DE2807397A1

DE2807397A1 - Stroemungsmessgeraet fuer ein stroemungsmittel

Info

Publication number: DE2807397A1
Application number: DE19782807397
Authority: DE
Inventors: Lawrence G Hall; Robert S Loveland
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1977-02-22
Filing date: 1978-02-21
Publication date: 1978-09-21
Also published as: JPS6217172B2; CH628140A5; GB1580524A; FR2381290B1; JPS53104270A; CA1105605A; DE2807397C2; FR2381290A1

Description

PATENTANWÄLTE A. ß.\

DIPL-

H. KINKELDEY

DR-ING

W. STOCKMAIR

CR-ING · A»E ICALTECH

K. SCHUMANN

DR RER .MAT. ■ DIPL-PMYS.

P. H. JAKOB

P 12 406 G. BEZOLD

The Perkiri-Eimer Corporation

8 MÜNCHEN EOrWalk, Connecticut 06856 Maximilianstrasse

Main Avenue

21.Februar 1978

Strömungsmeßgerät für ein Strömungsmittel

Die Erfindung bezieht sich, allgemein auf das Gebiet von Strömungsmeßgeräten und insbesondere auf akustische Strömungsmeßgeräte zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels längs eines eingeschlossenen Weges.

Ein typisches, mit akustischen Wellen arbeitendes Strömungsmeßgerät ist in der US-PS 5 109 112 beschrieben. Dieses Strömungsmeßgerät hat ein Paar von Umformern zum Erzeugen und Empfangen von Druckwellen entweder im hörbaren oder Ultraschall-Frequenzbereich. Diese Umformer sind innerhalb eines Gehäuses angeordnet, durch das das Strömungsmittel fließt. Die Umformer befinden sich abwechselnd in Sende- und Empfangsbetriebsweise, so daß Druckwellen durch den sendenden Umformer in dem Gas erzeugt werden und von dem anderen Umformer empfangen werden. Durch Messung der Phasendifferenz zwischen den ausgesendeten und empfangenen Wellen in beiden Richtungen wird die Geschwindigkeit des durch die Umformer hindurchgehenden Gases bestimmt.

809838/0801

telefon (oae) QQaaea telex oe-aoaeo Telegramme monapat telekopierer

2607397

Eine Modifikation des in der vorstehend genannten US-Patentschrift beschriebenen Strömungsmeßgerätes beruht auf Umformern, die mit einem Sende- und einem Empfangsteil ausgestattet sind, um irgendwelche Probleme infolge von Änderungen in der Gaszusammensetzung oder !Temperatur des Gases im wesentlichen auszuschließen.

Die vorstehend angegebene bekannte Vorrichtung erfordert, daß der Umformer, in dem Strömungsweg des Gases angeordnet ist, dessen Geschwindigkeit gemessen werden soll, oder in einem Hohlraum in der Leitungswand angeordnet ist. Bei jeder Anordnung wird die normale Strömung des Strömungsmittels wesentlich geändert, wenn es an dem Umformer vorbeiströmt, wodurch die Genauigkeit des Strömungsmeßge— rätes leidet. Außerdem können Feststoffteilchen in dem Strömungsmittel od.dgl. sich um die Umformer herum sammeln, wodurch die Sende- und Empfangseigenschaften der Umformer verschlechtert werden.

Bei einem Versuch, diese und weitere Schwierigkeiten der bekannten akustischen Strömungsmeßgeräte zu beseitigen, wurde ein Strömungsmeßgerät entwickelt, das keine Hindernisse längs des Strömungsweges hat und in der US-Patentanmeldung Serial No. 599 24-5 vom 24-.JuIi 1975 beschrieben ist, der die US-PS M- 003 252 entspricht. Bei diesem Strömungsmeßgerät haben die Umformer eine im wesentliche zylindrische Form und sind innerhalb der Wende der Strömungsleitung angeordnet, wodurch alle Eindernisse in dem Strömungsweg wie auch Hohlräume in der Leitungswand beseitigt sind, in denen sich Ablagerungen sammeln könnten.

Obwohl dieses Strömungsmeßgerät Hindernisse in dem Strömungsweg des Strömungsmittels wie auch Hohlräume in der Leitungswand beseitigt, kann es ungenau v/erden oder vollständig aus-

809838/06Gt

fallen, wenn die Zusammensetzung des durch es hindurchfließenden Gases unterschiedlich zu der ist, für das das Strömungsmeßgerät abgeglichen ist. Tatsächlich ist dieses ein gemeinsames Problem bei den meisten akustischen Strömungsmeßgeräten, da die Geschwindigkeit des akustischen Druckes innerhalb eines Gases eine Funktion seiner chemischen Zusammensetzung ist, so daß die Genauigkeit von typischen akustischen Strömungsmeßgeräten von seinem Abgleich für das bestimmte Gas abhängt, dessen Strömung zu messen ist. Das Erfordernis eines erneuten Abgleiches jedesmal dann, wenn das Strömungsmeßgerät für ein anderes Gas benutzt werden soll, ist bestenfalls zumindest unbequem. Bei Anwendungen, bei denen die Gaszusammensetzung sich während der Benutzung des Strömungsmeßgerätes ändert, z.B. bei Lungentätigkeits-Punktionsanalysegeräten, sind akustische Strömungsmeßgeräte ungenau, sofern keine korrigierende Rückkopplung von einem Gasanalysegerät vorgesehen ist, um eine Änderung der GasZusammensetzung zu kompensieren.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, ein Strömungsmeßgerät zu schaffen, das unabhängig von Änderungen in der Gaszusammensetzung oder der Temperatur während "seiner Benutzung genau ist.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Strömungsmeßgerät zu schaffen, das eine Einrichtung zum automatischen Einstellen der Arbeitsweise des Strömungsmeßgerätes als eine Punktion der dynamischen Änderungen der Gaszusammensetzung und Gastemperatur umfaßt und eine Messung der Schallgeschwindigkeit bewirkt, die selbst auf das durchschnittliche Molekulargewicht des Gases bezogen ist.

Die Erfindung weist ein akustisches Strömungsmeßgerät auf, das in seiner bevorzugten Ausführungsform zwei in einer Wand einer Leitung angeordnete Umformer hat, so daß kein

809838/0601

-4-

Hindernis für die Gasströmung und keine Hohlräume in der Vand bestehen, die einen Ort zum Sammeln von teilchenförmigem Material darstellen würden. Die Umformer sind mit einer elektronischen Schaltung verbunden, die abwechselnd einen von ihnen in den Sendebetrieb und den anderen in den Empfangsbetrieb schaltet. Eine automatische Schaltungseinstelleinrichtung ist vorgesehen, um die Sendefrequenz so einzustellen, daß die Energie bei den von dem sendenden Umformer erzeugten akustischen Drücken an einem empfangenden Umformer maximal wird, um damit Geschwindigkeitsänderungen der akustischen Drücke in dem Gas zu kompensieren, die durch Änderungen in der Gas Zusammensetzung oder Temperatur bedingt sind.

Die elektronische Schaltung weist eine Schaltungsanordnung zum Messen und Speichern der Phasendifferenz zwischen dem Signal, an den die akustischen Drücke sendenden Umformer und dem von dem empfangenden Umformer aufgrund der akustischen Drücke erzeugten Signal während jedem von zwei aufeinanderfolgenden Sende-Empfangszyklen auf. Eine Schaltungseinrichtung ist zur Bestimmung der Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Phasendifferenzen vorgesehen, von denen mindestens eine zuvor gespeichert wurde, wobei das Vorzeichen der Differenz der Richtung der Gasströmung und die Größe der Differenz der Geschwindigkeit der Gasströmung durch das Strömungsmeßgerät entsprechen. Schaltungen sind auch zum Bilden der Summe von zwei aufeinanderfolgenden Phasendifferenzen vorgesehen, die proportional der Schallgeschwindigkeit in dem durch das Strömungsmeßgerät sich hindurchbewegenl en Gas sind.

Gemäß einem bevorzugten Gedanken der Erfindung wird also ein Strömungsmeßgerät zur genauen Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eiaes Gases im wesentlichen unabhängig von seiner molekularen Zusammensetzung und auch zur Bestimmung einer Messung der Schallgeschwindigkeit in den Gas geschaffen.

809838/0601

Das Gas strömt durch eine Umformeranordnung. In dem Umformer sind zwei zylindrische Umformer vorgesehen, die jeweils akustische Drücke erzeugen oder auf diese in dem Gas ansprechen können. Die Umformer werden abwechselnd zwischen dem Sende- und dem Empfangsbetrieb umgeschaltet, so daß bei einem gegebenen Augenblick der eine zum Senden und der andere zum Empfangen benutzt xiird. Die Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Signal wird für zwei aufeinanderfolgende Sende-Empfangs-^yklen gespeichert, wobei die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgend gespeicherten Phasendifferenzen die Größe und die Richtung der Strömungsmittelströmung angibt und die Summe der gespeicherten Phasendifferenzen ein Maß für die Schallgeschwindigkeit in dem Gas angibt. Das Strömungsmeßgerät weist eine Schaltung zum automatischen Kompensieren von Änderungen in der Gaszusammensetzung auf, so daß die angegebene Strömungsgeschwindigkeit jederzeit richtig ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Strömungsmeßgerätes, einschließlich einer Umformer-Anordnung, und ein Blockschaltbild der ihm zugeordneten Schaltung,

Pig. 2 eine detaillierte Schaltung eines Zeitimpulsgenerators zum Steuern der Arbeitsweise der in den Fig. 4 und gezeigten Schaltung,

Fig. 3 ein Zeit-Impuls-Diagramm für die Schaltung der Fig.2 und

Fig. 4- bis 6 detaillierte Schaltungen einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen StrömungsmeßgarätoChaltung, die die von der Schaltung der Fig. 2 erzeugten Zeitimpulse benutzt.

609838/0601

—ö—

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist das erfindungsgemäße Strömungsmeßgerät eine Umformeranordnung 10 auf, die im Längsschnitt gezeigt ist, einen im wesentlichen zylindrischen Körper mit einer zentrischen Bohrung aufweist, die sich durch die Anordnung 10 erstreckt und durch die Gas in einer durch die Pfeile 12 angegebenen Richtung strömt. Diese Pfeile 12 geben die Gasströmung durch die Umformeranordnung 10 in einer Sichtung von links nach rechts in 3?ig. 1 an. Jedoch kann Gas durch die Anordnung 10 auch in der entgegengesetzten Richtung strömen, wenn dieses gewünscht ist.

