DE2365907B2 - Schaltungsanordnung zum Ermitteln physikalischer Größen strömender Medien, insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln physikalischer Größen 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 23 22 749 und die darin genannten Literaturangaben).

Gegenüber den bekannten, auf der Ultraschallmethode beruhenden Sehallungsanordnungen mil zwei MeB-strecken haben die nur eine Meßstrecke mit Richtungsumschaltung aufweisenden Sehaltungsanordnungen, zu denen auch die der eingangs genannten Gattung gehört, den Vorzug, daß die sonst bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten der Medien auftretenden Probleme des »Mitziehens benachbarter Frequenzen« überwunden sind; außerdem entfallen die )iistierungsprobleme bezüglich der gegenseitigen Einstehung zweier Meß strecken. 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 vorangegangener Sendeimpulse auftreten. Diese Möglichkeiten bestehen beispielsweise, wenn eine solche Schaltungsanordnung, wie in dem Patent 23 33 971 vorgeschlagen, zwei Kanäle aufweist, denen von einem zum Ermitteln der Verschiebung zueinander gehörender Sende- und Empfangsimpulse vorgesehenen Phasendetektor aus ein Frühsignal, wenn der empfangene Schallimpuls vor einem gleichzeitig mit jedem gesendeten Schallimpuls ausgelösten verzögerten Bezugsimpuls cintriti, und ein Spätsignal, wenn der empfangene Schallimpuls später als das Bezugssignal eintrifft, unter Berücksichtigung der Stromabwärts- oder Stromaufwärts-Senderichtung zugeführt werden, und an denen aufgrund dieser als Eingangswerte zugeführten Frühoder Spätsignale durch Integration mittels Integrationsgliedern Spannungsniveaus gebildet werden. Die Berücksichtigung der Stromwärts-ZStromabwärts-Senderichtung erfolgt dabei mit Hilfe von Auf- bzw. Ab-Steuersignalen. Durch Echos vorangegangener Impulse in dem strömenden Medium kann der Betrieb einer Schaltungsanordnung der zur Rede stehenden Art empfindlich gestört werden.

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 Mitstromschalllgeschwindigkeiten 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.

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

Vorzugsweise ist eine Impulszählvorrichtung vorgesehen, der als Eingangsimpulse die Ausgangsimpulse eines spannungsgesteuerten Oszillators zugeführt werden, deren Frequenz proportional der Gegenstrom- bzw. Mitstromschallgeschwindigkeit ist, und die nach einer ersten vorbestimmten Impulszahl einen als Schutzimpulsdienenden 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 Schutzimpuls.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen denen eine Schaltungsanordnung nach dem oben erwähnten Patent 23 33 971 zugrunde gelegt ist, beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein vereinfachtes Blockschema einer Schaltungsanordnung der zur Rede stehenden Gattung,

F i g. 2 ein Blockschema der Steuereinheit und

F i g. 3 ein den zeitlichen Ablauf der Signale in der Steuereinheit wiedergebendes Impulsdiagramm.

Gemäß Fig. 1 enthält die Schaltungsanordnung eine ι ο Sende-/Empfangseinheit 15, in der die Umschaltvorgänge 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-/Empfangseinheit 15 einem Phasendetektor 16 zugeleitet Der Detektor 16 formt die empfangenen Impulse in gleichartiger Weise wie in dem älteren Patent 23 22 749 angegeben. Eine Steuereinheit 17 erzeugt einen Bezugsimpuls, der dem Detektor 16 zugeführt wird. In dem Detektor 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 Frequeiizsyntheseeinheit 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 Sendeempfangsumschaltung, die in der Sende-/Empfangseinhei·. 15 durchgeführt wird, in die richtige Folge bringen. Die Steuersignale aus der Steuereinheit 17 werden außerdem mit dem Detektor 16 verbunden, der für die richtige Signalfolge für den Phasenvergleich zwischen dem empfangenen Signal und dem Bezugssignal sowie für eine automatische Verstärkungsregelung und für eine -»ο »kein Signalw-Alarmanzeige sorgt. Die Summierungen der Früh-/Spätsignale aus der Steuereinheit 17 werden in der Frequenzsyntheseeinheit 18 direkt benutzt, um die Ausgangsfrequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 19 zu steuern und «ine 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 so 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 Schaltungsanordnung und Arbeitsweise der Steuereinheit 17 von Interesse. Diese ist in Fig.2 als Blockschema veranschaulicht

