DE2532889C2 - Gerät zum Messen der Geschwindigkeit oder einer Geschwindigkeitskomponente der Strömung eines Strömungsmittels - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät gemäß dem Hauptpatent 23 16 437.

Die GB-PS 12 85 175 beschreibt einen Strömungsmesser, der eine Ausgangsfrequenz proportional der Strömungsgeschwindigkeit hat. Diese Ausgangsfrequenz ist die Differenzfrequenz fd von »Stromaufwärts«- und »Stromabwärtse-wsing-aroundw-Impulsketten. Mit »sing-around«-Impulsketten sind Impulszüge gemeint, die durch Wiederauslösen des Senders erzeugt werden, wenn ein Impuls durch den Empfänger empfangen wird.

Die Frequenz der »Stromaufwärtsw-Impulskette

C-V

Die Frequenz der »Stromabwärts«-Impulskette
1 C + V

Geschwindigkeit des Strömungsmittels
Schallgeschwindigkeit im Strömungsmittel
Abstand zwischen den Schallwandlern
»Stromaufwärts«-Laufzeit - d.h. Zeit der Übertragung von Impulsen vom Sender zum Empfänger
»Stromabwärts«-Laufzeit,

woraus folgt:

fd =/,-/₂ =

2V

Die Ausgabezeit für einen derartigen Strömungsmesser ist die Zeit, die erforderlich ist, um fd bis zur erforderlichen Genauigkeit zu messen. Die langen Zeiten, die für diese Ausgabe bzw. Anzeige für geringe Strömungsgeschwindigkeit erforderlich sind, können in einigen Anwendungsfällen einen Nachteil bedeuten.

Differenzschaltungen sind bekannt, aber haben folgende Nachteile:

1.

2.

Es gibt keine Information darüber, welche der beiden Frequenzen VFO ¹I oder VFO 2 die größere ist - d.h. es gibt keine Andeutung der Strömungsrichtung.

Bei niedriger oder Nullströmung gibt es eine Streuung in den augenblicklichen KFO-Frequenzen wegen einer kleinen Streuung in der Laufzeit

der Ultraschallimpulse über beispielsweise ein Rohr hinweg und auch wegen der Begrenzung in der Zeitauflösung der KFO-VervieÜältigerschaltungen, die verwendet werden, um das Timing des empfangenen Impulses mit dem JV-ten VFO-Impuls zu vergleichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Gorät nach dem -iauptpatent so zu verbessern, daß bei ihm sowohl Höhe als auch Richtung der Strömungsgeschwindigkeit angezeigt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Kennzeichnungsmerkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Gerät schafft einen verbesserten Strömungsmesser, bei dem freischwingende bzw. frequenzvariable Oszillatoren verwendet werden, wodurch ein viel schnelleres Herauslesen bzw. eine viel schnellere Anzeige erzielt werden kann. Es sind Vorkehrungen im Hinblick auf eine vorübergehende Behinderung des Ultraschallimpulsweges getroffen. Der Strömungsmesser bleibt daher unbeeihträchtigt, wenn er zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten verwendet wird, die beispielsweise feste Körper enthalten.

Das Gerät nach der vorliegenden Erfindung bringt vor allem den Vorteil mit sich, daß durch Verwendung eines Vorzeichendetektors nicht nur die Höhe rfer Strömungsgeschwindigkeit, sondern auch die Riehlung der Strömung festgestellt wird.

Ferner ist das Gerät besonders vorteilhaft bei der Messung der Totalströmung in Flüssen oder großen Rohren, wo die Schallwandler über die gesamte Breite des Flusses oder Rohres im Abstand voneinander angeordnet sind, und zwar auf einem geneigten Weg, um auf diese Weise eine Geschwindigkeitskomponente entlang dem Weg einzuführen. Mit solchen großen Basislinien wäre die Ansprechzeit von Systemen, wie sie beispielsweise in der britischen Patentschrift 12 85 175 beschrieben sind, unannehmbar langsam.

Das erfindungsgemäße Gerät ist aber auch vorteilhaft für die Strömungsmessung in kleinen Rohrleitungen (Pipelines). Schallwandler können auf der Außenseite der Rohrleitung angebracht werden, so daß sie in die Strömung keine Störung einbringen. Die Schallwandler werden axial versetzt angeordnet und an die Rohrleitung so angewinkelt und gekoppelt, daß unter Berücksichtigung von Streuungen an den verschiedenen Zwischenflächen ein angemessener Weg, so steil wie möglich zur Radialrichtung geneigt, von den Uütraschallimpulsen im fließenden Strömungsmitte; befolgt wird. Eine Strömung von etwa 1 cm/sek. in einem Rohr von etwa 10 cm Durchmesser würde eine Größenordnung von Minuten als Ansprechzeit erfordern, wenn ein herkömmliches »sing-around«-System und eine Koinzidenzzählung verwendet werden. Mit einem Gerät nach der Erfindung kann diese Ansprechzeit ohne weiteres auf einen Bruchteil einer Sekunde verringert werden.