Die Umformeranordnung 10 ist im wesentlichen nach Maßgabe der Beschreibung in der U3-PS 4 003 252 ausgebildet, deren Offenbarung hiermit in die Beschreibung einbezogen wird. So kann die Umformeranordnung 10 der vorliegenden Erfindung zusätzlich ein zylindrisches Gehäuse aus Metall oder einem anderen geeigneten Material, das in 5¹Xg. 1 nicht gezeigt ist, umfassen, das das Tragglied 14 umgibt. Das Tragglied 14 selbst ist vorzugsweise aus Polyurethanschaum, Schaumgummi oder einem anderen Material gefertigt, das gute akustische Dämpfungseigenschaften hat. Zwei kreisringförmige Ausnehmungen 16 und 18 sind in der Innem^and des Traggliedes 14 ausgebildet und mit Abstand zueinander längs des Weges der Strömungsmittelströmung angeordnet, die durch die Pfeile angegeben ist. Zwei zusätzliche kreisförmige Ausnehmungen und 22 sind an den entgegengesetzten Enden des Traggliedes 14 angeordnet.

Jeweils innerhalb und in Berührung mit den Oberflächen, die jede kreisringförmige Ausnehmung 16 und 18 bilden, ist ein zylindrischer Umformer 24 und 26 angeordnet, von denen Jeder eine zylindrische Innenbohrung hat, die durch ihn hindurchgeht und im wesentlichen, sich gleichförmig mit den inneren zylindrischen Bohrungen 28 erstreckt, die sich zwischen den kreisringförmigen Ausnehmungen des Traggliedes 14 erstrecken.

809838/0601

Umformer mit einer anderen Geometrie, wie gewölbte Umformer, können ebenfalls mit geeigneten Änderungen an den übrigen Teilen der Umformeranordnung 10 benutzt werden, um eine zentral angeordnete Bohrung durch, sie hindurch, mit keinen Hindernissen und keinen Hohlräumen in der Bohrungswand zu erhalten, die ein Sammlungsort für Teilchenmaterial wären.

Innerhalb einer jeden kreisförmigen Ausnehmung 20 und 22 ist ein Endring 30 und 32 jeweils angeordnet, der vorzugsweise aus einem Schall absorbierenden Material, wie einem Polyurethan-Dämpfungsschaum, ähnlich dem Y-370 Schwingungsdämpfungsband, das von der 3M-Corporation hergestellt ist, gefertigt ist. Materialien, die ähnliche schallabsorbierende Eigenschaften haben, können ebenfalls für die Endringe 30 und 32 benutzt werden. Die Endringe 30 und 32 haben jeweils eine zylindrische Innenbohrung, die im wesentlichen sich fluchtend mit den benachbarten Zylinderbohrungen 28 des Traggliedes 14 erstrecken. Der Strömungsweg durch die Umformeranordnung 10, wie er durch die Pfeile 12 angegeben ist, hat daher -eine im wesentlichen kontinuierliche Wand, so daß das durch ihn hindurchfließende Strömungsmittel durch keine Vorsprünge oder Hohlräume behindert ist.

Die Umformer 24 und 26 können eine von einer Anzahl herkömmlicher Einrichtungen haben, die in radialer oder reifenförmiger Weise zum Erzeugen von akustischen Drücken innerhalb des Gases arbeiten, das durch die Anordnung 10 hindurchströmt. Beispiele geeigneter Materialien für die Umformer 24 und26 umfassen zylindrische Körper, -die aus Polyvinylfluoriden oder anderen hochpolymeren organischen, piezoelektrischen Materialien hergeäellt sind, aus Bariumtitanat gefertigte cheramische Umformer, Bleizxrkonattitanat oder andere polarisierte polykristalline ferroelektrisch^ ciieraHxsche Materialien, Quarz, Turmalin oder äquivalente

809838/0601

elektromechanisch^ Anordnungen umfassen, die dem Fachmann bekannt sind.

Die Innen- und Außenflächen der Umformer 24- und 26 haben leitende Beschichtungen auf ihnen, die die elektrischen Speiseelektroden bilden. Die leitenden Beschichtungen auf den Innenflächen der Umformer 24- und 26 sind jeweils über Leitungen 34- und 36 mit extern angeordneten Eristalltreiber/ Empfängerschaltungen 38 und 4-0 verbunden. Die leitenden Beschichtungen auf der Außenfläche der Umformer 24- und 26 sind jeweils über Leitungen 4-2 und 4-4 mit den Kristalltreiber/Empfänger-Schaltungen 38 und 4-0 verbunden. Die elektrischen Verbindungslextungspaare 34-,4-2 und 36,44-für die Umformer 24- und 26 treten jeweils durch öffnungen 4-6 und 4-8 hindurch, die jeweils von außen der Anordnung 10 mit den Umformern innerhalb der kreisringförmigen Ausnehmungen 16 und 18 verbunden sind. Die Wirkungsweise der Umformeranordnung 10 in Verbindung mit der elektronischen Schaltung ist prinzipiell die gleiche, wie sie in der zuvor erwähnten US-PS 4- 003 252 beschrieben ist, so daß deren Offenbarung auch, in dieser Hinsicht hier aufgenommen wird. Grundsät zlich. ist die "Umformeranordnung jedoch über eine flexible Hülle, ein Rohr od.dgl. mit einer externen Strömungsmittelquelle verbunden, deren Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden soll. Das Strömungsmittel selbst kann entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit aufweisen, obwohl das gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung insbesondere zur Messung der Gasströmung ausgelegt ist, wenn diese durch die Umformeranordnung 10 in einer axialen Eichtung hindurchfließt, die durch die Pfeile 12 angegeben ist, oder aber in die entgegengesetzte Richtung. Eine Steuerschaltung 50 ist jeweils über Leitungen 52 und 5^ Eiit den Umformer-Treiber/Empfänger-Schaltungen 38 und 4-0 verbunden. Die Steuerschaltung 50 veranlaßt einen

609838/0601

der Umformer-Treiber/Empfänger-Schaltungen 38 oder 40 zum Aussenden eines elektrischen Signals an den jeweils mit ihr verbundenen zylindrischen Umformer 24 oder 26, Ehrend die andere TreL ber/Empf anger-Schaltung 40 oder 38 ein Signal von dem mit ihr verbundenen Umformer 26 oder 24 empfängt. Wie zuvor angegeben, sprechen die Umformer 24 oder 26, die elektrische Signale von einer Treiber/ Empfänger-Schaltung erhalten, auf diese durch Erzeugung eines akustischen Druckes in dem Strömungsmittel an. Gleichzeitig spricht der andere mit der anderen Treiber/Empfänger-Schaltung 38 oder 40 verbundene Umformer auf die akustischen Drücke in dem Strömungsmittel durch Erzeugung eines elektrischen Signals an, das von der mit ihm verbundenen Treiber/ Empfänger-Schaltung erfaßt \tfird.

Die an einem der Umformer 24 oder 26 erzeugten akustischen Drücke benötigen eine endliche Zeit, um sich von dem sendenden Umformer zu dem empfangenden Umformer mit der Ausbreitungszeit auszubreiten, die von der Sichtung und der Geschwindigkeit der Strömungsmittelströmung durch die Umformeranordnung 10 und der Schallgeschwindigkeit in der Strömungsmittelströmung innerhalb der Anordnung 10 abhängt. Diese Beziehungen sind im einzelnen in der zuvor erwähnten US-Patentschrift beschrieben.

Als Alternative zu den zuvor beschriebenen Umformern kann jeder Umformer 24 und 26 durch ein Paar von Umformern ersetzt sein, die in der Anordnung 10 in gleicher V/eise angeordnet sind. Von dem Paar von Umformern ist einer besonders zum Senden, d.h. zum Erzeugen von akustischen Drücken, und der andere zum Empfangen, d.h. zum Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von akustischen Drücken in dem Gas ausgebildet.

609838/0601

Die Umformeranordnung 10 und die mit ihr verbundene Schaltung arbeiten in der folgenden Weise. Die Steuerschaltung 50 bewirkt zuerst, daß einer der Umformer, entweder der Umformer 24- oder 26, akustische Drücke in dem Strömungsmittel erzeugt, und gleichzeitig, daß der andere Umformer, entweder 26 oder 24, die akustischen Drücke von dem ersten Umformer aufnimmt. Diese Arbeitsweise ist ein erster Sende-Empfangs-Zyklus. Ein Sendesignal wird gleichzeitig von der Steuerschaltung 50 über eine der Leitungen 52 oder 5^ an eine Treiber/Empfänger-Schaltung 38 oder 4-0 und über die Leitung 56 an einen Phasendetektor 58 gegeben. Ein empfangenes Signal von dem empfangenden Umformer 24- oder 26 wird über eine der Umformer-Treiber/Empfänger-Schaltungen 38 oder 40 über Leitungen 60 oder 62 jeweils an den Phasendetektor 58 gegeben. Der Phasendetektor 58 spricht auf das Sendesignal und das empfangene Signal durch Erzeugen eines Signals auf der Leitung 64- an, das die Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Signal angibt. Diese Information wird über die Leitung 64- an einen Phasen addiere? und -subtrahierer 66 gegeben, der eine Speichereinrichtung zum zeitx^eiligen Speichern der von dem Phasendetektor 58 empfangenen Phasendifferenz aufweist.

Die Steuerschaltung 50 bewirkt dann eine Vertauschung der Rollen der Umformer 24- und 26. Das heißt, der andere Um former 24- oder 26 wird in seinen Sendebetrieb geschaltet, um akustische Drücke im Strömungsmittel zu erzeugen, und der erste Umformer 24- oder 26 wird in seinen Empfangsbetrieb geschaltet. Diese Arbeitsweise bildet einen zweiten Sende-Empfangszyklus. Der Phasendetektor 58 arbeitet während des zweiten Sende-Empfangs-Zyklus zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten Signal und dem empfangenen Signal und diese zweite Phasendifferenz wird über die Leitung 54- an den Phasenaddierer und -subtrahierer 66 gegeben, der auch diese zweite Phasendifferenz zeitweilig speichert.

809838/06Qi

Der Phasenaddierer und -subtrahierer 66 berechnet, nachdem beide Fhasendifferenzen in ihm gespeichert sind, sowohl eine Summe als auch eine Differenz zwischen den beiden gespeicherten Ehasendifferenzen. Die Differenz zwischen den beiden gespeicherten Phasendifferenzen mit einer weiteren Korrektur, die in Verbindung mit I¹Xg. 6 erläutert wird, wird auf der Ausgangslextung 68 angegeben, die, wenn das erfindungsgemäße Strömungsmeßgerät abgeglichen ist, die Strömungsgeschwindigkeit durch die Umformeranordnung IO angibt. Zusätzlich gibt das Vorzeichen der Differenz zwischen den beiden Phasendifferenzen, die von dem Phasendetektor 58 berechnet sind, die Strömungsrichtung durch die Umformeranordnung 10 an, wobei ein positives Vorzeichen eine beliebig gewählte Richtung der Strömungsmittelströmung durch die Anordnung 10 und ein negatives Vorzeichen die entgegengesetzte Richtung der Strömungsmittelströmung angeben.

