DE2807397C2 - - Google Patents
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- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
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Description
Die Erfindung betrifft ein Strömungsmeßgerät für ein längs
eines Weges strömendes Strömungsmittel mit einem ersten und
einem zweiten längs des Strömungsweges angeordneten Wandler
zur Erzeugung von stromabwärts bzw. stromaufwärts laufenden
Schalldruckwellen, einer Umsteuerschaltung, um abwechselnd
in einem ersten Meßzyklus den ersten bzw. zweiten Wandler
als Schallsender bzw. Schallempfänger und in einem zweiten
Meßzyklus den zweiten Wandler bzw. ersten Wandler als
Schallsender bzw. Schallempfänger zu betätigen,
Einrichtungen, um eine erste Phasendifferenz bei
stromaufwärts laufenden Schalldruckwellen zwischen den
Signalen des ersten und zweiten Wandlers und eine zweite
Phasendifferenz bei stromabwärts laufenden Schalldruckwellen
zwischen den Signalen des zweiten und ersten Wandlers zu
messen, Einrichtungen zur Erzeugung eines von der Differenz
zwischen den beiden Phasendifferenzen abhängigen
Differenzsignals, dessen Größe bzw. Vorzeichen mit dem
jeweiligen Fluidströmungsfluß bzw. dessen Richtung in
Beziehung steht, und mit einem einstellbaren Oszillator zum
automatischen Einstellen der Frequenz der Schalldruckwellen
zur Erreichung möglichst hoher von den Wandlern empfangener
Signale.
Eine mit akustischen Wellen arbeitendes Strömungsmeßgerät ist
in der US-Patentschrift 31 09 112 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.
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 Strömungsmeßgerätes leidet.
Außerdem können Feststoffteilchen in dem Strömungsmittel
oder dergleichen 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-PS 40 03 252 beschrieben ist. Bei diesem
Strömungsmeßgerät haben die Umformer eine im wesentlichen
zylindrische Form und sind innerhalb der Wände der
Strömungsleitung angeordnet, wodurch alle Hindernisse 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 werden oder
vollständig ausfallen, wenn die Zusammensetzung des durch es
hindurchfließenden Gases unterschiedlich zu der ist, für das
das Strömungsgerät 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 Abgleichs
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-Funktionsanalysegeräten, sind
akustische Strömungsmeßgeräte ungenau, sofern keine
korrigierende Rückkopplung von einem Gasanalysegerät
vorgesehen ist, um eine Änderung der Gaszusammensetzung zu
kompensieren.
Bei einem weiteren bekannten, in der US-PS 37 51 979
beschriebenen Meßgerät soll die
Fluidströmungsgeschwindigkeit mit Hilfe der Differenz der
beiden Frequenzen ermittelt werden, die einmal verwandt
wird, um eine Messung in Gegenströmungsrichtung
durchzuführen und das andere Mal, eine Messung in
Strömungsrichtung durchzuführen. Die Frequenzen sollen dabei
jeweils getrennt derart eingestellt werden, daß die Länge
der Meßstrecke zwischen den Meßwandlern jeweils einer
ganzzahligen Zahl von Wellenlängen beider Messungen, in
Strömungsrichtung bzw. in Gegenströmungsrichtung, entspricht.
Die Frequenz eines Oszillators für eine Messung in
Strömungs- oder Gegenströmungsrichtung wird jeweils in
Abhängigkeit von der Phasendifferenz eingestellt, die an
einem Phasendetektor gemessen wird, der auf einer Leitung
ein Sendesignal und auf einer anderen Leitung ein
Empfangssignal zugeleitet erhält.
Diese bekannte Anordnung arbeitet nicht nach dem Prinzip
eines Meßgeräts der eingangs erwähnten Art, bei dem mit ein
und derselben Frequenz sowohl in Strömungsrichtung wie in
Gegenströmungsrichtung gemessen wird und ein Meßergebnis
über die Fluidströmungsgeschwindigkeit aus der Differenz der
aufeinanderfolgenden Phasendifferenzmessung abgeleitet wird.
