-
Anordnung zum Bestimmen der Masse von in Rohrleitungen strömenden
Gasen.
-
Stand der Technik.
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Bestimmen der Masse
von in Rohrleitungen strömenden Gasen. Sie geht dabei aus von bekannten Anordnungen
zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen auf der Basis
der bei zwei mit Schallwellen bei gleichem Schallwandlerabstand, jedoch mit entgegengesetzter
Schallausbreitungsrichtung durchgeführten Messungen erhaltenen Laufzeitdifferenz,
wobei zwei Schallwandler alternierend als Schallsender und Schall empfänger wirken.
-
In dem Artikel von C.R.Hastings: "LE wlowmeter - A new Device for
measuring Liquid Flow Rate11, erschienen im "Westinghouse Engineer" November 1968
wird eine Anordnung beschrieben, bei der nur eine einzige feste Meßstrecke verwendet
wird und für die Messung in und entgegen der Flußrichtung die beiden Schallwandler
ihre Funktion als Schall sender und Schall empfänger abwechselnd austauschen.
-
Hierdurch entfällt der durch Abstandstoleranzen bei zwei unterschiedlichen
Meßstrecken entstehende Fehler. Außerdem kann hier die Lehre entnommen werden, die
Schallwandler nicht mehr im Rohrinneren sondern schräg gegenüber in der Rohrwandung
unterzubringen, wodurch Beeinträchtigungen der Strömungen durch die Schallwandler
selbst weitgehend vermieden werden können. Da bei einer solchen Anordnung die
Messung
der Laufzeiten in und entgegen der Strömungsrichtung nicht gleichzeitig vorgenommen
werden-kann, ergibt sich für die Differenzbildung durch die Speicherung mindestens
eines Meßwertes Aufwand. Ein Einfluß von Störschall auf das Meßergebnis kann nicht
ausgeschlossen werden.
-
In dem Artikel von J.L.Mr.Shane:"Ultrasonic flowmeter basic", erschienen
in der Zeitschrift "Instrumentation Technology" Juli 1971 auf Seite 44...48 wird
auf die Differenzmethode ausführlich eingegangen. Wenn die Erregung des Schall senders
in beiden Meßrichtungen durch ein und dengleichen Oszillator erfolgt, so erhält
man zwischen dem empfangenen Signal in Flußrichtung und dem entgegen Flußrichtung
eine Phasenverschiebung
wie Formel 5 auf Seite 45 zu entnehmen ist. Hierin-ist V die Strömungsgeschwindigkeit,
C die Schallgeschwindigkeit in dem Medium und d eine durch die Meßeinrichtungen
bedingte Konstante.
-
Aufgabe und Lösung: Die bisher mit Schallwellen arbeitenden Flußmesser
begnügten sich mit dem Ermitteln der Flußgeschwindigkeit, aus der bei bekanntem
Leitungsquerschnitt die Flußmenge in 1 oder p in einem bestimmten Zeitabschnitt
oder pro Zeiteinheit ermittelt werden kann. Aufgabenstellungen der neueren Zeit
lassen es wtinschenswert erscheinen bei Gasen nicht nur den Rauminhalt sondern auch
die Masse zu bestimmen. Dieses ist z.B. der Fall, wenn bei Verbrennungsmotoren der
Luft jeweils die optimale Kraftstoffmenge zugesetzt werden soll. Hierzu muß die
Luftmasse bestimmt werden, um dann die notwendige Kraftstoffmenge zusetzen zu können.
Die vorliegende Erfindung setzt sich deshalb zur Aufgabe die bekannten Strömungsmeßverfahren
mit Schallwellen so abzuwandeln, daß mit ihnen die Masse des strömenden Mediums
ermittelt werden kann. Die Lösung dieser
Aufgabe ist den Ansprüchen
zu entnehmen.
-
Beschreibung der Erfindung: Die Erfindung soll nun eingehend an Hand
der in den Figuren gezeigten Beispiele beschrieben werden. Es zeigen dabei: Fig.1
ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung.
-
Fig.2 Spannungsverläufe am Ausgang eines üblichen und des für die
erfindungsgemäße Anordnung benötigten Phasenmessers.