Die Summe der beiden Phasendifferenzen, wie sie von dem Phasenaddierer und -subtrahierer 66 berechnet wird, wird auf der Ausgangsleitung 70 angegeben . Die Größe des Signals auf der Leitung 70 ist proportional der Schallgeschwindigkeit in dem Gas, das durch die Anordnung 10 hindurchströmt, verglichen mit der Schallgeschwindigkeit in dem Bezugsgas, das für den Abgleich benutzt wird. Die Summe wird auch über die Leitung 72 an die Steuerschaltung 50 übertragen, die damit in einer später noch im einzelnen beschriebenen Weise benutzt wird. Zusätzlich wird sie zum Korrigieren des Strömungsxvertes auf der Leitung 68 benutzt. Der auf der Ausgangslextung 70 angegebene Wert ist ein relativer Wert und das erfindungsgemäße Strömungsmeßgerät muß so abgeglichen werden, daß die Große des Wertes auf der Leitung 70 interpretiert werden kann.

809838/0601

⁰XH

Wie vorstehend allgemein angegeben ist, ist ein Versagen des in dem zuvor erwähnten US-PS 4- 003 252 beschriebenen Strömungsmeßgerätes dadurch bedingt, daß dieses Strömungsmeßgerät nicht bei Umgebungsbedingungen arbeitet, bei denen die Schallgeschwindigkeit in dem Gas, das durch die Umformer hindurchgeht, während seiner Benutzung sich dynamisch ändert. Es wurde festgestellt, daß das zylindrische Umformersystem arbeitet, indem es ein starkes Resonanzecho über den Durchmesser der Röhre bei einer oder mehr Eigenfrequenzen aufbaut. So kann z.B. die Beziehung annähernd 2,3 λ = D sein, wobei χ die Wellenlänge des Schalls in dem Strömungsmittel in Zentimetern ist und D der Innendurchmesser des Kristalls und der Röhre in Zentimetern ist. Die Frequenz, bei dem das Resonanzecho über dem Durchmesser D auftritt, wird die natürliche Hohlraumresonanzfrequenz der 02-Mode genannt. Andere nutzbare Frequenzen, bei denen Resonanzechos auftreten, sind die, bei denen D im wesentlichen gleich 0,73 > , 1,4-λ , 3,2 > oder 3,9 λ ist. Der Grund für das zuvor beschriebene Versagen des Strömungsmeßgerätes ist dann durch die Tatsache bedingt, daß die Geschwindigkeit der akustischen Drücke innerhalb des Gases, das durch die Umformer hindurchströmt, sich als eine Funktion der Gaszusammensetzung ändert. Dieses bewirkt, daß die Amplitude der akustischen Drücke, die durch den Umformer der Anordnung erfaßt werden, der sich im Empfangsbetrieb befindet,: sich ändert, da der Innendurchmesser der Umformer nicht langer gleich der Eigenwellenlänge ist, wodurch die Größe des von dem empfangenden Umformer erzeugten Signals stark abfällt- Daher wird es schwieriger, das empfangene Signal zu erfassen, wodurch die Möglichkeit von Erfassungsfehlern oder einem vollständigen Versagen beim Erfassen von akustischem Druck gegeben ist. Dieses Versagen kann durch Indern der Innendurchmesser-Abmessungen der Umformer innerhalb der Anordnung oder durch Ändern der Frequenz der akustischen Drücke beseitigt werden, die von dem sendenden Umformer erzeugt sind. Da die

809838/0601

formeranOrdnung selbst für eine Einstellung des Innendurchmessers der Umformer nicht geeignet ist, ist es selbstverständlich besser, dieses Problemdurch Einstellung der Frequenz der akustischen Drücke zu lösen, die durch den sendenden Umformer erzeugt sind. Die Summe der Phasendifferenzen, wie sie von dem Phasenaddierer und, -subtrahierer 66 berechnet sind, wird daher über die Leitung 72 an die Steuerschaltung 50 gegeben. Wie zuvor angegeben, bezieht sich das Signal auf der Leitung 72 auf die Schal Ige schwindigkeit in dem Gas, das durch die Anordnung 10 hindurchströmt. Dieses Signal wird von der Steuerschaltung 50 zum Ändern der Frequenz der akustischen Drücke benutzt, die von dem sendenden Umformer während jedes Sende-Empfangs-Zyklus erzeugt werden,um damit die Wellenlänge konstant zu halten und das vom dem empfangenden Umformer aufgenommene Signal so groß wie möglich zu machen.

Es wurde auch festgestellt, daß nach der Korrektur der Frequenz zum Konstanthalten der Wellenlänge die auftretende Strömungsgeschwindigkeit mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert werden muß, um eine genaue Strömungsgeschwindigkeitsmessung unabhängig von der Änderung der Gaszusammensetzung zu erzeugen. Versuche haben gezeigt, daß Strömungsmeßgeräte der in dem vorstehend genannten US-Patent beschriebenen Art manchmal Fehlern infolge einer Eeflektion der akustischen Drücke von anderen Teilen des Systems unterliegen, indem die Umformer angeschlossen sind« Diese Reflektionen ergeben sich häufig aus den akustischen Drücken, die an anderen Strömungsmittelübertragungsanschlüssen abprallen, die mit der Umformeranordnung verbunden sind. Probleme haben sich auch ergeben, wenn der Umformer selbst in Atemluft-Analysegeräten benutzt wird, wo er in dichter Nachbarschaft zum Mund des Individ .ums physikalisch angeordnet ist, dessen Atemluft zu analysieren ist.

809838/0601

Die vorliegende Erfindung beseitigt das Seflektionsproblem. durch. Vorsehen der Endringe 30 und 32, die an den einander gegenüberliegenden Enden der Anordnung 13 angeordnet sind. Diese Ringe 30 und 32 sind aus einem akustischen Dämpfungsmaterial, wie das zuvor erwähnte Material, das die Amplitude der akustischen Drücke wesentlich vermindert, die durch, sie hindurchgehen. Tatsächlich ist die Größe der durch sie bewirkten Dämpfung, wenn ein geeignetes Material für die Hinge 30 und 32 gewählt ist, ausreichend, so da^ ein Ende der Anordnung 10 in unmittelbarer Nähe des Mundes eines Individuums angeordnet werden kann, dessen Atemluft au analysieren ist, und die bei anderen akustischen Strömungsneßgeräten infolge von akustischen Reflektionen auftretenden Probleme sind damit im wesentlichen beseitigt. Die durch die Ringe 30 und 32 bewirkte Dämpfung beseitigt im wesentlichen auch die Probleme mit Reflektionen, wenn die Anordnung 10 in das Strömungsmittel tragenden Systemen eingekoppelt wird.

Die vorstehende Erläuterung in Verbindung mit 5¹Ig. 1 hat allgemein die Schaltung und die Arbeitsweise der Erfindung beschrieben. Die Schaltungen der Fig. 2 und 4- bis 6 zeigen eine tatsächliche Anwendung der Erfindung in Verbindung mit einem Atemluft-Versuchsgerät, jedoch erkennt der Fachmann sofort, daß andere Schaltungen benutzt werden können und auch die Bauelemente geändert v/erden können, um die Schaltung für eine Benutzung bei anderen Anwendungen für die Erfindung zu optimieren.

Die Schaltung der Fig. 2 weist einen Impulsgenerator zum Erzeugen von Steuerimpulsen auf, um die in den Fig. 4- bis 6 gezeigten Schaltungen zu betätigen. Fig. 3 zeigt andererseits ein Impulsdiagramm, das die Impulsfolge für unterschiedliche Ausgangssignale der Schaltung der Fig. 2 zeigt. Die Schaltung der Fig. 2 weist eine Integratorschaltuns

809838/0601

01)4047 auf, mit der ein. 121X-Widerstand und ein 4700PF-Kondensator zum Steuern der Ausgangsfrequenz verbunden ist, die bei dem erwähnten Widerstand und Kondensator 4-00 KHz beträgt. Zwei in Reihe geschaltete J.-K-Flip-Flops, die ,jeweils eine Hälfte einer integrierten Schaltung CD4027 darstellen, werden zur Erzeugung von Zeitgeberimpulsen benutzt, deren Geschwindigkeit geringer ist als die von dem aus der integrierten Schaltung CD4047 gebildeten Oszillator erzeugt. Die von dem Oszillator erzeugten Signale und die Flip-Flops werden durch TJIiD- und HAIID-Glieder der Pig. 2 zusammengefaßt, um jeweils Impulsketten zu erzeugen, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind. Ein Impuls diagramm für den Ausgang Q₀ ist in Fig. 3 nicht gezeigt, jedoch führt er ein Hechtecksignal mit einer Frequenz, die doppelt so groß als für Q^l ist, und eine ins Positive gehende Vorderflanke eines Impulses auf der mit Qq bezeichneten Leitung tritt zur gleichen Zeit auf, wie die ins Positive gehende Vorderflanke eines Impulses an dem Ausgang Q^ der Schaltung CD4047·

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, bildet eine integrierte Schaltung CD4046 einen· spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), der ein Rechtecksignal am Ausgang 4 erzeugt, dessen Frequenz durch die Widerstände bestimmt ist, die in Reihe zwischen den Anschluß 11 und Erde geschaltet sind, wie auch durch die an den Anschluß 9 gegebene Spannung. Für die bestimmten, in Fig.5 gezeigten Widerstände und einer Spannung von etwa +7»5 Volt am Anschluß 9 ist die Frequenz des Rechtecksignals am Ausgang 4 des spannungsgesteuert-en Oszillators nominal 51 KHz Eine Änderung der am Eingang 9 erscheinenden Spannung bewirkt eine Verschiebung der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators. Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung bewirkt eine dynamische Änderung der Frequenz des VCO in Abhängigkeit von Änderungen der Schallgeschwindigkeit in dem Gas in einer später noch näher beschriebenen V/eise.

8Q9838/0.6Q1

Das Rechtecksignal von dem spanmingsgesteuertan Oszillator am Anschluß 4· gelangt über eine Leitung 100 an den Anschluß 3 der Schaltung GD4046, die intern einen Phasendetektor (0DST) bildet. Das Rechtecksignal gelangt auch über eine Leitung 102 an ein HAKD-Glied, dessen Ausgang mit einem Operationsverstärker LM318 und einem Operationsmultiplizierer XR2208 verbunden ist. Die Funktion dieser Schaltungen ist es, ein Sinussignal am Anschluß 104 zu erzeugen, das die gleiche Frequenz wie das auf der Leitung 102 erscheinende Rechtecksignal hat. Der Fachmann erkennt jedoch sofort, daß die Schaltung zwischen der Leitung 102 und dem Anschluß 104-nur eine Schaltung vieler bekannter Schaltungen zum Umformen eines Rechtecksignals in ein Sinussignal darstellt, so daß auch andere äquivalente Schaltungen benutzt v/erden können.

Zwischen dem Anschluß 104 und dem Ausgangsanschluß AG sind drei aus den Schal tungs typ en LN318 und 804-3C gebildete Operationsverstärker vorgesehen. Der Operationsverstärker LM318 verstärkt das Sinussignal am Anschluß 104·. Die zwei Operationsverstärker 8043C stellen die Phase des Signals, das am Aus gangs an Schluß AC erscheint, mit Eins te llxd.de rständen 106 und 108 ein, mit denen die Phase des Signals am Ausgangsanschluß AG um etwa 360° eingestellt werden kann . Diese Widerstände werden während des Abgleiche des Strömungsmeßgerätes eingestellt und xrerden vorzugsweise so eingestellt, daß das Signal am Anschluß 9 der Schaltung CD4046 +7,5 Volt ist, wobei keine Luft durch die Übertrageranordnung 10 (Fig. 1) strömt. Die folgende Beschreibung beschreibt den Mechanismus, durch den die Phaseneinstellung des Signals am Ausgangsanschluß AC eine Änderung der Spannung am Anschluß 9 bewirkt.

