DE2539263A1 - Ultraschall-stroemungsmessanordnung - Google Patents

Description

1 BERLIN 33 8 MÜNCHEN 80

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Palt!-Anw. Dr. ing. Ruschke Dr. RUbUH Kt &. HAK I IM LK Pat-Anw. Dipl.lng.

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Quadratur Berlin 25 39263 Quadratur München TELEX: 183788 TELEX: 522767

B 1097

Badger Leter, Inc., Richmond, California, V.St.Ä.

Ultraschall-Strömungsmeßanordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein ültraschall-Strömungsmeßgerät zur bestimmung der Geschwindigkeit eines Strömungsmittels in Axialrichtung in einem Rohr und ein Verfahren zur Messung der Strömungsmittelgeschwindigkeit in einem Rohr.

Bei der messung von durch ein Rohr fließenden Strömungsmitteln ist es erwünscht, eine Anordnung zur Erfassung der Strömung, bei der es sich im allgemeinen um eine .flüssigkeitsströmung handelt, zur Verfügung zu haben, die die Strömung nicht stört, genau arbeitet, verhältnismäßig billig und langlebig ist. Weiterhin ist eine heßeinrichtung erwünscht, die leicht eine direkte

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Anzeige innerhalb eines breiten Bereichs liefert, ohne durch Temperaturschwankungen und vergleichbare Unwelfbedingungen beeinträchtigt zu werden, während man Ultraschall-Strömungsmeßgeräte bereits mit mehr oder weniger Erfolg bei Rohrleitungen großen Durchmessers eingesetzt hat, ist es immer noch schwierig, ein für Rohrleitungen verhältnismäßig geringer Größe geeignetes Instrument zu erstellen, das reproduzierbar und genau Meßdaten liefert.

His ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Ultras chall-Strömungsmeßgerät zu erstellen, das sich leicht an einer Rohrleitung installieren laßt und eine genaue Angabe der Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung reproduzierbar liefert.

Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben werden.

ffig. 1 ist ein Diagramm eines x^ohrabschnitts mit einem in diesem installierten, diagrammartig dargestellten Ultraschall-Strömungsmeßinstrument nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Diagrammdarstellung einer Ausführungsform eines ültraschall-Strömungsmeßgerätes nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Diagrammdarstellung verschiedener Betriebsvorgänge des Ultraschall-titrömungsmeßgerätes;

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Pig. 4- ein detailliertes BlocKdiagramm einer Ausführunrsform eines Ultraschall-ßtrömungsmeßgerätes nach der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines liltraschall-Strömungsmeßgerätes nach der vorliegenden Erfindung.

Die vorliegende Anordnung ist für die Verwendung von Ultraschallenergie bei der hessung der Geschwindigkeit eines in einem Rohr fließenden btrcmungsmittels und unabhängig hiervon zur hessung der Schallgeschwindigkeit in diesem Strömungsmittel gedacht. Die Strömungsgeschwindigkeit wird bestimmt durch hessung der Differenz der ubertragungszeit zweier Ultraschallsignale in dem fließenden Strömungsmittel, wobei diese beiden ultraschallsignale gleichzeitig als sorgfältig eingestellte Schallwelleninipulse ausgesandt werden, von denen einer auf einem Weg läuft, der eine Komponente in Richtung der Strömungsmittelströmung aufweist, und von denen der zweite, mit dem ersten identische Schallwellenimpuls auf einer Bahn läuft, die eine Komponente entgegengesetzt der Richtung der Strömungsmittelströmung hat. Die J?ortpflanzungszeit jedes Schallwellenimpulses in dem Strömungsmittel wird dabei durch eine Phasenverschiebung der Schallvjellenimpulse dargestellt,

Insbesondere bei mittelgroßen bis kleinen Rohren ist die Zeitdifferenz zwischen den entgegengesetzt gerichteten Signalen sehr kurz, wodurch sie sich meßtechnisch nur schwer erfassen läßt;

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ihre Änderungen sind kaum je genau oder innerhalb einer gewünschten Genauigkeit von beispielsweise 1 ">j des Keßbereiches zu bestimmen. Die Differenzen der Laufzeit werden als Phasenverschiebung bei einer Ultraschall-Trägerfrequenz f. gemessen, die auf eine entsprechende Phasenverschiebung auf einer niedrigen

Frequenz f umgesetzt wird. Dies wird erreicht durch Überlagern ο ^w

der Trägerfrequenz f, mit einem Modulationssignal der Frequenz
f -,, wobei der Zusammenhang zwischen den drei Frequenzen gegeben ist durch f. = Kf und f, = (K - 1)f_ und K eine große ganze
Zahl darstellt; während des Überlagerungsvorgangs gilt also für die Differenzfrequenz f. - f-, = f . Eine Phasenverschiebung bei der Trägerfrequenz f. bewirkt genau die gleiche Phasenverschiebung bei der Differenzfrequenz f_Q. Der Unterschied der Laufzeiten in dem Strömungsmittel wird dabei mit dem Verhältnis (K) der Trägerfrequenz f, zur Differenzfrequenz f multipliziert. Bei-

u O

spielsweise ergibt ein Unterschied der Laufzeit in dem Strömungsmittel von 1 /us bei K = 50 eine scheinbare Laufzeitdifferenz von 50 /US bei der Dii'ferenzfrequenz.

Der Träger liegt in Form von Sinuswellen vor, das Überlagerungssignal in Form von Oosinuswellen, so daß das resultierende Signal wiederum in Form von Sinuswellen vorliegt, v/as eine hessung auf iNulldurchgang leicht durchführbar macht. Die Phase des Trägerfrequenzsignals wird gegenüber der des Überlagerungssignals genau eingestellt. Die Phasenverschiebung ist einstellbar, so daß Fehler der Phasenverschiebung infolge der Verzögerungen in den
verschiedenen Schaltungselementen korrigiert werden können.

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Das x'ragerirequenzsignal wird für jeden .'Jendeinipuls genau K Perioden lang abgestrahlt. Auf diese !«'eise kann man genau eine Periode der Dii'ferenzfrequenz ausziehen. Die Zeit, die für den Impuls erforderlich ist, um sich durch das strömungsmittel hindurch auszubreiten, muß mindestens K Periodenlängen betragen und ist vorzugsweise gleich 1,5 x K Perioden lang, so daß der Sendeteil der Signale sich vom Empfangsteil sauber trennen läßt.

V/ährend das Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach der vorliegenden Erfindung, wie es oben kurz umrissen wurde, sich in vielen unterschiedlichen Umständen und in Rohrleitungen unterschiedlicher Größe für eine Vielfalt von Strömungsmitteln und insbesondere Flüssigkeiten einsetzen läßt, ist es besonders geeignet für die hontage an verhältnismäßig kleinen Rohrleitungen - beispielsweise von wenigen Zoll Durchmesser -, in denen die Geschwindigkeit der Strömungsmittelströmung innerhalb eines weiten Bereiches bestimmt werden soll.

In einem Beispiel, das hier ausgeführt ist, um den allgemeinen iiahmen der Erfindung zu umreißen, findet die hont age an einem Rohr 6 (i'^lig;. 1) statt, in dem ein Strömungsmittel - beispielsweise eine i'lüssigkeit - sich mit einer zu bestimmenden Geschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 7 bewegt. Auf oder in der Wand des Rohrs 6 sind bende- und .^pfangseinrichtungen bzw. -wandler 8 und 9 angebracht. Diese sind normalerweise einander zugewandt auf gegenüberlxegenden Seiten des Rohres und in Richtung der Strömungsmittelströmung gegeneinander versetzt angeordnet, so daß

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— Ü —

der ','eg 11 zwischen den Einrichtungen b und ^LJ diagonal bzw. wiiiidig liegt und folglich eine in Durchmesserrichtung quer zur κohrleitung und eine axial mit der Rohrleitung verlaufende Komponente hat, wobei die Längen der letzteren zu bestimmen ist.

Anordnungen dieser Art sind bekannt. Oft tritt jedoch die Schwierigkeit auf, daß - insbesondere bei Rohrleitungen mit kleinem Durchmesser - die .Bahn 11 so kurz ist, daß die Differenz zwischen Signalen, die diesen Weg in entgegengesetzter .Richtung und in sehr kurzer Zeit zurücklegen, unmöglich oder nur sehr schwer genau zu bestimmen ist - dies insbesondere, wenn sie von icleinen änderungen der Strömungsgeschwindigkeit beeinflußt wird.

Im vorliegenden allgemeinen i?all wird ein ultraschall- bzw. UF-Wellenzug bzw. -impuls 12 ausgesandt. Es sind I-iittel vorgesehen, die in Intervallen eine Anzahl verhältnismäßig kurzer Impulse oder !Perioden in einer i'olge vorbestimrnter Lunge liefern, wobei jede der folgen als Impulszug bzvi. als V.'ellenstoß ("burst") bezeichnet werden kann. Jeder Schwingungsstoß ist nach Anfangszeitpunkt, iiauer und Endzeitpunkt gesteuert. Der Impulssender 12 weist eine Leitung 13 zu einem gemeinsamen Leiter 14 auf, auf dem der Impulszug gleichzeitig in zwei dichtungen gesandt wird. In einer Richtung kommt der Impulszug an der Sende-_mpfangüeinheit 16 (l'/R) an, die die Fähigkeit besitzt, den Impulszug abzustrahlen und auch einen entsprechenden Impulszug aufzunehmen. Der Impulszug· aus der Sende-Empfangseinheit 16 läuft auf der Leitung 17 zum Wandler 6 (¹Tr^) und von dort über das Rohr auf dem Weg 11 in

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einer itichtung zum anderen wandler 9 (i'r^), von wo das Signal auf einer Leitung 1ö zu einer weiteren oende-^inpfangseinheit (1¹/"Λ) ata anderen Ende des Leiters 14 geführt wird.

Gibt der Impulszugsender 12 einen Impulszug auf den Leiter 14, läuft dieser nicht nur zur Sende-Knpfangseinheit 16, -.,de beschrieben, sondern gleichzeitig auch zur Gende-ümpfangseinheit und damit auf der Leitung 1ö zum "Wandler 9 und von dort auf dem ■;eg 11 in eine Dichtung, aie der des Impulszuges aus dem Wandler δ entgegengesetzt ist. Dieser entgegengesetzt gerichtete Stoß wird vom Wandler ο aufgenommen und läuft auf dem Leiter 17 zur Sende-Empfangseinheit 16. Auf diese ./eise wird ein Impulszug oder Viellenstoß aus dem ,Sender 12 aufgeteilt und wirkt gleichzeitig auf die Sende-jJmpfanr:s einheit en 16 und 19· Die sich bei der Teilung ergebenden beiden Irapulszüge bzw. üellenstöße laufen gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung den V.'eg 11 entlang und werden von der jeweils anderen der ßende-luimpf anas einheit en 16 und 19 aufgenommen.

