DE2547892C3

DE2547892C3 - Schaltungsanordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Medien mittels Ultraschallimpulsen

Info

Publication number: DE2547892C3
Application number: DE19752547892
Authority: DE
Inventors: Eberhard Prof. Dipl.-Phys. Dr. 6600 Saarbruecken Haeusler
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1975-10-25
Filing date: 1975-10-25
Publication date: 1980-07-10
Also published as: DE2547892B2; DE2547892A1

Description

ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die den Laufzeiten Γ, und T₂ entsprechenden Impulse nach Durchlauf eines von einem Schieberegister (29) gesteuerten Rechnertores (31) in dem Schieberegister (29) gespeichert und zeitlich gedehnt in einem langsamen Rechner (30) nacheinander ausgewertet werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der langsame Rechner (30) einen Reziprokrechner (32) und eine Subtrahierstufe (33) enthält.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Subtrahierstufe (33) ein Ausgabegerät (34) nachgeschaltet ist.

/i -h =

7, " T₁ ·

Mit dieser Differenz ergibt sich dann die Strömungsgeschwindigkeit

" ⁼ 2 U - T₁)
mit s als dem Schallweg auf der Meßstrecke. Die

Die Erfindung betrifft eine Sr-.altungsanordnung entsprechend dem Gattungsbegriff des Patentanspruches I.

Nach einem älteren Vorschlag zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Medien in Leitungen mittels Ultraschall (DE-OS 24 31 346) wird dieser an dem einen Ende der Meßstrecke aus elektrischen Signalen erzeugt und nach Durchlaufen der Meßstrecke an dem anderen Ende in elektrische Signale zurückverwandelt. Dabei wird die Laufzeit T, des Ultraschalls in Strömungsrichtung und die Laufzeit T₁ entgegen dieser festgestellt, digitalisiert, in ihren Kehrwert verwandelt und die Differenz

I _ I
T_x T₂

gebildet. Die Impulsfolgen, d.h. die Wiederholungsfrequenzen sind durch

J₁ = und J₂ =
bestimmt. Die Frequenzdifferenz ergibt sich aus

Strömungsgeschwindigkeit ist dabei unabhängig von der Schallgeschwindigkeit des strömenden Mediums.

Die Meßvorrichtung besitzt an den beiden Enden der Meßstrecke je einen wechselseitig als Sender oder Empfänger verwendeten Ultraschallschwinger. Diesen erzeugen, durch einen Taktgeber ausgelöst, für eine bestimmte Zeit Ultraschallimpulse, die in dem anderen als Empfänger geschalteten Ultraschallschwinger in elektrische Signale zurückverwandelt, ein gleichzeitig vom Taktgeber geöffnetes Tor schließen. Durch dieses Tor fließen seit der öffnung über eine Zeit Γι Impulse in einem ersten Speicher. Mit dem Schließen des Tores erfolgt gleichzeitig die Umschaltung der Ultraschallschwinger. Die über die Zeit T₂ fließenden Impulse aus der umgesteuerten Schallrichtung werden einem zweiten Speicher zugeführt Aus der Differenz der Kehrwerte

T\~ T,

ergibt sich dann die Strömungsgeschwindigkeit v.

In einer anderen Ausführung dieser Vorrichtung wird die Meßstrecke jeweils in beiden Schallrichtungen durch einen Sender und Empfänger für die Ultraschallwellen begrenzt Damit entfällt die Umschaltung zwischen Sender-Empfänger-Funktion. In diesem Ultraschallströmungsmesssr wird die eigentlich durch die im Verhältnis zur Strömungsgeschwindigkeit des Mediums hohe Schallgeschwindigkeit mögliche Auflösung der Meßwerte nicht ausgenutzt. Es könnte aber z. B. während einer Atemperiode für diagnostische Zwecke notwendig sein, den genauen zeitlichen Strömungsverlauf zu kennen.

