ausgang des Impulsgenerators 28 ist· auch noch mit 4| einem Zähler 60 verbunden, der die Frequenz des Impulsgenerators 28 bestimmt und so geeicht ist, daß er die Schallgeschwindigkeit in dem Fließmedium unmittelbar angibt.

Wenn es erwünscht ist, eine optische Anzeige des Zustandes der Phasendetektorvorrichtung zu erhalten, kann an den Ausgang des Verstärkers 58 über eine Schwellwertvorrichtung 62 eine Anzeigevorrichtung 64 angeschlossen werden, die z.B. Signallampen enthält. Diese können so betätigt werden, daß eine Lampe brennt, wenn die Frequenz des Impulsgenerators 28 beschleunigt wird, und eine andere, wenn sie verzögert wird. Es bestehen jedoch auch noch andere Anzeigemöglichkeiten. Wenn m z.B. die Phasendetektorvorrichtung nur ein Beschleunigungssignal mit veränderlicher Amplitude erzeugt, kann eine Lampe aufleuchten, wenn ein Beschleunigungssignal vorliegt, und eine andere, wenn kein Beschleunigungssignal erzeugt wird.

Die Meßeinrichtung nach der Erfindung kann zum Messen der Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten verwendet werden, die, etwa in der Verfahrenstechnik, in einer Rohrleitung strömen oder die sich in ruhendem Zustand in einem Becherglas oder einem ähnlichen Gefäß befinden. Di_ee Messung der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit wird zur Bestimmung der Eigenschaften der Flüssigkeit benutzt, z.B. des Salzgehaltes, der Konzentration oder der Zusammensetzung.

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Die Meßeinrichtung nach, der Erfindung kann entweder mit einem elektroakustischen Wandler oder mit zwei Wandlern ausgerüstet werden. In der vorstehend beschriebenen Meßeinrichtung ist nur ein einziger Wandler verwendet worden. Wenn Jedoch ge- ^ trennte Schallsender und Schallempfänger eingesetzt werden, wird der sendende Wandler mit dem Ausgang der Treiberstufe und der empfangene Wandler mit dem Eingang des Verstärkers verbunden. In diesem Falle ist eine Gabelschaltung 22 nicht erforderlich.

In den Pig. 2 bis 5 ist eine Meßsonde mit einem einzigen Wandler zum Messen der Schallgeschwindigkeit in einer durch eine Rohrleitung strömenden Flüssigkeit gezeigt. Die Flüssigkeit kann dabei in beiden durch Pfeile 70 angedeuteten Pachtungen fließen. In die Rohrleitung ist, wie aus den Fig. 2 und 3 zu ersehen, ein Rohrstück 72 eingesetzt.

In dem Rohrstück 72 ist ein Gehäuse 74 vorgesehen, das im wesentlichen als zylindrischer Hohlkörper ausgebildet ist, das zwei Abschlußflächen 76 und 78 und eine Wandung 82 aufweist, die Öffnungen 80 besitzt, durch welche die Flüssigkeit durchfließen kann. Die Abschlußfläche 78 ist durch. Schrauben 79 mit dem Gehäuse 74 verbunden. Der Wandler 74 ist in der Abschlußfläche 76 in bekannter Weise befestigt, so daß seine Stirnfläche mit der Flüssigkeit in Kontakt ist, um die Schallenergie in die Flüssigkeit su übertragen. Der Wandler 24 ist vorzugsweise scheibenförmig und als Dickenschwinger ausgebildet.

Um die Schallweglänge konstant zu halten, ist der Reflektor 26, wie in Fig. 4 gezeigt, als Teil der AbschluSflache 73 ausgebildet. Der Reflektor 26 besteht aus einem Material, das einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, als die

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Wandung 82 und die Abschlußflache 76. Z.B. kann das Gehäuse aus Invar-Stahl (NiStahl 36 Ni) "bestehen, der mit einem rostbeständigen Material, wie Nickel oder Chrom, Überzogen ist und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1 · 10~^D pro Grad Celsius aufweist, und der Reflektor 26 aus rostbeständigem Stahl (18 Cr, 8 Ni) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 16 · 10" pro Grad Celsius.

