DE2365907A1

DE2365907A1 - Schaltungsanordnung zum ermitteln physikalischer groessen stroemender medien, insbesondere der stroemungsgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE2365907A1
Application number: DE2365907A
Authority: DE
Inventors: Alvin Edmund Brown
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1973-07-04
Filing date: 1973-07-04
Publication date: 1977-03-24
Also published as: DE2365907C3; DE2365907B2

Description

Schaltungsanordnung zum Ermitteln physikalischer Grossen strömender Medien, insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln physikalischer Grossen strömender Medien, insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit, mittels der Ultraschallmethode, bei der über eine Meßstrecke abwechselnd ein Schallimpuls in der einen und ein Schallimpuls in der anderen Richtung gesendet wird (vgl. das eigene ältere Patent .... Anm. P 23 22 749.8-52 und die darin genannten Literaturangaben).

Gegenüber den bekannten, auf der Ultraschallmethode beruhenden Schaltungsanordnungen mit zwei Meßstrecken haben die nur eine Meßstrecke mit Richtungsumschaltung aufweisenden Schaltungsanordnungen, zu denen auch die der eingangs genannten Gattung gehört, den Vorzug, dass die sonst bei kleinen Strömungsge-

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schwindigkeiten der Medien auftretenden Probleme des "Mitziehens benachbarter Frequenzen" überwunden sind; ausserdem entfallen die"Justierungsprobleine bezüglich der gegenseitigen Einstellung zweier Meßstrecken«, Andererseits können sich unter gewissen Umständen bei einer Schaltungsanordnung der hier zur Rede stehenden Art Schwierigkeiten ergeben-, wenn Echos in dem strömenden Medium aufgrund jeweils vorhergegangener Sendeimpulse auftreten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die möglichen Einflüsse solcher Echos auf das Messergebnis auszuschalten oder verschwindend klein zu halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Wiederholgeschwindigkeit der gesendeten Impulse proportional den Gegenstrom- und Mitstromschallgeschwindigkeiten ist und dass der Proportionalitätsfaktor so einstellbar ist, dass der erste empfangene Schallimpuls vor den empfangenen störenden Echoimpulsen vorhergesendeter Schallimpulse liegt. Dadurch wird erreicht, dass ein Sendeimpuls jeweils zu einem Zeitpunkt geliefert wird, zu dem von etwaigen Echos vorangegangener Sendeimpulse herrührende Störsignalwerte abgeklungen sind oder nur noch einen minimalen Wert haben.

Bei einer bewährten Ausführungsform der neuen Schaltungsanordnung hat sich eine Einstellung der Wiederholgeschwindigkeit als vorteilhaft erwiesen, bei welcher der Zeitabstand der gesendeten Impulse annähernd das 2,75fache der Laufzeit der Schallimpulse beträgt.

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Ferner ist es vorteilhaft, wenn ein Teil des Empfängers mittels eines Schallimpulses bis kurz vor dem Auftreten des empfangenen Schallimpulses gesperrt ist»

Vorzugsweise ist eine Impuls zählvorrichtung vorgesehen., der als Eingangsimpulse die Ausgangsimpulse eines spannungsgesteuerten Oszillators zugeführt werden_s deren Frequenz proportional der Gegenstrom- bzw, Mitstromschallgeschwindigkeit ist₉ und die nach einer ersten vorbestimmten Impulszahl einen Bezugsimpuls abgibt, der durch Vergleich mit dem empfangenen Schallimpuls die Frequenz der durch Zeitvergleich mit dem empfangenen Schallimpuls bei Nichtübereinstimmung die Frequenz des gesteuerten Oszillators zu ändern vermag und nach einer zweiten, grösseren vorbestimmten Impulszahl einen Auslöseimpuls zur Sendung des nächstfolgenden Schallimpulses liefert. Dabei beendet die Impulszählvorrichtung vorzugsweise nach einer dritten vorbestimmten kleineren Impulszahl den impuls.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschema einer Schaltungsanordnung der zur Rede stehenden Gattung,

Fig. 2 ein Blockschema der Steuereinheit und

Fig. 3 ein den zeitlichen Ablauf der Signale in der Steuereinheit wiedergebendes Impulsdiagramm.