Ein weiterer, bekannter, Ultraschall-Strömungsmesser (DE-OS 23 51 290) benutzt gleichfalls die Differenz der Wiederholungsfrequenzen, um das Meßergebnis von den akustischen Eigenschaften des zu messenden Mediums unabhängig zu machen. Dabei werden die Taktimpulse in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung in einem Zähler gezählt, die Ausgangssignale dann einem Eingangsregister zugeführt. Die Berechnung des zu messenden Flusses erfolgt über die Differenz zwischen den kehrwerten der Zeitintervalle U und fc. Diese werden mit einem Skalenfaktor k multipliziert gemäß

Der Skalenfaktor k wird aus einer Operationsschaltung geliefert, in der er aus dem Durchmesser der Rohre, durch die das zu messende Medium fließt, der Dicke der Rohre, des Materials und des Aufbaus der Rohre, eines Meßbereiches usw. errechnet wird. Das Ausgangssignal wird einer Anzeige zugeführt und dann durch diese als Durchflußmenge momentaner Analogwert) angezeigt. Die Möglichkeit der Darstellung der hohen zeitlichen Auflösung besteht nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Medien in Leitungen mittels Ultraschall zu schaffen, bei der die hohe zeitliche Auflösung, wie sie sich bei dem Laufzeitverfahren ergibt, in wirtschaftlich vertretbarer Weise praktisch dargestellt und damit ausgenutzt werden kann.

Die Erfindung besteht darin, daß die den Laufzeiten Γ, und T₂ entsprechenden Impusle nach Durchlauf eines von einem Schieberegister gesteuerten Rechnertores in

dem Schieberegister gespeichert und zeitlich gedehnt in einem langsamen Rechner nacheinander ausgewertet werden.

Die mit dieser Lösung erzielten Vorteile bestehen darin, daß die maximal mögliche Zeitauflösung — sie ist gegeben durch die Laufzeit der Ultraschallimpulse in Gegenstromrichtung in der Meßstrecke — des Strömungsverlaufs des Mediums mit einfachen und wenige kostspieligen Apparaturen erfaßt und der Ausnutzung zugängig gemacht werden kann. Es können z. B. während der Periode eines Strömungsverlaufes von einer Sekunde entsprechend der Kapazität des Schieberegisters alle γ-,—. -Periode ein Meßwertpaar gebildet

I IHK)

und gespeichert werden. Diese Werte werden dann nacheinander in dem langsamen Rechner verarbeitet und über einen Oszillografen oder ein Schreibgerät ausgegeben. Der wirkliche zeitliche Strömungsverlauf ist damit mit Zeitdehnung registriert Trotz der an sich langsamen Funktion des Rechners ist die Ermittlung des zeitlichen Verlaufes der Strömung mit der theoretisch maximal möglichen Zeitauflösung durchführbar.

In Weiterbildung der Erfindung enthält der langsame Rechner einen Reziprokrechner und eine Subtrahierstufe.

Mit diesen bekannten Bauelementen werden in vorteilhaft einfacher Weise die Meßwertpaare der jeweiligen Laufzeit T, und T₂ in ihren Kehrwert verwandelt und die Differenz

30

T₁ T₂

gebildet

In weiterer Ausbildung kann der Subtrahierstufe ein js Ausgabegerät nachgeschaltet sein. Das Ausgabegerät kann man sich dabei z. B. als Schreibgerät oder als Oszillografen vorstellen.

Ausbildungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung -'argestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Strömungsgeschwindigkeits-Meßanordnung mit einem Ultraschallschwinger-Paar und Umschaltung;

Fig.2 eine Strömungsgeschwindigkeits-Meßanordnung mit zwei Ultraschallschwtuger-Paaren ohne Umschaltung.

Die Meßstrecke 1 ist Teil eines Rohrleitungsabschnittes, durch den das zu messende Medium entweder vollständig oder als Teikirom fließt Die Meßstrecke 1 ist ein gerades Stück Rohrleitung, das über die Krümmer 1 und 3 in die Leitungsführung eingefügt ist. Die Krümmer 2 und 3 haben gleiche Abmessungen. Sie sind seitlich an dem jeweiligen Ende der Meßstrecke 1 angeschlossen. Durch diese Gestaltung ergeben sie ein möglichst homogenes Strömungsbild (gleich lange Strömungsfäden). An den Enden der Meßstrecke 1 befindet sich je ein Ultraschallschwinger 4 und 5 mit konkaver Oberfläche und in konfokaler Anordnung zur Verbesserung des Störabstandes. In der Meßstrecke 1 t>o fließt das Medium 6 in Pfeilrichtung.

