DE2654763A1 - Vorrichtung zum messen der ausflussgeschwindigkeit von fluiden - Google Patents
Vorrichtung zum messen der ausflussgeschwindigkeit von fluidenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Ausflußgeschwindigkeit
von Fluiden mittels akustischer Wellen.
Bei derartigen bekannten Vorrichtungen, wie sie in der französischen
Patentschrift Nr. 69 41 949 (2 070 438) beschrieben sind, sind zwei Sonden zum Aussenden und Empfangen von
akustischen Wellen einander gegenüberliegend in dem Fluid-Auslaß
angeordnet, an dem man die Auslaßgeschwindigkeit messen kann. Es sind ferner Generatoren vorgesehen, mit denen es mög-
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lieh ist, durch die beiden Sonden gleichzeitig eine Folge
akustischer Wellen während einer Zeit auszusenden, die geringer als diejenige Zeit ist, die von diesen Wellen benötigt
wird, um die Entfernung zu überbrücken bzw. zu durchlaufen, die die beiden Sonden voneinander trennt, wobei die Sonden
sodann als Empfangssonden benutzt werden, um die Phasenverschiebung
zwischen den Empfangssignalen zu messen, die von jeder der Sonden aufgenommen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einrichtungen zum Erfassen und Auswerten der durch die Sonden empfangenen
Signale derart zu verbessern, daß einerseits die Meßaenauigkeit
2 durch Kompensation der Schallgeschwindigkeit (C ) vergrössert und andererseits die Möglichkeit der Berechnung der
Geschwindigkeit bei einem Fluid über mehrere Wege bzw. Kanäle durch Multiplexschaltung des Rechensystems auf eine Vielzahl von
Sondenpaaren geschaffen wird, ohne deshalb die Einrichtungen zur Behandlung von Informationen, wie sie bei der Vorrichtung
nach dem französischen Patent 69 41 949 (2 070 438) erforderlich wären, zu vergrößern.
Zu diesem Zweck geht die vorliegende Erfindung von einer Vorrichtung
zum Messen der Ausflußgeschwindigkeit von Fluiden aus mit Sonden zum Aussenden und Empfangen von akustischen
Wellen, die in dem Flüssigkeitsabfluß angeordnet sind, mit
Einrichtungen zum Erzeugen von akustischen Wellen und mit Umformeinrichtungen
zum Auswerten der elektrischen Signale, wie Verstärker, Zählschaltungen und integrierte Schaltkreise, und
ist dadurch gekennzeichnet, daß erfindungsgemäß eine Vielzahl von Integratoren mit einer variablen Zeitkonstante vorgesehen
ist, die periodisch auf Null zurückgeschaltet v/erden, nachdem ihre Ausgänge verglichen worden sind, und daß für diese Operationen
Analogschalter bzw. -Kommutatoren vorgesehen sind.
4/0344
Zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden entlang zwei aufeinander senkrecht stehenden Achsen OX und Oli, wie
dies bei der Ausführung eines Strömungsmessers der Fall ist, umfaßt die Vorrichtung zwei Paare von Sonden X1 X„
und Y. ¥„, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
Ein zugeordneter Magnetkompaß zeigt die Ausrichtung dieser
Achsen bzw. deren Abweichung gegenüber der Nordrichtung an.
Durch eine Programm-Schaltuhr können über die Paare von Magnetverstärkern
bzw. Transduktoren X1 X- und Y* ^2 in synchroner
Aufeinanderfolge Impulsketten ausgesandt werden, deren Ge samtdauer geringer ist als die Zeiten der Schallausbreitung
in dem Raum zwischen den Sonden. Die Magnetverstärker bzw. Transduktoren arbeiten dann als Empfänger und man vergleicht
die Laufzeiten t1 und t_ in den beiden Richtungen zwischen je
dem Paar von Sonden.