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Gemäss Fig. 1 enthält die Schaltungsanordnung eine Sende-/ Empfangseinheit 15, in der die Umsehaltvorgänge erfolgen, die für eine abwechselnde Wirkung der Schallwandler als Sender und als Empfänger bzw» als Empfänger und Sender sorgen. Das empfangene Signal wird von der Sende-ZEmpfangseinheit einem Phasendetektor 16 zugeleitet» Der Detektor 16 formt die empfangenen Impulse in gleichartiger Weise wie in dem Patent .... (Anm. P 23 22 749.8-52) der Anmelderin angegeben. Eine Steuereinheit 17 erzeugt einen Bezugsimpuls, der dem Detektor 16 zugeführt wird. In dem Detektornetzwerk 16 wird ein Phasenvergleich zwischen dem empfangenen Impuls und dem Bezugsimpuls durchgeführt. Ein Signal,, dessen Polarität durch die relative Frühzeitigkeit oder Spätzeitigkeit des empfangenen Impulses bestimmt wird, wird der Steuereinheit 17 zugeleitet. Die Steuereinheit 17 führt eine Summation der früheren bzw. späteren Signale durch. Diese werden einer Frequenzsyntheseeinheit 18 zugeleitet, deren Wirkungsweise auf der Summation beruht. Die Einheit 18 bildet Frequenzen, die den Schallfortpflanzungsgeschwindigkeiten stromaufwärts und stromabwärts proportional sind. Diese Frequenzen werden der Steuereinheit 17 zugeführt, um Steuersignale zu bilden, welche die Sende-/Empfangsumschaltung, die in der Sende-/ Empfangseinheit 15 durchgeführt wird, in die richtige Folge bringen. Die Steuersignale aus dem Steuernetzwerk 17 werden ausserdem mit dem Detektor 16 verbunden, der für die richtige Signalfolge für den Phasenvergleich zwischendem empfangenen

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Signal und dem Bezugssignal sowie für eine automatische Verstärkungsregelung und für eine "kein Signal"-Alarmanzeige sorgt. Die Summierungen der Früh-/Spätsignale aus der Steuereinheit 17 werden in der Prequenzsyntheseeinheit 18 direkt benutzt, um die Ausgangsfrequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 19 zu steuern und eine Datenfrequenz zu erzeugen. Der Ausgang des VCO 19 ergibt eine Frequenz, die proportional ist der Schallgeschwindigkeit in dem strömenden Medium. Die Datenfrequenz ist proportional der Strömungsgeschwindigkeit. Ein Zeiteichkreis 20 empfängt die Datenfrequenz und wandelt diese um in Signale proportional der Strömungsmenge oder Strömungsgeschwindigkeit, wie es bei Sichtanzeigern erwünscht ist.

Im einzelnen sind zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung im wesentlichen nur die Beschaffenheit und Arbeitsweise der Steuereinheit 17 von Interesse. Diese ist in Fig. 2 als Blockschema veranschaulicht.

Die Steuereinheit 17 sorgt allgemein für die Erzeugung des Sende imp uls signals, eines Teils der Verzögej?ungszeit und danach für die Erzeugung des Bezugsimpulses, des Empfängerschutζ-signals, der Auf-/Absteuersignale und der Integratorausgangssignale, die als Steuersignale in dem Frequenzsynthesekreis 18 benutzt werden. Aus dem Phasendetektor 16 empfängt die Steuereinheit 17 Signale, welche die Frühzeitigkeit oder Spätzeitigkeit der empfangenen Impulse angeben. Selbsthalteschaltungen

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und 70 werden abwechselnd durch einen Auf-/Abmultivibrator 71 zur Wirkung gebracht, um ein Signal in Abhängigkeit davon_s ob das empfangene Signal früh oder spät ist, weiterzuleiten. Ein Signal aus der Selbsthalteschaltung 69 wird entweder mit dem invertierenden oder dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 72 verbunden, der ein Ausgangssignal an einen ersten Integrator 73 liefert. In ähnlicher Weise wird ein aus der Selbsthalteschaltung 70 erzeugtes Signal mit dem invertierenden oder dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 75 verbunden, der wiederum ein Eingangssignal zu einem zweiten Integrator 76 liefert. Der Ausgang aus beiden Integratoren 73 und wird der Syntheseeinheit 1.8 zugeleitet.

Die normale Arbeitsweise der Schaltung erfordert fortlaufende Änderungen des Zustande beider Selbsthalteschaltungen 69 und 70, die durch den Summierungs- und Alarmkreis 77 überwacht werden. Wenn eine oder beide Schaltungen 69, 70 aufhören, ihren Zustand für eine bestimmte Zeitdauer zu ändern, wird eine Alarmanzeige durch den Alarmkreis 77 gebildet.