-
Fig.) als Blockschaltbild eine Realisation der erfindungsgemäßen
Anordnung.
-
Fig.4 als Blockschaltbild eine Takterzeugung für die Richtungsumschaltung
und die für die Abtaststeuerung.
-
Fig.5 ein Impulsdiagramm für die Takterzeugung nach Fig.4.
-
Fig.6 als Blockschaltbild eine Realisationsmöglichkeit für den Phasenmesser
Fig.7 ein weiterer Realisationsbeispiel für die
Anordnung.
-
In Fig.1, die ein'Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung
zeigt, sind mit Stl und St2- zwei Schallwandler bezeichnet, die sowohl als Schall
sender wie auch als Schallempfänger arbeiten können. Mit 1 sind Mittel bezeichnet,
mit denen unter Verwendung einer Anordnung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit
durch Ermitteln der Differenz zwischen zwei in und entgegen der Strömungsrichtung
durchgeführten Messungen ein Analogwert der Phasendifferenz zwischen den bei einer
Messung mit und einer entgegen der Senderichtung bei gleichbleibender Sendefrequenz
erhaltenen Empfangssignalen erhalten wird. Der von der Meßeinrichtung abgegebene
Wert soll also nicht im Sinus- oder Cosinusverhältnis von der Phasendifferenz abhängig
sein, wie das bei den meisten Phasenmeßeinrichtungen der Fall ist, sondern linear
von dieser abhängig sein.
-
Am Ausgang soll also ein Wert U # = k3 ## anstehen, wie dieses in
Fig.2 gezeigt wird. Aus dem Aufsatz von J.L,Mr. Shane ist zu ersehen, daß man bei
dem Ausdruck ##=# ##### im Nenner v2 vernachlässigen kann, wenn C»V ist, was meistens
gegeben sein dürfte. Da ferner C = k4 g also C2 = k2.T ist, kann man schreiben ##=
k1 V , worin die 4 T neue Konstante K1 aus den alten d und kg sowie ci) ermittelt
werden kann.
-
Mit 2 sind in Fig. 1. Mittel bezeichnet, die den Druck in der Bohrleitung
zu messen gestatten und diesen Meßwert alselektrischen Analogwert an ihrem Ausgänge.
abgeben. Eine solche Druckmeßeinrichtung kann z-. B. aus einem üblichen Membrandruckmesser
bestehen, bei dem durch die Anzeige die Abgriffstellung eines Geberpotentiometers
verändert wird.
-
Ferner kann die Druckmessung nach dem Prinzip eines Kondensatormikrophons
erfolgen, bei dem sich die Kapazität zwischen Membran und Gegenelektrode proportional
dem Druck verändert. Durch Kapazitätsmessung z.B. Bestimmen des bei einer bestimmten
Frequenz und bei einer vorgegebenen Spannung über diese fließenden Stromes kann
ein solcher Analogwert des Druckes gewonnen werden. Ganz gleich, was für eine Druckmeßeinrichtung
eingesetzt wird, an ihrem Ausgang soll ein Analogazert des Druckes Up = k2.P verfügbar
sein. Mit 5 ist schließlich eine übliche Multipliziereinrichtung bezeichnet, die
die beiden Analogwerte U## = k1. V und U =k 2.P T miteinander multipliziert und
an ihrem Ausgang den Wert k.P.rV für die Masse liefert. Fig.5 zeigt nun ein Beispiel
T für eine Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung als Blockschaltbild. Stl-und
St2 sind wieder die beiden Schal -wandler, die abwechselnd als Schall sender und
als Schallempfänger verwendet werden. Hierzu dienen die Umschallkontakte ul und
u2, die durch einen gemeinsamen Takt(b) gesteuert werden. Hat das Taktsignal (b)
den Zeichenzustand flolt,
so liegt Stl an dem Meßfrequenzgenerator
G1 und St2 am Eingang des Schalterfilters SF der Empfangsseite an. Beim Zeichenzustand
"1" des Taktsignales (b) wird der Schallwandler St2 an denMeßfrequenzgenerator Gel
und Stl an den Eingang des Schalterfilters angelegt. Diese Schalterfilter sind vom
Typ der "Parallelschalterfilter", wie sie von E.