809838/0601

Die in Fig- 4- gezeigte Schaltung veist Umformer-Treiber/ Empfänger-Schaltungen auf und zeigt, wie diese mit den Umformern 24- und 26 verbunden sind. Die Schaltung der Pig. 4-ist in einen Treiberteil, der links von der gestrichelten Linie 110 gezeigt ist, und einen Empfängerteil unterteilt, der rechts von der gestrichelten Linie 110 gezeigt ist, die Umformer 24· und 26 jedoch nicht enthält.

Das Sinussignal von der Schaltung der Fig. 5 wird an den Eingangsanschluß'AC in Pig· 4- und anschließend an zwei Umformer-Treiberschaltungen gegeben, wobei die erste Treiberschaltung Q5 und die zweite Treiberschaltung Q6 enthält. Diese Transistoren Q5 und Q6 verknüpfen das Sinussignal von dem Eingangsanschluß AC an die jeweils verbundenen Umformer 24- oder 26, wodurch diese in ihren Sendebetrieb gelangen.'Die Verknüpfungssignale werden von Transistorpaaren Q1,Q3 und Q2,Q4- und den jeweils verbundenen Schaltungen erzeugt, die die Schaltung der Pig. 2 zum Erzeugen der Verknüpfungssignale umfassen, die an den Anschlüssen X und T erscheinen. Da die Verknüpfungssignale an den Anschlüssen X und Y zu unterschiedlichen Zeitpunkten auftreten und sich abwechseln, wie dieses in Pig. 3 gezeigt ist, werden die Umformer 24· und 26 abwechselnd in ihren Sende betrieb geschaltet.

Die Empfängerschaltungen 116 und 118 sind auch unmittelbar jeweils mit den Umformern 24- und 26 verbunden, jedoch sind die Empfängerschaltungen 116 und 118 entweder v/irksam oder unwirksam, um auf Signale anzusprechen, die durch die mit ihnen verbundenen Umformer 24- oder 26 erzeugt werden, in Abhängigkeit davon, ob der jeweils mit ihnen verbundene, einen Kurzschluß bewirkende Transistor %/ oder Q8 leitend oder gesperrt ist. Der Transistor Q7 wird z.3. durch ein

809838/0601

Verknüpfungsimpulssignal Q3 gesteuert und verbindet die Leitung 112 mit Erde, wenn das Signal Q3 positiv ist. In gleicher Weise verbindet der Transistor Q8 die Leitung 114 mit Erde, wenn das Verknüpfungssignal ζ£ positiv ist. Aus dem Impulsdiagramm der Fig. 3 ist zu erkennen, daß Q^ immer dann positiv ist, wenn X positiv ist, so daß damit der Empfänger 116 inner unwirksam ist, wenn sich der Umformer 24- in seinem Sendebetrieb befindet und Signale von dem EingangsanSchluß AC empfängt. In gleicher Weise ist der Empfänger 118 immer dann unvjirksam, wenn QT positiv ist, wenn sich der Umformer 26 im Sendebetrieb befindetWenn daher ein gegebener Umformer 24- oder 26 sich im Sendebetrieb.befindet, so ist die jeweils mit ihnen verbundene Smpfängerschaltung 116 oder 118 umvirksam. Befindet sich jedoch einer der Umformer im Sendebetrieb, so ist die mit dem anderen Umformer 24- oder 26 verbundene Smpfängerschaltung 116 oder 118 wirksam, da das zugehörige "Verknüpfungssignal Q- oder q7 Erdpotential zeigt. So befindet sich z.B. während eines ersten Sende-Empfangs-Zyklus der Umformer 24- im Sendebetrieb und a?hält Signale vom Eingangsanschluß AC, der Transistor Q7 ist durch das Signal Q^ leitend, um den Empfänger 116 durch die Erdleitung 112 abzuschalten, und die Empfängerschaltung 118 ist wirksam mit dem Umformer 26 verbunden, da der Transistor Q8 infolge des sich auf Erdpotential befindenden 'Verknüpfungssignals (JT leitend ist. Gleichzeitig befindet sich das Verknüpfungssignal T auf Erdpotential, wodurch es verhindert, daß das am EingangsanschluB AC erscheinende Signal über den Transistor Q6 an den Umformer 26 gelangen kann. Der zweite Sende-Empfangs- Zyklus tritt auf, wenn der Umformer 26 Signale von dem Eingangsanschluß AC erhält, der Transistor Q7 durch Q^ gesperrt ist, der Transistor Q8 durch JT leitend geschaltet ist, das Verknüpfungssignal T positiv ist und das Verknüpfungssignal X sich auf Erd-

809838/0601

potential befindet. Daher befindet sich, der Uniformer 26 im Sendebetrieb, der Empfänger 116 ist wirksam und der Empfänger 118 ist unwirksam.

Die mit dem Umformer 24 verbundene Empfängerschaltung 116 weist zwei Operationsverstärker 120 und 122 auf, die in Reihe geschaltet sind und immer dann wirksam sind, wenn der Transistor Q7 nicht leitend ist, um irgendein auf der Eingangsleitung 112 erscheinendes Signal zu verstärken. Das verstärkte Signal erscheint am Anschluß 6 des Operationsverstärkers 122, der mit dem invertierenden Eingang einer Vergleiche r schaltung 12A- verbunden ist. Die Vergleicherschaltung 124- ist immer dann wirksam, wenn das Verknüpfungssignal A sich auf einem logischen Pegel von O befindet, wodurch das Ausgangssignal am Anschluß 7 erscheinen kann. Das Ausgangssignal am Anschluß 7 ist eine positive Spannung von etwa +15 Volt, wenn das Sinus-Eingangssignal am Anschluß der Vergleicherschaltung 124· ein negatives Potential hat, und liegt bei O Volt, wenn das Eingangssignal am Anschluß 3 ein positives Potential hat. Die Vergleicherschaltung formt daher das Sinus-Eingangssignal in ein Rechteck-AusgangssignäL um. Die mit dieser verbundene Vergleicherschaltung 126 ist während der Dauer der Wirksamkeit der Vergleicherschaltung 124 unwirksam und vice versa.

Der Empfänger 118 weist zwei in Reihe geschaltete Operationsverstärker 130 und 132 auf, die das auf der Singangsleitung 114 erscheinende Signal verstärken und dieses verstärkte Signal an den Ausgang 6 des Operationsverstärkers 132 geben. Dieses Ausgangssignal am Anschluß 6 des Verstärkers 132 wird an den invertierenden Eingang der Vergleicherschaltung 126 gegeben, die immer dann wirksam ist, wenn das Verknüpfungssignal B sich auf einem logischen Pegel -vgq 0 befindet. Das Ausgangssignal am Anschluß 7 d.er Vergleicher-

809838/0601

-20-

sclialtung 126 ist ein Rechte designal mit einer Spannung von etwa +15 "Volt, wenn immer aas Eingangssignal am Anschluß 3 negatives Potential hat, und von etwa O Volt, wenn immer das Eingangssignal am Anschluß 3 positives Potential hat. Da die Terknüpfungssignale A und B zu unterschiedlichen Zeitpunkten erscheinen, beeinflußt die Arbeitsweise der Vergleioherschaltung 12A- oder 126 nicht die Arbeitsweise der anderen Vergleicherschaltung 126 oder 124.

Die Vergleicherschaltungen 124- und 126 sind daher unabhängig voneinander wirksam, um Rechtecksignale an ihren jeweiligen Ausgängen aus den Sinussignalen zu erzeugen, die an den jeweils mit ihnen verbundenen Umformern 24 oder 26 immer dann erzeugt werden, wenn sich der "Umformer im Empfangsbetrieb befindet und die erforderlichen Verknüpfungssignale vorhanden sind, um die Empfängerschaltungen 116 oder 118 zu betätigen.Da die AusgangsanSchlüsse der Vergleicherschaltungen an dem Anschluß SIG zusammengeschaltet sind, gibt das an dem Anschluß SIG erscheinende Signal die logische TJITD-Verknüpfung der an den Ausgängen der Vergleicher 124 und 126 erscheinenden Signale an.

Das Ausgangssignal von den Empfängerschaltungen 116 und wird über den in Fig. 4 mit SIG bezeichneten Anschluß an den zugeordneten und in Fig, 5 mit SIG bezeichneten Eingangsanschluß und dann an den Anschluß 14 der integrierten Schaltung CD4046 gegeben, die intern mit der in ihr enthaltenen Phasendetektorschaltung verbunden ist. Der Phasendetektor selbst arbeitet genauso wie eine EXCLUSIV-ODER-Schaltung, deren Ausgang intern mit einem Anschluß 2 der integrierten Schaltung CD4046 verbunden ist und einen Ausgangspegel von einer logischen 1 immer dann hat, wenn nur ein Eingang des Phasendetektors einen Pegel mit einer

809838/06Ot

logischen 1 erhält. Das am Anschluß 2 der integrierten Schaltung CD404-6 erscheinende Signal ist daher ein Rechtecksignal, das impulsbreitenmoduliert ist, wobei die Breite eines jeden Impulses auf die Phasendifferenz zwischen dem gesendeten Signal, d.h. dem Signal auf der Leitung 100, und dem empfangenen Signal ist, d.h. dem am Anschluß 14 der integrierten Schaltung CD4046 erscheinenden Signal.

Bei der normalen Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Strömungsmeßgerätes ist, wenn die Zusammensetzung des durch die Umformeranordnung 10 hindurchströmenden Gases sich gegenüber der ändert, bei der das Strömungsmeßgerät abgeglichen wurde, die Pnase des an dem Eingangs an schluß SIG in S¹Xg. 5 erscheinenden Signals unterschiedlich zu der Signalphase, die an diesem Eingangsanschluß erscheint, wenn die Schaltung abgeglichen wurde. Das Ausgangssignal des Phasendetektors wird daher anders, wodurch, die Spannung über dem 1 MP-Kondensator eines Tiefpaßfilters, das einen 1 MÖ-Widerstand und einen IMF-Kondensator aufweist und mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 156 verbunden ist, gegenüber der Spannung ändert, bei der das Strömungsmeßgerät in einer Weise abgeglichen wurde,die später im einzelnen beschrieben wird. Diese Spannungsänderung über dem IMF-Kondensator bewirkt, daß die Spannung am Anschluß 9 der integrierten Schaltung GD4046 sich ändert, wodurch die Frequenz des von dem §pannungsgesteuerten Oszillator erzeugten Signals sich ebenfalls ändert. Das System setzt die Einstellung des spannungsgesteuerten Ossiilators hinsichtlich seiner Frequenz fort, bis die Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Signal nicht länger eine Spannungsänderung über dem 1MF-Kondensator in dem Tiefpaßfilter bewirkt.