Das Vorsehen einer Nulldurchgangsermittlung, um einen Zeitbezug auf die empfangenen Impulse hin zu erzeugen, ist ein Merkmal, das eine verbesserte Auflösung ermöglicht und eine Änderung des Zeitbezugswertes mit einer Änderung in der Amplitude des empfangenen Impulses vermeidet. Dies hat sich als wesentlicher Vorteil herausgestellt, wo es erwünscht ist, die Strömungsgeschwindigkeit von Strömungsmitteln, wie beispielsweise voc flüssigen Breien, mit einem hohen Feststoffgehalt zu messen. Bei solchen Messungen kann es große und schnelle Wechsel bei der Änderung der Dämpfung des Ultraschallsignals in der Flüssigkeit mit sich daraus ergebender starker Änderung in der Amplitude des empfangenen Impulses geben. Dies kann bei dem erfindungsgemäßen Gerät ohne weiteres kompensiert werden durch Vorsehen einer automatischen Verstärkungssteuerung am Verstärker für empfangenen Impuls. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß eine einfache Amplitudensteuerung dieses Typs, angewandt am Empfängerverstärker, nur möglich ist, weil der Zeitbezug des Impulses durch Verwendung des Nulldurchgangsdetektors von der Amplitude unabhängig gemacht ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt

Fig. I ein Blockschaltbild, welches eine Weiterentwicklung der in Fig. 5 des Hauptpatents dargestellten Schaltungsanordnung veranschaulicht,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung eines Teils der Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild, welches eine Abänderungsform der in Fig. 3 des Hauptpatentes beschriebenen Anordnung veranschaulicht,

Fig. 4 Wellenformen (a) bis (f) von elektrischen Signalimpulsen,

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines weiteren Teils der Ausführungsform nach Fig. 1 und die

Fig. 6 und 7 graphische Darstellungen zur Veranschaulichung des Betriebs des in Fig. 5 dargestellten Teils.

In Fig. 1 sind die wesentlichen Bestandteile eines Strömungsmessers dargestellt.

Der Ausgang dieses Strömungsmessers ist die Differenzfrequenz von zwei spannungsgesteuerten freischwingenden Oszillatoren VFO 1 und VFO 2 deren

Frequenzen genau auf N χ — und Nx — durch

ti Ί

Steuerungsschaltungen eingestellt werden, welche /, mit Ntyfoi und außerdem t₂ mit Nt_VF01 vergleichen.

iffoi) ty_F02 sind die Zeitspannen der beiden gesteuerten Oszillatoren.

Die Ausgangsfrequenz ist proportional der Strömungsmittelgeschwindigkeit.

a - _f -f - N _ N _ 2NV

Ja — J vfox JvFOl — ;—■

t\ ti L

Für eine ähnliche Wassergeschwindigkeit und ähnlichen Wandlerabstandung führt diese Methode zu einer Ausgangsfrequenz, die proportional einer Wassergeschwindigkeit von N-mal derjenigen des in der britischen Patentschrift 12 85 175 beschriebenen Verfahrens ist, so daß ein Herauslesen im —fachen der Zeit

Λ'

erfolgen kann. N kann jede zweckmäßige Zahl sein, beispielsweise 100 oder 1000.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 werden die Schallwandler nicht so eingerichtet, daß sie ein »sing-around« erzeugen; der Sender wird nicht durch einen empfangenen Impuls erneut getriggert, sondern durch einen Impuls von einem Taktimpulsgenerator in Form eines Hauptoszillators 35, dessen Schwingungsperiode größer als /, oder I₂ ist.

Die Geschwindigkeitsauflösung dieses Strömungsmessers wird, in Grenzen, festgelegt durch die kleinste

Zeitdifferenz, die zwischen ί, und Nt_vm oder zwischen t₂ und NtvFoi aufgelöst werden kann.

Elektromechanische Ultraschallwandler 1 und 2 sind in Abstand voneinander so angeordnet, daß sie Schallwellenimpulse durch das Strömungsmittel hindurch in der Richtung übertragen, in welcher die Geschwindigkeitskomponente gemessen werden soll.

Es erscheint zweckmäßig, die Betriebsweise der Anordnung nach Fig. 1 nur die eine Übertragungsrichtung zu beschreiben, wobei die entgegengesetzte Richtung ähnlich ist.

Der Hauptoszillator 35 liefert eine Kette von »Start«- Impulsen, deren Periode zweckmäßig etwa 10% oder

20% länger als — ist, wobei

L der Abstand zwischen den Wandlern 1 und 2 und C die Schallgeschwindigkeit im Strömungsmittel ist.

Die »Start«-Impulse werden jedem der Trigger 7X1 und 7X2 übermittelt, wobei die Impulse zum Trigger 7X2 gegenüber den Impulsen zum Trigger 7X1 zeitlich versetzt sind, um ein Zusammentreffen von Empfangs- und Sendeimpulsen an den Wandlern zu vermeiden.