Die Steuereinheit 17 empfängt ferner zwei Frequenzen f₁ und f₂ aus der Syntheseeinheit 18, die dem Schaltkreis 78 zugeführt werden, der eine Einpol/Zweistellungsumschaltfunktion erfüllt. Der Schaltkreis 78 empfängt auch Eingangssignale aus dem Auf/Ab-Steuermultivibrator 71. Das "Auf-Signal aus dem Auf/ Abkreis 71 wird auch der Sender/Empfängereinheit 15 zur Steuerung des Analogschalters 2k zugeleitet.

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Der Schaltkreis 78 ist mit dem Sendeimpulsgenerator 82 und ausserdem mit dem Teilerkreis 83, einer Impulszählvorrichtung, verbunden. Der Teilerkreis 83 ist mit dem Bezugsimpulsgenerator 84 und einem Impulsgenerator 87 verbunden. Der Impulsgenerator 87 ist wiederum mit dem Schutzimpulsgenerator 88 verbunden, der ein Schutzsignal und ein Eingangssignal für den Auf/Ab-Steuerkreis 71 zur Verfügung stellt. Der Empfängerschutzkreis 88 liefert auch das eine Eingangssignal zu einem Tor 89 , das mit einem Wiederholverhältnis-Impulsgenerator verbunden. Der Impulsgenerator 90 ist so geschaltet, dass er den Sendeimpulsgenerator 82 steuert.

Ein Signal aus dem Empfängerschutzkreis 88 ist mit dem Phasendetektor 16 verbunden und das Signal aus dem Bezugsimpulsgenerator 84 wird sowohl dem Detektor 16 als auch der Sender/ Empfängereinheit 15 zugeführt. Die beiden Signale aus dem Sendeimpulsgenerator sind von entgegengesetzter Polarität. Der niedrigere Sendeimpuls wird dem Detektorkreis 16 zugeführt und der hohe Sendeimpuls der Sender/Empfängereinheit 15.

Die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Steuereinheit ist folgende: Die Selbsthalteschaltungen 69 und 70 enthalten je zwei Paar NOR-Tore. Ein Früh- oder Spätsignal, das aus dem Detektor l6 kommt, hat die Form eines abfallenden Impulses. Somit bringt eine Aufwärts-Anzeige aus der Auf/Ab-Steuerung 71, die tatsächlich ein Niedrig-Zustand ist, das erste Paar NOR-Tore in der Schaltung 69 zur Wirkung, während das gleichzeitige

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Hoch-Signal aus der Auf/Ab-Steuerung 71 zur Schaltung 70 hin das erste Paar der darin enthaltenen NOR-Tore blockiert. Die Schaltung 69 befindet sich nun in einem Zustand zur Leitung entweder eines Frühimpulses oder eines Spätimpulses zum Verstärker 72. Ein Prühimpuls wird an den invertierenden Eingang des Verstärkers 72 geleitet, ein Spätimpuls an den nicht invertierenden Eingang. Das Ausgangssignal aus dem Verstärker 72 wird an den invertierenden Eingang des Integrators 73 geleitet und bringt die Integratorausgangsspannung im Falle eines früh empfangenen Impulses zum Ansteigen und im Falle eines spät empfangenen Impulses zum Abfallen.

Die Ausgangssignale aus dem ersten Paar NOR-Tore in der Schaltung 69 werden auch einem zweiten Paar darin enthaltener NOR-Tore derart zugeführt, dass ihre Ausgangszustände jedesmal geändert werden, wenn ein übergang zwischen einem Frühimpuls und einem Spätimpuls durch die Schaltung 69 erfolgt. Die Selbsthalteschaltung 70 funktioniert in gleicher Weise wie die Schaltung 69. Sie sendet einen Früh- oder Spätimpuls zu dem invertierenden bzw. nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 75s der wiederum ein Ausgangssignal erzeugt, das den Integrator 76 auf die gleiche Art und Weise antreibt wie es für den Integrator 73 oben beschrieben wurde. Die Sperre 70 bewirkt auch eine ständige Zustandsänderung aus einem darin enthaltenen zweiten Satz von NOR-Toren, wenn ein konstanter übergang zwischen Früh- und Spätimpulsen erfolgt, die durch den Integrator 76 hindurchgehen. Die Zustandsänderungen aus

