DE2636737C2 - Gerät zur Ultraschallmessung physikalischer Größen strömender Medien - Google Patents

Gerät zur Ultraschallmessung physikalischer Größen strömender Medien

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DE2636737C2 DE2636737A DE2636737A DE2636737C2 DE 2636737 C2 DE2636737 C2 DE 2636737C2 DE 2636737 A DE2636737 A DE 2636737A DE 2636737 A DE2636737 A DE 2636737A DE 2636737 C2 DE2636737 C2 DE 2636737C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Ultraschallmessung physikalischer Größen strömender Medien, insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit, mit wenigstens einer mit zwei Ultraschallwandlern versehenen, zumindest mit einer Komponente in Strömungsrichtung verlaufenden Meßstrecke, über die Ultraschallsignale abwechselnd stromaufwärts gesendet werden, mit einer auf der Empfangsseite angeordneten Vergleichsanordnung, der einerseits dem Empfangszeitpunkt der Ultraschallsignale zugeordnete Ankunftssignale und andererseits gegenüber dem Sendezeitpunkt verzögerte Bezugssignale zuführbar sind und die Frühbzw. Spätsignale abgibt, wenn die Ankunftssignale früher bzw. später als das jeweilige Bezugssignal eintreffen, mit einer Steuerschaltung, die in logischen Gliedern in Abhängigkeit von der Senderichtung auftretenden Aufwärts- und Abwärtssignale mit den Früh- und Spätsignalen verknüpft und wenigstens zwei in Abhängigkeit hiervon gesteuerte Signalniveaugeber zur Erzeugung von zwei der Senderichtung zugeordneten Steuersignalen aufweist, und mit mindestens einem von den Steuersignalen gesteuerten Zeitgeber, insbesondere einem Oszillator mit nachgeschaltetem Impulszähler, zur Gewinnung des Bezugssignals, wobei der Ausgang des ersten Signalniveaugebers als Hauptsignal und der Ausgang des zweiten Signalniveaugebers als Hilfssignal an eine Summierschaltung gelegt und ein von der Senderichtung gesteuerter, in der Zuleitung für das Hilfssignal zur Summierschaltung liegender Schalter vorgesehen ist, derart, daß das eine Steuersignal durch die Summe und das andere Steuersignal durch die Differenz von Hauptsignal und Hilfssignal gebildet ist, und wobei das Hilfssignal vor oder in der Summierschaltung proportional verkleinerbar ist, nach Patent 25 30 202.
Bei diesem Gerät ergibt sich eine große Regelschleife, in der sich selbsttätig am Ausgang des Zeitgebers abwechselnd zwei Frequenzen f\ und /2 für die Abwärts- bzw. Aufwärts-Messung einstellen, welche der Laufzeit des Ultraschallsignals umgekehrt proportional sind. Das Hilfssignal entspricht der Strömungsgeschwindigkeit. Wenn es abwechselnd zum Hauptsignal addiert und von diesem subtrahiert wird, entspricht das Hauptsignal der Schallgeschwindigkeit.
Gemäß einer Ausführungsform im älteren Vorschlag ist im Weg des Hilfssignals vor der Summierschaltung ein Potentiometer vorgesehen, mit dem das Hilfssignal proportional verkleinert werden kann. Auf diese Weise kann auch bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten am Ausgang des zugehörigen Signalniveaugebers mit einem verhältnismäßig großen Hilfssignal gearbeitet werden. Das Potentiometer erlaubt daher eine Empfindlichkeitseinstellung derart, daß auch bei kleineren Strömungsgeschwindigkeiten der voll·; Regelbereich ausgenutzt werden kann. Dem Verstärker des Summiergliedes ist ein zweites Potentiometer nachgeschaltet, mit dessen Hilfe der Arbeitsbereich des Zeitgebers, also
dessen Mittelfrequenz, eingestellt werden kann. Diese Einstellung ist zur Anpassung an die Länge der 'Jeßstrecke erforderlich, weil beispielsweise Rohre mit kleinem Durchmesser eine höhere Frequenz als Rohre mit größerem Durchmesser erfordern. Hierbei beeinflussen sich die Einstellungen der beiden Potentiometer gegenseitig, so daß eine genaue Anpassung an örtliche Gegebenheiten fachmännische Erfahrungen erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Ger.5t der eingangs beschriebenen Art einen Aufbau zu geben, mit dem die Anpassung an die örtlichen Gegebenheiten wesentlich vereinfacht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auch das Hauptsignal vor oder in der Summierschaltung veränderbar ist.