In der Praxis erzeugen Treiberschaltungen 7X1 und 7X2 einen Impuls von sehr hoher Spannung, damit die Schallwandler Schallwellen mit maximaler Amplitude liefern. Folglich brauchen die Schallwandler eine gewisse Zeit, um nach dem Senden abzuklingen, bevor sie für den Empfang bereit sein können. Dies ist außerdem bei der Auswahl der Verzögerung zwischen Impulsen zum Trigger 7X2 und Impulsen zum 7X1 berücksichtigt. Die Verzögerung kann genügend klein sein, damit die entgegengesetzt wandernden Schallwellen sich zur gleichen Zeit auf dem Weg durch das Strömungsmittel befinden, aber nur dann, wenn die Weglänge groß genug ist - d.h. entsprechend einem Rohr mit einem Durchmesser von einem Meter oder mehr. Beispielsweise würde bei einem Rohr von 15 cm Durchmesser ein fast gleichzeitiger Impulsgang eine Größenordnung von 80 bis 90 Mikrosekunden bedeuten, die der Schallwandler braucht, um nach seinem Antrieb abzuklingen. Dies ist praktisch nicht vertretbar, so daß bei Rohrleitungen mit kleinem Durchmesser eine leichte Trennung der Laufzeiten von entgegengesetzt gerichteten Schallwellen akzeptiert werden muß.

Ein Impuls vom Hauptoszillator 35 steuert den Trigger 7X1 an, der die Treiberschaltung 7X1 beim nächsten VFO1 -Impuls ansteuert. Der Ausgang vom Trigger 7Xi steiii außerdem einen ^-/v-Zähicf 3oauf η = 1 zurück.

Der resultierende Ultraschallimpuls wandert durch das Strömungsmittel vom Schallwandler 1 zum Schallwandler 2. Der empfangene Impuls wird an einen Verstärker 37 weitergegeben.

Ein genauer Zeitbezug wird auf diesen empfangenen Impuls hin durch einen Nulldurchgangsdetektor 38 aufgebaut.

Der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors 38 wird über ein geschaltetes Abtast-UND-Tor 39 zur logischen Schaltung 1 und Steuerschaltung 1 übermittelt. Die logische Schaltung 1 vergleicht die Ankunftszeit des vom Schaüwandler 2 her empfangenen Impulses mit der Zeit, an der der N-Xe. Impuls vom Oszillator VFO1 erscheint. Abhängig davon, ob der empfangene Impuls vor oder nach dem W-ten VFOl-Impuls erscheint, wird die Steuerschaltung 1 veranlaßt, eine geringe Änderung in der Steuerspannung zum Oszillator VFO 1 vorzunehmen, um jeweils dessen Frequenz zu erhöhen oder herabzusetzen. Nach einer Anzahl von Übertragungen wird sich der N-te KFOl-Impuls in Zeitübereinstimmung mit dem empfangenen Impuls befinden. Wenn kein »Empfangs«-Impuls in der Abtastzeit infolge einer Behinderung im Strömungsmittelweg ankommt, so wird dies durch die logische Schaltung erkannt, und es wird keine Änderung der KFO-Steuerspannung vorgenommen.

Das Signal vom Hauptoszillator 35 steuert außerdem das geschaltete Abtasttor 39 über eine Verzögerung 41 und einen Abtaster 42. Das verzögerte Abtastsignal dient dazu, sowohl ein Ansprechen zu verhindern, außer um die erwartete Ankunftszeit eines empfangenen Impulses herum, als auch den Schalter zu betätigen, um das empfangene Signal in die logische Schaltung 1 weiterzugeben.

Der Betrieb für das Senden vom Schallwandler 2 verläuft parallel zu demjenigen für den Wandler 1, außer daß das empfangene Signal vom Wandler 1 her über das Abtasttor 39 an die logische Schaltung 2 weitergeleitet wird.

Die Ausgänge, die zum einen mit FFOl O/P, entsprechend Nji, und zum anderen mit VFO2 O/P, entsprechend Nf₂, bezeichnet sind, werden einer logischen Differenzschaltung 43 zugeführt. Die Strömungsgeschwindigkeit wird durch einen Differenzausgang (Nf₁-Nf₂) angezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Strömungsrichtung durch logische Ausgänge angedeutet, die zeigen, ob Ay₁ > Nf₂ oder Nf < Nf₂ ist.