Ein von der Sende-Bmpfangseinheit 16 aufgenommener Impulszug bzw. Jellenstoß wird auf einem Leiter 12 mit Anschluß 22 an den oender 12 geführt und auf einer Leitung 23 zu einem IPühlschaltungselement 24. Auf entsprechende-weise läuft ein von der anderen Sende-^mpfangseinheit 19 aufgenommener Impulszug oder '„ellenstoß auf der Leitung 26, an die sich eine Leitung 27 anschließt, zum i'ühlschaltungselement 24. In dem Fühlschaltungselement 24 werden die beiden 'v.ellenstöße in der Frequenz abge-

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senkt und phasenmäßig miteinander verglichen, wobei einer vom anderen subtrahiert bzw. einer algebraisch zum anderen addiert wird, wie xveiter unten genauer ausgeführt ist. Die Differenz zwischen den beiden Wellenstößen infolge des Durchlaufens des Rohres geht auf einer Leitung 2ö zu einer Rechenschaltung 29.

Das von der ersten Sende-Empfangseinheit 16 dem Fühlschaltungselement 24 zugeführte Signal geht auch auf der Zweigleitung 31 zur Reihenschaltung 29. Entsprechend läuft das Signal aus der Sende-Empfangseinheit 19 auf der Leitung 26 und der von dieser abgehenden Leitung 32 ebenfalls zur Recheneinheit 29« In der Recheneinheit werden die verschiedenen empfangenen Signale miteinander verglichen und verknüpft; das Ergebnis geht auf einer Leitung 33 zu einer hier nicht gezeigten geeigneten Anzeigevorrichtung als Signal bzw. Ablesung, das bzw. die die Geschwindigkeit der in Richtung des Pfeiles 7 in dem Rohr 6 fließenden Strömungsrniutels angibt.

In der genannten Anordnung senden und empfangen die beiden Sende-Empfangseinheiten 16, 19 gleichzeitig, wobei die zeitliche Zuordnung derart gewählt ist, daß der Impulszug oder Wellenstoß, der von den Einrichtungen 8, 9 ausgesandt wird, eine vorbestimmte Dauer hat (gewöhnlich weniger als erforderlich, um das Rohr zu durchlaufen), gefolgt von einem Ruheintervall; nach diesem geben die Sende-Empfangseinrichtungen b, 9 die aufgenommenen Signale an die Sende-Empfangseinheiten 16, 19 weiter. Es findet also zunächst die gleichzeitige Abstrahlung von zwei Impulszügen bzw.

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V-ellenstößen in'entgegengesetzter Hichtung auf dem "eg 11 statt, gefolgt von einem Intervall ohne jegliches Signal; danach werden die gerade ausgesandten Signale gleichzeitig empfangen. Die zum Zurücklegen des -."eges 11 erforderliche Zeit erlaubt das Einschalten des iiuheintervalls. Bas Sende- und das Erapfangsintervall überlappen einander nicht und sind vollständig voneinander getrennt. ■

Die verallgemeinerte .anordnung ist mit mehr Einzelheiten in der ]?ig. 2 dargestellt, ^s ist ein Oszillator 41, der vorzugsweise quarzgesteuert ist, vorgesehen, der auf einer im wesentlichen festen Frequenz f, schwingt und die einzelnen Perioden oder Impulse erzeugt, aus denen die verschiedenen Impulszüge bzw. Ueilenstoße bestehen. Dieses Signal geht an den Verbindungspunkt 42 und von dort zu den beiden öende-Lmpfangseinheiten 16, 19. Vom Verbindun "spunkt 4-2 läuft eine Leitung 45 zu einer Zeitgabeschaltung 44, die ihrerseits mit einer Leitung 46 (mit der Abzweigung 47) mit den bende-Jitnpfangseinheiten 16, 19 verbunden ist und den zeitlichen Verlauf der Impulszüge bzw. '.-/ellenstöße steuert. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß jeder der Impuls- bzw. "/ellenzüge aus einer bestimmten Anzahl von Einheitsimpulsen besteht.

',;ie in Fig. 1 ersichtlich, werden die Signale auf den Leitungen 17 und 21 zu den Wandlern 8 und 9 gesandt bzw. von ihnen aufgenommen. u±e öignalstöße v/erden nach Durchlaufen des '.veges 11 in entgegengesetzter Richtung auf geeignete '»'eise miteinander verglechen. Dies geschieht, indem man das hochfrequente aufgenommene

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Y;ellenstoßsignal vom ^ende-Smpfangseinheit 16 beispielsweise auf der Leitung 4-Ö über einen Vorverstärker 4-9 auf einen "überlade— rungsciodulator 51 gibt, der das einfallende hochfrequente Signal mit einem synchronisierten Bezugssignal zu einem niederfrequenten Ginussignal für jeden '„ellenstoß umsetzt, wobei das Verhältnis der hohen äingangs-Signalfrequenz zur niedrigen Ausgangs— Signalfrequenz gleich K ist. Das Äusgaiigssignal des l-iodulators.. wird durch ein Tiefpaßfilter 52 geführt, das nur den gewünschten Heil des Lodulatorausgangssignals weitergibt, der in Form einer einzelnen Sinuswelle auf den ISulldurchgangsdetektor 53 geht« Auf vergleichbare Weise wird der andere aufgenommene .ellenstoß von der Sende-Empfahgseinheit 19 auf einer Leitung an den Yorverstärker 56 und danach auf einen überlagerungsmödulator 56 gegeben, der identisch mit dem Lodulator 51 ist und von dem das resultierende Sinussignal über das Tiefpaßfilter 59» das unerwünschte Komponenten zurückhält, dann als einzelne Sinuswelle auf einer Leitung 61 an den ilulldurchgangsdetektor 53 gelangt.

Jis ist wichtig, während des oben erwähnten Iiodulationsvorganges die oignalphase sorgfältig einzusbellen, um Fehler infolge der verschiedenen Verzögerungen in den einzelnen Teilen der Anordnung zu korrigieren. Sine Leitung 63 vom Verbindungspunkt 4-2 her verbindet die Quelle des synchronisierten Bezugssignals, einen Oszillator 64-, über eine Leitung 66 an einen Phasenschieber Der Oszillator 64- erzeugt eine synchrone Gosinuswelle, so daß bei der überlagerung mit der Sinuswelle aus dem Oszillator 4-1 eine Sinuswelle entsteht, um die i\uildurchgangserfassung zu er-

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leichtern. Das phasenüorrigierte Signal auf der Leitung 66 steuert auf einer Leitung 6ö den Signalmodulator 51 und auf einer Leitung 69 den l-odulator 5ö an. Die Signale aus den Modulatoren 51, 58 gehen über die Tiefpaßfilter 52 bzw. 59 (¹TPj?), die unerwünschte Komponenten unterdrücken, phasengleich ("in step") auf den Leitungen 60 und 61 auf den Nulldurchgangsdetektor 53.

In diesem Detektor erzeugt das Signal aus der Sende-Empfangseinheit 16 beim Kulidurchgang ein Ausgangssignal auf der Leitung 72, die an eine Recheneinheit 7& gebt, die weiterhin die Eingänge 31 und 32 sowie den Ausgang 33 aufweist. Wie in der Fig. dargestellt, handelt es sich bei der Ausgangsgröße in v/irklichkeit um eine Flanke 73 einer Hechteckwelle auf einer Zeitbasis und mit einer festen bzw. Normalamplitude. Des Signal aus der Sende- ,mpfangseinheit 19 betätigt seinerseits den Kulldurchgangsdetektor 53 in einem Augenblick, der von der Phasendifferenz dieses Signals zum ersten Signal abhängt und die andere Flanke 7^ der Rechteckwelle mit konstanter Amplitude darstellt. Folglich wird auf der Leitung 72 eine Rechteckwelle abgegeben, deren Länge bzw. waagerechte Abmessung gleich dem Produkt des Verhältnisses K. mit der Differenz der Laufzeiten ist und damit unmittelbar der Strömungsgeschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 7 im Rohr proportional. Falls im Rohr 6 keine Strömung vorliegt, weisen die beiden Signale aus den Sende-Empfangseinheiten 16, 19 im kulldurchgangsdetektor 53 den gleichen Hulldurchgang auf und bilden eine Rechteckwelle mit verschwindener waagerechter Ab-

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messung bzw. ohne Breitenausdehnung; dieses Resultat zeigt an, daß keine Strömung vorliegt.

Der Zustand einer fehlenden Strömung läßt sich auf einfache Iveise dazu ausnutzen, die Anordnung zu eichen. Bei fehlender Strömung sollte das Anzeigeinstrument keine Anzeige liefern. Liegt trotzdem eine Anzeige vor, muß die Phasenbeziehung der beiden Impulszüge nachgestellt werden. In diesem Fall wird der Phasenschieber 67 von Hand bei fehlender Strömung nachgestellt, um die Phase eines oder des anderen oder beider Impulszüge an den hodulatoren 51» 58 so einzustellen, daß kein Phasenunterschied mehr vorliegt. Dann treten die Nulldurchgänge beider Signale in der Einheit 53 gleichzeitig auf, wodurch die erfaßbare Breite des Signals richtig zu Null wird.

Vor einer mathematischen Analyse soll das System in der Ausführungsform für ein Rohr 6 rekapituliert werden, in dem ein Strömungsmittel in Richtung des Pfeils 7 mit einer Geschwindigkeit ν fließt. Auf gegenüberliegenden Seiten des Rohrs und im Abstand einer Strecke t mit einer Axialkomponente, d.h. in Richtung der Strömungsmittelströmung, sind ein Wandler 8 (Tr,,) und ein Wandler 9 (Tr₂) angeordnet. Kurze Stöße von Ultraschallimpulsen laufen gleichzeitig auf der Bahn 11 zwischen den Wandlern. Diese Stöße werden in einem Sender 12 erzeugt, der über Leitungen 13 und 14 an einen Sendeempfänger 17 angeschlossen ist, der über die Leitung 17 an den Wandler 8 geht, sowie an einen Sendeempfänger 19, der seinerseits mit der Leitung 18 an den

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Wandler 9 angeschlossen ist.