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den Sperren 69 und 70 als Ergebnis eines Früh/Spät-überganges werden beide einem Summations- und Alarmstromkreis 77 zugeleitet. Der Alarmkreis 77 enthält eine zurücktriggerbare Kippschaltung, die eine Alarmanzeige so lange ständig in einem "Auf"-Zustand hält wie beide Schaltungen 69 und 70 Zustandsänderungen in der Kipperiode der zurücktriggerbaren Kippschaltung hervorbringen. Im PaIIe₅ dass entweder Die Schaltung oder die Schaltung 70 keine Zustandsänderungen in einer solchen Periode hervorbringt -₉ fällt das Alarmaus gangs signal auf einen Niedrig-Zustand, wodurch eine Störung in dem System angezeigt wird.

In Fig..3 ist ein Impulsdiagramm für einen Teil der Steuereinheit 17 wiedergegeben. Als Taktgebungsfrequenz 144 ist die relativ hohe Frequenz f. oder fp dargestellt, die in der Syntheseeinheit 18 erzeugt und mit dem Schaltkreis 78 verbunden wird. Der Schaltkreis 78 lässt entweder f^ oder fp durch, je nach dem Zustand der Auf/Ab-Steuerung 71· Wenn z.B. die Auf/AbSteuerung 71 sich in dem Auf-Zustand befindet, so lässt sie f^ durch den Schaltkreis 78 hindurch und blockiert fp. F^ wird dem Taktgeberkreis-Eingang des Teilers 83 zugeführt. Dieser erzeugt einen Wiederholverhältnisimpuls 147» der eine Periode von 128 Taktimpulsen hat. Ein zweiter Teilerausgangsimpuls beginnt am Ende der 128 Taktimpulse und fällt am Ende von 256 Taktimpulsen ab. Der zweite Teilerausgangsimpuls 148 wird mit dem Schutz- und Auf/Ab-Einleitungsimpulsgenerator 87 verbunden. Der Impulsgenerator 87 schaltet beim Anstieg des

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Teilerausgangsimpulses 148 und fällt bei dem nachfolgenden Anstieg'des Impulses 148 zurück, um den Impuls 149 zu bilden. Der Impuls 149 wird mit dem Schutz- und Auf/Ab-Impulsgenerator 88 verbunden. Der Impulsgenerator 88 bildet Ausgangsimpulse 150 und 153_s sobald der Impuls 149 abfällt. Der Impuls 150 wird dem einen Eingang des Tors 89 zugeführt. Der zweite Teilerausgangsimpuls 148 wird dem Bezugsimpulsgenerator 84 zugeführt und erzeugt ein Paar Ausgangsimpulse 15^₉ 155 beim Abfall des Impulses 148. Der Impuls 144 wird der Sende/Empfangseinheit 15 zugeführt, um den Vergleicher 39 während seiner Verweilzeit zur Wirkung zu bringen und die Hoch/Niedrig-Signalsperre 40 zu erregen. Der Impuls 154 wird auch mit dem Phasendetektor 16 verbunden, wo er hinsichtlich seiner Zeitphase mit dem verarbeiteten empfangenen Impuls verglichen wird. Der Impuls 155 aus dem Bezugsimpulsgenerator 84 wird auf den zweiten Eingang des Tors 89 gerichtet. Der Impuls 15O kehrt auf einen niedrigen Zustand zurücky während der Impuls 155 sich in einem niedrigen Zustand befindet und ein Signal aus dem NOR-Tor 89 erzeugt, welches das Wiederholverhältnistor 90 zurückstellt, das wiederum beim nächsten Anstieg des Wiederholverhältnisimpulses 147 zündet. Das Ausgangssignal aus dem Tor 90 ist als die Spitze 156 dargestellt und mit dem Sendeimpulsgenerator 82 verbunden. Ein Niedrig-Sendeimpuls 159 und ein Hoch-Sendeimpuls I60 erscheinen unmittelbar an den Ausgängen des Sendeimpulsgenerators 82. Der Niedrig-Sendeimpuls 159 stellt unmittelbar die Teiler 83 zurück und beginnt eine

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neue Folge für den Wiederholverhältnisimpuls 147 und den Ausgangsimpuls 148 am zweiten Teiler. Er stellt auch den Schutz- und Auf/Ab-Anfangsimpuls 149 sowie die Hoch/Niedrig-Bezugsimpulse 154 und 155 auf ihre Normalzustände zurück.