Die Steuereinheit 17 sorgt allgemein für die Erzeugung des Sendeimpulssignals, eines Teils der ⁶⁽⁾ Verzögerungszeit und danach für die Erzeugung des Bezugsimpulses, des Schutzimpulses, der Auf-/Absteuersignale und der Integratorausgangssignale, die als Steuersignale indem Frequenzsynthesekreis 18benutzt werden. Aus dem fhasendetektor 16 empfängt die ^h"> Steuereinheit 17 Signair;, welche die Frühzeitigkeit oder Spätzeitigkeit der empfangenen Impulse angeben. Selbsthalteschaltungen 69 und 70 werden abwechselnd durch einen Auf-/Abmultivibrator 71 zur Wirkung gebracht, um ein Signal in Abhängigkeit davon, 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 76 wird der Syntheseeinheit 18 zugeleitet

Die normale Arbeitsweise der Schaltung erfordert fortlaufende Änderungen des Zustands 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 andern, wird eine Aiarmanzeige durch den Aiarmkreis 7/ £ ebiidet.

Die Steuereinheit 17 empfängt ferner zwei Frequen zen /| und /2 aus der Syntheseeinheit 18, die dem Schaltkreis 78 zugeführt werden, der eine Einpol/Zweistelluni-sumschaltfunktion 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 zugeleitet

Der Schaltkreis 78 ist mit dem Sendeimpulsgenerator 82 und außerdem mit einer Impulszählvorrichtung dem Teilerkreis 83 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 153 für den Auf/Ab-Steuerkreis 71 zur Verfügung stellt. Der Schutzimpulsgenerator 88 liefert auch das eine Eingangssignal 150 zu einem Tor 89, das mit einem Wiederholverhältnis-Impulsgenerator 90 verbunden ist. De/ Impulsgenerator 90 ist so geschaltet, daß er den Sendeimpulsgenerator 82 steuert.

Der Schutzimpuls aus dem Schutzimpulsgenerator 88 ist mit dem Phasendetektor 16 verbunden. Das Signal 154 aus dem Bezugsimpulsgenerator 84 wird sowohl dem Detektor 16 als auch der Sender/Empfängereinheit 15 zugeführt. Die beiden Signale 159, 160 aus dem Sendeimpulsgenerator 82 sind von entgegengesetzter Polarität. Der niedrigere Sendeimpuls 159 wird dem Detektorkreis 16 zugeführt und der hohe Sendeimpuls 160 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 au., dem Detektor 16 kommt, hat die Form eines abfallenden Impulses. Somit bringt eine Aufwärts-Anzeige aus der Auf/Ab-Steuerung 71, die ein Niedrig-Zustand ist, das erste Paar NOR-Tore in der Schaltung 69 zur Wirkung, während das gleichzeitige Hoch-Signal aus der Auf/Ab-Steuerung 7i zur Schaltung hin das erste Paar der darin enthaltenen NöR-Tore blockiert. Die Schaltung 69 befindet sich nun in einem Zustand zur Leitung entweder eines Frühimpulses oder eines Spätimpulses 7um Verstärker 72. Ein Frühimpuls 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 Integratoraiisgangsspannung 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 75, der wiederum ein Ausgangssignal erzeugt, das den Integrator 76 auf die gleiche Art und Weise betreibt wie es für den Integrator 73 oben beschrieben wurde. Die Schaltung 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 Zustandsänderung aus 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 Alarmanlage so lange ständig in einem »Auf«-Zustand hält wie beide Schaltungen 69 und 70 Zustandsänderungen in der Kipperiode der zurücktnggerbaren Kippschaltung hervorbringen. Im Falle, daß entweder die Schaltung 69 oder die Schaltung 70 keine Zustandsänderungen in einer solchen Periode hervorbringt, fällt das Alarmausgangssignal auf einen Niedrig-Zustand, wodurch eine Störung in dem System angezeigt wird.