Die aufgenommenen Impulsstoße aus dem wandler 8 laufen auf der Leitung 21, in die eine Leitung 22 zum Sender 12 mündet, und einer Leitung 23 zu einer j?ühlschaltung 24-, die auch Impulsstöße vom VJandler 9 durch einen Leiter 26 und eine Leitung 27 aufnimmt, üas Ausgangssignal der i?ühlsohaltung 24- läuft auf einem Leiter 28 an eine Rechenschaltung 29t die auch die entsprechenden aufgenommenen Impulsstöße von einer Leitung 31 aufnimmt, die dem Wandler 9 zugeordnet ist. Das Ausgangssignal der Rechensehaltung läuft auf einer Leitung 33 zu einer (nicht gezeigten) öichtanordnung. ·

j?ür den in ,dichtung von Tr_x, nach iⁿr_? laufenden Impulsstoß ist infolge der gerichteten Geschwindigkeit der Btrömungsmittelströmung die Fortpflanzungsgeschwindigkeit, höher als in der Dichtung von ΐ^ nach Tr^. iOlglich nimmt der Wandler Tr'o den ihm zugehörigen der gleichzeitig ausgesandten Impulsstöße eher auf als der V/andler Tv^ den ihm zugehörigen Impulsstoß empfängt, i-iit der strömungsgeschwindigkeit v, dem axialen Abstand &■ der wandler und der Schallgeschwindigkeit c im ßtrömungsmittel läßt die Zeit, die vom gleichzeitigen Beginn der aüsgesandten Impulse zum Empfang derselben an den "Empfangsanschlüssen der Sende-Empfangseinheiten 19 bzw. 16 verstreicht, d.h. T₊ und ^rf_, ausdrücken als

(1)

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und ΐ_ = t_ + X _ . (2)

mit t₊ =

und t =

als den Laufzeiten durch das Strömungsmittel in den beiden Richtungen und "C und TT_ die Gesamtsystemverzögerungen (ohne die Laufzeit im Strömungsmedium), d.h. die Summe der Verzögerungen in der Elektronik, der Verdrahtung, des Händlers und den Rohrwänden in der jeweiligen Richtung.

Die Verzögerungen X und X_ lassen sich als gleich annehmen und als X> ausdrücken; diese Annahme trifft fast, aber nicht ganz zu. nimmt man sie jedoch für gegeben an, gilt

^t= ^. -T_{+ =} o .05)

woraus folgt, daß Ü_^ T und die Ultraschallschleife der i'ig. auf der !frequenz

f_ = 1/T_ (6)

schwingt.

Wegen (5) ergibt die gleiche Annahme

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welcher Ausdruck von X unabhängig ist.

Bas vorliegende Verfahren zur Ermittlung eines otrömungsmaßes unabhängig von der Schallgeschwindigkeit resultiert aus der Beziehung

₊t_ = £²/(c²-v²) (8)

die mit der Gl. (7) zusammen

2v// =At/t₊t_ (9)

ergibt.

Aus der Gl. (9) zeigt sich, daß die Strömungsgeschwindigkeit ν aus !Messungen von At, t und t_ bestimmen läßt. Mir alle tfälle der hessung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb eines breiten Bereichs läßt sich annehmen, daß ν sehr viel geringer ist als c, so daß die Gl. (9) sich reduzieren läßt zu

* t/t₊ ² (10)

wobei t entweder t oder t bezeichnet.

In den Kategorien unmittelbar gemessener Größen gilt

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_ 16 -

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t₊ = ·α₊ -τ (11)

und folglich

-t)² (12)

Während die obigen Ausführungen richtig sind, lassen die zugrundeliegenden Berechnungsgänge sich nur schwer in die Praxis umsetzen, da in der Praxis der Wert Ät sehr klein ist. In einem Medium, bei dem X= 0,305 m (1 ft.) und c = 1525 m/s (5000 ft./s) ist, ergibt eine Strömung von 0,7625 m/s (2,5 ft./s) nach Gl. (7) ein At von nur 0,2 /us (2 χ 10" sec.)· Will man eine Genauigkeit von einem Prozent des vollen Skalenausschlages erreichen, muß ßt auf weniger als 2 ns (2 χ 10""" s) genau bestimmt werden. Die schnellsten derzeit erreichbaren Digitalschaltungen haben Verzögerungswerte um 1 s, die schnellsten erhältlichen Linearschaltungen und zugehörigen Detektoren Verzögerungen im Bereich von 10 bis JO ns. Weiterhin hängt dieses Verfahren von der Ausbreitung und Erfassung kurzer Impulse im Medium ab, das diese Pulse im Zeitbereich "verschmiert" und eine genaue Feststellung der Empfangszeit praktisch unmöglich macht.

jährend einige Teilverbesserungen sich u. U. erreichen lassen, erhält man eine wesentliche Verbesserung aus einer sorgfältigeren Signalverarbeitung und insbesondere einer längeren Einwirkzeit der Ultraschallsignale auf das Strömungsmedium in der V/eise, daß die Größe fat erhöht wird. Beispielsweise würde eine Vergrößerung

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von At um den ii'aktor 50 eine Auflösung von nur 100 ns erfordern, die innerhalb der x''unktionsgrenzen erhältlicher elektronischer Schaltungsbauteile liegt.

Eine weitere Verbesserung erhält man, indem man die I/andler mit Stoßen von Sinuswellen einer bestimmten gemeinsamen frequenz erregt' und diese Stöße durch Demodulationsverfahren und eine hulldurchgangsfeststellung erfaßt. Diese haLnahmen reduzieren den Effekt von üchv/undersciieinungeh infolge örtlicher Variationen in .Feststoffen und I.uftbläschen in dem Strömungsmittel bzw. der !Flüssigkeit.

Wie teilweise in der i^?ig. 2 gezeigt, entspricht die d ohran Ordnung der der früheren Beschreibung. Jedoch ist ein elektronischer Generator 4-1 vorgesehen, der eine stetige Sinuswelle einer bestimmten frequenz

^ft = ^Kfo' ^fo = Vt₀ (13)

erzeugt, wobei K eine große ganze Zahl, die der Anzahl der Perioden der binuswelle in jedem V.'ellenstoß entspricht, und t die i-iauer jedes Ivellenstoßes ist. Die Ausgangsgröße des Generators 4-1 ist gegeben durch

e_t(t) = E₁.. sin(2 7i'Kf_ot)

Diese Ausgangsspannung erscheint am Verbindungspunkt ¹Vd, an den

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die öende-Lfiipfangseinheiten 16, 19 angeschlossen sind, und wirkt über eine Leitung 4$ und eine Zeitgabeeinrichtung: 44 über die Leitungen 46,47 auf die Sendeempfangsumschalter 16, 19» an die die wandler 8 und 9 angeschlossen sind. -Vom Verbindungspunkt 42 führt eine Leitung 65 auch ein Synchronisier-Kxngangssignal an einen zweiten Generator, der eine Oosinusv/elle der iPrequenz

f_d = (K-i)f

abgibt und dessen Äusgangsspannung sich ausdrücken läßt zu

e_d(t) = E_d.cos(2ir(K-1)f_ot) (16)

Mese üusgangsspannun^-; wird als Üyncnronisierbezugssignal für die Demodulation der aufgenommenen Ultraschallsignale verwendet. Die Zeitgabeexnrichtung 44 ist phasen- und frequenzmäßig mit der in Gl. (14) angegebenen Spannung synchronisiert. Das Ausgangssignal der Zeitgabeexnrichtung 44 ist eine periode Folge von 3 cha It impuls en von jeweils der Dauer t und der l/jslerholungsfrequenz

= 3t₀ (17)

Folglich laut sich die Ausgangsgröße der Zeitgabeschaltung 44, das ochaltsignal, ausdrücken als

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GCt) = ?■ G_o(t-n0?_p) (18)

η=ο

ί1 für ο χ t ° (19)

ο sonst

Ua die in den Gin. (18), (19) definierten ochaltsif.;nale die Üende-Empfangsumschalter 16, 19 steuern, werden die Wandleranschlüsse dieser Schalter in jeder Periode ü? zunächst für die Dauer t an den Ausgang des Sinusgenerators und dann für den Rest der Dauer, 2t , an die Itapfangsvorverstärker 4-9, 5? geschaltet. Die auf die handler ·ύν^ und Tr₂ (16 und 19) gelegten Erregungssignale sind also

, _t11o(t-^₁)) (20) bzw.

e₂(t) = E_tG(t-r^)sin(2-rKf_o(t-^_2i)) (21)

in denen T^ ^, und ~2i die Verzögerung in den Sendezweigen der Sende-juupfangsschalter ist. Aus diesen Erregungen erzeugen die Wandler ϊγ^ und fr₂ (8 und 9) an ihren Grenzflächen zum Rohr die Ultraschallwellen

= u₁S_tG(t-%_]i-t₁₂-t₁₃)sin(2irKf_o(t-T₁₁-t_]2-"t _$)) (22)

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.20-

und U₂Ct) = u₂KGCt-r_2/j-'i'₂₂-ip,)sinC281if_oCt-^¹ _2y,-^L ₂₂-^t ₂₅)) (23)

wobei u. und Up die V/andlericonstanten, T^₂ und f-o die Verzögerung in den Verbindungskabeln und Χλ·* und T₀* die Verzögerung in den wandlern ist.

Bei der Ausbreitung der Ultraschallwelle durch die Rohrwand und das fließende Strömungsmittel zur gegenüberliegenden Seite unterliegt sie weiteren zeitlichen Verzögerungen sowie einer dispersiven Dämpfung, wenn sie an den \vandlern l'r^, und Trp eintreffen, lassen sich die jeweiligen ultraschallwellen darstellen zu

= Du₂ic_tGCt-^/c₂₁-t₂-r_w-t_-)sinC2inECf_oct-r₂₁-t₂-r_w-t_))

( und U₂Ct) = Du₁E_tG(t-T₁₁_t₁-r_w-t₊)sin(2?Kf_o(t-r_i1-t₁-tr_w-t₊))

mit t₂ =τ_{22 +}t_{23 +}r_w

und t₁ = T_{12 +}t:_{15 +}-c_VJ (27)

f ist die Verzögerung in der Rohrwand, D der Koeffizient der dispersiven Dampfung und t und t sind die Durchgangszeiten durch die fließende btrömung nach den GIn. (3) und (4).