Für eine gegebene Meßachse X1 X~ kann man, wenn <x der Winkel
des Vektors V und Vdie Ausflußgeschwindigkeit eines Fluides
in Bezug auf diese Achse ist, sofern diese zu messende Geschwin digkeit klein gegenüber der Schallgeschwindigkeit c in der
in Betracht kommenden Umgebung ist, folgende Formel anwenden:
V cos
in der 4t = t- ~ ^i ^ie Phasenverschiebung zwischen den
beiden Wellen ist, die auf den Sonden X1 und X2, die als
Empfänger wirken, aufgenommen werden, ur.c. mit "d" der Abstand,
der die beiden Sonden trennt, bezeichnet ist. Dieses Resultat zeigt den Einfluß der Schallgeschwindigkeit c auf die Genauigkeit
der Messungen; um von diesem Faktor unabhängig zu sein,
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ist die Vorrichtung auch mit einer gedruckten elektronischen
Schaltung ausgerüstet, die die Bezeichnung "Geschwindigkeitsausgleich" trägt. Diese Vorrichtung dient dazu, die Geschwindigkeit
V des Fluids durch folgende Formel zu berechnen:
v cos oc: = I rAi
in der das Glied c nicht erscheint und die dadurch erlaubt, bei der Ilessung von V den Einfluß der Änderungen der Schallgeschwindigkeit
c zu eliminieren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Strömungsmessers dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 ein Vektordiagramm, in dem die Geschwindigkeit V des Fluids in Bezug auf die Achse eines Paares von
Sonden X- X2 zerlegt ist,
Fig. 2 ein synoptisches Schema eines Strömungsmessers gemäß
der Erfindung,
Fig. 3 das elektrische Schaltschema der gedruckten Schaltung mit der Bezeichnung "Geschwindigkeitsausgleich",
Fig. 4 ein ergänzendes elektrisches Schaltschema für drei Meßkanäle,
Fig. 5 ein Zeitdiagramm der ausgesandten und der empfangenen Signale und der Steuersignale und
Fig. 6 ein Zeitdiagramm der Messung von rc. At.
In Fig. 1 bestimmen die aussendenden und empfangenden Sonden X1 und X2, die in einem gegenseitigen Abstand d von etwa 2o cm
5 -
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angeordnet Bind, die X-Achse. Der Vektor V stellt die Ausflußgeschwindigkeit
eines Fluids dar, die einen Winkel <* mit der X-Achse bildet. Wenn t.. und t2 die Ausbreitungszeiten
der akustischen Welle von einer Sonde zur anderen in beiden Richtungen sind, stellt Δ t die Verschiebung bzw. Ab
weichung t2 - t1 dar.
Unter Berücksichtigung der Formel:
kann die Berechnung von V coscrf in drei Stufen zerlegt werden:
1) Berechnung von r·—π— oder Geschwindigkeitsausgleich;
t1t2
2) Ermittlung von Λ t, Summierung von m Elementarmessungen;
K A
3) Berechnung von ——r— m. Δ t.
Um dies durchzuführen, umfaßt die Strömungsmeßvorrichtung zwei Paare von Sonden X. X2 und Y.. ^2, die in einem ausreichenden
Abstand von einem dichten Gehäuse 1 (Fig. 2) angeordnet sind. Dieses Gehäuse 1 besteht aus rostfreiem Stahl
und enthält die elektronischen Einrichtungen, um die auftretenden Turbulenzen vernachlässigbar zu machen.
Das Gehäuse 1 enthält die verschiedenen elektronischen gedruckten Schaltungen, die für die Verarbeitung und Behandlung
der elektrischen Signale erforderlich sind, wie:
2 die gedruckte Schaltung für das Aussenden und Empfangen von Signalen,
3 die gedruckte Programmschaltung,
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4 die gedruckte Schaltung für die Stromversorgung
und
5 die gedruckten Analog-Rechenschaltungen für den Geschwindigkeitsausgleich.