Der Auf/Ab-Impuls 153 wird mit der Auf/Ab-Steuerung 71 verbunden. Der Impuls 153 steigt vor dem Zeitpunkt der Erzeugung der Sendeimpulse 159 und 160 an. Dadurch werden die Ausgangssteuer zustände an der Auf/Ab-Steuerung 71 geändert, wie dies durch den Aufwärts-Steuerimpuls 161 und den Abwärts-Steuerimpuls 162 gezeigt wird. Somit wird die Auf/Ab-Steuerung 71 umgekehrt, um die richtigen Schaltungen zu betätigen und einen Wechsel der Senderichtung zu ermöglichen, bevor der nach folgende Sendeimpuls I60 erzeugt wird.

Der Wiederholverhältnisimpuls 147 ist nun so gewählt, dass er mit einer bestimmten Geschwindigkeit, bezogen auf die Taktfrequenz f. oder fp, wiederkehrt, damit ein Sendeimpuls 160 zu einem Zeitpunkt geliefert wird, zu dem in dem strömenden Medium aufgrund der vorangegangenen Sendeimpulse auftretende Echos nicht vorhanden, d.h. abgeklungen sind oder

jedenfalls nur noch einen minimalen Wert haben. Bei dem hier dargestellten Beispiel befinden sich die Sendeimpulse in einem Zeitabstand vom 2,75fachen der Zeitspanne, die für die Energieimpulse erforderlich ist, um durch das Medium fortgepflanzt zu werden. Sämtliche in Fig. 3 dargestellten Impulse verbleiben, wenngleich sie alle hinsichtlich ihrer Breite oder

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Rücklaufzeit verschieden sind, in dieser Hinsicht genau im gleichen Verhältnis zueinander, da sie alle direkt oder indirekt durch die Taktfrequenzen f. oder f» beherrscht werden. So wird für Rohre kleinen oder grossen Durchmessers oder für Medien mit in weitem Maßstab verschiedenen Schallgeschwindigkeiten dieselbe Schaltung benutzt, und es werden dabei stets dieselben Impulsbeziehungen erhalten.

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Claims

31.10.75 D. 75 071 Wdm/le

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Patentanspruch

(Iß Schaltungsanordnung sura Ermitteln phjsikaliseher Grossen strömendes» Medi©n₉ insbesondere ά@τ StFÖiaungsgeschwindigkeit , aittels dsx³ Ültrasehüllmigthödea bei der über ©ine Meßstooek© abwechselnd ©in Sehallimpuls in ä@r einen und ein Schallimpuls in der anderen Richtung gesendet wird_s dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholgeachwindigkeit der gesendeten Impulse proportional den Gegenstrom- und Mitstromschallgeschwindigkeiten ist und dass der Proportionalitätsfaktor so einstellbar ist, dass der erste empfangene Schallimpuls vor den empfangenen störenden Echoimpulsen vorher gesendeter Schallimpulse liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholgeschwindigkeit so eingestellt ist, dass der Zeitabstand der gesendeten Impulse annähernd das 2,75fache der Laufzeit der Schallimpulse beträgt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Empfängers mittels eines Schallimpulses bis kurz vor Auftreten des empfangenen impulses gesperrt ist.

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k. Schaltungsanordnung nach ©inera der Ansprüche 1-3 a dadurch gekennzeichnet_s dass eine Impulszählvorrichtung (83) vorgesehen ist_s der als Eingangsimpulse die Ausgangsimpulse eines spannungsgasteuerten Oscillators abgeführt werden_s deren Frequenz proportional der Gegensfcrom- bsw. MitstromscJaallgssehwisidigkeit ist_p und di® naeii einer ersten vorbestimmten Impulssahl einen Bezugsimpuls abgibt₉ der durch Vergleich mit dem empfangenen Sehallimpuls die Frequenz der durch Zeitverglsich mit dem empfangenen Schallirapuls bei Nichtübereinstimmung die Frequenz de® gesteuerten Oszillators zu ändern vermag und nach einer aweiten, grösseren vorbestimmten Impulsgahl einen Auslöseimpuls zur Sendung des nächstfolgenden Sehallimpulees liefert.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch ή, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulszählvorrichtung (83) nach einer dritten vorbestimmten kleineren Impulszahl den impul3 beendet.

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