Die aufgenommenen Signale an den vjandleranschlussen der üende-Empfangsschalter nach den GIn. (24-) und (25) sind

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) (28)

und -P₂Ct) = E_rG(t-J?₊+T₂^)sin(2Jmf_o(t-T₊+r₂₄)) (29)

mit E_p = Du₁U₂E₁J. (30)

■T_ = t_ + T₂₁ + T₁₄ + t,, + t₂ (31)

T₊ = t₊ + T₁₁ + T^*4 +. *ι + *2 ■ ⁽⁵²⁾

und Τ,ι₄ und Γρ. als den Gesamtverzögerungen durch die Jimpfangszweige der ßende-Empfangssehalter und die :^mpfangsvorverstärker. Die Größen ¹D und Ί¹ sind die Gesamtlaufzeiten in den "beiden Richtungen vom Sender zum Ausgang der Vorverstärker. Vergleicht man nun die GIn. (31)j (32) mit den GIn. (1), (2), ergeben sich die .Beziehungen

T_ = ^₁ - t₂ + -T₂₁ + T₁^ (33)

und T₊ = ^ + t₂ +^₁₁ ⁺

die zeigen, daß

bX~ X_ - T₊ - Ct₂₁ - T₁₁H(T₁₄- T₂₄) (35)

mit der in der Gl. (5) getroffenen Anna.hme nur dann übereinstimmt, wenn (T₁₁ + T₃₄) = (T₂₁ + T₁₄) gilt.

An den wandleranschlüssen der 3ende-Empfangsschalter treten die

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Erregungen nach Gl. (20), (21) und die Empfangssignale nach den GIn. (2ö), (29) auf, wobei die Gesamtgröße an diesen Anscnlüssen jeweils die überlagerung der Signale nach den GIn. (20), (2c3) bzw. (21), (29) ist, d.h.

(36)

und ^es2^{(t) = e}2^(t)

Damit die Sende-Empfangsumschalter den Sender von den Empfangsvorverstärkern einwandfrei trennen, müssen die beiden Teile der GIn. (36) und (37) ungleichzeitig angesetzt werden. Aus den GIn, (20), (21) sind die Erregungsgrößen e^(t) und eo(t) nur dann ungleich null, wenn

n'j]_p + r_i1^t<nT_p +Ζ_ΛΛ + t_o

und nT_p + r₂₁<t<nT_p +Ύ^ + t_Q (39)

gilt, wohingegen aus den GIn. (28) und (29) die Empfangssignale und Γρ(ΐ) nur dann ungleich null sind, wenn

(40)

und nT_p + T₊ - Z₂₁^Kt <ηϊ_ρ + T₊ -^₂₄ + t_Q

gelten.

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- *3 - 25^9263

Folglich ergibt sich die erforderliche Ungleichzeitigkeit, wenn die Bedingungen

⁺*o

erfüllt werden durch die Voraussetzung

Es wird daher angenommen, daß die Forderung der Gl. (44) erfüllt ist; dann trennen die Sende-Empfangsschalter die aufgenommenen Signale von den Erregungssignalen an den V/andleranschlüssen und geben erstere an die Vorverstärker weiter.

Die an den Ausgängen deijVorverstärker stehenden Empfangssignale sind

= a₁E_rG(t-a}_)sindC2ilcf_oCt-a}J) (45)

und R₂Ct)" = a₂i;_rG(t-'i}₊)sin(2rKf_o(t-T₊)) (46)

wobei a^j 2 a^ die Versttirkungsgrade der Verstarker sind. Die Signale H₁(t) und Rp(t) werden auf den jeweils zugehörigen der hodulatoren 5^» 58 gegeben, desgleichen die Cosinuswelle aus dem zweiten Generator 64 nach dem Durchgang durch einen einstell baren Phasenschieber 67. Die Cosinuswellen e_d1(t) und e^C*)» jeweils an die I-iodulatoren für R^(t) und Rp(t) gehen, sind gege-

6D981?/0738

7539263

ben durch die Ausdrücke

e_d1(t) = cos(2 iT(K-1)f

_d1
und ^ed2^ ^{= cos}

in denen ί ®% die Phasenverschiebungen sind, die der Phasenschieber bewirkt. Verknüpft man die GIn. (4-7) und (4-8) mit den GIn. (4-5), (4-6), erhält man die Ausgangsgrößen der Modulatoren in Form der Signale

sin(2'/>(2K-1)f_ot - 2^f_Qt - _Q_

)7 (4-9)

und R₂(t) = Ca₂/2)E_rGCt-T₊)^IinC2»fc_ot -

- 21^₀KT₊-

+ sin(27T(2K-1)f_ot - Zftt_Qt

Die ersten Tenne in den GIn. (4-9), (50) sind die gewünschten Mischprodukte. Indem man die Grenzfrequenz der Tiefpaßfilter (TFP) 52, 59 nach den Modulatoren entsprechend wählt, lassen die unerwünschten zweiten Terme sich sperren. Die von den Filtern 52, 59 an die iNulldurchgangsdetektoren 53 (ZX DET) weitergegebenen Signale sind also

R₁Ct) = (a₁/2)E_rG(t-T_-S₁)sin(2iTf_o(t-KT_-S₁) - ^f) (5I)

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-25- 25Ί9263

und Η_ο(ΐ) = (ap/2)E GCt-I¹ -Sp)sin(2iTf(t-KT -Sp) + ®%) (52)

mit S₁ und Sp als den verhältnismäßig kleinen Verzögerungszeiten beim Durchgang durch die Filter.

Jedes der Signale R₁(t) und R₂(t) ist aus zwei Faktoren aufgebaut. Der erste ist die periodische Aperturfunktion G(.) nach Gl. (18) und der zweite eine Sinuswelle der Frequenz f_Q = V^₀* Da die Dauer der Aperturen, die die Funktion G(.) definiert, ebenfalls t ist, bestehen die Signale R₁(t) und R₂(t) jeweils aus einer Folge von einperiodischen Sinuswellen der Frequenz f mit dem Abstand T = 3t_Q. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Signalen und damit der Informationsträger ist die relative Phase der einperiodischen Sinuswellen in jedem der Signale. Diese Eigenschaften sind in der Fig. 3 dargestellt.

Die zeitliche Apertur jedes Signals ist dadurch bestimmt, daß die G(.)-Funktion während jedes Arbeitszyklus ungleich null wird. Aus der Gl. (51) lassen sich der Anfang und das Ende sowie die Dauer der Apertur für das Signal R₁(t) im η-ten Arbeitszyklus durch die Ungleichung

t < nO!_p + Q}_ + S₁ + t_Q (53)

angeben, entsprechend die Apertur für das Signal R_P(t) im n-ten Arbeitszyklus durch

η·Τ_ρ + -I₊ + S₂ < t < nl'_p + T₊ + S₂ + t_Q (

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Der. -deginn jedes Betriebszyklus ist definiert durch den Beginn des Erregungsstoßes im Sender zu periodischen Zeitpunkten · t = ηΤ so daß die vom Beginn des η-ten Arbeitszyklus zum Beginn der Aperturen für die Signale H₁Ct) und l*₂(t) verstrichene Zeit jeweils

ΔΦ - φ χ R ( 55^)

■Α·λ — -L_- T^ Λ ^ SSJ

und Λ T₀ = T, +S₀ ist. (56)

Die Dauer der ausgesandten V/ellenstöße ist gleich der Länge der Apertur der Signale R₁Ct), R₂(t), und die vom Mittelpunkt der Erregerstöße zum I'iittelpunkt der Aperturen der empfangenen Signale verstrichene Zeit ist ebenfalls durch die GIn. (55) und (56) angegeben. In dem Maß, daß S₁ und Sp sehr kurze Verzögerungen sind, ist die verstrichene Zeit jeweils ein Maß für die Laufzeit T und T- Die GIn. (31), (32), (33) und (34) lassen sich verwenden, um die verstrichene Zeit aus den GIn. (55) und (56) folgendermaßen umzuformulieren:

T₁ = t_ + Xl (57)

und T₂ = t₊ +V^ (58)

mit Xl = t_ + S₁ (59)

und T| =Z₊ + S₂ (60)

Innerhalb jeder der mit den GIn. (53)» (5*0 definierten Aper-

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-27- ?5392S3

türen zeigt das Signal R_x, (t) oder Rp(t) die Sinuseigenschaften seines zweiten Faktors und wird null, wenn ioner der Sinusfairtor gleich null wird. Für das Signal H^(t) tritt der Viert KuIl und damit der rmlldurchgang in der Apertur für den η-ten Arbeitszyklus zur Zeit t ^ auf, die gegeben ist durch

= ΐηίΓ (61)

mit m als einer ganzen Zahl; die Gl. (61) löst sich zu

Δ0

Entsprechend ergeben sich der Nullwert und der Nulldurchgang des Signals Rp(t) iⁿ der Apertur für den η-ten Arbeitszyklus zu

Die Kulldurchgangsdetektoren im Block 53 (ZX OET) der Fig. 2 sollen die nebeneinanderliegenden Nulldurchgänge von R^(t) und ΙΙρ(ΐ) um die Mittelpunkte ihrer Aperturen für jeden Arbeitszyklus erfassen. Für nebeneinanderliegende Nulldurchgänge sind die ganzen Zahlen m in den GIn. (61), (62) gleich. Das Ausgangs signal des Blocks 55 (ZX DET) ist ein periodischer Impulszug, bei dem der Impuls jeder Periode am zentralen Nulldurchgang von iip(t) in dessen Apertur beginnt und mit dem zentralen Hulldurch gang von R_x,(t) in dessen Apertur endet. Folglich ist die Dauer dieser Impulse gegeben durch

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- ¹V

mit AS » S₁ - S₂. Aus den Gin. (3I) Ms ($9) läßt die Gl. (64) sich umformen zu

(65) ο

in der t die in Gl. (7) definierte gewünschte Größe, Δι der Restverzögerungsfehler der Sende-Empfangsschalter 16, 19 und der Vorverstärker 49, 57 nach Gl. 35 und Δ0 die mit dem Schieber 67 einstellbare Phasenverschiebung sind.