Der Integrator hat eine ausreichende Zeitkonstante, damit es ihm nichts ausmacht, wenn einige Impulse behindert werden. Die empfangenen Impulse werden vom Verstärker 37 her überwacht und, mit RX1 O/P und RXl O/P bezeichnet, einer logischen Fehlerschaltung 44 zugeführt. Diese Schaltung zeigt einen Fehler an und sperrt das Herauslesen dann, wenn weniger als ein vorbestimmter Mindestprozentsatz von Impulsen empfangen wird. Im typischen Fall hat es sich als zufriedenstellend herausgestellt, wenn die Fehlerschaltung so eingestellt wird, daß sie in Tätigkeit tritt, wenn weniger als 10% der gesendeten Impulse von einem der Schallwandler her empfangen werden. In der Praxis ist es üblich herauszufinden, daß entweder alle Impulse empfangen werden oder daß eine gewisse Behinderung vorhanden ist, wenn keine Impulse empfangen werden. Eine vorübergehende Behinderung, wie beispielsweise das Vorbeifahren eines Bootes, wenn die Flußströmung überwacht wird, kann einige Impulse unterbrechen, wird aber im allgemeinen die Ablesung nicht beeinträchtigen.

Der Nulldurchgangsdetektor 38 ist bei diesem Ausfuhrungsbeispiel mit einer automatischen Verstärkungsregelung gekoppelt, die auf den Verstärker 37 einwirkt. Die automatische Verstärkungsregelung weist einen Amplitudendetektor 45 auf, dessen Ausgang mit einer Bezugsspannung VR durch einen Leistungsverstärker 46 verglichen wird. Der Spannungsausgang vom Leistungsverstärker 46 steuert den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 37 mit der Tendenz, die Amplitude der Ausgangsimpulse vom Verstärker 37 konstant zu halten. Die Spannung VR kann ggf. einstellbar sein, um die Einstellung der gewünschten Amplitude einzuregeln. Der Amplitudendetektor 45 enthält eine Klemmschaltung unter der Steuerung der Abtaster 42, so daß der Amplitudendetektor 45 während der Abtastperiode in Betrieb ist.

Fig. 2 zeigt den Amplitudendetektor 45 in weiteren Einzelheiten. Diese Schaltung ist so ausgelegt, daß sie den speziellen Eigenschaften von typischen empfangenen Impulsen gerecht wird, die vier oder fünf Hochfrequenzschwingungen von anfänglich zunehmender und dann abnehmender Amplitude aufweisen. So wird das Eingangssignal durch eine Diode 55gleichgerichtet, und es wird durch die Kondensator-Widerstands-Schaltung Cl und Al gemittelt. Der Einschluß eines Reihenwiderstandes Rl führt eine Integrierungsfunktion ein, so daß der Ausgang nicht durch irgendwelche isolierte große Amplitudenhübe im empfangenen Impuls beherrscht bzw. niedergehalten wird. Die durch den Abtaster gesteuerte Klemmschaltung weist einen Transistor auf, der, wenn er in seinen Hochimpedanzzustand vorgespannt ist, den Amplitudendetektor kurzschließt, außer dann, wenn ein Abtastsignal vorhanden ist.

Fig. 3 zeigt einige Teile von Fig. 1 in weiteren Einzelheiten. Wiederum wird der Betrieb nur in der einen Übertragungsrichtung betrachtet. Die VFO-

Frequenz muß genau Λ' x — sein, wobei fi die Zeit

t\

ist, die der Ultraschallimpuls braucht, um von dem sendenden Schallwandler zum empfangenen Schallwandler zu gelangen.

Der sendende Schallwandler wird in Zeitübereinstimmung mit einem KFÖ-Impuls getriggert, und es wird ein Vergleich durchgeführt zwischen der Zeit bis zum yv-ten KFO-Impuls und der Zeit, die gebraucht wird, bevor ein Impuls an dem empfangenen Schallwandler ankommt. Jede Differenz zwischen diesen Zeiten erzeugt eine Fehlerspannung, welche die VFO-Frequenz steuert. Nach einer ausreichenden Anzahl von Übertragungen bzw. Sendungen wird eine Zeit-Übereinstimmung zwischen dem N-ten VFO- und dem empfangenen Impuls erzielt, d. h. f_VF0 ist genau gleich

Die Wirkungsweise soll nunmehr anhand von Fig. 3 beschrieben werden:

Ein Startimpuls (der an beiden Stellen erscheint, die in Fig. 3 mit »Rückstellung« bezeichnet sind) vom Hauptoszillator 35 her stellt Flipflopschaltungen 15 und 16 zurück, stellt den ^- ^-Zähler 17 zurück und stellt den Start-Flipflop 18 zurück.

Am Ende des Rückstellimpulses beginnt der ^-N-Zähler 17 mit der Zählung.

Wenn ein nächster KFO-Impuls (n = 1) dem ±N-Zähler 17 zugeführt wird, wird der »Start«-Flipflop 18 eingestellt, und dessen Ausgang triggert die Treiberschaltung TX des Senders, d.h. der sendende Schallwandler wird in Zeitübereinstimmung mit einem KFO-Impuls getriggert.

