DE2527286B2

DE2527286B2 - Anordnung zur messung des luftmengenflusses durch eine leitung

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Publication number: DE2527286B2
Application number: DE19752527286
Authority: DE
Priority date: 1974-08-01
Filing date: 1975-06-19
Publication date: 1977-12-22
Also published as: GB1509963A; DE2527286A1; JPS5137669A; FR2280884B1; IT1016749B; FR2280884A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung des Luftmengenflusses durch eine Leitung mit zwei in der Leitung im Abstand voneinander angeordneten und von einem Impulsgenerator zur gegenseitigen Zusendung von Ultraschallüignalen gleichzeitig angesteuerten piezoelektrischen Wandlern sowie einer die Laufzeitdifferenz der Ultraschallsignale verarbeitenden Schaltung.

Eine derartige Anordnung ist aus der DT-OS 10 742 bekannt. Die in dieser Meßanordnung vorgesehene Schaltung zur Verarbeitung der Laufzeitdifferenzen der Ultraschallsignale ist so angelegt, daß beide piezoelektrischen Wandler zweimal nacheinander angesteuert werden müssen, um ein Laufzeitdifferenzsignal zu erhalten, da sie pro Ansteuerung der piezoelektrischen Wandler jeweils nur ein Ultraschallsignal auswerten kann. Dies Führt im wesentlichen zu zwei Nachteilen, nämlich einer relativ langen Meßdauer und darüber hinaus zu systematischen, d.h. meßanordnungsbedingten Fehlern, insoweit, als die zu Meßzwekken ausgewerteten Meßsignale in zeitlichen Abständen die Mcßstrccke durchlaufen und daher unterschiedliche dynamische Bedingungen vorfinden können,

Der Erfindung liegt nun. die Aufgabe zugrunde, eine möglichst störgrößenfreie Messung unter Beibehaltung gleicher dynamischer Bedingungen vorzunehmen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungs-

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b0 gemäß die Schaltung zwei Auswertekanäle aufweist, die sich gleichzeitig im Empfangs/.ustand befinden.

Die Erfindung führt dazu, daß nunmehr beide, gleichzeitig die Meßstrecke durchlaufende Ultraschallsignale über die Auswertekanäle der die Lauizeitdifferenz auswertenden Schaltung zugeführt werden, so dall sich gegenüber den bekannten Meßanordnungen die Meßgeschwindigkeit verdoppelt und die Störgrößen reduziert werden, wobei insbesondere die zu Meßzwekken ausgewerteten Schallsignale annähernd gleichen dynamischen Verhältnissen unterworfen sind.

Zur weiteren Verbesserung der Meßgenauigkeit weisen die Auswertekanäle vorzugsweise zwei Torschaltungen auF, die nur während des nahe der Empfangszeit der Ultraschallsignale liegenden, zur Messung benötigten Zeitintervalls geöffnet sind. Durch diese Maßnahme werden Störsignale, die in der meßfreien Zeit auftreten und zu Artefakten führen könnten, weitgehend ausgeschaltet.

Um eventuell von der Wandleranregung noch vorhandene Schwingungen des empfangenden Wandlers, welche das Meßergebnis unschärfer machen könnten, auszuschalten, ist die Dauer der Steuerimpulse, vorzugsweise unter Berücksichtigung des Gütefaktors der Wandler sowie deren gegenseitigen Abstandes, so bemessen, daß die in den Wandlern angeregten Schwingungen abgeklungen sind, bevor deren ausgesandte Wellenzüge am jeweils anderen Wandler eintreffen.

Das Signalrauschverhältnis der Meßanordnung wird dadurch weiter verbessert, daß die Amplitude der Steuerimpulse mehrere 100 Volt, vorzugsweise 500 bis 1000 Volt beträgt.

Eine weitere Verbesserung des Meßergebnisses wird dadurch erzielt, daß zur Ausschaltung störender Wirbel in Wandlernähe die beiden Wandler auf der Achse der Meßleitung angeordnet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels in schematischer Darstellung.