Indem man die einstellbare Phasenverschiebung so ansetzt, daß

= -(KAT+AS) (66)

läßt sich eine vollkommene Fehlerkompensation erzielen und wird

= KÄt (67)

Dieser Ausdruck beweist, daß das zugrundeliegende Ziel erreicht worden ist, nämlich den Uellenstoßlängenfaktor K als ■Vergrößerungsfaktor für Δι zu verwenden. Eine saubere Einstellung des einstellbaren Phasenschiebers 67 erreicht man leicht bei fehlender Strömung. Bei fehlender Strömung wird Δ t = O, und die richtige Einstellung von Δ0 zur Erfüllung der Gl. (66) erreicht man mit /^t = O.

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Obgleich sich, wie oben beschrieben, eine vollkommene fehlerkompensation erreichen läßt, erfordert eine minimale Fehlerempfindlichkeit, daß man Λ £ bereits konstruktiv so klein wie. möglich macht. Aus der Gl. (6b) ist klar, daß der Fehler- Af Signallaufschema nicht unterdrückt wird, da er ebenfalls um den Faktor K multipliziert erscheint. Jedoch werden die Verzögerungsfehler As der Tiefpaßfilter 52,59 und die Verzö~erungsfehler der ivulldurchgangsaeteKtoren 53 unterdrückt, da sie nicht der Multiplikation mit dem Faktor 50 unterliegen. Folglich ergibt sich eine minimale Fehlerempfindlichkeit und die beste Realisierung der beschriebenen signalaufbereitung, wenn man bereits im Konstruktionsstadium Af _So klein wie möglich macht. Im allgemeinen ist derjenige Teil von ΔI , den die Sende-ümpfangsschalter 1ö,19 beitragen, ziemlich klein im Vergleich zum .beitrag der Verstärker 4-% 57· dieser letztere Beitrag läßt sich jedoch so gering wie möglich halten, indem man Verstärker mit Bauteilen maximalen Verstärkungsbandbreitenproduktes und den geringsten noch annehmbaren Verstärkungsgraden konstruiert. Es gibt Verfahren für die erfolgreiche Modulation von oignalen mit 'Regeln von weniger als -40 dBm (0 dBm = 10~* W).

Der oben beschriebene Impulszug überwindet die anfangs ausgeführten technischen Schwierigkeiten, wie sich aus den beiden Realisierungen nach Fig. 4- und 5 ergibt.

Als Beispiel der Arbeitsweise eines praktisch ausgeführten Beispiels der vorliegenden Erfindung zeigt das !Diagramm der Fig. 3 -

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auf einer Zeitabszisse - einige der wichtigeren Vorgänge. Es ·. handelt sich nier um ein numerisches üeispiel, das willkürlich für ein Rohr mit einer TJltraschall-Laufzeit von etwa 200 ,us gewählt wurde, wobei die Signalwiederholung^eit 480 ,us betrug. Ein .(iederholungsintervall von 4-80 ,us tritt fortwährend während der gesamten Betriebsdauer der Einrichtung auf. -beide Sender-Empfangseinheiten 16,19 werden anfänglich zur Zeit üull aktiviert und arbeiten für eine Dauer von 160 yus (G(t)) als willkürlich gewählte Periode, die geringer ist als die Laufzeit auf dem ;,eg 11. Jeder Impulszug oder Jellenstoß dauert folglich 160 ,us und enthält eine groüe Anzahl K einzelner Impulse. Dies ist in der .u'ig... 3 auf der Achse e y,(t); e qC^) durch die Sinuswellen unter und über der waagerechten Achse angedeutet, die .■ zeigen, daß beide Einheiten 16,19 gleichzeitig hochfrequenz in, entgegengesetzten Richtungen abgeben. Dieser Sendezeit, die am Ende der 160 ,us endet, folgt ein Ruheintervall von 80 ,us, um ein .Rücksetzintervall zu haben. Am Ende der Sendezeit und des Intervalls, d.h. nach Ablauf von 24-0 ,us nach dem Zeitpunkt lvull bzw. dem otartZeitpunkt, werden die beiden oende-Empfangseinheiten 16,19 gleichzeitig in den Empfangszustand gebracht. Sie nehmen die zahlreichen Hochfrequenzimpulse in zwei Bignalstößen innerhalb eines Intervalls auf, das seinerseits 160 ,us dauert und dem wiederum ein Ruheintervall von 80 ,us folgt, um zu gewährleisten, daß die Sende- von den Empfangssignalen sauber getrennt sind. Die Gesamtzeit addiert sich also zu 4-80 /US, wonach sich der gerade beschriebene Zyklus wiederholt. Auf der nächstniedrigeren Achse der Fig. 3 sind die empfangenen Signale R^(t), R₂(t) ohne

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Bezug auf die Sendesignale gezeigt, so daß sie einzeln hervorstehen.

Vorzugsweise werden die Stoßsignale in Form von Sinuswellen gesendet, die nach dem Empfang herabgemischt werden, um für jeden Stoß eine Sinuswelle zu erzeugen, deren zeitliche Breite gleich der gesamten Empfangsdauer ist. Die relative zeitliche Lage jedes empfangenen Signals bzw. seine Phase ist für das einzelne Signal eine Funktion der Addition der Geschwindigkeit der Strömung und für das andere Signal eine Funktion der Subtraktion der Geschwindigkeit der Strömung in Richtung des Pfeils 7· Die empfangenen und herabgemischten Sinuswellen erscheinen also in unterschiedlicher Phasenbeziehung auf den beiden Achsen R^Ct) und K₂Ct)- der Fig. 3.

Es wird darauf verwiesen, daß der Nulldurchgang des ersten Signals auf der Achse ZX DET1 auf der Zeitachse in einer Stellung, der Uulldurchgang des zweiten Signals auf der Achse darunter, ZX DET2 in einer anderen Stellung dargestellt sind.

VJie auf der nachstnxedrxgeren Achse ZX DET dargestellt, ist

el U. S

der Unterschied der Nulldurchgangszexten als Rechteckwelle dargestellt, deren waagerechte Breite Δ*&_ζ ein Maß für die Geschwindigkeit in Richtung des Pfeils 7 der Strömung ist.

Dieses Beispiel war nur ein einfaches numerisches Beispiel, und die werte und Zeitangaben können sich in den verschiedenen

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-32- ? 5 Ί 9 2 6 3

Anwendungsfällen erheblich ändern. Der allgemeine Zusammenhang der Vorgänge ist in Jedem IPaIl jedoch im wesentlichen so, wie er oben beschrieben wurde.

Um die baulichen Einzelheiten einer Ausführungsform einer Stronungsmeßanordnung zu erläutern, die die gewünschten Ergebnisse erbringt, zeigt die Pig. 4- eine Anordnung, in der viele der Einheiten, wie sie oben beschrieben wurden, zu einer vollständigen Schaltung zusammengefügt sind. In dieser Anordnung liefert der Generator oder Oszillator 4-1 ein Signal einer genau eingehaltenen frequenz f = MKf an einen Leiter 81 mit einem

S O

Verbindungspunkt 82 zu einem Frequenzteiler 83, der die Frequenz mit dem Teilerverhältnis h teilt; das frequenzgeteilte Signal (e.; f. = Kf.) steuert über eine Leitung 86 die erste Sende-Empfangs einheit 16 (Tr,,), die ein Signal e ,, liefert. Ein Zweig 87 steuert die zweite Sende-Empfangseinheit 19 (Trp), die ein Signal e -, liefert. Der Leiter 84- geht an einen anderen Frequenzteiler 91 (Teiler durch K), der ein Signal mit der Frequenz f auf einem Leiter 92 an den Phasenkomparator 93 gibt. Dieser Phasenkomparator 93» bei dem es sich um ein flankengesteuertes Vielfachlogiknetzwerk (EGWN) handelt, spricht auf die Flanke der Rechteckwelle an und erfaßt in diesem Beispiel die vergleichbaren Flanken von Hechteckwellen in zwei unterschiedlichen Impulszügen und liefert ein Ausgangssignal entsprechend der Phasendifferenz zwischen den beiden V/ellenzügen. Das Ausgangssignal der Einheit 93 geht auf dem Leiter 94- auf ein Tiefpaßfilter 96, das das Signal vereinfacht und dessen Ausgangssignal einen spannungsge-

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steuerten Oszillator 97 steuert, dessen Ausgangssignal (e^; f_d = (K-1)f ) auf den Verbindungspumct 98 geht. Ein Leiter 99 führt einen 'feil des signals vom Verbindungspunkt 98 über einen .Frequenzteiler 101 ('teiler durch (K-1)) auf einen Leiter 102 und von dort auf den anderen der Eingänge des thasenkomparators 93· Auf diese Weise wird der Verbindungspunkt 98 mit einem frequenz- und phasenmäßig richtig synchronen Überlagerungssignal beaufschlagt.

Vom Leiter 84 am Verbindungspunkt 103 führt ein Leiter 104 das frequenzgeteilte Signal aus dem Oszillator 41 zum Modulator 105· Weiterhin führt vom Verbindungspunkt 98 der Leiter 99 zum hodulator 103 und einem von Hand einstellbaren Phasenschieber 106 (A0). Das modulierte Signal läuft auf einer Leitung 107 durch ein Tiefpaßfilter 108, das unerwünschte Komponenten sperrt, und auf der Leitung 109 durch einen signalformenden Verstärker 111 (f - Bezugssignal) und schließlich auf einem leiter 112 in die Logikeinheit 113. V/ie. dargestellt, handelt es sich bei dem eintreffenden Signal um eine liechteckwelle 114 der .Frequenz f_Q. Die Logikeinheit 113 gibt ein taktsignal (Kurve 116) auf dem Leiter 117 (G(t)) an den Verbindungspunkt 116. Von dort läuft eine Leitung 119 zur Gende-Empfangseinheit 16 und vom Verbindungspunkt 120 eine entsprechende Leitung 121 zur oende-Empfangseinheit 19-

Die Sende-Erapfangseinheit 16 gibt, wenn sie durch das Taktsignal auf dem Leiter 117 und der Leitung 119 auf Empfang geschaltet

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wird, das vorn Wandler ö auf der Leitung T/ ankommende Signal auf dem Leiter 122 und durch einen Vorverstärker 123 auf den Leiter 124- (H^) mit dem Anschlußpunkt 126, der auf den Modulator 127 · führt, der das Sinussignal mit einem Cosinussignal zu einem niederfrequenten Sinussignal herabmischt. Das hischerausgangssignal läuft auf einem Leiter 12ö durch ein Tiefpaßfilter 129, das nur die gewünschte Komponente Hy, durchläßt, und auf der Leitung I3I zum Kulidurchgangsdetektor 132. Auf diese weise wird ein das Rohr in einer Richtung überquerendes Signal entsprechend geformt und auf den uulldurchgangsdetektor gegeben.