Wenn der Abstand zwischen der Stirnfläche der Abschlußfläche 78 und der Stirnfläche &s Wandlers 24 mit L_M und der Abstand zwischen der Stirnfläche des Reflektors 26 und der Stirnfläche der Abschlußfläche 78 mit L™ bezeichnet wird, bleibt der Abstand zwischen der Stirnfläche des Reflektors 26 und der Stirnfläche des Wandlers 24 konstant, wenn L-^«^», = 3*α°^·ο ist, wobei ⁰^ M den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Gehäusematerials und ⁶^R den Wärmekoeffizienten des Reflektormateriales bezeichnet.

In den Fig. 6 und 7 ist eine Meßsonde 90 mit einem einzigen Wandler dargestellt, die für die Messung der Schallgeschwindigkeit in ruhenden Flüssigkeiten, z.B. in einem Becherglas oder einem ähnlichen Gefäß, geeignet ist. Die Meßsonde 90 enthält einen Ring 92 und eine Anzahl von Füßen 94, die an dem Ring 92 befestigt sind. Durch einen der FuSe 94, der hohl ausgeführt ist, ist eine elektrische Zuleitung 96 hindurchgeführt, wie aus Fig. 7 zu ersehen ist. In dem Ring 92 sind ein Wandler 98 ähnlich dem Wandler 24 und ein Reflektor 100 ähnlich dem Reflektor 26 vorgesehen. Die Lage des Reflektors 100 bezüglich des Wandlers 98 kann durch eine Stellschraube 102 eingestellt werden. Wenn der Abstand zwischen der Stirnfläche des Wandlers 98 und der Stellschraube 102 mit L·, und der Abstand zwischen der Stellschraube 102 und der Stirnfläche des Reflektors 100 mit Lo bezeichnet wird, bleibt der Abstand zwischen der Stirnfläche des Wandlers 98 und der Stirnfläche des Reflektors 100

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konstant, wenn L^°^_M = L-n^n ist, wobei °C _M den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Ringes 92 und-^_H den Wärmekoeffizienten des Reflektormaterials bezeichnet.

Pig. 8 ist eine Draufsicht auf eine Meßsonde mit zwei Wandlern zum Einführen in ein Becherglas oder ein ähnliches Gefäß. Die Halterung und die Füße sind ähnlich ausgeführt wie in Fig. 7, nur daß für jeden Wandler eine elektrische Anschlußleitung herausgeführt ist.

Der Ring 104 besteht aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient kleiner ist als derjenige des Reflektormaterials. Die Länge des Schallweges von dem Wandler 106 zum Wandler 108 bleibt konstant, wenn (L_TfJ1 + L^₂ + + Ltjp ⁺ ^PA ⁺ ^¹RB ^ ⁰^R *³*' wobei ^,,ind^ die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Ringes 104- bzw. der Umlenkspiegel 110 und 112 bezeichnen und L·,. den Abstand zwischen der Stirnfläche des Wandlers 106 und der Stellschraube 114 zur Einstellung der Lage des Umlenkspiegels 110, L^p den Abstand zwischen der Stellschraube 114 und der Stellschraube 116 zur Einstellung der Lage des Wandlers 112, L,,,, den Abstand zwischen der Stellschraube 116 und der Stirnfläche des Wandlers 108, L-,., den Abstand zwischen der Stellschraube 114 und dem Mittelpunkt der Stirnfläche des Umlenkspiegels 110, L_R2 ^den Abstand zwischen der Stellschraube 116 und dem Mittelpunkt der Stirnfläche des Reflektors 112. Lj^ = L_R1 . cos(9 und h^B ~ ^2 * ^c08^ ' ^wenn Θ der gesamte Winkel zwischen den Stirnflächen der Umlenkspiegel ist.

Die vorstehenden Zusammenhänge gelten auch, wenn in einer Meßsonde mit zwei Wandlern, welche zur Messung der Schallgeschwindigkeit in einer strömenden Flüssigkeit in einer Rohrleitung angeordnet ist, die Schallweglänge konstant gehalten werden soll.