Da eine Schaltung vorausgesetzt wurde, bei der das Hilfssignal abwechselnd zum Hauptsignal addiert und von ihm subtrahiert wird, entspricht das Hauptsignal dem Mittelwert
fx+fi
Die Veränderung des Hauptsignals vor oder in der Summierschaltung führt daher unmittelbar zu einer Änderung des Mittelwerts der vom Zeitgeber abgegebenen Frequenzen und damit zu einer Anpassung an die Länge der Meßstrecke. Durch Beeinflussung des Hilfssignals kann die Strömungsgeschwindigker berücksichtigt werden. Beide Anpassungs-Einstellungen sind voneinander unabhängig, da sie in getrennten Kanälen erfolgen.
Infolge dieser Unabhängigkeit ist es auch nicht mehr notwendig, kontinuierlich verstellbare Potentiometer zu verwenden. Vielmehr kann man mit zweckmäßig ausgewählten Widerstandsstufen arbeiten.
Empfehlenswert ist es daher, in den Weg des Hauptsignals eine Gruppe von wahlweise einschaltbaren Festwiderständen zu legen. Diese Festwiderstände entsprechen jeweils einer bestimmten Meßstreckenlänge und können daher den vom Hersteller angebotenen Meßstrecken, die in der Regel bestimmten genormten Rohrgrößen entsprechen, eindeutig zugeordnet werden. Mit Hilfe dieser Widerstände können auch bestimmte Bereiche der Schallgeschwindigkeit ausgewählt werden, wenn unterschiedliche Strömungsmedien gemessen werden sollen.
In ähnlicher Weise kann auch in den Weg des Hilfssignals eine Gruppe von wahlweise einscbaltbaren Festwiderständen gelegt sein. Diese Festwiderstände sind dann jeweils einer bestimmten maximalen Strömungsgeschwindigkeit eindeutig zugeordnet.
Eine weitere Vereinfachung ergibt sich, wenn die Festwiderstände gleichzeitig die Summierwiderstände bilden.
Ferner kann der Verbindungspunkt der Summierwiderstände über einen Zwischenwiderstand mit dem Abgriff eines zwischen zwei festen Potentialen geschalteten Potentiometers verbunden sein. Dieses Potentiometer dient zur Linearisierung der Arbeitskennlinie eines spannungsgesteuerten Oszillators.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Gruppe der Festwiderstände im Weg des Hauptsignals und/oder die Gruppe der Festwiderstände im Wege des Hilfssignals als Modul austauschbar. Ein Austausch der erstgenannten Gruppe ermöglicht es beispielsweise, dasselbe Gerät bei unterschiedlichen Meßstreekentypcn anzuwenden.
Des weiteren empfiehlt es sich, wenn der von den Steuersignalen spannungsgesteuerie Oszillator ein veränderbares RC-GWta hat Hiermit läßt sich die Grundfrequenz des Oszillators so einstellen oder umschalten, daß durch Änderung des Widerstandes im Weg des Hauptsignals allen örtlichen Gegebenheiten Rechnung getragen werden kann.
Zweckmäßigerweise ist ein Widerstand des RC-GWtdes einstellbar, um eine genaue Einstellung vornehmen zu können, und der Kondensator und/oder ein fester
ίο Widerstand des /?C-Gliedes ist austauschbar, um eine Umschaltung auf einen anderen Frequenzbereich vornehmen zu können.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Meßgeräts und
F i g. 2 einen Ausschnitt aus der Schaltung mit weiteren Einzelheiten.
Bei der nachstehenden Beschreibung wird der Inhalt der Hauptpatentanmeldung vorausgesetzt. Für entsprechende Teile werden dieselben Bezugszeichen wie dort verwendet.
Gemäß F i g. 1 befindet sich in einem Kanal 1 eine
2> Ultraschall-Meßstrecke 2, die durch zwei Ultraschallwandler 3 und 4 begrenzt ist sowie schräg zur Strömungsrichtung 5 des den Kanal 1 durchströmenden Mediums angeordnet ist. Eine Sendeeinrichtung 6 vermag an den Wandler 3 einen Gleichstromimpuls S7
}o abzugeben, worauf dieser ein Ultraschallsignal erzeugt, aas am Ende der Laufzeit vom Wandler 4 aufgenommen und in ein elektrisches Signal 58 umgesetzt und einer Empfangseinrichtung 9 zugeordnet wird. Ein Schalter 10 3orgt dafür, daß die Wandler 3 und 4 abwechselnd als
i> Ultraschallsender und Ultraschallempfänger dienen. Aus dem Signal 58 wird ein definiertes Ankunftssignal 511 gewonnen, das einer Vergleichsanordnung 12 zugeführt und dort mit einem gleichzeitig zugeführten Bezugssignal 513 zeitlich verglichen.