Die Möglichkeit, die Arbeitsfrequenz in Abhängigkeit von einer Änderung der GaszusammenSetzung zu ändern, ist im Hinblick auf die vorliegende Erfindung besonders wichtig,

809838/0601

da dieses die bisherigen Systeme nicht können. Es kann gezeigt werden, daß die erfindungsgemäßen Umformer eine maximale Energieübertragung von dem sendenden zum empfangenden Umformer bewirken, wenn sie bei ihrer Eigenfrequenz betrieben werden, die von dem Innendurchmesser des Umformers abhängt. Ist daher Luft das Gas in der Umformeranordnung, wenn das Strömungsmeßgerät abgeglichen wird, so entspricht die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators der, die akustische Drücke mit einem Bruchteil der halben Wellenlängen über den Umformerdurchmesser in Luft erzeugen, was einer Eigenfrequenz entspricht. Ändert sich danach die Gasdichte, so ändert sich auch die Geschwindigkeit der Schalldrücke in diesem, wodurch eine unterschiedliche Phasendifferenz von dem Fnasendetektor erfaßt wird. Dieses bewirkt eine Änderung der frequenz der akustischen Drücke, die von dem spannungsgesteuerten Oszillator erzeugt wird, in einer später näher beschriebenen Weise, und es kann gezeigt werden, daß die neue Frequenz einer solchen entspricht, bei der der Durchmesser Jedes Umformers erneut die Eigenwertanzahl der halben Wellenlängen bei der neuen Frequenz bei dem sich dann in der Umformeranordnung befindenden Gas ist. Auf diese Weise wird eine maximale Energieübertragung zwischen einem sendenden und einem empfangenden Umformer aufre chterhalten.

Das impulsbreitenmodulierte Signal, das an dem Ausgang des Phasendetektors erscheint, ist eines "^n zwei Eingangssignalen für ein UKD-Glied 140, dessen Ausgang mit einer Integratorschaltung 142 verbunden ist. Der zx^eite Eingang des UHD-Gliedes 140 erhält ein die Integration ermöglichendes Signal IE, das eine logische 1 immer dann ist, wenn entweder das Verknüpfungssignal A oder das Terknüpfungssignal B eine logische 0 ist, was ein Zustand ist, der angibt, daß das Ausgangssignal des Phasendetektors der Phasendifferenz zwischen einem ausgesendeten und einem empfangenen Signal entspricht. Auf diese Weise wird das

809838/0601

-25-

impulsbreitenmodulierte Signal über das UÜD-Glied 1W zugeführt, xvenn es durch, das die Integration ermöglichende Signal IE leitend ist. Das Ausgangssignal der Integratorschaltung 142 erscheint am Ausgang 6 des Operationsverstärkers LM318 und hat einen integrierten Pegel während der Dauer des die Integration ermöglichenden Signals, dessen endgültiger Pegel zu der Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten Signal von einem Umformer und dem empfangenen Signal von dem anderen Umformer zugeordnet ist und über eine Leitung 144 an einen Eingangsanschluß 5 von zwei unterschiedlichen Abtast- und Halteschaltungen 146 und 148 gegeben wird. Jede Abtast- und Halteschaltung 146 oder 148 tastet die am Anschluß 5 erscheinende Spannung ab, wenn ein "Verknüpfungssignal an jeden der jeweiligen Steuereingänge am "Verknüpfungsanschluß 6 gegeben wird. Die abgetastete Spannung erscheint am Anschluß 11 und hat den gleichen Pegel, wie er am Anschluß 5 erscheint, wenn das Verknüpfungssignal vorgelegen hat. Die Spannung am Anschluß 11 einer jeden Abtast- und Halteschaltung 146 oder 148 bleibt zwischen Verknüpfungsimpulsen am Anschluß 6 unverändert. Die Abtast- und Halteschaltung 146 wird zu ihrem Abtastbetrieb immer dann angesteuert, wenn das am Eingangsanschluß U erscheinende Signal eine logische 1 ist. Ingleicher Weise wird die Abtast- und Halteschaltung 148 immer dann in ihren Abtastbetrieb angesteuert, wenn der Eingangsanschluß D eine logische 1 führt.

Zwischen dem Abtastbetrieb, entweder der A^tast- und Halteschaltungen 146 oder 148, erscheint ein Integrator-Bücksetzsignal am Singangsanschluß IE, das einen Transistor Q12 leitend schaltet, um einen Kondensator zwischen dem Anschluß 6 und dem Anschluß 2 des Operationsverstärkers innerhalb der Integratorschaltung 142 kurzzuschließen. Dieses setzt den Integrator zurück, so daß seine Ausgangsspannung gleich O XEt.

809838/0601

Während des Betriebs sind die Abtast- und Halteschaltunn;en 146 und 148 wirksam, um Gleichspannungen zu speichern, die die Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten Signal an dem einen Umformer und dem empfangenen Signal an dem anderen Umformer angeben. Im Falle der Abtast- und Halteschaltung 146, die von einem Ansteuersignal am EingangsanSchluß U angesteuert wird, wird eine Spannung gespeichert, die nach Maßgabe einer beliebigen Definition der Phasendifferenz zwischen dem von dem stromab liegenden Umformer 26 gesendeten Signal und dem in Abhängigkeit davon an dem stromauf liegenden Umformer 24 erzeugten Signal entspricht, nämlich einer sogenannten Stromauf-Phasendifferenz. Ist andererseits die Abtast- und Halteschaltung 148 in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal D wirksam, um eine Spannung zu speichern, so entspricht diese der Phasendifferenz zwischen dem von dem stromab liegenden Umformer 24- ausgesendeten Signal und dem in Abhängigkeit davon von dem stromab liegenden Umformer 26 erzeugten Signal, nämlich der sogenannten Stromab-Phasendifferenz.

Das Ausgangssignal von den Abtast- und Halteschaltungen 146 und 148 wird jeweils an den invertierenden und den nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 150 gegeben, der eine Spannung an seinem Aus gangs an Schluß 14 erzeugt, die gleich der Differenz zwischen der Spannung, die seinem nichtinvertierenden Eingangsanschluß zugeführt wird und der Spannung ist, die an seinem invertierenden Eingangsanschluß erscheint (0ΐ)-0ΐΓ). Wie früher angegeben wurde, gibt diese Differenz die nicht korrigierte Strömungsgeschwindigkeit eines Gases durch die Umformeranordnung 10 (3?ig.i) an. Um das Strömungsmeßgerät in geeigneter Weise abzugleichen, hat der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers ein insgesamt mit 152 bezeichnetes Einstellige tzwerk, das mit ihm verbunden ist, um die Spannung an dem nichtinvertierenden Singangsanschluß so einzustellen, daß

809838/0601

die an dem Ausgangs ans chluß 14- erscheinende Spannung immer dann gleich D ist, wenn die Strömungsgeschwindigkeit durch die Umformeranordnung ΛΟ gleich O ist. Diese Einstellschaltung 152 kompensiert verschiedene Schaltungsabgleichfehler, besonders solche der Abtast- und Halte schaltungen 14-6 und .14-8.

Das Aus gangs sign al der Abtast- und Halteschaltungen 14-6 und 14-8 xdürd jeweils über einen 20 K -V/iderstand an den Eingangsanschluß .5 einer weiteren A^tast- und Halteschaltung 154-gegeben. Da die Ausgangssignale der Abtast- und Halteschaltungen 146 und 14-8 in der gezeigten Weise weitergegeben werden, beträgt die Spannung am Anschluß 5 der Abtast- und Halteschaltung 154- die Hälfte der Summe der Zweiphasendifferenzen, die in den beiden Abtast- und Halteschaltungen 14-6 und 14-8 gespeichert sind. Diese Summe wird innerhalb der Abtast- und Halteschaltung 154- in Abhängigkeit von einem Summiersignal gespeichert, das an dem Eingangsanschluß 5 erhalten wird. Das Ausgangssignal der Abtast- und Halteschaltung 154- wird über einen weiteren Operationsverstärker 156 weitergegeben, der eine Gleichspannung am Ausgangsanschluß 8 erzeugt, die auf die Summe der Phasendifferenzen bezogen ist, die in den Abtast- und Halteschaltungen 14-6 und 14-8 zu dem Zeitpunkt gespeichert sind, wenn das Ansteuersignal erscheint« Wie zuvor bereits angegeben wurde, weist diese am Ausgangsanschluß 8 des Verstärkers 156 auftretende Spannung ((2fD+0U) eine relative Angabe für die Schaligeschwindigkeit in dem Gas innerhalb der Umformeranordnung 10 auf.

Die an dem Anschluß 8 des Verstärkers 156 erscheinende Spannung (0D+0U) wird an ein Tiefpaßfilter zurückgekoppelt, das einen iMß-Widerstand und einen IIIF-Kondensator aufweist. Die an diesem IMF-Kondensator auftretende Spannung wird an einen Anschluß 9 der Schaltung GD4O4-6 gegeben, die intern mit dem spannungsgesteuerten Oszillator

809838/0601

verbunden ist und damit seine Betriebsfrequenz einstellt. Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators wird daher mit einer Änderung der Schallgeschwindigkeit in dem Gas innerhalb der Umformeranordnung 10 geändert.