Die Ultraschallschwinger 4 und 5 sind um den axialen Schallweg als Meßstrecke 1 voneinander entfernt Sie sind sowohl als elektrisch-akustische als auch als akustisch-elektrische Wandler schaltbar.

Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 6 erfolgt nach F i g. 1 in zwei aufeinander folgenden Abläufen, und zwar mit Schallsignalen mit der Strömungsrichtunig und dann umgekehrt gegen die Strömungsrichtung des Mediums. Für den ersten Ablauf gelten die durchgezogenen Linien des Kreuzschalters 14, für den entgegengesetzten Ablauf die gestrichelten Linien.

Der erste Ablauf beginnt mit einem Impuls des Taktgebers 7 zum Eingangstor 8. Dieser Impuls öffnet das Eingangstor 8, damit gelangen Zählimpulse des Generators 9 über den Zähler 10 und das Rechnertor 31 in das Schieberegister 29 und werden dort gespeichert Gleichzeitig hat der Taktgeber 7 das Monoflop 11 angestoßen, der das Ausgangstor 12 eine bestimmte Zeit geöfrnet hat. Diese Zeit is' klein gegen die Schallaufzeit im Medium. Durch das offene Ausgangstor 12 gelangen die Signale des Signalgenerators Ϊ3 in den Ultraschallschwinger 5, der sie in Ultraschallwellen umwandelt und aussendet. Sie gelangen durch das fließende Medium 6 zum Ultraschallschwinger 4, der sie als Empfänger aufnimmt, in elektrische Signale zurückverwandelt, zum Eingangstor 8 leitet und dieses schließt Für den jeweils folgenden, entgegengesetzten Ablauf, also gegen die Strömungsrichtung, erfolgt die Durchleitung durch den Kreuzschalter 14 mit den gestrichelten Linien und über die jetzt umgekehrt wirkenden Ultraschallschwinger 4 und 5 zum Eingangstor 8. Sobald das Schieberegister 29 gefüllt ist, wird das Rechnertor 31 geschlossen. Die bis zur erneuten öffnung des Rechnertores 31 anfallenden Zählimpulse werden nicht verarbeitet Der Inhalt des Schieberegisters 29 wird in dem Reziprokrechner 32, der zusammen mit der Subtrahierstufe 33 in dem langsamen Rechner 30 enthalten ist, in die Kehrwerte verwandelt in der folgenden Subtrahierstufe 33 wird die Differenz zweier aufeinander folgender Kehrwerte, es sind dies ein Kehrwert aus den Zählimpulsen in Strömungsrichtung und ein Kehrwert aus den Zählimpulsen entgegen der Strömungsrichtung des Mediums, gebildet Dieser Wert wird dem Ausgabegerät 34 zugeführt Sobald alle im Schieberegister 29 gespeicherten Werte abgerufen sind, wird das Rechneirtor 31 wieder geöffnet, so daß neue Zählimpulse gespeichert werden können.

Die Strömungsgeschwindigkeits-Meßanordnung nach F i g. 2 enthält an den Enden der Meßstrecke 1 je einen Ultraschallsciiwinger als Sender 20 und 22 sowie als Empfänger 21 und 23. Die Signale aus dem Signalgenerator 13 werden den Sendern 20 und 22 zugeleitet; und dann die über die Empfänger 21 und 23 empfangenen Signale über die EingangstoT β und 3a in die Zähler 10 und 10a.

Die Funktion der Meßanordnung nach der Fig.2 entspricht im weiteren der Meßanordnung nach der Fig. 1. Beide ι nterscheiden sich nur durch die gleichzeitige Messung in der Meßstrecke 1 durch die doppelt vorhandene Sender-Empfänger-Anordnung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Medien in Leitungen mittels Ultraschallimpulsen, die an dem einen Ende einer Meßstrecke aus elektrischen Signalen erzeugt und nach Durchlaufen der Meßstrecke an dem anderen Ende in elektrische Signale zurückverwandelt werden, wobei die Strömungsgeschwindigkeit aus der Differenz der Kehrwerte der Impuls-Laufzeiten nach der Beziehung