Als Zeitgeber dient ein spannungsgesteuerter Oszillator 14, der seine Ausgangsschwingungen als Impulsreihe 515 einem Zähler 16 zuleitet. Dieser Zähler gibt zum Zählbeginn ein Sendesignal 517 an die Sendeeinrichtung 6 ab. Bei einem vorbestimmten Zählerinhalt, z. B.
256 Impulsen, wird das Bezugssignal 513 abgegeben. Zwischen beiden Zeitpunkten wird ein Empfänger-Bereitschaftssignal 518 abgegeben, welches die Vergleichsanordnung für die nächste Messung vorbereitet. Nach der Messung wird das Empfänger-Bereitschaftsso signal 518 beendet, so daß der Empfänger und Vergleicher unwirksam gemacht werden. Zum Abschluß wird ein Signal 519 an einen bistabilen Senderichtungsgeber 20 geleitet, der abwechselnd Abwärtssignale 521 und Aufwärtssignale 522 abgibt, welche den Schalter 10
ss jeweils umschalten.
Wenn in der Vergleichsanordnung 12 ein Ankunftssignal 511 eintrifft, erscheint am Ausgang 23 ein Signal mit vorbestimmter konstanter Amplitude und Dauer. Ist das Ankunftssignal 511 früher als das Bezugssigndl 513
ho eingetroffen, ergibt sich ein Signal am Ausgang 24. Ist das Ankunftssignal später eingetroffen, tritt ein Signal am Ausgang 25 ein. Eine erste Reihe 26 von logischen Gliedern verknüpft diese drei Ausgangssignale derart, daß in einer Leitung 27 ein Frühsignal 527 mit
i's konstanter Amplitude und derselben Dauer wie das Signal am Ausgang 23 auftritt, wenn Signale an den beiden Ausgängen 23 und 24 vorhanden sind, und auf einer Leitung 28 ein Spätsignal 528 ebenfalls mit
konstanter Amplitude und derselben Dauer wie das Signal a.Ti Ausgang 23, wenn Signale an beiden Ausgängen 23 und 25 vorhanden sind.
In einem integrierenden Signalniveaugeber 29, z. B. einem Integrator, werden alle Frühsignale 527 in einer Richtung und alle Spätsignale 528 in der entgegengesetzten Richtung integriert. Zum Zwecke der Erläuterung sollen die +- und —-Zeichen in den Blöcken 29 und 38 die Richtung der Integration der Frühsignale 527 und Spätsignale 523 anzeigen. Am Ausgang 30 des Signalniveaugebers 29 tritt ein Hauptsignal 530 in der Form eines durch die Früh· und Spätsignale änderbaren Signalniveaus auf. Dieses Hauptsignal 530 kann direkt an einer Ausgangsklemme 31 als Maß für die Schallgeschwindigkeit c genutzt werden. Außerdem wird dieses Hauptsignal 530 über eine Einstellvorrichtung 100 einem Eingang einer Summierschaltung 32 zugeführt.
Die Früh- und Spätsignalc 527 und 528 werden außerdem einer zweiten Reihe 33 von logischen Gliedern zugeführt, denen außerdem die Abwärts- und Aufwärtssignale 521 und 522 zugeführt werden. Hieraus werden auf vier Ausgängen 34—37 Früh-Aufwärts-Signale 534, Früh-Abwärts-Signale 535, Spät-Aufwärts-Signale 536 und Spät-Abwärts-Signale 537 gewonnen. Einem zweiten integrierenden Signalniveaugeber 38 werden die Früh-Abwärts-Signale 535 mit positivem und die Früh-Aufwärts-Signale 534 mit negativem Vorzeichen und gegebenenfalls zusätzlich die Spät-Abwärts-Signale 537 mit negativem und die Spät-Aufwärts-Signale 536 mit positivem Vorzeichen zugeführt. Infolgedessen entsteht am Ausgang 39 ein Hilfssignal 539 in der Form eines von den Signalen 534 —537 abhängigen Signalniveaus. Dieses Hilfssigna! kann an einer Ausgangsklemme 40 unmittelbar als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ν abgenommen werden. Außerdem wird das Hilfssignal über einen Schalter 41, einen Umkehrverstärker 101 sowie eine Einstellvorrichtung 102 abwechselnd mit positivem und negativem Wert dem zweiten Eingang der Summierschaltung 32 zugeführt. Der Schalter 41 wird in Abhängigkeit von den Abwärts- und Aufwärts-Signalen 521 und 5 22 umgeschaltet.