-
Langer und K.H.Möhrmann in der Abhandlung: "Schalterfilter" des Sonderheftes
"Spulenlose Filter" der Entwicklungsberichte der Siemens-Halske-Werke 51.Jahrgang,
September 1968 insbes.
-
in Fig.6.9 auf Seite 34 gezeigt und beschrieben werden. Weist ein
solches Schalterfilter n Schaltkontakte auf, so werden für seinen Betrieb n Taktfrequenzen
gleich seiner Betriebsmittenfrequenz im vorliegenden Fall also gleich der Meßfrequenz,
benötigt, die gegeneiander umVnPeriode phasenverschoben sind. Dieses ist im Blockschaltbild
dadurch angedeutet, daß für die vom Generator G1 gelieferte Meßfrequenz ein yervielfacher
um den Faktor n eingezeichnet wurde. Die Aufspaltung der Frequenz n.f1 in n jeweils
um1/n Periode phasenverschobene Frequenzen t ist nicht dargestellt. Dem Schalterfilter
SF ist ein Bandpaß nachgeschaltet, der nur dafür sorgen muß, daß die vom Schalterfilter
SF erzeugten Nebenbänder im Bereiche 2xf2, 3xf1 usw. sowie ein gewisser Bereich
um die Nullfrequenz unterdrückt werden, an denen also keine besonderen Selektivitätsanforderungen
gestellt werden.
-
Die notwendige Selektivität, die benötigt wird, um den Einfluß von
Störgeräuschen auf der Meßstrecke für das Meßergebnis praktisch auszuschalten, wird
nur vom Schalterfilter SF geliefert. Dem Bandpaß ist ein Pulsgenerator PG nachgeschaltet,
der bei jedem Nulldurchgang ein und-dergleichen Durchgangsrichtung der empfangenen
und gefilterten Meßfrequenz jeweils einen Impuls abgibt. Diese Impulse werden zwei
Abtastschaltersteuerungen SD1 und SD2 zuge-führt, die in Abhängigkeit von dem Auftreten
der ImpNilse- entweder den Abtastschalter SS1 oder den Abtastschalter SS2 steuern.
Das Kriterium, welches Abtastschalter
SS1 oder 552 jeweils gesteuert
wird, wird daran abgeleitet, von welchem Schallwandler St2- oder Stl als -Empfänger
die empfangene Meßfrequenz geliefert wird. Hierbei wird durch von dem Umschalttakt
(b) lür-die beiden Umschaltkontakte ul und u2 abgeleitete Taktfolgen (d) und (e)
dafür gesorgt, daß jeweils einer der Abtastschalter SS1 bzw. SS2 erst dann betätigt
werden kann, wenn die Schallwandler und das Schalterfilter auf die Meßfrequenz eingeschwungen
ist.
-
Ein Einfluß der Einschlingvorgänge der Schalterwandler und des Schalterfilters
auf das Meßergebnis wird so verhindert.
-
Die-vom Meßfrequenzgenerator-Gi gelieferte Meßfrequenz wird in einem
Wandler in eine Sägezahnfolge gleicher Folgefrequenz umgewandelt und diese Sägezahnfolge
an die Abtastschalter SSl und- SS2 angelegt. Die durch diese Abtastschalter- SSl
bzw.
-
SS2 abgetasteten Ausschnitte werden einem integrierenden Speicher
SU1 bzw. SU2 zugeführt. Der Speicherwert der beiden Speicher entspricht dabei der
Phasenverschiebung der empfangenen Meßfrequenz- entgegen bzw in Strömungsrichtung
gegenüber der ausgesendeten Meßfrequenz.-In einem Differenzglied wird nun die Phasendifferenz
ßy gebildet,-wobei durch den Tastbetrieb verbleibende Taktfrequenz-komponenten durch
einen nachgeschalteten Tiefpaß beseitigt-werden. Wie bereits zu Fig.1 beschrieben,
werden dann in einer Multiplikationseinrichtung der Wert für A9 mit dem getrennt
gemessenen Druckwert multipliziert.-Wie bereits erwahnt brauchen die Schalterfilter
SF eine gewisse Zeit zum Einschwingen. Es ist aber auch nicht zu vermeiden, daß
bei einer Schallrichtungsänderung der bisher als Schall sender arbeitende Schallwandler
noch eine gewisse Zeit zum Ausschwingen benötigt, bevor er als Schallempfänger arbeiten
kann. Ebenso benötigtauch der neue Schall sender eine gewisse Zeit zum- Einschwingen.