Ein derartiges Meßgerät ist in der US-PS 29 21 467
beschrieben. Bei dieser Meßanordnung wird die
Fluidströmungsgeschwindigkeit als Differenz der beiden
Phasendifferenzen gemessen, die sich bei den
Schallwellendruckmessungen in Strömungsrichtung bzw.
entgegen der Strömungsrichtung des Fluids ergeben.
Die gemessenen Phasendifferenzen werden dabei in Form
verschieden langer Impulse gemessen, die in verschieden hohe
Spannungen umgewandelt werden und deren Differenz gemessen
des ursprünglich
eingestellten linearen Arbeitsbereiches kann sich dadurch
ergeben, daß aufgrund der Eigenschaften des zu messenden
Fluids eine Änderung der Schallgeschwindigkeit auftritt. Um
derartige Änderungen auszuschalten, soll deshalb die
Frequenz eines Oszillators, der die Meßwandler beaufschlagt,
derart eingestellt werden, daß der Wellenlängenabstand
zwischen den Wandlern (Sender und Empfänger) konstant
gehalten wird. Die Meßhaltung soll hierzu derart betrieben
werden, daß die Phasenverzögerung zwischen den Sender- und
Empfängersignalen unabhängig von der
Strömungsgeschwindigkeit des Fluids konstant gehalten wird.
Hierzu wird eine Ausgangsspannung, die sich als Mittel der
Phasendifferenzspannung, gemessen bei der
Strömungsgeschwindigkeit O ergibt, zur Einstellung des
Arbeitspunktes geeignet eingestellt.
Bei den späteren Messungen mit einem strömenden Fluid werden
sodann die Abweichungen von diesem eingestellten
Spannungswert als Fehlersignal verwandt, um die Frequenz,
die auf die Meßwandler gegeben wird, geeignet zu verändern.
Bei dieser bekannten Schaltung dient somit die Regelung der
Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators lediglich
dazu, den gemittelten Spannungswert aus der Messung der
beiden Phasendifferenzen jeweils bei der
Strömungsgeschwindigkeit O auch bei den tatsächlichen
Messungen konstant zu halten, um die Messungen in einem
vorgegebenen linearen Meßbereich durchzuführen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Strömungsmeßgerät zu schaffen, das unabhängig von
Änderungen der Schallgeschwindigkeit in dem zu messenden
Medium eine genaue Messung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Strömungsmeßgerät der
eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
eine Einrichtung zur Bildung der Summe einer ersten und
einer zweiten Phasendifferenz vorgesehen ist und daß die
Frequenz des einstellbaren Oszillators (VCO) in Abhängigkeit
von dem Signal der Summe der beiden Phasendifferenzen derart
gesteuert wird, daß ein Resonanzecho über dem Durchmesser
einer der Wandler auftritt, wenn dieser auf ein Signal
anspricht.
Bei dem erfindungsgemäßen Strömungsmeßgerät wird sowohl in
Strömungsrichtung wie in Gegenströmungsrichtung jeweils nur
mit ein und derselben Frequenz gemessen. Diese Frequenz wird
in Abhängigkeit von der Summe der ersten und zweiten
Phasendifferenz derart gesteuert, daß sich ein Resonanzecho
über dem Durchmesser einer der Wandler ergibt.
Der Fachmann erkennt, daß das zuvor beschriebene akustische
Strömungsmeßgerät das prinzipielle Ziel der Erfindung
erfüllt, d. h. die Genauigkeit des Strömungsmeßgerätes ist
relativ unabhängig von Änderungen der Schallgeschwindigkeit.
Die elektronische Schaltung des Meßgeräts 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-Empfangs-
Zyklen 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 hindurchbewegenden Gas sind.
Das Gas strömt durch eine Umformeranordnung. In dem Umformer
sind zwei zylindrische Umformer vorgesehen, die jeweils
akustisch Drücke erzeugen oder auf diese in dem Gas
ansprechen können. Die Umformer werden abwechselnd zwischen
dem Sende- und Empfangsbetrieb umgeschaltet, so daß bei
einem gegebenen Augenblick der eine zum Senden und der
andere zum Empfangen benutzt wird. Die Phasendifferenz
zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenden Signal wird
für zwei aufeinanderfolgende Sende-Empfangs-Zyklen
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.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das akustische
Strömungsmeßgerät zwei in einer Wand einer Leitung
angeordnete Umformer auf, so daß kein Hindernis für die
Gasströmung und keine Hohlräume in der Wand bestehen, die
einen Ort zum Sammeln von teilchenförmigen 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
Gaszusammensetzung oder Gastemperatur bedingt sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus
den Unteransprüchen hervor.