'.venn entsprechend die S ende-Erapfangs einheit 19 von dem '.Taktsignal auf der Leitung II7 und der Leitung 121 auf Empfang geschaltet wird, gibt sie sämtliche vom VJandler 9 auf der Leitung 1c aufgenommenen Signale auf einer Leitung 113 an den Vorverstärker 134 und von dort auf eine Leitung 136 (Hp), die einen Anschlußpunkt 137 enthalt. Das hochfrequente Sinussignal geht in einen Modulator I38 zur Überlagerung mit einem Gosinussignal zu einem niedrfrequenten Sinussignal unter Steuerung durch den Phasenschieber 106, der wie oben beschrieben arbeitet und von dem die Leitungen 139, 140 zu den Modulatoren 127 bzv/. 138 führen. Das Ausgangssignal des Modulators 138 führt auf einem Leiter 14-1 auf ein Tiefpaßfilter 14-2, auf dessen Ausgangsleitung 14-3 das gewünschte Signal R- auf den Nulldurchgangsdetektor geht.

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Der Oszillator 41 arbeitet über den Verbindungspunkt 82 und eine Leitung 146 auf mehreren Ladungsverstärkerstufen, um die letztendliche Ausgangsgröße zu steuern. Beispielsweise v/irkt die Leitung 146 über eine positive Ladungseinheit 147 (+AQ), indem sie eine Versorgungsladung an den Anschluß 148 liefert, der mit einer Seite eines Kondensators 149 über eine Leitung 151 verbunden ist. Der Anschluß 148 ist auch über einen Verstärker 152 an einen Anschlußpunkt 153 geführt, der mit einer Leitung 154 mit dem anderen Anschluß des Kondensators 149 verbunden ist.

Der Verbindungspunkt 153 ist an einen spannungsgesteuerten Oszillator 157 gelegt, der auch mit einem Verbindungspunkt 157 verbunden ist, von dem eine Leitung 158 zu einem UND-Glied 159 führt. Eine negative Ladungseinheit 161 (-AQ) ist an das Glied 158 und über eine Leitung 162 an den Verbindungspunkt 148 geführt. Diese Anordnung stellt eine Stufe der Ladungsverstärkung dar und erzeugt am Verbindungspunkt 157 ein Signal der !frequenz f' = 3fcK/t Auf vergleichbare V.'eise ist an dem Verbindungspunkt 157 eine positive Ladungseinheit 163 (+-^Q) geführt, die an einen Verbindungspunkt 164 mit einer Verbindung 166 zu einer Seite eines Kondensators 167 geht, dessen anderer Belag über die Leitung 168 an eimen Verbindungspunkt 169 angeschlossen ist. Zwischen den Verbindungspunkten 164 und 169 liegt parallel zum Kondensator 167 ein Verstärker. An den Verbindungspunkt 169 ist ein spannungsgesteuerter Oszillator 172 gelegt, der auf einen Leiter 173 niit einem Verbindungspunkt 174- arbeitet, von dem eine Leitung 176 auf ein UND-Glied 177 und von dort über eine Verbin-

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dung 178 an eine negative Ladungseinheit 179 (-Δ0) f:'eht, die über eine Leitung 1ö1 on den Verbindungspunkt 164 führt. Diese zweite Ladungsverstarkerstufe gibt ein Signal der !Frequenz

f" = 3PiKT /t,² auf eine dritte Stufe a.b. P ±

Der Leiter 173 geht auf ein UftD-Glied 182, das auf einer Leitung 183 vom Ausgangssignal des Nulldurchgangsdetektors 132 gesteuert wird. An das lilied 182 ist eine positive Ladungseinheit 184 (+Aq) gelegt, die über einen Verbindungspunkt 186 und einen Verstärker 187 auf einen Verbindungspunkt 188 arbeitet. Vom Verbindungspunkt 186 geht eine Leitung 189 zu einer Seite eines Kondensators 191» dessen anderer Anschluß über einen Leiter an den Verbindungspunkt 188 geführt ist. Kine Leitung 193 führt vom Verbindungspunkt 188 zu einem spannungsgesteuerten Oszillator 194, eine Leitung 196 zu einem Verbindungspunkt 197· Eine Leitung 198 verbindet den Verbindungspunkt 197 mit einem Glied 199» das über einen Leiter 201 mit einer negativen Ladungseinheit 202 (-Δο) verbunden ist, die ihrerseits über die Leitung 203 an den Verbindungspunkt 186 angeschlossen ist. Vom Verbindungspunkt 197 führt die Leitung 196 zu einem geeigneten heßinstrument 204 oder sonstigen Anzeigegerät für die Ausgangs-

2 2

Signalfrequenz, die sich ausdrücken läßt als J? = 3Mi At/1 = ⁷ ο +

Die verschiedenen Gatter 159» 177 und 199 werden auf besondere Art und V.eise gesteuert, wie noch auszuführen sein wird. Das Gatter 199 spricht über einen Leiter 206 auf ein j?lipflop

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an, das von dor Logikeinheit 113 angesteuert wird. Das eintreffende signal 114 erzeugt eine getaktete Uechteckwelle 2Cö, die auf einer Leitung 209 über den Verbindungspunkt 211 an den foulldui'chgangsdetektor 132, dessen Ausgangssignal es steuert, sowie über die Leitung 219 an das IPlipflop 20? geht.

Die Gatter 1p9 und 177 werden auf besondere Art und Weise angesteuert. Aus diesem Grund wird ein Signal 223, das in der Logikeinheit 113 aus dem eintreffenden üignal 114 abgeleitet wurde, auf einer Leitung 2^4 an einen ITlankendetektor 225 gegeben, der wahlweise über eine Sohaltleitung 227 das vom Verbindungspunkt 126 eintreffende .Signal i-L· oder das vom Verbindungspunkt 137 eintreffende Signal Rp aufnimmt. Das Au slangs signal des "J? lank en detektors auf der Leitung 228 wird zu einem öetasignal für das jj'lipflop 229 und einem Pöicksetzsignal für ein iilipflop 231 herabgeteilt. Das Flipflop 229 erhält das Rücksetzsignal 116 von der Leitung 11V, die auch über eine Verbindung 2J2 zu den öende-Empfan^seinheiten 16, 19 führt. Entsprechend erhält das !'"lipflop 231 über die Leitung 234 ein Setzsignal 233 von der LogiKplatine 113. Das Flipflop 229 sendet gegebenenfalls auf der Leitung 236 ein Signal an das Flipflop 207, während das Plipflop 231 auf den Zweigleitungen 237 und 238 einer Leitung 239 die Signale (ΐ -Δ) = t₊ an die OND-Glieder 159, 177 schickt.

!Funktionell gesehen dient der unabhängige Generator 41 dazu, die Frequenz f = l-lvf zu liefern, wobei i-, eine ganze Zahl und f nach der Gl. (44) gewählt ist. Diese i^reouenz wird um den

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teiler h zur j'requenz f = £/K = Kf^ geteilt, d.h. die

US O

Frequenz der Ginuswelle in den ausgesandten ".-eilenstoBen. Die frequenz f. wird auf die ₍_>ende-Empfangsschalter 16, 19 gegeben und auch durch K geteilt, um die Bezugsfrequenz f_Q für die Phasenregelschleife (92 bis 1C2) zur Erzeugung der Demodulationsfrequenz f, = (K-1)f darzustellen. Diese Haßnahmen sichern die Synchronisierung von e^(t) nach Frequenz und Phase mit den Signalen e.(t). Eine richtige Auswahl der Bezugsphase zur Erzeugung der Taktsignale in den Schaltungen der "Logikeiriheit erhält man, indem man die Signale e.. (t) und β^(ΐ) auf den iuodulator gibt und die erzeugte Differenzfrequenz mit dem 'I'iefpaßfilter auszieht. Diese Maßnahmen gewährleisten ein Bezugssignal 114- korrekter Phase zur Ableitung der l'aktsignale und dergleichen in der GesamtanOrdnung.

Ein Flankendetektor 226 wird mit den zuvor beschriebenen Elementen gemeinsam verwendet, um einen periodischen Impulszug der Viiederholungsperiode T = 3f und einer Impulsdauer

At₁₇ = KAt zu erzeugen. An den Flankendetektor kann entweder ζ

das Signal i^(t) vom Verbindungspunkt 126 oder das Signal

Ro(t) vom Verbindungspunkt 137 gelegt werden, um den Eintreffzeitpunkt innerhalb des Arbeitszyklus zu bestimmen. Aus der Gl. (45) oder (46) ergibt sich die Ankunftszeit im Verhältnis zum Beginn jedes Arbeitszyklus zu T oder IP in Abhängigkeit von der getroffenen Verbindung. Auf diese Weise ist das Ausgangssignal des Flankendetektors ein logischer Übergang zu einer Zeit ϊ₊ relativ zum Beginn jedes Arbeitszyklus. Dieses Ausgangs-

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signal setzt das Flipflop 231, das in jedem Arbeitszyklus zuvor mit einen: verzögerten Taktimpuls aus der Logikeinheit 113 über den Leiter 234 rückgesetzt wurde. Die Verzögerung 200 des Taktimpulses relativ zum Beginn jedes Arbeitszyklus ist eine einstellbare Größe A ; folglich ist die Dauer des Ausgangssignals des Flipflops 231 für jeden Arbeitszyklus gleich (¹J? -Δ). Durch geeignete Einstellung der Verzögerung Δ läßt die Dauer sich gleich T oder Γ_ machen, wie in den Gin. (3^) oder (33) definiert; dann wird die Dauer des Ausgangssignals des Flipflops 231 zu

(T₊ -A) = t₊ (68)

wie es für eine saubere kompensation der V/irkungen der Schallgeschwindigkeit erforderlich ist.

weiterhin wird das Ausgangssignal des Flankendetektors 226 verwendet zum Setzen des Flipflops 229, das mit einem Taktsignal aus der Logikeinheit 113 über die Leitungen 117 und 232 zu Beginn jedes Arbeitszyklus rückgesetzt wird, l/ird das Flipflop 229 nicht gesetzt, ist dies ein Zeichen dafür, daß das erwartete Empfangssignal nicht eingetroffen ist. Dieser Umstand läuft auf ein Fehlersignal hinaus, mit dem sich die richtige Ausgangsimpulsgeschwindigkeit trotz Schwundeinbrüchen und anderen Unterbrechungen aufrechterhalten läßt.