Am Ausgang 42 der Summierschaltung treten daher abwechselnd Steuersignale 543 und S 44 auf, die der Summe bzw. der Differenz des Hauptsignals 530 und des Hilfssignals 539 entsprechen. Diese Steuersignale steuern den spannungsgesteuerten Oszillator 14 derart, daß die Impulsreihe 515 abwechselnd eine größere, der Abwärts-Messung zugeordnete Frequenz f\ und eine kleinere, der Aufwärts-Messung zugeordnete Frequenz /"2 hat. Durch eine Verstellung der Einstellvorrichtung 100 wird das Hauptsignal 530 geändert. Dies führt zu einer Änderung der Mittelfrequenz des Oszillators 14. Wenn statt des veranschaulichten Rohres 1 ein Rohr kleineren Durchmessers und daher eine kürzere Meßstrecke 2 verwendet wird, kann die Einstellvorrichtung 100 so verändert werden, daß sich die Mittelfrequenz erhöht und der kürzeren Laufzeit des Ultraschallsignals Rechnung getragen wird.
Durch Verstellung der Einstellvorrichtung 102 kann die Empfindlichkeit der Bemessung der Strömungsgeschwindigkeit eingestellt werden. Eine starke proportionale Verkleinerung des Hilfssignals 539 durch die Einstellvorrichtung 102 führt dazu, daß schon bei einer verhältnismäßig kleinen Strömungsgeschwindigkeit der Arbeitsbereich des Integrators 38 voll ausgenutzt ist.
Die beiden Einstellungen an den Minsiellvorrichiungen 100 und 102 sind voneinander unabhängig, da sie in verschiedenen Kanälen vorgenommen werden.
In Fig. 2 ist dargestellt, daß die Einstellvorrichtung 100 aus einer Gruppe von vier Festwiderständen 100a —d besteht, die mittels eines Umschalters 103 wirksam gemacht werden können, während die Einstellvorrichtung 102 aus einer Gruppe von 10 Festwiderständen 102a— j bestehen, die durch einen Umschalter 104 wirksam gemacht werden können. Der jeweils eingeschaltete Festwiderstand bildet gleichzeitig einen Summiere iderstand der Summicrschaltung 32, die außerdem einen .Summierverstärker 105 aufweist. Das Hauptsignal 530 wird der Einstellvorrichtung 100 über eine Widerstandsanordnung 106 zugeführt, das Hilfssignal 539 wird der Einstellvorrichtung 102, gegebenen falls nach einer Vorbehandlung, über eine Widerstands anordnung 107, den als elektronischen Doppelumschalter ausgebildeten Schalter 41 und den Verstärker 101 zugeführt, der je nach Schalterstellung das Signal mit positivem oder negativem Vorzeichen weiterleitet.
Der invertierende Eingang des Summierverstärkers 105 ist über einen Vorwiderstand 108 an den Abgriff eines Potentiometers 109 gelegt, da es von einer festen Spannung gespeist wird. Mit Hilfe dieses Potentiometers kann die Kennlinie des Oszillators 14 linearisiert werden.
Der Oszillator 14 weist ein RC-Glied auf, das die beiden Festwiderstände HO und 111, den veränderbaren Widerstand 112 und den Kondensator 113 aufweist. Durch Austausch des Kondensators 113 kann die Grundfrequenz des Oszillators 14 in großen Stufen geändert werden. Mit Hilfe des Einstellwiderstandes 112 kann dann die gewünschte Grundfrequenz genau eingestellt werden.
Wenn c!as Gerät angeliefert und an eine Meßstrecke angeschlossen wird, braucht der Umschalter 103 lediglich auf denjenigen Widerstand 100a —dgeschaltet zu werden, der dieser betreffenden Meßstrecke zugeordnet ist. Alsdann wird der Umschalter 104 mit demjenigen Festwiderstand 102a— j verbunden, der derjenigen maximalen Strömungsgeschwindigkeit zugeordnet ist, welche die besten Ableseergebnisse erwarten läßt. Wenn beispielsweise eine maximale Strömungsgeschwindigkeit von 4,7 m/s vorliegt, wird derjenige Widerstand gewählt, der der nächsthöheren maximalen Strömungsgeschwindigkeit, z. B. 5 m/s, zugeordnet ist. Die Widerstände können auch verschiedenen Bereichen der Schallgeschwindigkeit, z. B. zwischen 1200 und 1800 m/s, zugeordnet sein.