Weitere 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 der Schallgeschwindigkeit. Auf diese
Weise kann ein Übergang von einer Gasmischung A mit einem
durchschnittlichen Molekulargewicht M A zu einer Gasmischung
B mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht M B und der
Anteil der Gasmischung A gemischt mit der Gasmischung B
gemessen werden. Eine solche Technik kann mit einem Gas-
Strömungs-Meßgerät z. 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:
wobei
γ = das Verhältnis der spezifischen Wärme bei konstantem Druck zu dem bei konstantem Volumen,
k = die Boltzmann′sche Konstante von 1,38 × 10-²³ Joule/°K,
T = die absolute Temperatur °K und
M = die Masse der Moleküle in dem Gas in kg sind,
ist zu erkennen, daß das Molekulargewicht proportional zu c -² ist und der Fachmann 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 zusammenfassen, so daß die Gasmischung A durch eine Gruppe von Bedingungen und die Gasmischung B durch eine weitere Gruppe von Bedingungen spezifiziert werden kann.
γ = das Verhältnis der spezifischen Wärme bei konstantem Druck zu dem bei konstantem Volumen,
k = die Boltzmann′sche Konstante von 1,38 × 10-²³ Joule/°K,
T = die absolute Temperatur °K und
M = die Masse der Moleküle in dem Gas in kg sind,
ist zu erkennen, daß das Molekulargewicht proportional zu c -² ist und der Fachmann 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 zusammenfassen, so daß die Gasmischung A durch eine Gruppe von Bedingungen und die Gasmischung B durch eine weitere Gruppe von Bedingungen spezifiziert werden kann.
Wenn außerdem der Druck oder die Dichte sich stark ändert,
kann die volumetrische Strömung auf annähernd
Standardbedingungen oder die tatsächliche Massenströmung
korrigiert werden, indem eine Druckmessung mit Parametern
kombiniert wird, die von dem beschriebenen Strömungsmeßgerät
zu erhalten sind. Die Massenströmung ist gegeben durch
= mp/kT Kilogramm/sec
wobei
p = der Druck in der Newton/Meter² ist.
p = der Druck in der Newton/Meter² ist.
Aus der vorstehenden Gleichung für die Schallgeschwindigkeit
c ergibt sich dann
= p γ/c².
Für den Fachmann ist es sofort klar, daß ein Druckumformer
benutzt werden kann, um den absoluten Druck in dem
Strömungsmeßgerät zu messen. Außerdem wird das
Ausgangssignal des Druckumformers mit der volumetrischen
Strömung V 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 γ einen Fehler in dem Wert
für einige Änderungen in der Gasmischung ergibt, gibt es
viele Fälle, wo Änderungen im Wert von γ unbedeutend sind.
Die Benutzung der zuvor beschriebenen Parameter zum Erzeugen
eines Signals für die volumetrische Strömung, vermindert auf
eine Standardtemperatur und einen Standarddruck, ist für den
Fachmann ebenfalls offensichtlich.
Nachdem ein Strömungsmeßgerät 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 Umformer nicht zylindrisch oder
bogenförmig sind, sondern sich in dem Strömungsweg befinden
oder gewisse Hindernisse oder Ausnehmungen längs des
Strömungsweges bilden. D. h., jedes akustische
Strömungsmeßgerät kann aus dieser Technik Vorteile ziehen,
wenn Fehler durch Änderungen in der Schallgeschwindigkeit in
dem Strömungsmittel bedingt sind.
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,
Fig. 2 eine detaillierte Schaltung eines
Zeitimpulsgenerators zum Steuern der Arbeitsweise
der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Schaltung,
Fig. 3 ein Zeit-Impuls-Diagramm für die Schaltung der
der Fig. 2 und
Fig. 4 und 6 detaillierte Schaltungen einer Ausführungsform
der Strömungsmeßschaltung, die die von der Schaltung
der Fig. 2 erzeugten Impulse benutzt.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist das
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 angebenden Richtung strömt.