Die Messungen erfolgen nacheinander über die verschiedenen Sondenpaare
durch Multiplexschaltungen 6 und 7.
Der Geschwindigkeitsausgleich erfolgt durch einen Rechteckimpuls der Größe
K' _, _ K sowie eine Spannung V = τ—r—
^ ~ t1 t2 . *1 t2
mittels der Schaltung von Fig. 3.
Die Rechteckimpulse 0 -t- und 0-t2 werden durch bekannte Einrichtungen
mittels Kippschaltungen erzeugt, die im Moment 0 durch eine hohe Auslösefrequenz HFD in den Zustand 1 versetzt
und vor dem Empfang der Signale in den Zustand 0 zurückgeschaltet werden. Das Signal ti ET bildet den sehr kleinen Rechteckimpuls
0-t1 oder 0-t2·
Unter der Annahme von zum Beispiel (0-t-) ^Z (0-t2) integriert
man die Spannung V von. 0 bis t- (Signal tTTT) und erhält
ein Signal V1 der Form -—ES£- * t, dessen Endwert -—^^- t1
ist.
Auswertung einer Spannung, die proportional ist zu t.. t2:
Von 0 bis t1 befinden sich die beiden Unterbrecher Sw2 und Sw3
in der unteren Stellung. Die Widerstände R2 und R3 sind also in Parallelschaltung. Man integriert dann V- von 0 bis t..
einer Zeitkonstante ·=■
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Der Endwert im Moment t.. ist:
ν· = 1 fi t. dt„V_ref-.
2 τ
J
r τ2
Zwischen t- und t2 integriert man die Konstante V ref —-mit
der Zeitkonstante Γ .
'fc2 t.
Im Moment t_ hat man also V' + V, = -— t. t_.
Auswertung des Rechteckimpulses von der Größe -Θ-:
Die Kippschaltung 0-Θ A5 wird im Moment O (Beginn der Signalaussendung)
auf 0 geschaltet, was zur Kommutierung V2 durch
Sw6 führt.
Von 0 bis t.. integriert man V3 mit einer Zeitkonstante Γ 1
(R4, R5, R, sind parallel).
Von t. bis t2 integriert man V2 mit einer Zeitkonstante T2 (R5 und Rg sind parallel).
Von t. bis t2 integriert man V2 mit einer Zeitkonstante T2 (R5 und Rg sind parallel).
Von t2 bis θ integriert man V2 mit einer Zeitkonstante T.
(R6 allein).
Die Spannung am Ausgang des Integrators wird mit einer Bezugsspannung verglichen. Wenn sie diese Schwelle erreicht,
geht der Vergleicher bzw. Komparator auf die Spannung + V max, Die Kippschaltung geht in den Zustand 1, was den ganzen Integrationsvorgang
unterbricht (Sw6 befindet sich in der oberen Stellung).
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Die Spannung V. hat im Moment θ die Form:
(a - b) t1 3 + (c- d) t1 t2 2 + e. t1 t2 θ
Die Auswahl der Zeitkonstanten erlaubt es, die Glieder
3 2
t.. und t1 t2 zu annulieren, um nur noch das Glied t.. t„ θ
zu beachten.
Man erhält also: t1 t, θ = konstant,
oder θ = .
^I r2
Fig. 5 zeigt ein Zeitdiagramm für die Aussendung und den
Empfang von Signalen bzw. Steuersignalen, wobei
a das ausgesandte Signal ist,
b das Rückstellsignal auf Null von A.., A2, A3,Ag (auf niedrigem
Niveau)
und das Signal zur Auslösung der Kippschaltung A5 (positive
Wellenfront t = 0) ist,
£ das Rückführungssignal auf Null von Aß (auf niedrigem Niveau)
ist, wobei der positive Zustand die minimale Ausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt,
d - £ die Empfangssignale sind,
f_ der Prüfbefehl am Ausgang X (oder ¥ ... oder n) und
£ der Prüfbefehl des Verminderungsfaktors (PSC) ist.