-
Ferner benötigt auch noch der Schall eine-gewisse Zeit, um vom Schallsender
zum Schallempfänger zu gelangen. Alle diese
bei jedem Umpolen der
Schallrichtung auftretenden Ein- und Ausschwingvorgänge würden das Meßergebnis beeinflüssen,
wenn nicht ihr Einfluß eliminiert werden kann. Dieses kann in einfacher Weise dadurch
geschehen, daß die Auswertung erst eine gewisse Zeit nach dem Umpolen geschieht,
während der die Anordnung eingeschwungen ist. In Fig.4 ist- als Blockschaltbild
eine entsprechende Steuerschaltung dargestellt, wobei dann die in Fig.5 dargestellten
Impulsdiagramme die Signalverläufe an den in Fig.4 sowie auch in den Fig.3 und 7
mit a. . e bezeichneten Punkten zeigen.
-
In Fig.4 ist mit G2 ein Oszillator bezeichnet, der als Schwingfrequenz
das Doppelte der Taktfrequenz für das Umschalten der Schallrichtung liefert. Anstatt
durch Einsatz eines besonderen Oszillators kann diese Frequenz auch durch Teilen
der vom Oszillator G1 gelieferten Meßfrequenz gewonnen werden.
-
Diese Frequenz wird in einem Frequenzteiler FD mit zwei komplementären
Ausgängen um den Faktor 2 geteilt. In Fig.5 ist das ursprüngliche Signal unter a
und die durch 2 geteilten komplementären Signale am Ausgang des Frequenzteilers
FD mit b und c bezeichnet. Das ursprüngliche Signal a und das Ausgangssignal c des
Frequenzteilers werden einmal den Eingängen einer Inhibitionsschaltung IG und ferner
auch den Eingängen einer negierten Oderschaltung NOR zugeführt, an deren mit d und
e bezeichneten Ausgängen die unter d und e in Fig.5 gezeigten Signalfolgen auftreten.
Die in Fig.4 gezeigte Anordnung ist nur ein Anschauungsbeispiel. Die benötigten
Steuersignale lassen sich auch durch anders aufgebaute Schaltungen erzielen.
-
In Fig.6 ist die in Fig.) verwendete Anordnung zur Phasenmessung etwas
mehr im Detail dargestellt. Die in ihrer Folgefrequenz mit der vom Oszillator G1
gelieferten Meßfrequenz frequenzgleiche Sägezahnfolge wird durch die Abtastschalter
SS1 und SS2 abgetastet. Und zwar tastet der Abtastschalter SS1
die
Sägezahnfolge für die Dauer des von dem Pulsgenerator PG bei jedem Null durchgang
von - zu + abgegebenen kurzen Impulses ab, den die Abtaststeuerschaltung SD1 zum-
Abtastschalter SS1 durchläßt, wenn die Signalfolge d eine logische i" aufweist,
wenn also ST1 Schallsender, ST2 Schallempfänger und die ganze Übertragungsstrecke
eingeschvlungen ist Entsprechend arbeitet dann der Abtastschalter SS2 zusammen mit
der Abtaststeuerschaltung SD2, wenn in der Schallrichtung St2 nach Stl die Übertragungsstrecke
eingeschwungen ist, also während die Signalfolge e eine logische "1" aufweist. Für
den Pulsgenerator PG kann ein monostabiler Multivibrator eingesetzt werden, wobei
dann die Abtaststeuerschaltungen SD1 und SD2 aus je einer Undschaltung bestehen
können, an deren einen Eingang die Ausgangs impulse des monostabilen Islultivibrators
anliegen, während an ihren anderen Eingang die Signalfolge d bzw. e angelegt wird.