In F i g. 3 ist ein Impulsdiagramm für einen Teil der Steuereinheit 17 wiedergegeben. Als Taktgebungsfrequenz 144 ist die relativ hohe Frequenz f\ oder h ddrgestellt, die in der Syntheseeinheit 18 erzeugt und mit dem Schaltkreis 78 verbunden wird. Der Schaltkreis 78 laßt entweder /Ί oder f₂ durch, je nach dem Zustand der Auf/Ab-Steuerung 71. Wenn z. B. die Auf/Ab-Steuerung 71 sich in dem Auf-Zustand befindet, so läßt sie /Ί durch den Schaltkreis 78 hindurch und blockiert /j. f\ wird dem Taktgeberkreis-Eingang des Teilers 83 zugeführt. Dieser erzeugt einen Wiederholverhältnisimpuls 147. der eine Periode von 128 Taktimpulsen hat. Ein zweiter Teilerausgangsimpuls 148 beginnt am Ender der 1 28 Taktimpuls und fällt am Ende von 256 Taktimpulsen ab. Der zweite Teilerausgang'impuls 148 wird mit dem Impulsgenerator 87 verbunden. Der Impulsgenerator 87 schaltet beim Anstieg des Teilerausgangsimpulses 148 und fällt bei dem nachfolgenden Anstieg des Impulses 148 zurück, um den Impuls 149 zu bilden. Der Impuls 149 wird mit dem Schutzimpulsgenerator 88 verbunden. Der Impulsgenerator 88 bildet zugleich mit dem Schutzimpuls Ausgangsimpuise 150 und 153, 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 154, 155 beim Abfall des Impulses 148. Der Impuls 154 wird der Sende/Empfangseinheit 15 zugeführt. 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 zu dem zweiten Eingang des Tors 89 geleitet. Der Impuls 150 kehrt auf einen niedrigen Zustand zurück, während der Impuls 155 sich in einem niedrigen Zustand befindet und ein Signal 156 aus dem NOR-Tor 89 erzeugt, welches das Wiederholverhältnistor 90 zurückstellt, das wiederum beim nächsten Anstieg des Wiederholverhältnisimpulses 147 zündet. Das Ausgangssignal 156 aus dem Tor 90 ist als die Spitze dargestellt und mit dem Sendeimpulsgenerator 82 verbunden. Ein Niedrig-Sendeimpuls 159 und ein Hoch-Sendeimpuls 160 erscheinen unmittelbar an den Ausgängen des Sendeimpulsgenerators 82. Der Niedrig-Sendeimptils 159 stellt unmittelbar die Teiler 83 zurück und beginnt eine neue Folge für den Wiederholverhältnisimpuls 147 und den Ausgangsimpuls 148 am zweiten Teiler. Er stellt auch den Impuls 149 und den Schutzimpuls 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 Ausgangssteuerzustände an der Auf/Ab-Steuerung 71 geändert, wie dies durch den Aufwärts-Steueritnpuls 161 und den Abwärts-Steuerimpuls 162 gezeigt wird. Somit wird die Auf/Ab-Steuerung 71 umgekehrt, um die richtigen Schaltvorgänge zu betätigen und einen Wechsel der Senderichtung zu ermöglichen, bevor der nachfolgende Sendeimpuls 160 erzeugt wird.

Der Wiederholverhältnisimpuls 147 ist nun so gewählt, daß er mit einer bestimmten Geschwindigkeit, bezogen auf die Taktfrequenz F_s oder h, 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 die Meßstrecke im Medium zugelangen. Sämtliche in F i g. 3 dargestellten Impulse verbleiben, wenngleich sie alle hinsichtlich ihrer Breite oder Rücklaufzeit verse' Jeden sind, in dieser Hinsicht genau im gleichen Verhältnis zueinander, da sie alle direkt oder indirekt durch die Taktfrequenzen /i oder h beherrscht werden. So wird für Rohre kleinen oder großen Durchmessers oder für Medien mit in weitern Maßstab verschiedenen Schallgeschwindigkeiten dieselbe Schaltung benutzt und es werden dabei stets dieselben Impulsbeziehungen erhalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Ermitteln physikalischer Größen strömender Medien, insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit, mittels der Ultraschallmethode, bei der über eine Meßstrecke abwechselnd ein Schallimpuls in der einen und der Schallimpuls in der anderen Richtung gesendet wird, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, 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 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 Schallimpulsebeträgt

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Empfängers mittels eines Schutzimpulses bis kurz vor Auftreten des zu empfangenden Schallimpulses gesperrt ist

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulszählvorrichtung (83) vorgesehen ist, der als Eingangsimpulse die Ausgangsimpulse eines spannungsgesteuerten Oszillators zugeführt werden, deren Frequenz proportional der Gegenstrom- bzw. Mitstromschallgeschwipdigkeit ist, und die nach einer ersten vorbestimmten Impulszahl einen Schutzimpuls einleitet und eir-n 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.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulszählvorrichtung (83) nach einer dritten vorbestimmten kleineren Impulszahl den Schutzimpuls beendet.