In der Zeichnung ist eine Leitung 1 dargestellt, durch welche eine zu messende Luftmenge strömt. An den entgegengesetzten Enden der Leitung befinden sich zwei piezoelektrische Wandler 2, 2', die auf der Achse der Leitung 1 angeordnet sind, um die Bildung von Wirbeln in der Nähe der Wände der Leitung 1 durch ihre jeweilige Halterung (nicht gezeigt) zu verhindern.

Die beiden Wandler 2, 2' werden gleichzeitig durch einen einzigen Impulsgenerator 8 angesteuert, wobei die Dauer jedes Impulses unter Berücksichtigung der Resonanzfrequenz der Wandler 2, 2' so ausgewählt ist, daß nicht aufgrund zu lang andauernder Wandlerschwingungen Signalunschärfen entstehen könnten. Dies ist nur möglich, wenn der Gütefaktor der Wandler 2, 2' ausreichend niedrig ist, um die Störung bei jedem Wandler 2, 2' (infolge des Impulses) zu dämpfen, bevor das Signal des anderen Wandlers 2', 2 eintrifft. Aus diesem Grunde haben die verwendeten piezoelektrischen Wandler 2, 2' einen sehr niedrigen Gütefaktor, so daß infolge der der Luftströmung aufgeprägten Spannungszustände eine Impulsfolge mit identifizierbarer erster Halbwelle erhalten wird.

Die elektronische Verarbeitungsschaltung, die mit (Jen beiden Wandlern 2, 2' verbunden ist. umfaßt eine Steuerschaltung 7 zur gleichzeitigen Speisung der beiden piezoelektrischen Wandler 2, 2' über zwei Schalterstromkreise 3, 3', welche die piezoelektrischen

Wandler 2. 2' automatisch vom Sendezustand /um Empfang>zustand schalten. Das Ausgangssignal der sich im Empfangszustand befindender Wandler 2, 2' wird über die Schalterstromkreise 3, 3' zwei Triggerverstarkern 4, 4' zugeführt, die zwischen den Schalterstromkreisen 3, 3' und zwei Torschaltungen 5, 5' angeordnet sind. Die Torschaltungen 5. 5' werden durch einen Zeitgeber, nämlich den Impulsgenerator 8, gesteuert, dessen Zeitimpulse sowohl das öffnen und Schließen der Torschaltungen 5, 5' als auch die Steuerschaltung 7 steuern. Die Zeitimpulse vom Impulsgenerator 8 werden zvei !mpulswählschaltungen 6, 6' zugeführt, die du/u dienen, das von den piezoelektrischen Wandlern 2. 2' empfangene Schallsignal zum Zeitpunkt seines Eintreffens zu einer Speicherschaltung 9 durchzulassen. Der Ausgang der Speicherschaltung 9 liefert eine Folge von Impulsen, deren Dauer jeweils proportional der Augenbiicksluftgeschwindigkeit in der Leitung 1 ist. Diese Signale werden zu einer Integrierschaltung 10 geleitet, um den Mittelwert der Luftgeschwindigkeit /u erhalten. Der Ausgang aus der Integrierschaltung 10 wird einer Multiplizierschaltung 11 zugeführt, um den Augenblickswert des Luftmengenflusses als Produkt der Luftgeschwindigkeit — gemessen in der Integrierschaltung 10 — . den geometrischen Konstanten des Gerätes und dem atmosphärischen Druck, der durch einen Luftdruckfühler 12 geliefert wird, zu erzielen.

Die Arbeitsweise der vorangehend beschriebenen Schaltungsanordnung ist wie folgt:

Allgemein dient die Schaltungsanordnung dazu, die Differenz zwischen der Laufzeit eines Ultraschallsignals vom piezoelektrischen Wandler 2 zum piezoelektrischen Wandler 2' und der Laufzeit eines Ultraschallsignals vom Wandler 2' zum Wandler 2 innerhalb der Luftleitung 1 zu bestimmen.