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Claims

AS

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Patentansprüche

1.) Einrichtung zum Messen der Schallgeschwindigkeit in einem Fließmedium mit einem elektrische Impulse in Schallinpulse umformenden Schallsender und einem diese Schallimpulse aufnehmende und in elektrische Impulse umformenden Schallempfänger, die in festem Abstand voneinander in dem Pließmedium angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallsender (24» 106) mit dem Ausgang eines freilaufenden Impulsgebers (28, 30, 32, 34) verbunden ist, dessen Impulsfolgefrequenz an einem Steuereingang steuerbar ist, daß der Schallempfänger (24, 108), vorzugsweise über einen Verstärker (36), zusammen mit dem Impulsgeber (28 - 34) an die Eingänge einer mit dem Steuereingang des Iinpulsgebers (28 34) verbundenen Phasendetektorvorrichtung (50, 56, 58) angeschlossen ist, die ein Ausgangssignal erzeugt, das dem Phasenunterschied zwischen den Ausgangsinspulsen des Schallempfängers (24, 108) und denjenigen des Iinpulsgebers (28 34) proportional ist, daß die Impulsfolgefrequenz des Impulsgebers (28 - 34) durch das Ausgangssignal der Phaaendetektorvorrichtung (50, 56, 58) derart veränderbar ist, daß die Ausgangsimpulse des Schallempfängers (24, 108) eine Zeitspanne vor denjenigen des Impulsgeters (28 - 34) auftreten, die einen vorgegebenen Teil des Icpulsabstandes

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der Ausgangsimpulse des Impulsgebers (28 - 34) beträgt, und daß für eine Anzeige der Schallgeschwindigkeit in dem Fließmedium an den Impulsgeber (28 - 34) eine Meßvorrichtung (60) für dessen Impulsfolgefrequenz angeschlossen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgeber (28 - 34) einen freilaufenden und in seiner Impulsfolgefrequenz steuerbaren Impulsgenerator (28^ eiaen jeweils nach einer vorgegebenen Anzahl von Impulsen des Impulsgenerators (28)einen Ausgangsimpuls liefernden Zählteiler (30) und eine Treiberstufe (34) für den Schallsender (24, 106) aufweist, die, vorzugsweise über eine von dem Impulsgenerator (28) beeinflußbare Ausblendschaltung (32) durch die Ausgangsimpulse des Zählteilers (30) auslösbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Ausgangsimpulse der Treiberstufe (34) an einem Steuereingang steuerbar ist, daß der Schallempfänger (24, 108), vorzugsweise über Verstärker (36, 44), mit dem Steuereingang der Treiberstufe (34) verbunden ist und daß die Amplitude der Ausgangsimpulse der Treiberstufe (34) derart veränderbar ist, daß die Amplitude der Ausgangsimpulse des Schallempfängers (24, 108) konstant bleibt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß für eine Anzeige der Absorption der Schallimpulse in dem Fließmedium an die Treiberstufe (34) eine Keßvorrichtung (46) für die Amplitude von deren Ausgangsimpulsen angeschlossen ist.

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5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, ' daß zwischen dem Schallempfänger (24, 108) und dem Steuer- "! eingang der Treiberstufe (34) ein Spitzenwertdetektor (33) vorgesehen ist. ■ \

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 his 5, dadurch ge- ' kennzeichnet, daß die Phasendetektorvorrichtung (50,-56, ' 58) mit einem Ausgang des Zählteilers (30) verbunden ist, der nach einer Anzahl von Impulsen des Impulsgenerator3 . % (28) einen Ausgangsimpuls liefert, die um einen vorgegebenen Betrag kleiner ist als die vorgegebene Anzahl. ^;

"7. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendetektorvorrichtung (50, 56, -58) eine Verknüpfungsschaltung (50), die ein von der zeitlichen Lage der Ausgangsimpulse des Schallempfangers (24.) zu denjenigen des Impulsgebers (28 - 34) abhängiges Ausgangssignal liefert, einen mit deren Ausgang verbundenen Phasendetektor (56), der ein dem Phasenunterschied zwischen den Ausgangsimpulsen des Scha 11empfängers (24) und denjenigen des Impulsgebers (28 - 34) proportionales Ausgangs- ■ M signal liefert, und einen an dessen Ausgang angeschlossenen Verstärker (58) aufweist, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des Impulsgebers (28 - 34) verbunden ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, da3 an den Ausgang des Verstärkers (58), vorzugsweise über eine Stellwertvorrichtung (62), eine Anzeigevorrichtung (64)

für dessen Ausgangssignal angeschlossen ist.

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9. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schallempfänger (24, 108) und dem Impulsgeber (28 - 34) eine Schwellwertvorrichtung (48) vorgesehen ist.