Entweder kann der N-tt FFO-Impuls (Ausgang vom ^-/V-Zähler) das Flipflop 16 einstellen, oder der empfangene Impuls RX kann das Flipflop 41 einstellen, je nachdem, welcher zuerst erscheint. Die erste Flipflopeinstellung sperrt die andere.

Abhängig davon, ob der Flipflop 16 oder der Flipflop 15 arbeitet, erfordert dann der VFO eine Steuerspannungsänderung, um jeweils seine Frequenz zu vermindern oder zu erhöhen.

Arbeitet das Flipflop 15, so triggert dieser eine monostabile Schaltung 19, die über eine Pegelschiebeschaltung 21 einen Eingangsstrom für einen Integrator 22 einschaltet, der seinen Ausgang um eine kleine positive Zunahme ändert. Diese Änderung in der VFO-Steuerspannung wird die FFO-Frequenz leicht erhöhen.

Wenn andererseits der Flipflop 16 arbeitet, dann liefert dessen monostabile Schaltung 23 über eine Pegelschaltung 24 einen Eingangsstrom von entgegengesetzter Polarität, um auf diese Weise den Integratorausgang um eine kleine negative Zunahme zu ändern und die KFO-Frequenz herabzusetzen.

Nach einer Reihe von Übertragungen bzw. Sendungen ist die KFO-Frequenz sehr dicht auf Nx — eingestellt, und nachfolgende Übertragungen bzw. Sendungen erzeugen Fehler von entgegengesetzter Polarität, so daß die Kfö-Frequenz abwechselnd leicht

niedriger und höher als JV χ — eingestellt wird.

Der Integrator 22 wird so eingestellt, daß er eine ausreichend kleine Zunahme ergibt, wenn er durch die Pegelschiebeschaltung 24 getriggert wird, um die beste Auflösung zu erzielen, die mit der erforderlichen Ansprechzeit und den anderen Fehlerquellen im System verträglich ist. Derartige kleine Zunahmen können aber zu einer langen Verzögerung beim Erreichen einer Koinzidenz beim anfänglichen Aufbau führen, wenn anfänglich eine weite Divergenz zwischen den Ankunftszeiten des empfangenen ÄJf-Impulses und des »N-ten K/Ü«-Impulses vorhanden ist. Der Integrator 22 ist daher bei diesem Ausfuhrungsbeispiel mit einer Hand-Steuerung 30 versehen, um die Stärke der Zunahme bzw. Änderung so zu erhöhen, daß eine angenäherte Übereinstimmung bzw. Koinzidenz schnell erzielt werden kann.

Die kleinste Zeitdifferenz, die zwischen dem empfangenen RX- und »JV-ten KFO«-Impuls aufgelöst werden kann, beträgt etwa 6 Nanosekunden, und dies ergibt eine Geschwindigkeitsauflösung, die besser ist, als sie für die meisten Anwendungsfälle erforderlich ist.

Die wirklich erzielte Geschwindigkeitsauflösung ist stets besser als es von der Betrachtung der Zeitauflösungsfähigkeit der Schaltung her angedeutet wird. Selbst bei stillstehenden Strömungsmitteln oder bei sehr konstanten Strömungsgeschwindigkeiten gibt es immer Änderungen in den Übertragungszeiten des Ultraschalls um die mittlere Zeit herum. Obwohl diese Zeitänderungen zu einem größeren Ausschlag der FFO-Frequenz um den wahren Mittelwert herum führt als die abwechselnden positiven und negativen Fehler, wie oben beschrieben, so liegt die mittlere VFO-Frequenz dichter an diesem Mittelwert.

Befindet sich ein Hindernis zwischen den Schallwandlern und kein ÄJf-Impuls wird empfangen, so erfolgt keine Korrektur der KH?-Frequenz.

Ein solches Hindernis wird durch die logische Schaltung erkannt und die Korrektur der fT-ö-Frequenz gesperrt. Diese Vorkehrung wird in einer elegant einfachen Weise durch Einfügen eines UND-Tores20 getroffen, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Betriebsweise ist wie folgt: Wenn der N-te F/Ö-Impuls vor dem Ä-JT-Impuls ankommt, so arbeitet das Flipflop 16, aber dessen Ausgang wird dem UND-Tor 20 und nicht direkt der monostabilen Schaltung 23 zugeführt. Der Ausgang des UND-Tores 20 ist mit der monostabilen Schaltung 23 verbunden, während sein anderer Eingang so geschaltet ist, daß er den empfangenen Impuls RX empfängt. Folglich arbeitet die monostabile Schaltung 23 erst dann, wenn der empfangene Impuls RX ankommt, obwohl die Ankunft des N-tsn FFO-Impulses vor dem empfangenen Impuls RX stattfindet und

das Flipflop 16 eingestellt ist. Wenn kein empfangener Impuls RX während der Abtastperiode ankommt, beispielsweise wegen eines Hindernisses, dann arbeitet die monostabile Schaltung 23 einfach nicht, und keine Nachstellung wird an der KFO-Frequenz vorgenommen.