Die Abtastschalter SS1 und SS2 können dann aus in der angloamerikanischen Literatur
mit "Transmission Gate" bezeichneten Bausteinen bestehen. Wenn jeder Sägezahn der
Sägezahnfolge mit dem Nulldurchgang in positiverRichtung der gesendeten Meßfrequenz
ein -setzt undRdes monostabilen MultivibratorSPG beim Nulldurchgang in gleicher
Richtung der empfangenen Neßfrequenz, so entspricht die Amplitude des Abtastwertes
dem Phasenwinkel zwischen ausgesendetem und empfangenen Signal, die Differenz zwischen
den Werten von 2 Messungen bei unterschiedlicher Schallrichtung also der Phasendifferenz
y ' Die Abtastwerte werden in integrierenden Speichern SUl und SU2, die z.B. aus
einem Speicherkondensator mit vorgeschaltetem Ladewiderstand bestehen können, gespeichert
und die Speicherwerte in der nachgeschalteten Differenzschaltung verglichen und
der so erhaltene Differenzwert in der schon zu Fig.5 beschriebenen Weise weiterverarbeitet.
Die Messung der Phasen kann aber auch dadurch erfolgen, daß wänr1end der Zeit der
logischen 1" in den Signalfolgen d bzw. e jeweils bei dem jeder Impuls
Nulldurchgang
in einer Richtung der gesendeten Meßfrequenz ein Impuls vorgegebener Amplitude begonnen
und- beim entsprechenden Nulldurchgang der empfangenen Meßfrequenzbeendet wird,
was z.B. mittels eines SR-Flipflop erfolgen kann. Diese Impulse werden in einem
integrierenden Speicher integriert und gespeichert. Der Speicherwert ist wiederum
ein Maß für den Phasenwinkel zwischen gesendeter und empfangener Meßfrequenz, sodaß
dann Differenzbildung und Weiterverarbeitung in beschriebener Weise erfolgen kann.
-
Schließlich soll nun noch auf das in Fig.7 dargestellte Realisierungsbeispiel
eingegangen werden. Es gibt Fälle, bei denen infolge der großen Strömungsgeschwindigkeiten
die Meßfrequenz verhältnismäßig niedrig liegen muß'um inl zu überstreichenden Bereich
Mehrdeutigkeiten zu verhindern. Um auch in diesen Fallen weiterhin im Ultraschallbereich
messen und dadurch stabile und robuste Schallwandler benutzen- zu können, kann dann
die im Tonfrequenzbereich.- liegende Meßfrequenz einem im Ultraschallbereich liegenden
Träger aufmoduliert werden. In Fig.7 wird der Träger vom Oszillator G5 geliefert
und diesem mittels des Modulators M die Meßfrequenz aufmoduliert. Der Umschalter
ul sorgt für den Wechsel der -Schallrichtung. Die-Demodulatoren D1 bzw. D2 sind
hier -fest mit den- Schallwandlern Stl bzw. St2 verbunden. Durch die logische "1"
in den Signalfolgen d und e werden nachgeschaltete Schaltstufen- S1-und S2--durchgeschaltet
und so die empfangene und demodulierte Meßfrequenz an den Eingang- nachgeschalteter
Schalterfilter SF1 bzw SF2 angelegt wird, denen Tiefpässe und Pulsgenerator-PG1
bzw. PG2 nachfolgen. Von den Ausgangsimpulsen der als Pulsgenerator PG1 bzw. PG2
eingesetzten monostabilen Schaltstufen werden die Abtastschalter SS1 bzw. SS2-gesteuert.
-
Die weitere Verarbeitung geschieht in der- bereits beschriebenen Weise.
Die dem Träger aufmodulierte Meßfrequenz wird hier durch Frequenzteilung. einer
das =-Fache der Meßfrequenz betragenden Frequenz gewonnen, aus der dann, auch hier
nicht näher dargestellt,
die in -jeweils um 1 tel. Periode gegeneinander
phasenverschobenen in ihrer Folgefrequenz mit der Meßfrequenz frequenzgleichen Taktfolgen
für die Schalterfilter SF1 und SF2 gewonnen werden.
-
9 Patentansprüche.
-
3 Blatt Zeichnungen