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Der Ausgangsimpulszug des ivulldurchgangsdetektors 132 auf den Leiter 183 und die durch die Impulsdauer des Flipflops 231 angezeigte Laufzeit t werden zu einer Impulsfrequenz F verknüpft, die der Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar proportional ist. './ie oben beschrieben, gilt

= 6WL²VZl (69)

wobei Pi so gewählt wird, daß den Maßstabs- und Genauigkeitsanforderungen Genüge getan ist. Der faktor K bestimmt die Länge jedes Uellenstoßes und den Vergrößerungsfsktor At, der seinerseits so gewählt wird, daß sich die Fehler infolge der endlichen Reaktionsgeschwindigkeit der elektronischen Bauteile und des gewünschten Strömungsbereiches für das Rohr so gering wie möglich halten lassen.

Es gibt eine weitere Version der in Fig. 4 dargestellten Gchaltung, die zum richtigen Arbeiten nicht auf einen genauen Quarzoszillator 4-1 angewiesen ist. wie insbesondere in der Fig. 5 gezeigt, ist diese Schaltung modifiziert, aber in vielen !'eilen der der Fig. 4 ähnlich. Einige der Bezugszeichen sind für vergleichbare Elemente gleich gewählt, und die oben für diese Teile gegebene -Beschreibung gilt auch für den Einsatz im System der Fig. 5· In. der Version nach Fig. 5 liegt ein spannungsgesteuerter Oszillator 246 vor, der über eine Leitung 247 an einen Verbindungspunkt 248 gelegt ist. Ein Leiter 249 verläuft von diesem Verbindungspunkt zu einem Frequenzteiler ~d^zy\ (Teiler durch W) ,

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vom dem eine Leitung 2 52, die das Signal (e,; f^ = Kf_Q) führt, mit einer Abzweigung 253 zur .Gende-i-.mpfan_:rseinheit 16 und mit einer weiteren Abzweigung zur Sende-Empfangseinheit 19 führt. Die Einheiten 16, 19 sind über die Leitungen 1? und 21 an die Sende- und Empfangsanordnungen 8, 9 gelegt, wie bereits ausgeführt.

Der Leiter 252 verläuft zu einem Frequenzteiler 91 (Teiler durch K), der mit der Leitung 92, die ein Signal der frequenz f führt, an den Phasenkomparator 93 gelegt ist, den seinerseits die Leitung 94- an ein iDiefpaßfilter 97 legt, und der mit dem spannungsgesteuerten Oszillator 97 verbunden ist, dessen Ausgangssignal (e^; fß(K-1)f ) an den Anschluß 98 geführt ist. Ein Leiter 99 verläuft vom Anschluß 98 zum Frequenzteiler 101, der auf der Leitung 102 an den zweiten eingang des Phasenkoraparators 93 führt.

Von dem Leiter 252 zweigt am Verbindungspunkt 256 der Leiter zum Modulator 105 ab, in dem die überlagerung stattfindet. Das modulierte Signal läuft auf der Leitung 107 und durch das ^:fiefpaiafilter 108 sowie die Leitung 109 zum impulsformenden Verstirker 111, dessen Ausgangssignal (f ; Bezugssignal) auf dem Leiter 112 zur Logikeinheit 113 seht. Innerhalb dieser Einheit 113 befinden sich verschiedene Schaltungen, die von der Leitung 112 gespeist werden und Signale liefern. Das zugeführte Bezugssignal ist mit der Kurve 114 dargestellt. Innerhalb der j_ogikeinheit wird auch ein Signal (G₄.) geformt, das, mit der Kurve

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dargestellt, von dem Leiter 117 auf aen Verbindungspunkt 118 geführt wird,- der über die Verbindung 119 an der Sende--^npfangseinheit 16 liegt, V.·eiterhin verläuft der Leiter. 117 zum Verbin-- ' dungspunkt 12Ü, der über die Verbindung 121 zur bende-Empfangseinheit 19 führt. Die Sende-Empfangseinheit 16 gibt ihr Ausgangssignal auf dem Leiter 122 zum Vorverstärker 123; von dort läuft das Signal rV auf dem Leiter 124 zum Verbindungspunkt 126, von dem der Leiter 124- auch zum Modulator 127 führt. Das Ausgangssignal des Modulators führt auf dem Leiter 128 zum Tiefpaßfilter 129. Der Leiter 131 führt das Ausgangssignal des Filters (R_x,) an einen der Eingänge des riulldurchgangsdetektors 132.

Entsprechend arbeitet die Sende-Empfangseinheit 19 über den" Leiter 133 auf den Vorverstärker 134-, der seinerseits das Ausgangssignal R~ auf dem Leiter 136 zum Verbindungspunkt 137 und zum Kodulator 138 gibt. Der Leiter 99 speist den Phasenschieber 106 für die beiden Modulatoren 127 und 138. Der Leiter 141 verbindet den I-odulator mit dem Tiefpaßfilter 142. Das Ausgangssignal R₂ des Tiefpaßfilters 142 läuft auf dem Leiter 143 zum anderen Eingang des Nulldurchgangsdetektors 132.

Vom Verbindungspunkt 126 führt eine Leitung 257 zu einem öignaldetektor 2^8, den die Sende-Empfangseinheit 16 und über einen Leiter 259 die Sende-Empfangseinheit 19 (vom Verbindungspunkt 137 her) speisen. Das Ausgangssignal des Signaldetektors geht auf einem Leiter 261 an ein Tiefpaßfilter 262, der über die Ver-

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bindung 263 auf einen impulsformencten Verstärker 264- führt. Von diesem Verstärker läuft eine Leitung 2G6 (T_n) zu einem Verbindungspunkt 267, von dem der Leiter 266 zu einer Seite des Phasenkomparators 268 verläuft. Die Logikeinheit 113 erzeugt ein Grundsignal 3Ί3, das über einen Leiter 314- zum Phasenkomparator 268 geführt ist, der es mit dem Signal auf dem Leiter vergleicht. Das Ausgangssignal des Komparators läuft auf der Leitung 269 zu einem Tiefpaßfilter 271 und von dort suf der Leitung 272 zum spannungsgesteuerten Oszillator 246 und schließt somit die liegelschleife·

Vom Verbindungspunkt 267 führt ein vieiterer Leiter 273 zum Setzanschluß eines ITlipflops 274-, an dessen ßücksetzanschluß auf einer Leitung 276 vom Verbindungspunkt 120 das Signal liegt. Das Ausgangssignal des ]?lipflops 274- lauft auf einem Leiter 277 zu einem Plipflop 278. Das Flipflop 278 erhält durch einen Leiter 279, der zu einem Verbindungspunkt 281 führt, ein weiteres Eingangssignal. In der Logikeinheit 113 wird ein Auftastsignal erzeugt und auf einem Leiter 282 an einen Verbindungspunkt 281 geführt, das die mit der Kurve 283 in 3?ig· 5 dargestellte Konfiguration aufweist. Vota Verbindungspunkt 281 wird das Signal 283 auf den Leiter 279 und so auf das Flipflop gegeben und läuft vom Verbindungspunkt 281 auf einer Leitung 284-zum Hulldurchgangsdetektor 132. Das Ausgangssignal des Detektors 132 (&t = K&t) ist auf einem Leiter 286 zum UND-Glied 287 seführt, dessen anderes Eingangssignal auf der Leitung 288 vom Verbindungspunkt 24-8 erscheint.

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Das UWD-GIied 287 ist mit einer Leiter 289 an eine positive Ladungseinheit 291 ( + AQ) eines Ladungsverstärkers gelegt, an die mit einer Leitung 295 ein Verbindungspunkt 292 angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt 292 führt einen Anschluß eines Kondensators 294- über einen Leiter 296, an dessen andere ,Seite über einen Leiter 297 an die Leitung 398 zwischen einem Verstärker 299 und einem spannungsgesteuerten Oszillator $01 gelegt ist. Der Eingang des Verstärkers ist mit der Leitung $02 an den Verbindungspunkt 292 gelegt. Der spannungsgostouerte Oszillator $01 ist an einen Leiter $0$ mit einem Verbindungspunkt $04 gelegt, der über eine Leitung $06 zu einem Eingang eines UND-Gliedes $07 führt, das über eine Leitung $08 auch vom Flipflop 270 angesteuert v.'ird. Das Glied $07 ist mit der Leitung $09 an eine negative Ladungseinheit $11 (-AQ) gelegt, von der eine Leitung $12 zum Verbindungspunkt 292 führt. Zusätzlich weist die Logikeinheit 11$ eine Verzögerungseinstellung (/>) auf, die mit der Kurve $16 dargestellt ist. Schließlich geht vom Verbindungspunkt ein Leiter $17 ab, der das Ausgangssignal der beschriebenen Schaltung an eine Anzeigeeinrichtung $18 weitergibt, die die Geschwindigkeit aer Strömung im Rohr 6 anzeigt (f_o = $KK²£t/4t₊ = 3l,K²V/2£).

Funktionell gesehen entspricht die Anordnung der Fig. 5 in vielerlei hinsieht der der Fig. 4. Der Hauptunterschied ist der Ersatz des freien Generators 4-1 durch einen spannungsgesteuerten Oszillator 246. Dieser Oszillator und der ihn steuernde EXCLUSIV-ÜDEil-Phasenkomparator 268 sind Teil einer ihasenregelschleife,

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die eine bestimmte bezieliunp: zwischen der frequenz f =

" ο

und der Laufzeit t bzw. t_ herstellt.