Der Ausgang des obenbeschriebenen Gerätes ist eine Frequenz gleich der Differenzfrequenz der beides VFOs, proportional der Strömungsgeschwindigkeitskomponente des Strömungsmittels zwischen den Schallwandlern.

Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten (um 1 cm pro Sek. oder weniger) liegt die Teilverschiebung in der Frequenz jedes VFO in der Größenordnung von 1/10⁶. Die kleine Differenzfrequenz zwischen den beiden VFOs wird am besten digital gemessen.

Die Fig. 4 und 5 zeigen, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel geschieht.

Fig. 4 (a) repräsentiert die Impulse des freischwingenden, frequenzvariablen Oszillators VFOl, und Fig. 4 (e) veranschaulicht die Impulse des Oszillators VFOl. Ein nicht dargestelltes Gerät erzeugt eine Reihe von Impulsen, die auf Vorder- und Hinterflanken der PTO-Impulse basieren. Die Impulse dieser Reihe sind von kurzer Dauer im Vergleich zu den KFO-Impulsen, im typischen Fall 1/10 der KFO-Impulsdauer, und sie sind wie folgt:

Impulse AX (Fig. 4 (b)) werden von der Vorderflanke der VFOl -Impulse erzeugt. Impulse Al (Fig. 4 (d)) werden von der Hinterflanke der VFO1-Impulse erzeugt.
Impulse A3 (Fig. 4 (c)) werden von der Vorderflanke der VFO \ -Impulse mit einer Vorgabeverzögerung erzeugt.

10

15

20

35

Impulse B (Fig. 4 (0) werden von der Vorderflanke der PT02-Impulse erzeugt.

Wenn nicht die Strömungsmittelströmung gleich Null ist, so werden die beiden Frequenzen von VFO1 und VFO 2 nicht gleich sein, und ihre Phasenbeziehung wird sich kontinuierlich ändern. Vorausgesetzt, die Frequenzdifferenz ist klein (was in der Praxis immer der Fall ist), so wird es eine Koinzidenz zwischen Impuls B und A1 und eine Koinzidenz zwischen Impuls B und A 2 für jede komplette 360°-Phasenverschiebung zwischen den beiden KFO-Impulsen geben.

Die Ermittlung dieser Koinzidenzen ist eine bekannte Technik zum Vorsehen einer Differenzfrequenz, und der obere Teil von Fig. 5 veranschaulicht die notwendige logische Schaltung. So liefert ein UND-Tor 61 einen Ausgang, um das Flipflop 62 rückzustellen, wenn eine Koinzidenz zwischen Impulsen B und A1 besteht. Der Ausgang an der Leitung 64 vom Flipflop 62 liegt somit auf der Differenzfrequenz.

Da bekannte Differenzfrequenzschaltung die eingangs geschilderten Nachteile haben, ist bei der vorliegenden Ausführungsform eine »Vorzeichen«-Anzeigeschaltung vorgesehen, die jeden Differenzfrequenz-Ausgangsimpuls mit einer Richtung kennzeichnen kann. Ferner ist eine Anzeige vorgesehen, die numerisch leicht zu interpretieren und leicht einzustellen ist, damit sich eine Strömungsmessung in allen gewünschten Einheiten ergibt.

So haben Impulse A3 (Fig. 4 (c)) eine Zeitdauer ähnlich den Impulsen Al, Al, B, sind aber bis hinter die Impulse A1 und eine Zeit t verzögert, die größer ist als die Zeitdauer der Impulse A1 oder B.

Wenn die beiden KFO-Frequenzen nicht gleich sind, besteht eine Koinzidenz zwischen Impulsen B und A1 und B und A3 Tür jede 360°-Phasenverschiebung zwischen den KFOl- und VFO2-Impulsen.

Koinzidenzen zwischen B und A3 werden durch ein UND-Tor 65 ermittelt, welches einen Ausgang liefert, um das Flipflop 66 rückzustellen. Das Flipflop 66 wird durch einen Ausgang vom UND-Tor 63 eingestellt, wenn die Impulse B und A1 koinzidieren.

Wenn die Frequenz von VFO1 größer ist als die von VFO2, dann wird, wenn das Flipflop 62 sich rückstellt, um den Differenzfrequenz-Ausgangsimpuls abzugeben, das »Vorzeichen«-Flipflop 66 sich im rückgestellten Zustand befinden, da die letzte »Vorzeichen«- Koinzidenz zwischen Impulsen B und A3 vorgelegen haben wird.

