DE2429822C3 - Ultraschall-Strömungsmesser - Google Patents

Description

Die Differenz Af zwischen den Frequenzen f» und 4 ergibt sioh somit zu

I/ = L - h =

21/cos θ

(5) Verzogenwgszeit des Impulses Pt, im Sender-Eaipfanger 5b, führt man schließlich die Abkürzungen ein i»=£/c sowie At= ψ · 2Xcos(9/<?, so lassen sich die Umlauf perioden Tj und Ti wie folgt ausdrucken:

Aus dieser Gleichung ergibt sieh, daß man die Strömungsgeschwindigkeit ν grundsätzlich durch Messung der Frequenzdifferenz Af bestimmen kann. Man erkennt andererseits aus dieser Beziehung, daß bei kleiner Strömungsgeschwindigkeit ν auch der Wert Al sehr klein wird. Der an Hand der Fig. 1 und 2A, 2B erläuterte bekannte Ultraschall-Strömungsmesser beatzt infolgedessen bei kleiner Strömungsgeschwindigkeit ν eine verhältnismäßig geringe Meßgenauigkeit sowie eine geringe Ansprechgeschwindigkeit

An Hand der Fig.3 und 4A bis 4C wird nun ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschall-Strömungsmessers erläutert, wobei in Fig.3 für gleiche Bauelemente dieselben Bezugszeichen wie in F i g. 1 verwendet sind.

Bei der Schaltung gemäß Fig.3 sind die Sender-Empfänger 5a und 56 mit einer Schaltung 8 zum Phasenvergleich verbunden. Diese Schaltung vergleicht die Impulse P, und Pb hinsichtlich ihrer Phasenlage und erzeugt ein Ausgangssignal W(vgl. F i g. 4C). Es gelangt zu einer Integrationsschaltung 9, die ein integriertes Ausgangssignal V liefert, das in F i g. 4C durch die Linie 10 dargestellt ist Die Amplitude E des Ausgangssignals W der Schaltung 8 wird stets konstant gehalten. Die Breite t_p dieses Signals ändert sich in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen den Impulsen P, und Pf, eine solche Änderung von t_p hat eine entsprechende Änderung des integrierten Ausgangssignals Vzur Folge.

Die zum Phasenvergleich dienende Schaltung 8 kann als Flip-Flop ausgebildet sein, wobei der Impuls P» als Setzimpuls und der Impuls Pb als Rückstellimpuls dient

Das integrierte Ausgangssignal V läßt sich wie folgt ausdrücken:

V = Ε-ψ- .

(6)

40

Die Schaltung gemäß Fig.3 enthält ferner einen Bezugsspannungsgenerator 11, der eine Betriebsspannung Vk an einen Differentialverstärker 12 abgibt, dem außerdet.i das Ausgangssignal V von der Integrationsschaltung 9 zugeführt wird. Bezeichnet man die Verstärkung des Differentialverstärkers 12 mit G, so läßt sich die vom Verstärker 12 abgegebene Spannung Vrausdrücken wie folgt:

V₁- = G-(K- V_R)

(7)

Diese Spannung Vc wird einer Schaltungsanordnung 13 zugeführt, die eine im Sender-Empfänger 56 enthaltene einstellbare Verzögerungseinrichtung in einer bestimmten, noch näher zu erläuternden Weise steuert

Zur Schaltung gemäß Fi g. 3 gehört ferner noch ein Schalter 14, der eine Umpolung der Anschlüsse 66 und 76 des Sender-Empfängers 56 gestattet. Ferner ist ein Startkreis 15 vorgesehen sowie eine Einrichtung 16, deren Funktion noch näher erläutert wird.

Bezeichnet man mit U die Verzögerungszeit des Impulses P, im Sender-Empfänger 5a, mit tb die feste (voreingestellte) Verzögerungszeit des Impulses H im Sender-Empfänger 56 sowie mit t_c die variable

45

60 T =

It

Τ* =

c-rcose

t_t

Ir

Da die variable Verzögerungszeit t_c vom Ausgangssignal Vc linear gesteuert wird, besteht ferner die Beziehung

t_c = - k-V_c.

(10)

Hierbei ist k ein Faktor für die Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung 13.