10. Einrichtung nach'Anspruch 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwertdetektor (38) und/oder die Schwellwert-

Ä Vorrichtung (48) an je einem mit dem Ausgang des Impulsgebers (28 - 34) verbundenen Störeingang derart steuerbar sind, daß sie nur in einem Teil der Zeitspanne zwischen jeweils zwei Ausgangsimpulsen des Impulsgebers (28 - 34), vorzugsweise in deren zweiten Hälfte, wirksam sind.

11. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem weiteren Steuereingang des Impulsgebers (28 - 34) und gegebenenfalls einer zwischen den Steuereingängen des Spitzenwertdetektors (38) und der Schwellwertvorrichtung (48) einerseits und dem Ausgang des Impulsgebers (28 - 34) andererseits angeordneten Verknüpfungsschaltung (42) ein Bereichsumschalter (40) ver-

φ bunden ist.

12. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schallsender und als Schallempfänger nur ein elektroakustischer Wandler (24) dient, der mit einem in dem Fließmedium angeordneten Reflektor (26) zusammenwirkt und über eine Gabelschaltung (22), deren weitere Anschlüsse gegeneinander entkoppelt sind, mit der Phasendetektorvorrichtung (50, 56, 58) einerseits und den Impulsgeber (28 - 34) andererseits verbunden ist.

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1.3» Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schallsender (106) und dem Schallempfänger (1O8)_% bzw. dem Wandler (24) und dem Reflektor (26) mindestens ein Umlenkspiegel (110, 112) vorgesehen ist.

14. Meßsonde zur Verwendung in einer Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Wandler (24) an einem Ende und der Reflektor (26), dem Wandler (24) zugewandt, an dem anderen Ende eines zylindrischen Hohlkörpers (74) befestigt ist, dessen Wandung (82) mindestens zwei Öffnungen (80) zum Zutritt des Fließmediums aufweist (Pig. 4).

15. Meßsonde nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Hohlkörper (74) im Innern eines vom"FIießmedium durchströmten Rohrstückes (72) angeordnet und dort in einer Querbohrung des Rohrstückes (72) befestigt ist (Fig. 2 und 3).

16. Meßsonde zur Verwendung in einer Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Wandler (98) in einer Querbohrung eines in ein mit dem Fließmedium gefülltes Gefäß eintauchbaren Ringes (92) und der Reflektor (100) ihm gegenüber und parallel zu ihm an der Innenwandung des Ringes (92) befestigt ist (Fig. 6 und 7).

17. Meßsonde zur Verwendung in einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß zwei elektroakustische Wandler (106, 108) in Querbohrungen eines in ein mit dem Fließmedium gefüllten Gefäß eintauchbaren Ringes (104) angeordnet und so ausgerichtet sind, daß die

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Schallimpulse von dem einen Wandler (106) nicht unmittelbar auf den anderen (108)auftreffen, und daß ihnen gegenüber mindestens ein Umlenkspiegel (110, 112) derart an der Innenwandung des Ringes (104) befestigt ist, daß die Schallimpulse von dem einen Wandler (106) auf den anderen (108) reflektiert werden (Fig. 8).

18. Meßsonde nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daS mindestens zwei Umlenkspiegel (110, 112) vorgesehen und

sind
so angeordnet, daß die Schallimpulse von dem einen Wandler (106), von Umlenkspiegel (110) zu Umlenkspiegel (112) je einmal reflektiert, zu dem anderen Wandler (108) gelangen.

19· Meßsonde nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Hohlkörper (74) bzw. der Ring (92, 104) und der Reflektor (26) bzw. die Um-. lenkspiegel (110, 112) aus Materialien mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten ^έ™, ⁰^ τ,) geformt und ihre Abmessungen (L^, L_R) jeweils so gewählt sind (^,, Σι L^ = °C Sl₁₃), daß der Abstand zwischen dem Wandler (24) und dem Reflektor (26) bzw. zwischen den beiden Wandlern (106, 108) von der Temperatur unabhängig ist (Fig. 6 und 8).

20. Meßsonde nach einem der Ansprüche 14 bis 19» dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (26) bzw. mindestens ein Umlenkspiegel (100), vorzugsweise durch eine Stellschraube (102), in seiier Lage justierbar ist.

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