Auswertung einer Proportionalspannung zu r—r— s
Der Rechteckimpuls Θ wird integriert durch den Verstärker Ag.
Das Geschwindigkeits-prüfsignal PSC erlaubt es, das
Endresultat der Integrierung zu speichern. Die Spannung Vfi bil-
K
det also den Faktor τ—r— . Es ist also gleich der Spannung V_, die mittels des Verstärkers A_ und der Kapazität C erhalten worden ist.
det also den Faktor τ—r— . Es ist also gleich der Spannung V_, die mittels des Verstärkers A_ und der Kapazität C erhalten worden ist.
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Nachdem dieser Verminderungsfaktor gespeichert worden ist, werden die Integratoren Α., A2, A3 und A„ auf Null zurückgeschaltet.
Hervorhebung von At durch Summierung von m Elementarmessungen
(Fig. 6).
4t ; Verschiebung zwischen den beiden empfangenen
Wellenzügen.
Nach Division der Frequenz dieser Wellenzüge bzw. Irrpulsketten
durch eine Zahl 2n und Phasenverschiebung eines Signals gegenüber dem anderen erhält man die Signale S1 und S2-
51 : m Rechteckimpulse der Größe ■— - /st.
nT A
52 : m Rechteckimpulse der Größe γ- +4t
Die Periodizität von S1 und S2 ist 2 nT.
Die Parameter m und η werden durch die Zählweise bestimmt,
die mit Mitteln bewirkt wird, wie sie in dem französischen Patent Kr. 2 070 348 erwähnt sind.
Integration (gedruckte Analog-Rechenschaltung): Bezeichnen wir den Beginn des Rechteckimpulses -γ- - ^t
als "Moment G" und bestimmen wir die Form des Signals am Eintritt des Integrators, das durch die Widerstände Rg und
Rg erhalten wird»
Vor dem Moment. 0 sind S1 und S9 bei 0,
zwischen O und ~ - Ά t bsfinösfc sich Sw8 in der oberen Stel
lung und Sw9 in der unterer* Stellung.
- 10 -
η Τ a
Zwischen -j- - ίλ t und nT ist Sw8 in der unteren Stellung und Sw9 in der oberen Stellung. Rg und R- bewirken eine Suinxnierung,
Zwischen -j- - ίλ t und nT ist Sw8 in der unteren Stellung und Sw9 in der oberen Stellung. Rg und R- bewirken eine Suinxnierung,
Nach einer Zeit nT hat man;
nT - At 2
-V7 dt
.' ΪΙ (- ψ. + At + ητ - ψ +Δ t) = ^l (2At)
Integration über m Perioden; yvr
Die Integration von m Signalen ergibt -—— m.At.das die Forn
£—r— hat und somit die gesuchte Geschwindigkeit "C cosoC" dar-
r1 r2
stellt.
stellt.
Während PSDx f Prüfsignal ■ am Kanal x, wird die Spannung
am Ausgang des Integrators (nach Ag) eingespeichert in
die Kapazität Gx, um das Signal Sx zu geben.
Während PSDy, Prüfsignal am Kanal y, wird die Spannung
am Ausgang eingespeichert in die Kapazität Cyp um das Signal
Sy zu geben.
Die Rückschaltung des Integrators Ag auf Null erfolgt, um
schließlich das Empfangsfenster (FR) zu schließen.
Die Verstärker A10 und A^-. geben die Ausgangssignale Sx - Sy
unter schwacher Impedanz.
Y Die Berechnung des Verminderungsfaktors r—hr- auf jedem
1 2
Kanal und seine Anlegung an den Unterbrecher Äg in gewohnter
Weise an den gleichen Kanal stellt die Abtrennung der Messungen auf die verschiedenen Kanäle sicher» Das einzige Gebot
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ist, daß die Ausbreitungszeiten, die bei den verschiedenen Messungen auftreten, der gleichen Größenordnung angehören.