Die Schaltungsanordnung 13 steuert nun die im Sender-Empfänger 56 enthaltene, einstellbare Verzögerungseinrichtung derart, daß bei Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit ν die Umlaufperiode Tb der zweiten Umlaufschleife jeweils der Umlaufperiode T₁ der ersten Umlaufschleife angeglichen wird, so daß also gilt

T₀- T_b. (11)

Aus den Gleichungen 8,9,10 und 11 folgt damit

11 + tb - fa

v_c

(12)

Aus den Gleichungen 6 und 7 erhält man ferner

Ta
E

Nimmt man nun die erste Einstellung der in den Sender-Empfängern 5a, 56 enthaltenen Verzögerungseinrichtungen (mit fester Verzögerungszeit) so vor, daß

so ergibt sich aus Gleichung 12

V_c = Ir/fc -

2 Leos Θ

(14)

V. (15)

Die Ausgangsspannung Vc ist damit der Strömungsgeschwindigkeit ν der Flüssigkeit 2 proportional. Der Startkreis 15 erzwingt beim Start sowie bei etwaigen Störungen eine bestimmte Phasendifferenz zwischen den Impulsen P_t und Pb. Ist diese erreicht, so trennt der Startkreis 15 die beiden Sender-Empfänger

5a und Sb voneinander, so daß die beiden Signalumlaufschleifen in der erläuterten Weise unabhängig voneinander arbeiten.

Die Schaltung 16 dient zur Berücksichtigung des Faktors c² in der Gleichung 15, d.h. zur Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigke Ausgang der Schaltung 16 läßt sich darr Spannung abnehmen, die der Geschwindigkei Flüssigkeit genau entspricht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

ι 2 Fig.2A und 2B Diagramme zur Erläuterung der Patentansprüche- FunlüiondesStrömuBgsmesserssemäßFig.l, H FJg,3 eine Sehemadarstellung des erfindungsgemä-

1. Ultraschall-Strömungsmesser mit zwei Signal- Ben Ultraschall-Strömungsmessers,
«mlaufschleiien,vo»den^die«neeineeinstellbare 5 Fig.4A bis 4C Diagramme zur Erläuterung der Verzögeningseinrichtung enthält, dadurch ge- Funktion des Strömungsmessers gemäß F ig. 3
kennzeichnet, daß eine Schaltung (8) zum DerinFig.Klargestellte,bekannteUhraschaU-Stro-Phasenvergleich der beiden Ultraschallsignale (P* mungsmesser dient dazu, die Geschwindigkeit ν einer Pt) vorgesehen ist, ferner eine in Abhängigkeit vom das Röhr 1 in Längsrichtung (Pfeil a) durchfließenden Ausgangssignal (V) dieser Phasenvergleichsschal- io Flüssigkeit 2 zu bestimmen. Zu diesem Zweck sind zwei iung gesteuerte Schaltungsanordnung (13), die die Ultraschallwandler 3 und 4 vorgesehen^ die zwei einstenbare Ve^ögeningseinrichtung derart steuert, Signalumlaufschleifen A und B bilden. In der ymlaufdaß bei Änderuagender Strömungsgeschwiadigkeit schleife A Uegt ein Sender-Empfanger 5a und in der die Umlaufperiode ^dieser zweitea Umlaufschlei- Schleife Sein Sender-Empfänger 5b.

fe der Uralaufperiode (T₄) der ersten Umlaufschleife 15 Der Sender-Empfänge* 5a gibt im Zeitpunkt i, am

angeglichen wird, so daß das Ausgangssignal (V)tm Anschluß 6a einen Impuls P, ab (vgl. h 1 g. ZA und 2B).

Maß für die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssig- Der Impuls P, tritt vom Wandler 3 in die "ussigkeit 2

keitist ein, gelangt zum Wandler 4, zum Anschluß 7a des

2. Ultraschall-Strömungsmesser nach Anspruch 1, Sender-Empfängers 5, wird im Sender-Empfänger 5a dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden 20 verstärkt und im Zeitpunkt 6 erneut am Anschluß 6a Signalumlaufschleifen ein Startkreis (15) vorgesehen abgegeben. Die Umlaufperiode des Impulses in der ist, der nur beim Start und bei Störungen eine ersten Signalumlaufschleife A ist mit Γ, bezeichnet
bestimmte Phasendifferenz zwischen den beiden In der Umlaufschleife B läuft das Impulssignal im Ultraschallsignalen (P„ P_b) erzwingt, im übrigen entgegengesetzten Sinne um. Am Anschuß 66 des jedoch die beiden Signalumlaufschleifen voneinan- 25 Sender-Empfängers 56 wird ein Impuls P_b im Zeitpunkt der trennt. ii abgegebea Er gelangt vom Wandler 4 in die