Diese Pfeile 12 gegen die Gasströmung durch die Umformeranordnung 10
in einer Richtung von links nach rechts in
Fig. 1 an. Jedoch kann Gas durch die Anordnung 10 auch in
der entgegengesetzten Richtung strömen, wenn dieses gewünscht
ist.
Die Umformerschaltung 10 ist im wesentlichen nach Maßgabe
der Beschreibung in der US-PS 40 03 252 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 Fig. 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 Innenwand des Traggliedes 14 ausgebildet
und mit Abstand zueinander längs des Weges der
Strömungsmittelströmung angeordnet, die durch die Pfeile 12
angegeben ist. Zwei zusätzliche kreisförmige Ausnehmungen 20
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.
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 einem Schwingungsdämpfungsband
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 radikaler 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
und 26 umfassen zylindrische Körper, die aus
Polyvinylfluoriden oder anderen hochpolymeren organischen,
piezoelektrischen Materialien hergestellt sind, aus Bariumtitanat
gefertigte keramische Umformer, Bleizirkonattitanat
oder andere polarisierte polykristalline ferroelektrische
keramische Materialien, Quarz, Turmalin oder äquivalente
elektromechanische 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 Kristalltreiber/
Empfängerschaltungen 38 und 40 verbunden. Die leitenden Beschichtungen
auf der Außenfläche der Umformer 24 und 26
sind jeweils über Leitungen 42 und 44 mit den Kristalltreiber/
Empfänger-Schaltungen 38 und 40 verbunden. Die
elektrischen Verbindungsleitungspaare 34, 42 und 36, 44
für die Umformer 24 und 26 treten jeweils durch Öffnungen 46
und 48 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 40 03 252 beschrieben ist, so daß deren Offenbarung
auch in dieser Hinsicht hier aufgenommen wird. Grundsätzlich
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 Richtung hindurchfließt, die durch die
Pfeile 12 angegeben ist, oder aber in die entgegengesetzte
Richtung. Eine Steuerschaltung 50 ist jeweils über Leitungen 52
und 54 mit den Umformer-Treiber/Empfänger-Schaltungen
38 und 40 verbunden. Die Steuerschaltung 50 veranlaßt einen
der Umformer-Treiber/Empfänger-Schaltungen 38 oder 40
zum Aussenden eines elektrischen Signals an den jeweils
mit ihr verbundenen zylindrischen Umformer 24 oder 26,
während die andere Treiber/Empfänger-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 wird.
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 Richtung 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
betrieben.
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 Weise 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.
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 54 an eine Treiber/Empfänger-
Schaltung 38 oder 40 und über die Leitung 56 an einen Phasendetektor
58 gegeben. Ein empfangendes 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 empfangenden Signal angibt. Diese Information wird
über die Leitung 64 an einen Phasenaddierer und -subtrahierer 66
gegeben, der eine Speichereinrichtung zum zeitweiligen
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 Umformer 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
empfangenden Signal und diese zweite Phasendifferenz wird
über die Leitung 64 an den Phasenaddierer und -subtrahierer 66
gegeben, der auch diese zweite Phasendifferenz zeitweilig
speichert.
Der Phasenaddierer und -subtrahierer 66 berechnet, nachdem
beide Phasendifferenzen in ihm gespeichert sind, sowohl
eine Summe als auch eine Differenz zwischen den beiden
gespeicherten Phasendifferenzen. Die Differenz zwischen
den beiden gespeicherten Phasendifferenzen mit einer weiteren
Korrektur, die in Verbindung mit Fig. 6 erläutert
wird, wird auf der Ausgangsleitung 68 angegeben, die,
wenn das Strömungsmeßgerät abgeglichen
ist, die Strömungsgeschwindigkeit durch die Umformeranordnung 10
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
angegeben.
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 Strömungswertes
auf der Leitung 68 benutzt. Der auf der Ausgangsleitung 70
angegebene Wert ist ein relativer Wert
und das Strömungsmeßgerät muß so abgeglichen
werden, daß die Größe des Wertes auf der Leitung 70 interpretiert
werden kann.