Die Schaltungen der Fig. 4 und 5 in Verbindung mit den Schaltungen der Gig. 2 erzeugen ein Signal an dem Ausgangsanschluß 14 des Verstärkers 150, das der nicht korrigierten Strömung durch die Umformeranordnung 10 entspricht, und ein weiteres Ausgangssignal am Anschluß 8 des "Verstärkers 156, das der Schallgeschwindigkeit in dem Gas innerhalb der Umforneranordnung 10 entspricht. iTach Maßgabe der Segeln bei der Bestimmung des Umformers 24 als stromauf liegander Umformer und des Umformers 26 als stromab liegender Umformer bedeutet immer, wenn die am Ausgang 14 des Verstärkers 150 erscheinende Spannung negativ ist, diese negative Spannung, daß das Strömungsmittel tatsächlich durch die Umformeranordnung in einer Sichtung von dem stromauf liegenden Umformer 24 zu dem stromab liegenden Umformer 26 strömt. Außerdem kann die Größe der an dem Anschluß 14 des Verstärkers 150 erscheinenden Spannung auf die in Fig. 6 gezeigte Schaltung bezogen und von dieser korrigiert werden, um die Strömungsgeschwindigkeit des die Anordnung 10 passierenden Strömungsmittels anzugeben. Ist andererseits die Spannung an dem Anschluß des Verstärkers 150 positiv, so gibt dieses an, daß das Strömungsmittel durch die Anordnung 10 in einer Sichtung von dem stromabliegenden Umformer 26 zu dem stromauf liegenden Umformer 24 strömt. Auch hier entspricht die Größe der am Anschluß 14 des Verstärkers 150 erscheinenden Spannung der nicht korrigierten Strömungsgeschwindigkeit durch die Umformeranordnung 10.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Schaltung ist jedoch das Ausgangssignal des Verstärkers 156 lediglich eine auf die Schallgeschwindigkeit in dem Gas sich beziehende Angabe. Um zu

,809838/0601

-27-

bestimmen, ob die Geschwindigkeit größer oder kleiner als die ist, für die das Strömungsmeßgerät abgeglichen wurde, muß die Amplitude zum Zeitpunkt des Abgleiche aufgezeichnet werden und dann mit der laufenden Ablesung verglichen werden. Die Schaltung kann jedoch in einfacher Weise so modifiziert werden, daß die Ausgangsspannung immer dann gleich O ist, wenn das Abgleichströmungsmittel in der Umformeranordnung vorhanden ist. Ändert sich dann die Schallgeschwindigkeit in dem Strömungsmittel, so wird die Ausgangsspannung entx^eder positiv oder negativ und das Vorzeichen der Spannung entspricht dem Unterschied, ab die Schallgeschwindigkeit verglichen mit dem Strömungsmittel, bei dem das Strömungsmeßgerät abgeglichen wurde, angestiegen oder gefallen ist. Die Größe der Ausgangsspannung entspricht dann der relativen Differenz zwischen der Schallgeschwindigkeit in dem Gas, das augenblicklich durch die Umformer hindurchgeht, und der Schallgeschwindigkeit in dem Gas, das bei dem Abgleich durch die Umformer hindurchgegangen ist. Um die Ausgangsspannung für eine Anzeige der relativen Schallgeschwindigkeit zu benutzen, sind mehr Schaltungen erforderlich, da das Ausgangssignal) des Verstärkers 156 zur Benutzung als ein Fehlersignal vorgesehen ist, um die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO einzustellen, sowie als ein Eingangs-· signal für die Schaltung der Fig. 6.

Eine x-xeitere 'andere Ausbildung ermöglicht, daß die Ausgangsspannung gleich dem Wert Λ eingestellt wird, wenn z.B. Luft in der Umformeranordnung vorhanden ist. Wenn sich die Schallgeschwindigkeit des durch die Umformeranordnung fließenden Gases ändert, entspricht die Größe der Ausgangsspannung der Geschwindigkeit in dem Gas bezogen auf die Geschwindigkeit in Luft.

809838/0601

Die Schaltung der Fig. 6 weist eine Schaltung zur Annahme der nicht korrigierten Strömungsgeschwindigkeit vom Ausgangssignal des Verstärkers 150 in S¹Xg. 5 auf und erzeugt ein die korrigierte Strömungsgeschwindigkeit angebendes Ausgangssignal. Es wurde festgestellt, daß das Ausgangssignal des "Verstärkers 150 einen Fehler hat, der proportional zu ty,/£2 ist» wobei f^ die anfängliche Abgleichfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators in Fig. 5 ist und fp die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators ist, wenn ein Gas sich in dem Umformer befindet, das eine unterschiedliche Schallgeschwindigkeit hat. Die Schaltung der Fig. 6 multipliziert das Ausgangssignal der nicht korrigierten Strömungsgeschwindigkeit des Verstärkers 150 mit fp/f^j, um ein Signal für die korrigierte Strömungsgeschwindigkeit am Anschluß 7 des Verstärkers LK324-B in Fig. 6 zu erzeugen.

Die Fehler spannung des· spannungsgesteuerten Oszillators, die am Ausgang des Verstärkers 156 in Fig. 5 erscheint, ist proportional der Frequenz und wird zum Erzeugen eines Eorrekturfaktors zum Korrigieren der Strömungsgeschwindigkeit benutzt. Der Operationsverstärker LM3O8 ^.er 3?is· 6 wirkt als ein Signalfornier, und erhält die Fehlerspannung (0D+0Ü) des spannungsgesteuerten Oszillators. Durch Einstellung des mit dem Verstärker LM3O8 verbundenen Widerstandes zum Abgleich auf 0 xtfird am Anschluß 6 eine Ausgangsspannung von 0 Volt erzeugt, wenn die Fehler spannung den ITominalpegel von +7,5 Volt hat. Der Signalformer erz eugt eine Ausgangs spannung von +.1,05 Volt pro Abweichung von - 5KBz.

Das Ausgangs signal am Anschluß 6 des Verstärkers I1M3O8 moduliert dann einen Einsatzzyklus-Modulator, der aus Verstärkern LH324-A und LM3II und die mit diesen verbundene

809838/0601

2Ö07397

-29-

Schaltung gebildet ist. Wenn"der spannungsgesteuerte Oszillator auf der Abgleichfrequenz arbeitet, ist das Ausgangssignal am Verstärker IM308 gleich 0 und der Einstellwiderstand für den Einsatzzyklus, der mit dem Verstärker LM324A verbunden ist, wird auf 50% eingestellt, wobei die Feldeffekttransistor-Schalter Q14 und Q15 für 50% der Zeit gesperrt und für 50% der Zeit leitend sind. Als Folge davon ist die Verstärkung des Verstärkers LM324-B . 1 und es wird keine Korrektur für die nicht korrigierte Strömung vom Verstärker 150 in Fig. 5 eingeführt, •und das Ausgangssignal am Anschluß 7 des Verstärkers LM324B gibt die Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch den Umformer an.

Wenn die Arbeitsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators sich ändert, so erscheint eine Spannung am Anschluß 6 des Verstärkers LM3O8 in Fig. 6, die positiv für einen Abfall der Frequenz und negativ für einen Anstieg der Frequenz ist. Diese Spannung moduliert den Einsatzzyklus-Generator, wodurch sich der Einsatzzyklus ändert. Die Änderung des Einsatzzyklus bewirkt eine Änderung der Verstärkung des Verstärkers LM324B in Abhängigkeit von einer Änderung der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators, so daß das Signal für die nicht korrigierte Strömungsgeschwindigkeit von Fig. 5 durch den Verstärker LM324B geändert wird, so daß das Ausgangssignal proportional zur Strömungsgeschwindigkeit durch den Umformer ist.

Die vorstehende Beschreibung eines akustischen Strömungsmeßgerätes hatte eine besondere Betonung auf eine bevorzugte elektronische Schaltung, die mit einer Umformeranordnung zusammenwirkt, um nicht nur die Gasströmung und -richtung, sondern auch eine Messung der relativen Schallgeschwindigkeit in dem strömenden Gas zu bewirken.

£09838/0601

2B07397

-30-

Die Beschreibung hat auch, etwas die Tatsache betont, daß die Erfindung für ein Strömungsmeßgerät geeignet ist, mit dem -die Strömungsrichtung, die Strömung und die Schallge schwindigkeit in einem Gas zu messen ist, jedoch ist das Gerät in gleicher Weise auch für die Messung der Strömungsrichtung, der Strömung und der Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten geeignet, obwohl dann einige Schaltungselemente in ihren Werten eine Änderung erfordern können, um die Wirksamkeit des Strömungsmeßgerätes auch für andere Anwendungen zu optimieren, bei denen nicht die Strömungsrichtung, Strömung und Schallgeschwindigkeit in einem Gas gemessen werden soll. Außerdem erkennt der Fachmann sofort, daß andere Modifikationen des Strömungsmeßgerätes möglich sind, ohne daß dabei jedoch der allgemeine Erfindungsgedanke und der in den Patentansprüchen angegebene Schutsumfang verlassen wird. So kann z.B. anstelle des Phasendetektors und der Phasensummen— und Differenzrechnern auch eine andere äquvalente Einrichtung benutzt werden, um eine Größe zu berechnen, die proportional oder gleich der Geschwindigkeit der akustischen Drücke in dem Umformer sind, die von dem sendenden zu dem empfangenden Umformern wandern. Jede berechnete Geschwindigkeit hat zwei Komponenten, von denen eine die Geschwindigkeit der Strömungsiait telströmung und die andere die Geschwindigkeit der akustischen Drücke in dem Strömungsmittel ohne Strömungsmittelströmung sind. Einer dieser äquivalenten Geschwindigkeitsrechner kann eine Einrichtung zum Bastimmen der Zeitdifferenz zwischen den Start der akustischen Drücke an einem sendenden Umformer und dem Zeitpunkt, zu dem er empfangende Umformer ein Empfangssignal in Abhängigkeit von den akustischen Drücken„.erzeugt. Jede berechnete Zeitdifferenz ist auch proportional zur Geschwindigkeit der akustischen Drücke, die von dem sendenden zu dem empfangenden Umformer wandern.

809838/0601

V/eitere Vorteile des beschriebenen Strömungsmeßgerätes können durch Zusammenfassung oder erneutes Anordnen der die verschiedenen Parameter angebenden Signale erhalten werden. So bewirken Z..B. Änderungen in der Gaszusammensetzung, die eine Änderung im Molekulargewicht der Gasmischung bewirken, auch eine Änderung in der Schallgeschwindigkeit. Auf diese Weise kann ein Übergang von einer Gasmischung A mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht M^ zu einer Gasmischung B mit einem durchschnittlichen Molekulargevi cht M_ß und der Anteil der Gasmischung A gemischt mit der Gasmischung B gemessen werden. Eine solche Technik kann mit einem Gas Strömungs-Meßgerätz.B. dazu benutzt werden, um eine Proportionalmessung des Anteils von Kohlendioxid in der ausgeatmeten Atemluft, verglichen mit dem in der eingeatmeten Mischung bewirkt werden.

Da die Schallgeschwindigkeit gegeben ist durch:

c = v ^- Meter/sec

ist, wobei

y = das Verhältnis der spezifischen Wärme bei konstantem Druck zu dem bei konstantem Volumen,

k = die Boltzmann'sche Konstante von 1,38 χ 10" ^ Joule/°C, T = die absolute Temperatur ⁰C und
M = die Masse der Moleküle in dem Gas in kg sind, ist zu erkennen, daß das Molekulargewicht proportional zu c ~~" ist und der 3^l achmann erkennt sofort, daß ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt werden kann, das proportional zu Änderungen des Molekulargewichts ist, während die anderen Variablen konstant bleiben. Es ist klar, daß dieser einfache Fall ausgedehnt werden kann, um Änderungen in den spezifischen Wärmen und Temperaturen mit Änderungen im Molekulargewicht zusammenzufassen, so da3 die Gasmischung A durch eine Gruppe bon Bedingungen und die Gasmischung 3 durch eine weitere Gruppe von Bedingungen spezifiziert werden kann.

809838/0601

-92-

Wenn außerdem der Druck oder die Dichte sich, stark ändert, kann die volumetrische Strömung auf annähernd Standardbedingungen oder die tatsächliche Hassenströmung korrigiert werden, indem eine Druckmessung mit Parametern kombiniert wird, die von dem beschriebenen Strömungsmeßgerät zu erhalten sind. Die Massenströmung ist gegeben durch

M=V mp/kü) Eilogramn/sec

wobei ρ = der Druck in der ITewton/Meter¹" ist.