Die Differenzfrequenz-Ausgangsimpulse an der Leitung 64 werden durch einen Aufwärts/Abwärts-Zähler 67 gezählt, der so gesteuert wird, daß er aufwärts zählt, wenn das Flipflop66 »positiv« ist - d.h. sich in seinem eingestellten Zustand befindet - und daß er abwärts zählt, wenn das Flipflop 66 »negativ« ist - d. h. sich in seinem rückgestellten Zustand befindet. Somit wird am Ende einer zeitlich geregelten Zählperiode der Ausgang des Aufwärts/Abwärts-Zählers ein echter Nettowert der »Aufwärts«- und »Abwärts«-Impulse sein. Durch entsprechende Auswahl (innerhalb zweckmäßiger Grenzen) der Zeiteinteilungsperiode kann die Zählung am Ende direkt in jeder beliebigen Meßeinheit abgelesen werden.

Ein normaler Aufwärts/Abwärts-Zähler, der abwärts von einer positiven Zahl über Null hinweg zählt, wird alle negativen Zahlen als ein Komplement zählen, z. B. kann sich die Zählung wie folgt lesen: 0003, 0002, 0001, 0000, 9999, 9998, 9997 usw.

Um diese verwirrende Anzeige von komplementären Zahlen zu vermeiden, wird die Vorzeichenkennzeichnung der Eingangsimpulse umgekehrt, wie es notwendig ist, um den Zähler beim Addieren in der »Aufwärts«-Richtung zu halten. Dies erfolgt mit einer nicht dargestellten Schaltung, die einen Wechsel nach einer negativen 1-Zählung feststellt (z.B. 9999 in einem vierstelligen Zähler), sofort den Zähler rückstellt, eine l-»Aufwärts«-Zählung addiert, die Polarität der Kennzeichnung wechselt und einen Minuszeichen-Anzeiger aufleuchten läßt. Wenn der Zähler als nächstes abwärts nach einer »negativen« 1 zählt, tritt die Schaltung erneut in Tätigkeit, wobei sie diesmal den Zähler und die Vorzeichen-Kennzeichnungsschaltung auf normal zurückbringt. Der Minuszeichen-Anzeiger wird dann gelöscht, und, falls erwünscht, kann ein Pluszeichen (+) aufleuchten.

Diese Betriebsweise ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt, wobei Fig. 6 die Betriebsweise eines normalen Aufwärts/Abwärts-Zählers zeigt, der zwischen Stellen Q und R auf der Zeitachse in Komplementärzahlen übergeht, Fig. 7 zeigt den entsprechenden Betrieb eines Aufwärts/Abwärts-Zählers, der in der obenbeschriebenen Weise gesteuert wird. Der Zähler zählt »aufwärts« zwischen Q und R bei normalen »Abwärts«-Zählungen und zählt »abwärts« bei normalen »Aufwärts«-Zählungen.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die Details des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels. Zum Beispiel wird es vorgezogen, zwei freischwingende bzw. frequenzvariable Oszillatoren und zugeordnete Steuerkreise zu verwenden, so daß die Messungen in entgegengesetzten Richtungen parallel fortschreiten können.

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wobei die einzige Bedingung eine ausreichende Differenz in der Zeiteinstellung zwischen einzelnen Impulsen ist, um ein Zusammenfallen von Senden und Empfangen an irgendeinem Schallwandler und damit eine Empfängerparalyse zu vermeiden. Die Vorteile dieser Art von Messung sind prinzipiell folgende:

1. Die messenden Ultraschallimpulse befinden sich auf ihrem Weg über den Strömungsmittelweg zeitlich sehr dicht beieinander, so daß jegliche möglichen Auswirkungen auf die Transit-Geschwindigkeitsmessung infolge von Temperatur, Dichte oder anderer Veränderungen im Strömungsmittel auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, und

2. ist es unkompliziert, eine Differenzfrequenz zwisehen zwei gleichzeitig arbeitenden Oszillatoren anzuzeigen, und der Ausgang ist eine kontinuierliche Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit. Wenn auch Strömungsgeschwindigkeitsänderuligen nicht sofort gefolgt wird, so wird ihnen doch sehr schnell gefolgt.

Falls erwünscht, wäre es jedoch auch möglich, einen einzigen spannungsgesteuerten Oszillator mit zugehöriger Steuerschaltung zu verwenden und aufeinanderfolgende Bestimmungen von, anfänglich, der Frequenz durchzuführen, die erforderlich ist, um N Impulse der Zeitperiode anzupassen, die Schallwellen benöligen, um vom Schallwandler 2 zum Schallwandler 1 zu gelangen. Ein solches System würde einen Speicher erfordern, um die erste Frequenz festzuhalten, während die zweite Frequenz bestimmt wird, wonach die DitTerenzfrequenz durch Subtraktion ermittelt werden kann.

Ferner ist es natürlich höchst zweckmäßig, es so einzurichten, daß die Anzahl TV von Impulsen des freischwingenden Oszillators die gleiche innerhalb jeder Zeitperiode ist, so daß die Differenzfrequenz eine einfache Proportionalität zur Strömungsgeschwindigkeit hat. Man könnte jedoch auch eine unterschiedliche Anzahl von Impulsen verwenden, beispielsweise N^- Impulse für Stromaufwärtsmessung und ^-Impulse für die Stromabwärtsmessung. Es würde dann einfach nur notwendig sein, den Differenzausgang beim Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit durch einen konstanten Faktor einzuregeln.