Eines der Eingangssignale des Ihasenkomparators 268 ist eine verzögerte i'aktwelle aus der Logikeinheit 113 j deren Verzögerung eine einstellbare Größe Δ ist. Das andere Eingangssignal des Phasenkomparators 26o ist ein Apertursignal, das von einem hodulator oder Signaldetektor 258 geliefert wird, dessen Eingangssignale die Empfangssignale ^(t) und R₂Ct) sind. Nach den GIn. (4-5) und (4-5) ist die Ausgangsgröße des hodulators 258 ein Apertursignal proportional

p" G_o(t-nl^l _p-'.e_)G_o(t-nI'_p-'l'₊)cos(2.Vf_oK^r) (7ü) n=o

Da AX sehr klein ist, ist der Faktor cos(2tTf ΚΔ,ΊΓ) für die vorliegenden Zwecke eine konstante ungleich Lull und das fragliche Apertursignal (?0) im wesentliehen durch die Punktionen G (.) gekennzeichnet. Aus der Definition dieser Funktion folgt, daß das an den zweiten Eingang des Irhasenkomparators gelegte Apertursignal eine Aperturwellenform ist, die relativ zum Anfang Jedes Arbeitszyklus im Zeitpunkt T beginnt und zur Zeit (T₊ + t_Q) endet. Der hittelpunkt dieser Apertur relativ zu jedem Arbeitszyklus ist daher gegeben durch

_ (T₊ + T_ + t₀)

c ~

■3?_ = —n = ü- (₇₁)

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Da für alle Strömungszustände T = T gilt, ergibt sich

Durch die Wirkung der Phasenregelschleife fällt der liittelpunkt des Apertursignals (Gl. (72)) mit der zentralen Übergangsflanke der verzögerten Taktwelle 316 aus der Logikeinheit 113 zusammen. Relativ zum Beginn jedes Arbeitszyklus befindet diese Obergangsflanke sich im Punkt

2t_o + Δ (73)

Setzt man ΐ in Gl. (72) der Größe der Gl. (73) Γ-leich, ergibt sich

3t_o/2 = T₊ -Δ (7Ό

Nach richtiger Einstellung der Verzögerung wird die Beziehung der Gl. (74) zu

3t_o/2 = t₊ (75)

Da f = IaK.f = MK/t ist, folgt, daß indfolge der Phasenregel-

k3 CJ O

schleife die Beziehung

f_s = 3I^iK/2t₊ (76)

gilt. Da f nach Gl. (76) einen bestimmten Zusammenhang mit der

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? B Ί 9 2 B 3

.Laufzeit durch das Strömungsmedium aufweist, ist die Kette der Ladungsverstärker 147 und 165 und der spannungsgesteuerten Oszillatoren 156, 172 der Fig. 4 nicht mehr erforderlich. Diese Vereinfachung erlaubt eine einfachere Verknüpfung mit der Schaltung nach Fig. 5· l>ie Frequenz des Impulsausgangssignals in Fig. 5 ergibt sich zu

F₀ = 3KK²V/2 I (77)

Als Variation läßt sich in der Fig. 5 auch ein Flankendetektor (ve-rgl. 226 in Fig. 4) verwenden, um eine Abschätzung von T oder I¹ zu liefern und damit die Frequenz f in einen bestimmten Zusammenhang mit der Laufzeit t oder t zu binden. Die Verwendung eines Kodulators 258 zu diesem Zweck, wie sie die Fig. 5 zeigt, hat den wünschenswerten Vorteil einer fast völligen Immunität gegen ütörspannungen und andere Unterbrechungen.

In beiden Versionen erhält man eine verbesserte Störunanfälligkeit und eine Vergrößerung der Größe ^t durch einen Stoßlängenfaktor K. Dieser Punkt ist wichtig, da Δt in der Praxis extrem ülein ist.

Potentansprüche

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   .J Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit einer .otrömungsmittelströmung in einem Rohr unabhängig von der Geschwindigkeit des Schalls in diesem Medium, dadurch gekennzeichnet, daß man entgegengesetzt gerichtete Ultraschallenergiesignale mit Axialkomponenten ungleich Mull auf einem 17eg durch das Rohr sendet, die gesendeten entgegengesetzt gerichteten Signale empfängt, ein der 'Sendezeit t eines der aufgenommenen Signale entsprechendes Signal erzeugt, ein der Zeitdifferenz At zwischen den empfangenen Signale entsprechendes Signal erzeugt und ein Produktsignal Δ t geteilt durch t bildet, das angenähert proportional ν ist, wobei ν die Komponente der Strömungsmittelgeschindigkeit entlang des besagten ^Tieges ist.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Sende- und Empfangssignale V/ellenstöße jeweils einer vorbestimmten Anzahl von Perioden verwendet und die Messung des Differenzsignals At erfolgt, indem man ein i-iodulationssignal mit jedem der empfangenen Wellenstoßsignale zu einer einperiodischen Sinuswelle mischt, und wobei man zur Erzeugung des Zeitdifferenzsignals den Nulldurchgang jeder der einperiodischen Sinuswellen bestimmt.

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   3. Ultraschall-Strcmungsmeßanordnung zur Messung der Geschwindigkeit einer Strümungsmittelströmung in Axialrichtung in einem Rohr, gekennzeichnet durch ein Paar .,andler, die auf dem Rohr angeordnet werden können, um zwischen sich einen i^nergieflußweg mit einer axial und einer quer zum Rohr verlaufenden Komponente herzustellen, durch kittel, um gleichzeitig ein Paar gleicher Signale von den Wandlern in entgegengesetzter Richtung auf diese Bahn zu schicken, durch kittel, um diese Signale an den wandlern zu empfangen, durch Mittel, um ein der Laufzeit t eines der Signale entlang des V/egos entsprechendes Signal zu erzeugen, durch hittel, um die Laufzeitdifferenz Δ t zwischen entgegengesetzt gerichteten Signalen zu ermitteln, durch kittel, um ein Signal zu erzeugen, das dem juacirat der Laufzeit, t , entspricht, und durch Mittel, die ein ■:Quotientensignal proportional t, geteilt durch t liefern, das im wesentlichen proportional der Geschwindigkeit ν der Btrömungsmittelströmung ist, wobei t/t 2£v/^o und C die Länge des Ausbreitungsweges ist.

   4-, Ultraschall-Strömungsmeßanordnung nach Anspruch $, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den kittein zur Erzeugung

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   eines Signals entsprechend t und t und bei den Mitteln zur Ermittlung der Laufzeitdifferenz £t um elektronische Mittel handelt und die Signale des Paares eine Ultraschallfrequenz aufweisen.

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   2 519 7 R 3

   5. ültraschall-Strömungsmeßanordnung nach Anspruch 3 oder 4-, gekennzeichnet durch hittel zum Senden jedes Signals des Paares in H¹O rm eines 'vellenstoßes aus einer vorbestimmten Anzahl von Perioden einer l/echselenergiewelle.

   6. Ultraschall-Strömungsmeßanordnung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch hittel zum Aussenden einer ±^?olge von Paaren gleichzeitiger Vellenstöße in regelmäßigen Abstanden.

   7. Ultraschall-Strömungsmeßanordnung nach Anspruch 3» 4-» 5 5, gekennzeichnet durch Mittel, um jedes Signal des Paares in J?orm eines v/ellenstoßes zu empfangen, dessen Phasenverschiebung im Zusammenhang steht mit der Laufzeit des Signals auf dem Ausbreitungsweg.

   b. Ultraschall-Strömungsmeßanordnung nach Anspruch 7j gekennzeichnet durch hittel, um ein Signal zu erzeugen, das der Differenz zwischen den Phasenverschiebungen der Signale des Paares beim Empfang entspricht.

   9. Ultraschall-Strömungsmeßanordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch hittel, um die Phasenverschiebung variabel zu ändern.

   10. Ultraschall-Strömungsmeßanordnung nach Anspruch 7» ö oder y, dadurch gekennzeichnet, daß die einrichtung zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz Ät hittel zum überlagern der empfangenen

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   25Ί9763

   signale rait einem Loduliercignal aufweist, um für jeden empfangenen Uellenstoß eine einperiodische ^inuswelle zu erzeugen.

   11. Ultrsschall-Gtrömungsmeßanordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das der Laufzeit t entsprechende iJignal eine der Laufzeit t invers proportionale Frequenz und das t entsprechende Signal ein« zu t^ invers proportionale Frequenz aufweisen.

   12. ultraschall-ötrömungsmeßanordnung nach Anspruch 7, o, 9 oder 10, gekennzeichnet durch Mittel, um die Dauer jedes der V/ellenstöße als vorbestimmten Bruchteil der mittleren Laufzeit jedes der Signale vom Ende zum Ende des Weges zu bestimmen.

   13. Ultraschall-Strömungsmeßanordnung nach Anspruch 6, 7» 8j 9 oder 10, gekennzeichnet durch Mittel, um die Anzahl der Impulse in jedem der V/ellenstöße, den die Wandler aufnehmen, auf eine einzige Periode eines oinussignals zu reduzieren, das jedem der empfangenen '.jellenstöße entspricht, durch Mittel, um die Nulldurchgangs zeiten der einperiodischen üinuswellen, die sich aus den empfangenen uellenstößen ergeben, resultieren, mit Kitteln, um die kulldurchgangszeit einer der Sinuswellen entsprechend einem der Wandler als Vorderflanke eines Kechteckwellensignals zu bestimmen, durch Mittel, die die liulldurchgangszeit der anderen, dem anderen

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   der Wandler entsprechenden oinuswelle als Hinterflanke des Hechteckwellensignals bestimmen, und durch hittel, die die zeitliche L Ln ge der ±£cchteckwelle als die Geschwindigkeit der strömung auf dem genannten '.;eg darstellen.

   14. Strömungsmeßanordnung nach Anspruch 13₅ gekennzeichnet durch Mttel, um die zeitliche lage einer der blanken des ßechteckwellensignals zu verschieben.

   15· Strömungsmeßanordnung nach Anspruch 15 oder 14, gekennzeichnet durch Kittel, um die Vorder- und die Hinterflanken des liechteckwellensignals zu erfassen.

   16. Strömungsmeßanordnung nach Anspruch 1$, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Intervalle langer ist als die tibertragungszeit der '..'ellenstöße zwischen den \vandlern.

   17· Strömungsmeßanordnung nach Anspruch 13» 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die reduzierende iiiinrichtung Mittel zum Erzeugen eines Gosinussignals aufweist.

   1ö. Ultraschall-Strömungsmeßanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Bruchteil 2/3 beträgt.

   iy. Verfahren zur Lessung der Geschwindigkeit einer Strömungsmittelströmung in einem rdohr, wie es im wesentlichen hier unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben ist.

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   20. Ultraschall-.'jtromuni-cmei-anoranun;-· zur i.essun;:·: der Geschwindigkeit einer ^trömun;-ür;iittelströmun;:; in einem .iohr, wie sie in; wesentlichen hier unter .dezu;; auf eine der Ausführunr;sfornen der beigefügten Zeichnungen beschrieben ist.

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