Aus der vorstehenden Gleichung für die Schallgeschwindigkeit c ergibt sich dann

H = 7 ρ y/c².

Für den Fachmann ist es sofort klar, daß ein Druckumformer benutzt werden kann, um den absoluten Druck in dem Strömungsmeßgerät au messen. Außerdem wird das Ausgangssignal des Druckumformers mit der volumetrischen Strömung Y aus dem Strömungsmeßgerät multipliziert und durch das Quadrat der Schallgeschwindigkeit c dividiert, so daß auch ein Signal von dem Strömungsmeßgerät zusammen mit geeigneten Konstanten einen Näherungswert für die tatsächliche Massenströmung ergeben kann.

Während ein konstanter Wert für f einen fehler in dem Wert für einige Änderungen in der G-asmischung ergibt, gibt es viele Falle, wo Änderungen im Wert von γ unbedeutend sind. Die Benutzung der zuvor beschriebenen Parameter zum Erzeugen eines Signals für die volumentrische Strömung, vermindert auf eine Standardtemperatur und einen Standarddruck ist für den Fachmann ebenfalls offensichtlich.

809838/0601

Nachdem ein Strömungsmeßgerätsystem zum genauen Messen der Strömungsgeschwindigkeit unabhängig von der Zusammensetzung beschrieben wurde, ist es klar, daß diese Technik auch mit Vorteil bei anderen akustischen Strömungsmeßgeräten benutzt werden kann, bei denen die Huf ormer nicht zylindrisch oder bogenförmig sind, sondern sich in dem Strömungsweg befinden oder gewisse Hindernisse oder Ausnehmungen längs des Strömungsweges bilden. Das heißt, jedes akustische Strömungsmeßgerät kann aus dieser Technik Torteile ziehen, wenn !Fehler durch Änderungen in der Schallgeschwindigkeit in dem Strömungsmittel bedingt sind.

Der Fachmann erkennt, da3 das zuvor beschriebene akustische Strömungsmeßgerät das prinzipielle Ziel der Erfindung erfüllt, d.h. die Genauigkeit des Strömungsmeßgerätes ist relativ unabhängig von Änderungen in der GaszusammenSetzung. Der Fachmann erkennt auch, daß die zuvor angegebenen und weitere Änderungen in der beschriebenen Schaltung vorgenommen werden können, um äquivalente Wirkungen su erzielen,, ohne daß dabei der allgemeine Erfindungsgedanke verlassen wird, wie er in den Patentansprüchen angegeben ist.

$09838/0601

L e

e r s e i \ e

Claims

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

D1PL.-ING.

H. KINKELDEY

OR-INa

2807397 W. STOCKMAlR

DR-INa ■ AeclCALTEO«

K. SCHUMANN

OR RER NAT - OPL-PHYS

P. H. JAKOB

DIPU-ING.

P 12 406 G. BEZOLD

DR RER NAX- OiPL-OSVl

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

Patentansprüche

1.) Strömungsmeßgerät für ein längs eines Weges strömendes Strömungsmittel, gekennzeichnet durch die Kombination einer Einrichtung (14,28) zum Bestimmen eines die Strönungsmittelströmung einschließenden Weges längs des Weges angeordneter erster und zweiter Umformer (24,25), einer mit dem ersten und zweiten Umformer verbundenen Umformersteuerschaltung (50), damit der erste Umformer (24) erste akustische Drücke in dem Strömungsmittel und der sweite Umformer (26) ein erstes empfangenes Signal erzeugt, wenn die ersten akustischen Drücke von ihm während eines ersten Sende-Empfangs-Zyklus erfaßt v/erden, und damit der zweite Umformer (26) zweite akustische Drücke in dem Strömungsmittel erzeugt und der erste Umformer (24) ein zweites empfangenes Signal erzeugt, wenn die zweiten akustischen Drücke von ihm während eines zweiten Sende-Empfangs-Zyklus erfaßt werden, wobei die Umformersteuerschaltung (50) eine Schaltereinrichtung (Qc₅Q/-) zum Umschalten von dem ersten auf den zweiten Sende-Empfangszyklus hat, einer ersten Meßeinrichtung (58) zum Messen einer ersten Phasendifferenz, die die Phasendifferenz zwischen den ersten akustischen Drücken,

809838/0801

TELEFON (OSB) 23 28 βθ TELEX O5-S9 38O T=LEQRAMME. MONAPAT TELEKOPIERER

die von dein ersten Umformer (24) erzeugt sind, und dem ersten empfangenen Signal, das von dem zweiten Umformer (26) während jedem ersten Sende-Empfangs-Zyklus erzeugt wird, auf v/eist, einer zweiten Meßeinrichtung (58) zum Messen einer zweiten Phasendifferenz, die die Phasendifferenz zwischen den zweiten akustischen Drücken, die an dem zweiten Umformer (26) erzeugt sind, und dem zweiten empfangenen Signal, das von dem ersten Umformer (24-) während jedem zweiten Sende-Empfangs-Zyklus erzeugt wird, aufweist, einer auf die erste und zweite Meßeinrichtung (58) ansprechenden Differenzeinrichtung (66) zum Erzeugen einer Differenz, deren Größe gleich der Differenz zwischen einer der ersten Phasendifferenz und einer der zweiten Phasendifferenz ist, wobei die Größe des Differenzsignals auf die augenblickliche Stromungsmittel-Strömungsgeschwindigkeit direkt bezogen ist und das "Vorzeichen des Differenzsignals die Richtung der Strömungsmittelströmung längs des Weges angibt, und einer mit der UmformerSteuerschaltung (50) verbundenen Einrichtung (YCO)_?, zum automatischen Einstellen der Frequenz der von jedem der Umformer (24,26) erzeugten akustischen Drücke auf eine frequenz, bei der ein Resonanzecho über dem Durchmesser eines der Umformer (24,26) auftritt, um die Große des empfangenen Signals maximal zu machen, das an dem anderen Umformer erzeugt wird, so daß das Differenz-Ausgangssignal des Strömungsmeßgerätes unabhängig von der Schallgeschwindigkeit in dem Strömungsmittel ist.

2. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der erste und zweite Umformer (24,26) jeweils einen sendenden und einen getrennten empfangenden Umformer haben.

809838/0601

2807237

3. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anzeigen der Summe der ersten Phasendifferenz und der zweiten Phasendifferenz, wobei die Größe der angezeigten Summe sich auf die Schallgeschwindigkeit in dem Strömungsmittel bezieht.

4. Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet , daß jeder Umformer (24,26) einen zylindrischen Körper aufweist, dessen Innenmantelfläche im wesentlichen fluchtend mit der Einrichtung (14,28) zum Bestimmen des die Strömungsmittelströmung einschließenden Weges ausgebildet ist, so daß die Umformer (24,26) die Strömungsmittelströmung nicht behindern.

5- Strömungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch ge k e η η zeichnet , daß jeder Umformer (24,26) einen Kristall aufweist.

6. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallmaterial ein Material aus der Polyvinylfluoriden , Bariumtitanat, Bleizirkonattitanat, Quarz, Turmalin, hochpolymere organische piezoelektrische Materialien oder polarisierte polykristalline ferroelektrische Keramikmaterialien aufweisenden Gruppe ha u -

7· Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (VCO) zum automatischen Einstellen der Frequenz der akustischen Drücke einen Oszillator zum Erzeugen eines Signals bei einer Frequenz hat, die zumindest teilweise durch die Summe der ersten Pnasendifferenz und der zweiten Phasendifferenz bestimmt ist.

809838/0601

2807337

8. Strömungsmeßgerät nach einen der Ansprüche 1 bis 7? dadurch gekennzeichnet , daß die Umformer Steuerschaltung (50) zusätzlich eine Einrichtung (Q^ bis zum kontinuierlichen Umschalten zwischen dem ersten Sende-Empfangs-Zyklus und dem zweiten Sende-Smpfangs-Zyklus hat.

9- Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (146,14-8) zum Speichern der ersten Phasendifferenz und der zweiten Phasendifferenz vorgesehen ist.

10. Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9? gekennzeichnet durch eine auf das Differenzsignal ansprechende Einrichtung (Pig.6) zum Korrigieren des Differenzsignals in ein korrigiertes Strömungsgeschwindigkeitssignal.

11. Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch akustisches Dämpfungsmaterial (30,32), das längs des Weges an einer Stelle angeordnet ist, um die akustischen Drücke von einem der Umformer (24-,26) gegenüber einem Verlassen der Einrichtung (14,28) zum Bestimmen des Weges wesentlich zu vermindern,und zum wesentlichen Vermindern von reflektierten akustischen Drücken gegenüber einem Eindringen in die Einrichtung (14-, 28) sum Bestimmen des Weges.

12. Strömungsmeßgerät für ein längs eines Weges strömendes Strömungsmittel, gekennzeichnet durch die Kombination eines rohrförmigen Körpers (14-) zum Bestimmen eines das Strömungsmittel einschließenden Weges, einem einstellbaren Oszillator (VCO) zum Erzeugen eines Signals bei einer einstellbaren Frequenz, einer Schaltereinrichtung (ijy, bis Q,-) zum abwechselnden Schalten des Signals in ein stromaufvrärtiges und ein stronabwärtiges Signal,

809838/0601

einer ersten Umformereinrichtung (24-) und einer zweiten Umformereinrichtung (26), die mit Abstand zueinander längs des rohrförmigen Körpers (14-) angeordnet sind, wobei die erste Umformereinrichtung (24-) auf das stromaufwärtige Signal und die zweite Umformereinrichtung (25) auf das stromabwärtige Signal ansprechen, die erste Umformereinrichtung (24·) stromaufwärtige akustische Drücke in dem Strömungsmittel in Abhängigkeit von dem stromaufwärtigen Signal erzeugt und die zweite Umformereinrichtung (26) auf die stromaufwärtigen akustischen Drücke durch Erzeugung eines stromaufwärtigen empfangenen Signals anspricht, die zweite Umformereinrichtung (26) stromabwärtige akustische • Drücke in dem Strömungsmittel aufgrund des stromabwärtigen Signals erzeugt und die erste Umformereinrichtung (24·) auf die stromabwärtigen akustischen Drücke durch Erzeugung eines stromabwärtigen empfangenen Signals anspricht, eines Phasen'detektors (58), der auf jedes stromaufwärtige Signal und auf jedes stromaufwärtige empfangene Signal anspricht, um eine stromaufwärtige Fnasendifferenz zu erzeugen, die die Phasendifferenz zwischen dem stromaufwärtigen Signal und dem stromaufwärtigen empfangenen Signal aufweist, wobei der Faasendetektor (58) auch auf jedes stromabwärtige Signal und auf jedes stroiaabwärtige empfangene Signal anspricht, um eine stromabwärtige Phasendifferenz zu erzeugen, die die Phasendifferenz zwischen dem stromabwärtigen Signal und dem stromabwärtigen empfangenen Signal aufweist, einer Einrichtung (66) zum Erzeugen der Summe einer stromaufwärtigen Phasendifferenz und einer stromabwärtigen Fnasendifferenz und einer Einrichtung (15^·,156) , die auf die Summe einer stromaufwärtigen Phasendifferenz und einer stromabwärtigen Phasendifferenz anspricht, um die Prequai ζ des einstellbaren Oszillators (VCO) auf eine frequenz einzustellen, bei der ein Sesonanzecho über den Durchmesser einer der Uniformer (24-,26) auftritt, wenn dieser auf ein Signal anspricht.