3. Ultraschall-Strömungsmesser nach Anspruch 1, Flüssigkeit 2 und über den Wandler 3 zum Anschluß 7b. dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Berücksichti- Nach Verstärkung im Sender-Empfänger 56 wird der gung der Schallfrequenz dienende Schaltungsanord- Impuls P_b im Zeitpunkt ti erneut am Anschluß Bb nung (16) vorgesehen ist 30 abgegebea Die Umlaufperiode dieser zweiten Umlaufschleife Bist mit Tbbezeichnet

Die Umlaufperioden T„ und Tb beider Umlaufschlei-

fen »ind dann gleich groß, wenn die Flüssigkeit 2 im

Rohr 1 steht Strömt dagegen die Flüssigkeit 2 mit einer

35 bestimmten Geschwindigkeit ν in der in Fig. 1

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Stromungs- gekennzeichneten Richtung, so verkleinert sich die

messer mit zwei Signalumlaufschleifen, von denen die Umlaufperiode 7",(d h.die Umlaufpenode in derjenigen

eine eine einstellbare Verzögerungseinrichtung enthält Umlaufschleife, in der das Ultraschallsignal sich in

Ein bekannter Ultraschall-Strömungsmesser der gleicher Richtung wie die Flüssigkeit bewegt), während

vorstehend genannten Art wird an Hand der F i g. 1 und 40 sich die Umlaufperiode T_b vergrößert Die F i g. 2A und

2A und 2B noch im einzelnen erläutert Wie aus dieser 2B veranschaulichen diesen Fall.

Erläuterung hervorgeht weist dieser bekannte Ultra- Bezeichnet man die Strömungsgeschwindigkeit der

schall-Strömungsmesser bei kleiner Strömungsge- Flüssigkeit 2 im Rohr 1 mit v(m/s), die Geschwindigkeit

schwindigkeit eine geringe Meßgenauigkeit sowie eine der Ultraschall-Impulse P, und P*im Wasser mit c(m/s),

kleine Ansprechgeschwindigkeit auf. ₄₅ den Abstand zwischen den Wandlern 3 und 4 mit L (m)

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, und den Winkel zwischen der Strömungsrichtung a der unter Vermeidung dieser Nachteile einen Ultraschall- Flüssigkeit und der Fortpflanzungsrichtung der Ultra-Strömungsmesser der eingangs genannten Art so schall-Impulse in der Flüssigkeit 2 mit Θ, so lassen sich auszubilden, daß sich bei kleiner Strömungsgeschwin- die Umlaufperioden 7"_aund T_bwie folgt ausdrücken:
digkeit eine größere Meßgenauigkeit sowie eine höhere 50
Ansprechgeschwindigkeit ergibt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst τ - ^- Mi

daß eine Schaltung zum Phasenvergleich der beiden " ~ Y+Y cos W
Ultraschallsignale vorgesehen ist ferner eine in

Abhängigkeit vom Ausgangssignal dieser Phasenver- 55 .

gleichsschaltung gesteuerte Schaltungsanordnung, die 7 = . (2)

die einstellbare Verzögerungseinrichtung derart steuert, ^£ " ' ^{cos (}"^}
daß bei Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit die

Umlaufperiode dieser zweiten Umlaufschleife der _{Dje Frequenzen} /, _und 4 der Impulse P, und P„ lassen

Umlaufpenode der ersten Umlaufschleife angeglichen ₆o _sich demgemäß wie folgt ausdrücken:
wird, so daß das Ausgangssignal ein Maß fur die
Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind 1 c + rcosfi*

Gegenstand der Unteransprüche. /« ⁼ ~~f~~ ~ jf > (3)

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der _6s "
Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Sehemadarstellung eines bekannten f _ ' _ ^c~

Ultraschall-Strömungsmessers, ^h T_b