Da jeder Hersteller nur eine vorbestimmte Anzahl von Meßstellen liefert, die in der Regel bestimmten Normrohrgrößen zugeordnet sind, bereitet es keine Schwierigkeiten, die Gruppe von Festwiderständer 100a—d diesen Meßstrecken zuzuordnen. Diese Fest· widerstände können auch als austauschbares Modu ausgebildet sein, beispielsweise um eine Anpassung ar einen anderen Meßstellentyp oder einen anderer Größenbereich der Meßstellen vornehmen zu können In ähnlicher Weise kann eine sprungweise Anpassung auch durch Austausch des Kondensators 113 erfolgen.
Es ist klar, daß statt der veranschaulichten Einzel-Ein Schaltung von Festwiderständen auch eine Widerstands kette mit mehreren Abgriffen verwendet werden kann an welche der Umschalter 103 bzw. 104 gelegt werder kann.
liier/u 1 Ulatl/.ci

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Gerät zur Ultraschallmessung physikalischer Größen strömender Medien, insbesondere der > Strömungsgeschwindigkeit, mit wenigstens einer mit zwei Ultraschallwandlern versehenen, zumindest mit einer Komponente in Strömungsrichtung verlaufenden Meßstrecke, über die Ultraschallsignale abwechselnd stromaufwärts und stromabwärts gesendet werden, mit einer auf der Empfangsseite angeordneten Vergleichsanordnung, der einerseits dem Empfangszeitpunkt der Ultraschallsignale zugeordnete Ankunftssignale und andererseits gegenüber dem Sendezeitpunkt verzögerte Bezugssignale zuführbar sind und die Früh- bzw. Spätsignale abgibt, wenn die Ankunftssignale früher bzw. später als das jeweilige Bezugssignal eintreffen, mit einer Steuerschaltung, die in logischen Gliedern in Abhängigkeit von der Senderichtung auftretende Aufwärts- und Abwärtssignale mit den Früh- und Spätsignalen verknüpft und wenigstens zwei in Abhängigkeit hiervon gesteuerte Signalniveaugeber zur Erzeugung von zwei der Senderichtung zugeordneten Steuersignalen aufweist, und mit mindestens einem von den Steuersignalen gesteuerten Zeitgeber, insbesondere einem Oszillator mit nachgeschaltetem Impulszähler, zur Gewinnung des Bezugssignals, wobei der Ausgang des ersten Signalniveaugebers als Hauptsignal und der Ausgang des zweiten Signalniveaugebers als Hilfssignal an eine Summierschaltung gelegt und ein von der Senderichtung gesteuerter, in der Zuleitung für das Hilfssignal zur Summierschaltung liegender Schalter vorgesehen ist, derart, daß das eine Steuersignal durch die ^ Summe und das andere Steuersignal durch die Differenz von Hauptsignal und Hilfssignal gebildet ist, und wobei das Hilfssignal vor oder in der Summierschaltung proportional verkleinerbar ist, nach Patent 25 30 202, dadurch gekenn-40 zeichnet, daß auch das Hauptsignal (S3O) vor oder in der Summierschaltung (32) veränderbar ist.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in diesen Weg des Hauptsignals (530) eine Gruppe von wahlweise einschaltbaron Festwiderständen (100a -abgelegt ist.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Weg des Hilfssignals (S 39) eine Gruppe von wahlweise einschaltbaren Festwiderständen (102a — y^gelegt ist.
4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Festwiderstände (100a— d; 102a—χ) gleichzeitig die Summierwiderstände bilden, ss
5. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt der Summierwiderstände über einen Zwischenwiderstand (108) mit dem Abgriff eines zwischen zwei festen Potentialen geschalteten Potentiometers fm (109) verbunden ist.
6. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe der Fest widerstände (100a -d) im Weg des Hauptsignals und/oder die Gruppe der Festwiderstände (102a —j) <>s im Weg des Hilfssignals als Modul austauschbar sind.
7 Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Steuersignalen (543, 544) gesteuerte Oszillator (14) ein veränderbares ÄC-Glied hat.
8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (112) des KC-Gliedes einstellbar ist.
9. Gerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (113) und/ oder ein fester Widerstand des ÄC-Gliedes austauschbar ist.
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