809838/0601

13· Strömungsmeßgerät nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (66) zum Erzeugen der Differenz zwischen der stromaufwartigen Phasendifferenz und der stromatrwärtigen Phasendifferenz und durch eine Einrichtung zum Anzeigen der Differenz zwischen der stromaufwärtigen Phasendifferenz und der stromabwärtigen Phasendifferenz, des Vorzeichens dieser Differenz, das die Richtung der Strömungsmittelströmung in dem rohrförmigen Eörper (14) angibt, und der Größe der Phasendifferenz, die sich auf die Geschwindigkeit der Strömungsmittelströmung bezieht.

. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet , daß der erste und der zweite Umformer (24,26) jeweils einen zylindrischen Körper aufweisen, dessen Innenmantelfläche mit der Innenmantelfläche des rohrförmigen Körpers (14) fluchtet.

15- Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche12 bis 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anzeigen der Summe der stromaufwärtigen Phasendifferenz und der stromabwärtigen Phasendifferenz, wobei die angezeigte Summe der Schallgeschwindigkeit in dem Strömungsmittel proportional ist.

16. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der erste und der zweite Umformer (24,26) jeweils einen sendenden und einen getrennten empfangenden Umformer haben.

17· Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 13 bis 16, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (150), die auf die Frequenz einstellende Einrichtung ("VOO) und

809838/0601

auf die die Differenz erzeugende Einrichtung (66) anspricht, um ein Strömungsgeschwindigkeits-Ausgangssignal zu erzeugen, das die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels in dem rohrförmigen Körper (14·) angibt.

18. Strömungsmeßgerät für ein längs eines Weges strömendes Strömungsmittel, gekennzeichnet durch die Kombination einer Einrichtung (14,28) zum Bestimmen eines die Strömungsmittelströmung einschließenden, im wesentlichen zylindrischen Weges, durch einen ersten und einen zweiten im wesentlichen zylindrischen Umformer (24,26), die längs des Weges angeordnet sind, wobei jeder Umformer (24,26) einen Innendurchmesser (D) hat, der im wesentlichen identisch zu dem Durchmesser des Weges ist, einer mit jedem Umformer (24,26) wirkungsmäßig gekoppelten Einrichtung (38,40) zum Speisen des ersten Umformers (24) zum Erzeugen erster akustischer Drücke bei einer einstellbaren Frequenz in dem Strömungsmittel und zum Erzeugen erster empfangener Signale an dem zweiten Umformer (26) in Abhängigkeit von den ersten akustischen Drücken während eines ersten Sende-Empfangs-Zyklus und zum Speisen des zweiten Umformers (26) zum Erzeugen zweiter akustischer Drücke bei der einstellbaren Frequenz in dem Strömungsmittel und zum Erzeugen zweiter empfangener Signale an dem ersten Umformer (24) in Abhängigkeit von den zweiten akustischen Drücken während eines zweiten Sende-Empfangs-Zyklus, einer Detektoreinichtung (58) zum Bestimmen einer ersten ©eschwindigkeitsangabe während des ersten Sende-Empf angs-Zyklus, die die Geschwindigkeit der akustischen Drücke, die von dem ersten Umformer (24) zu dem zweiten Umformer laufen^ aufweist, und zum Bestimmen einer zweiten Geschwindigkeit sangabe während des zweiten Sen de-Empfangs-Zyklus,

809838/0601

dle die Geschwindigkeit der akustischen Drücke aufweist, die von dem aweiten Umformer (26) zu dem ersten Umformer (24) laufen, einer Einrichtung (66) zum Summieren der ersten und zweiten Geschwindigkeitsangaben und einer auf diese Summe der ersten und zweiten Geschwindigkeitsangaben ansprechende Einrichtung ("VOC) zum Einstellen der Frequenz der -\on dem ersten oder dem zweiten Umformer (24,26) erzeugten akustischen Drücke auf die natürliche Hohlraum-Resonanzfrequenz der 02-Hode, die das Auftreten eines Resonanzechos über dem Durchmesser D eines jeden der Umformer (24,26) bewirkt.

19· Strömungsmeßgerät nach Anspruch 18, dadurch g e kenn zeichnet , daß jeder Umformer (24,26) aus einem Material in der Polyvinylfluoriden, Bariumtitanat, Bleizirkonat-Titanat, Quarz, Turmalin, hochpolymere organische piezoelektrische Materialien oder polarisierte polykristalline ferroelektrisch^ keramische Materialien aufweisenden Gruppe hergestellt ist.

20. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 18 oder 19 ■> dadurch gekennzeichnet , daß- die mit jedem der Umformer (24,26) verbundene Einrichtung (38,40) einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) aufwiest, dessen Frequenz teilweise von der Summe der ersten Phasendifferenz und der zweiten Phasendifferenz gesteuert ist.

21. Stronungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 18 bis 20, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anzeigen der Summe der ersten und zweiten Geschwindigkeitsangaben, wobei die angezeigte Summe sich auf die Schallgeschwindigkeit in dem Strömungsmittel in dem Weg bezieht.

809838/0601

22. Strömungsmeßgerät nach, einem der Ansprüche 18 bis 21 , gekennzeichnet durch eine Einrichtung (66) zum Berechnen der Differenz zwischen der ersten Geschwindigkeitsangabe und der zweiten Geschwindigkeitsangabe und durch eine Einrichtung (J¹Ig-O) zum Korrigieren dieser Differenz für Änderungen der Schallgeschwindigkeit in dem Strömungsmittel.

23· Strömungsmeßgerät nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch eine auf die korrigierte berechnete Differenz und die die -Frequenz einstellende Einrichtung (VCO) ansprechende Einrichtung zum Erzeugen eines die Schallgeschwindigkeit in dem Strömungsmittel in dem Pfad angebenden Signals.

24. Strömungsmeßgerät für ein längs eines Weges strömendes Strömungsmittel, gekennzeichnet durch die Kombination einer Einrichtung (14,28) zum Bestimmen eines die StrömungsmittelstrÖHung einschließenden, im wesentlichen zylindrischen Weges, eines ersten und eines zweiten, im wesentlichen zylindrischen Umformers (24,26), die längs des Weges angeordnet sind, wobei jeder Umformer (24,26) einen Innendurchmesser (D) hat,der im wesentlichen identisch au dem Durchmesser des Weges ist, einer Einrichtung (Fig.2) zun abwechselnden Erzeugen eines Signals, das einen ersten Sende-Empfangs-Zyklus darstellt, und eines Signals, das einen zweiten Sende-Empfangs-Zyklus darstellt, einer wirkungsmäßig mit jedem dem Umformer (24,26) verbundenen Einrichtung (38,40) zum Treiben eines Signals an den ersten Umformer (24) zum Erzeugen erster akustischer Drücke in dem Strömungsmittel und zum Empfangen erster empfangener Signale von dem zweiten Umformer (26), die von diesem aufgrund der ersten akustischen Drücke während des ersten Sende- ... Empfangs-Zyklus erzeugt werden, und zum Treiben eines

809838/0601

Signals an den zweiten Umformer (26) zum Erzeugen zweiter akustischer Drücke in dem Strömungsmittel und sum Empfangen zweiter empfangener Signale von dem ersten Umformer (24-), die von diesem in Abhängigkeit von den zweiten akustischen Drücken während des zweiten Sende-Empfangs-Zyklus erzeugt werden, einer auf jedes erste Umformer-5reibersignal und jedes erste empfangene Signal ansprechenden Einrichtung (66) zum Erzeugen einer ersten 3?roportionalangabe der Geschwindigkeit der akustischen Drücke, die von dem ersten zu dem zweiten Umformer laufen, wobei diese Einrichtung auf jedes zweite Umformer-Treibersignal und jedes zweite empfangene Signal anspricht, um eine zweite Proportionalangabe der Geschwindigkeit der akustischen Drücke zu erzeugen, die von dem zweiten zu dem ersten Umformer laufen, und jede der Proportionalangaben der Geschwindigkeit eine !Punktion der Geschwindigkeit der akustischen Drücke in dem Strömungsmittel wie auch der Sichtung und Geschwindigkeit des Strömungsmittels längs des Weges ist, einer Einrichtung zum Erzeugen der Summe jeder ersten Proportionalangabe und jeder zweiten Proportionalangabe, wobei jede Summe auf die augenblickliche Schallgeschwindigkeit in dem längs des Weges strömenden Strömungsmittel direkt bezogen ist, und einer auf jede Summe ansprechender!Einrichtung (VCO) zum Steuern der Frequenz der akustischen Drücke, die von beiden Umformern (24· ,26) erzeugt sind, so daß die Entfernung (D) senkrecht zur Richtung der Strömungsmittelströmung durch den Weg eine Eigenwertzahl der Wellenlängen ist,wodurch eine dem hindurchströmenden Strömungsmittel entsprechende Eigenfrequenz erzeugt wird.

25· Strömungsmeßgerät nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anzeigen jeder Summe, wobei die angezeigte Summe gleich der Schal Igeschwindigkeit in dem Strömungsmittel ist.

809838/0601

26. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 24- oder 25, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Proportionalangabe, wobei das Vorzeichen der Differenz der Richtung der Strömung längs des Weges entspricht, und die Größe auf die Geschwindigkeit der Strömungsmittelströmung bezogen ist.

27· Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 24- bis 26, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anzeigen jeder Summe, wobei die angezeigte Summe auf die augenblickliche Schal Ige schwindigkeit in dem Strömungs*· mittel in dem Pfad direkt bezogen ist.

28. Strömungsmeßgerät nach einem der Anspazüche 24- bis 27, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Umformer (24·,26) aus einem Material in der Polyvinylfluoriden, Barium-titanat, Bleizirkonat-Titanat, Quarz, Turmalin, hochpolymere organische piezoelektrische Materialien oder polarisierte polykristalline ferroelektrisch^ ...keramische Materialien aufweisenden Gruppe hergestellt ist.

29. Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 24· bis 28, dadurch gekennzeichnet , daß die mit jedem Umformer (24·,26) wirkungsmäßig gekoppelte Einrichtung (38,4-0) einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) aufweist, der mit dem ersten und zweiten Umformer (24-,26) jeweils während des ersten und des zweiten Sende-Empfangs-Zyklus gekoppelt ist, um die akustischen Drücke zu erzeugen, xiobei die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) zum Teil von der Summe gesteuert ist.

30. Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenz auf einem solchen Wert gehalten ist, daß D im wesentlichen

809838/0601

gleich 2,3^ ist, wobei A die Wellenlänge des von den Umformern(24,26) in dem Strömungsmittel innerhalb des Weges erzeugten Schalls ist.

809838/0601