Die Schall wandler brauchen nicht unbedingt auf entgegengesetzten Seiten der Rohrleitung angebracht zu sein, sondern können auch auf der gleichen Seite sitzen, so Sie müßten dann so an die Rohrleitung angewinkelt und gekoppelt werden, daß Ultraschallimpulse im Strömungsmittel vom einen Schallwandler zum anderen durch Reflexion von der entgegengesetzten Seitenwand der Rohrleitung wandern. Diese Anordnung hat Vorteile in bezug auf Rohrleitungen mit kleinem Durchmesser, und zwar insofern, als die Weglänge innerhalb des Strömungsmittels vergrößert wird und die Schallwandler ohne weiteres an einer äußeren Halterung angebracht werden können, die zum Betrieb einfach an die Seite der Rohrleitung geklemmt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Gerät zum Messen der Geschwindigkeit oder einer Geschwindigkeitskomponente der Strömung eines Strömungsmittels, bestehend aus einer ersten und einer zweiten Einheit, die voneinander auf Abstand angeordnet sind und je Schallwellen aussenden und empfangen, die über einen Weg durch das Strömungsmittel hindurch in der Richtung verlaufen, in welcher die Geschwindigkeit oder Geschwindigkeitskomponente zu messen ist, aus einer Zeitsteuereinrichtung, aus einer Triggereinrichtung zur Steuerung der Übertragung von Impulsen in beiden Richtungen über den Weg zwischen der ersten und zweiten Einheit sowie aus einer Einrichtung, die einen Ausgang liefert, der zur Differenz der Laufzeiten der Impulse in den jeweils entgegengesetzten Richtungen auf dem Weg in Beziehung steht, wobei die Triggereinrichtung unter der Steuerung der Zeitsteuereinrichtung arbeitet, damit Schallwellen von der ersten Einheit zur zweiten Einheit separat, aber über den gleichen Weg durch das Strömungsmittel wie von der zweiten Einheit zur ersten Einheit übertragen werden, wobei ferner eine Steuereinrichtung die Frequenz einer frequenzvariablen Oszillatoreinrichtung steuert, um eine vorbestimmte Vielzahl N\ von Schwingungen oder Impulsen in einer ersten Zeitspanne, die derjenigen entspricht, die ein Schallwellenimpuls auf seinem Weg von der ersten Einheit zur zweiten Einheit braucht, und eine vorbestimmte Vielzahl N₂ von Schwingungen oder Impulsen in einer zweiten Zeitspanne zu erzeugen, die derjenigen entspricht, welche ein Schallwellenimpuls auf 35 ρ _ seinem Weg von der zweiten Einheit zur ersten Einheit braucht, und wobei die Einrichtung zur Lieferung eines Ausganges die Differenz in der dabei ist: Frequenz zwischen den Schwingungen eder Impulsen, die in der ersten Zeitspanne erzeugt werden, 40 K = und den Schwingungen oder Impulsen, die in der C = zweiten Zeitspanne erzeugt werden, bestimmt, nach L = Patent 23 16437, dadurch gekennzeichnet, i, = daß ein Vorzeichendetektcr (61, 62, 63, 64, 65, 66) vorgesehen ist, der feststellt, welche von der ersten und zweiten Frequenz die größere ist, und daß die t₂ = Schwingungen oder Impulse der Differenzfrequenz durch einen Aufwärts/Abwärts-Zähler (67) gezählt werden, der durch den Vorzeichendetektor (61, 62, 63, 64, 65, 66) so eingestellt wird, daß er jeweils aufwärts oder abwärts zählt, je nachdem welche der Frequenzen die größere ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Umkehren der Einstellung des Aufwärts/Abwärts-Zählers, wenn er unter Null zählt, vorgesehen ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Anzeigen eines negativen Symbols, wenn die Einstellung des Aufwärts/Abwärts-Zählers umgekehrt ist, vorgesehen ist.

4. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Sperreinrichtungen (15, 16, 20) den Steuereinrichtungen (21, 22) zugeordnet sind zum Sperren der Einstellung der Frequenz des frequenzvariablen Oszillators (KTOi, VFO₂) für den Fall, daß kein Schallwellenimpuls innerhalb einer vorbestimmten Periode, welche dessen erwartete

Ankunftszeit einschließt, empfangen wird.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nulldurchgangsdetektor (38) so geschaltet ist, daß er ein Zeitbezugssignal für die Ankunft eines empfangenen Schallwellenimpulses liefert.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit automatischer Verstärkungsregelung ausgerüstete Verstärkereinrichtung (45; KR) vorgesehen ist, um das Eingangssignal zum Nulldurchgangsdetektor (38) auf einen im wesentlichen konstanten Pegel zu verstärken.