Die Differenz Δ ι zwischen diesen Laufzeiten ist gegeben durch den Ausdruck:

2/V ir — u

Dabei ist:

μ = Luftgeschwindigkeit

u = Geschwindigkeit des Signals durch die ruhende

Luft
/ = Abstand zwischen den Wandlern 2.2'

Wenn, wie in diesem Falle, die maximale Luftgeschwindigkeit um einen Faktor ?0 geringer als die Schallgeschwindigkeit ist (d. h. 20rnal geringer), kann der obige Ausdruck wie folgt angenähert werden:

If --=

2/»

wobei der Fehler vernachlässigbar ist.

Außerdem kann, da u- = KT. der obige Ausdruck wie folgt geschrieben werden:

Ir =■-

2/tv
Kl

Wenn ferner
S = Querschnitt der Leitung und

V = spezifisches Volumen vJer Luft ist.
gilt für den Luftmengenfluß G

Für zweiatomige Gase gilt weiterhin:
p\ = Rl [p = Luftdruck in der Leitung I]. i5i
•i woraus

I=-*⁷ IM

folgt.

Durch Substituieren von (b) in (4) und unter Berücksichtigung von (3) erhält man:

Swp Rl

SK 1 r 7 ρ 21R 1

Sk

Nun ist -,,„ eine Konstante (K]), welche uusschließ-

lich von der Geometrie der Schaltungsanordnung abhängt und daher bekannt ist.
Deswegen gilt;

G =- K₁ \i ■ ρ ■

Die Messung des Luftmengenfiusses G durch die Leitung 1 in kg/sec kann durch Ermitteln von J r. d. h. der Differenz in den Laufzeiten in jeder Richtung des Ultraschallsignals innerhalb der Leitung !,des absoluten atmosphärischen Druckes ρ in der unmittelbaren Umgebung des Meßgerätes und der Konstanten K, vorgenommen werden. Aus obigem Ausdruck für G ergibt sich, daß Schwankungen der absoluten Temperatur innerhalb der Leitung 1 keine Wirkung auf die Strömungsmessung haben, da die Größe G gemäß Gleichung (8) von Tunabhängig ist.

Von außen induzierte Störungen im Betrieb des Gerätes werden dadurch verringert, daß die Torschaltungen 5, 5' während des ganzen Zeitraums /wischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen mit Ausnahme des nahe der Signalsempfangszeit liegenden, /ur Messung benötigten kurzen Zeitintervalls geschlossen bleiben.

Durch diese Arbeitsweise wird die Möglichkeit, daß eine elektrische oder akustische Störung die Torschaltungen 5, 5' passieren und die Verarbeiuingsschalumgen erreichen können, auf ein Mindestmaß herabgeset/t.

Vorzugsweise soll die Amplitude tier Impulse mehrere 100 V. beispielsweise zwischen 500 und 1000 V, betragen. Die Resonanz der Wandler soll vorzugsweise bei etwa 300 kHz liegen und die Dauer jedes Impulses soll vorzugsweise etwa 1,5 Mikrosekundcn betragen.

lltcr/u 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung des Luftmengenflusses durch eine Leitung rr.it zwei in der Leitung im ί Abstand voneinander angeordneten und von einem Impulsgenerator zur gegenseitigen Zusendung von Ultraschallsignalen gleichzeitig angesteuerten piezoelektrischen Wandlern sowie einer die Laufzeitdifferenz der Uitraschallsignale verarbeitenden ι ti Schaltung,

dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltung zwei Auswertekanäle (3—6, 3'—6') aufweist, die sich gleichzeitig irn Empfangszustand befinden. ι-ί

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertekanäle (3—6, 3' — 6') zwei Torschaltungen (5, 5') aufweisen, die nur während des nahe der Empfangszeit der Ultraschallsignale liegenden, zur Messung benötigten Zeitintervalls :o geöffnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer dei Steuerimpulse unter Berücksichtigung des Gütefaktors der Wandler (2, 2') sowie deren gegenseitigen Abstandes so :>■> bemessen ist, daß die in den Wandlern (2, 2') angeregten Schwingungen abgeklungen sind, bevor deren ausgesandte Wellenzüge am jeweils anderen Wandler (2,2') eintreffen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder so folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Steuerimpulse mehrere 100 V, vorzugsweise 500 bis 1000 V beträgt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche I oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden i-> Wandler (2, 2') auf der Achse der Leitung (1) angeordnet sind.