Dies erlaubt, beispielsweise bei der Durchflußmossung, durch
Multiplexschaltung ipit nur einer einzigen Pechenschaltung
Messungen auf η Kanälen durchzuführen.
Fig. 4 ist ein schematisches Ausführungsbeispiel für eine
Anzahl von η = 3 Meßwegen bzT?. -kanälen.
In dieseir. Falle wird das Resultat der Berechnung des Verminderungsfaktors,
die auf einem Meßkanal durchgeführt worden ist (x zum Beispiel) vorweggenommen und in einem
Zwischenspeicher A14 gehalten durch einen Kommutator Pw14,
während gleichzeitig der vorher auf dem Kanal y errechnete Verminderungsfaktor, der bis dahin in dem Speicher A16 gehalten
worden ist, durch Sw17 in den Speicher A- übertragen
wird. Die durch den Intearator AQ auf dem Kanal ν auf ent-
sprechende Weise durchgeführte Berechnung führt also in die Berechnung den Verminderungsfaktor ein, der zuvor auf
dein gleichen Wege berechnet worden ist. Im Verlaufe dieses
letzten Zyklus wird der Verminderungsfaktor, der auf dem
Kanal y berechnet worden ist, durch Sv/16 vorweggenommen und
durch den Speicher A16 gehalten, während der Verminderungsfaktor
des folgenden Kanales ζ auf A7 übertragen wird durch Sw19 für die Berechnung des folgendes Zyklus über den
Kanal ζ.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung erlaubt die Messung der Ausflußgeschwindigkeit eines Fluids ir.it einer großen Genauigkeit
unabhängig von Änderungen der Schallgeschwindigkeit in diesem Fluid.
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Eine besonders interessante Anwendungsform kann in der
Ausführung eines Strömungsressers mit zwei Paaren von
senkrecht bzw» rechtwinklig aufeinanderstellenden Sonden bestehen, deren entsprechende Signale durch Multiplexierung
behandelt werden, was gegebenenfalls erlaubte die Erfindung nicht auf zwei Meßrichtungen zu begrenzen, son=
dern auf "n" Meßkanäle bei Verwendung einer einzigen Rechenschaltung
anzuwendenο
Patentansprüche
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Claims (3)
1. Vorrichtung zum Messen der Ausflußgeschwindigkeit von Fluiden
mit Sonden zum Aussenden und Empfangen von akustischen Wellen, die in dem Flüssigkeitsabfluß angeordnet sind, mit Einrichtungen
zum Erzeugen von akustischen Wellen und mit Umformeinrichtungen zum Auswerten der elektrischen Signale, wie
Verstärker, Zählschaltungen und integrierte Schaltkreise, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Integratoren
(A1, A_ ...) mit einer variablen Zeitkonstante vorgesehen
ist, die periodisch auf Null zurückgeschaltet werden, nachdem ihre Ausgänge verglichen worden sind, und daß für diese
Operationen Analogschalter bzw. -Kommutatoren (Sw1, Sw2 ...)
vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Anordnung der Integratoren:
Ein erster Integrator A1, der eine Bezugsspannung integriert
zwischen den Momenten 0 bei Aussendebeginn und t.. - oder t_,
wenn t«·^ t.. ist -, wobei t. und t2 die Ausbreitungszeiten
der akustischen Welle von einer Sonde zur anderen in den beiden Richtungen darstellen, und wobei diese Spannung bei
ihrem Eingang durch einen Umschalter bzw. Kommutator Sw1 kommutiert
wird;
ein zweiter Integrator A2, der die Spannung am Ausgang des
ersten Integrators A1 integriert zwischen 0 und t1 - oder
t2, wenn t2 <^ t.. ist, - mit einer Zeitkonstante -^ , und zwischen
t1 und t2 - oder t2 und t*.., wenn t2 ^ t1 - mit einer
Zeitkonstante Γ / wobei diese Spannung bei ihrem Eingang
durch Umschalter bzw. Kommutatoren Sw2 und Sw3 kommutiert wird ;
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ORfGlNAL !NSPECTED
ein dritter Integrator A~, der die Ausgangnspnnnung den
Integrators A2 integriert, die dann durch die Umschalter
bzw. Kommutatoren Sw4, Sw5 oder Sw6 kommutiert wird, zwischen 0 und t.. - oder t2, wenn t2 K t.. - mit einer Zeitkonstante
U-, zwischen t1 und t2 - oder t2 und t1 , vrenn t2 K. t1 mit
einer Zeitkonstante T„, und bis zum Moment Θ mit einer
Zeitkonstante T , wobei der Moment θ oder der Vergleich der
Ausgangsspannung gegenüber einer Bezugsspannung in einen
Vergleicher A. das Ende der Dauer θ des Rechteckimpulses
auf einer Kippschaltung A1. bestimr.it, ausgelöst durch den Moment
0 (Aussendebeginn), wobei die Zeitkonstanten U ^2, ^3
ausgewählt werden zur Annulierung, am Auscranq von A-,, der Glie-
3 2 3 ' 2 s
der bei t.. und t..t2 - oder t2 und t2t.. , wenn t2<. t.. - und
nur die Glieder t1t_ θ gespeichert werden, wobei das Umkippen
bzw. Umschalten am Ausgang des Integrators A_ die öffnung von
Sw6 und Sw7 bewirkt, was die Intearation auf A0 und A, sperrt;
ein vierter Integrator A,, der eine Bezugs .«spannung integriert
zwischen den Momenten 0 und θ, wobei sein Ausgang nach einer Verzögerung, die größer als die maximale Dauer von Θ ist,
gespeichert wird durch die Prüf-Sperr-Schaltunas-Anordnung, die
gebildet ist durch Sw12, A7 und £, und daß die Integratoren
A1, A2, A-. und Afi anschließend auf Null zurückgeschaltet v/erden
vor einer neuen Rechenfolge, wobei der Ausgang des Inte-
grators A7 dann eine Spannung V7 bei r— hält;
/ / t1 C2
ein fünfter Integrator Afi, der durch Umschalter bzw. Kommutatoren
Sw8 und Sw9, die durch die Signale von Zäh!schaltungen
gesteuert werden, Rechteckimpulse empfängt, die durch V7 amplitudenmoduliert
sind und in der Größe durch At = t„ - t. - oder
Δ t
t1 - t„, wenn t« -<C t1 ist - und der das Produkt k r—τ— liefert,
wobei ein Verstärker An anschließend eine Meß-Scnaltuna ent-
sprechend einer Spannung V bewirkt, die nach einer Zeit, die
langer als die maximale Ausbreitungszeit ist, geprüft und auf dem Ausgang gespeichert wird entsprechend dein verwendeten
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Meßkanal bei χ oder bei y_ mit Schaltern oder Kommutatoren
Sw10, Sw11, mit Kondensatoren Cx, Cy und Verstärkern
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Prüf-Sperr-Schaltungs-Anordnung
Sw12, £ ersetzt ist durch eine Vielzahl von η
Anschlüssen mit Kontakten und Zwischenspeichern, wie Sw14,
A14, Sw15 - Sw16, Sw17, usw., die dem Speicher A7 nachgeschaltet
sind und gestatten, für jeden Kanal den zuvor auf dem gleichen Wege berechneten Verminderungsfaktor in die
Berechnung einzubeziehen.
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- 1976-12-10 IT IT30312/76A patent/IT1065050B/it active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| FR2070438A5 (de) * | 1969-12-04 | 1971-09-10 | Alais Pierre |
Also Published As
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