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 λ 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 λ, 1,4 g, 3,2 λ oder 3,9 λ ist.
Geschwindigkeit der akustischen
Drücke innerhalb des Gases, das durch die Umformer hindurchströmt,
ändert sich als eine Funktion der Gaszusammensetzung.
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 länger 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 vollständigem
Versagen beim Erfassen von akustischem Druck gegeben
ist. Dieses Versagen kann durch Ändern 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 Umformeranordnung
selbst für eine Einstellung des Innendurchmessers
der Umformer nicht geeignet ist, ist es selbstverständlich
besser, dieses Problem durch 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 Schallgeschwindigkeit
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 von 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 Reflektion
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 Individiums physikalisch angeordnet
ist, dessen Atemluft zu analysieren ist.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Reflexionsproblem
durch Vorsehen der Endringe 30 und 32, die an den einander
gegenüberliegenden Enden der Anordnung 10 angeordnet sind, beseitigt.
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 Ringe
30 und 32 gewählt ist, ausreichend, so daß ein Ende der
Anordnung 10 in unmittelbarer Nähe des Mundes eines Individiums
angeordnet werden kann, dessen Atemluft zu analysieren
ist, und die bei anderen akustischen Strömungsmeßgeräten
infolge von akustischen Reflexionen auftretenden Probleme
sind damit im wesentlichen beseitigt. Die durch die
Ringe 30 und 32 bewirkte Dämpfung beseitigt im wesentlichen
auch die Probleme mit Reflexionen, wenn die Anordnung 10
in das Strömungsmittel tragenden Systemen eingekoppelt wird.
Die vorstehende Erläuterung in Verbindung mit Fig. 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 werden 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 Integratorschaltung
CD 4047 auf, mit der ein 121K-Widerstand und ein 4700PF-Kondensator
zum Steuern der Ausgangsfrequenz verbunden ist,
die bei dem erwähnten Widerstand und Kondensator 400 KHz
beträgt. Zwei in Reihe geschaltete J-K-Flip-Flops, die
jeweils eine Hälfte einer integrierten Schaltung CD 4027
darstellen, werden zur Erzeugung von Zeitgeberimpulsen
benutzt, deren Geschwindigkeit geringer ist als die von
dem aus der integrierten Schaltung CD 4047 gebildeten Oszillator
erzeugt. Die von dem Oszillator erzeugten Signale und die
Flip-Flops werden durch UND- und NAND-Glieder der Fig. 2 zusammengefaßt,
um jeweils Impulsketten zu erzeugen, wie sie
in Fig. 3 gezeigt sind. Ein Impulsdiagramm für den Ausgang
Q₀ ist in Fig. 3 nicht gezeigt, jedoch führt er ein Rechtecksignal
mit einer Frequenz, die doppelt so groß als für
Q₁ ist, und eine ins Positive gehende Vorderflanke eines Impulses
auf der mit Q₀ bezeichneten Leitung tritt zur gleichen
Zeit auf, wie die ins Positive gehende Vorderflanke eines
Impulses an dem Ausgang Q₁ der Schaltung CD 4047.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, bildet eine integrierte Schaltung
CD 4046 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 spannungsgesteuerten 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 Weise.
Das Rechtecksignal von dem spannungsgesteuerten Oszillator
am Anschluß 4 gelangt über eine Leitung 100 an den Anschluß 3
der Schaltung CD 4046, die intern einen Phasendetektor (⌀ DET)
bildet. Das Rechtecksignal gelangt auch über eine Leitung 102
an ein NAND-Glied, dessen Ausgang mit einem Operationsverstärker
LM 318 und einem Operationsmultiplizierer XR 2208
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 bekannten Schaltungen zum Umformen
eines Rechtecksignals in ein Sinussignal darstellt, so daß
auch andere äquivalente Schaltungen benutzt werden können.
Zwischen dem Anschluß 104 und dem Ausgangsanschluß AC sind
drei aus den Schaltungsgruppen LM 318 und 8043 C gebildete
Operationsverstärker vorgesehen. Der Operationsverstärker
LM 318 verstärkt das Sinussignal am Anschluß 104. Die zwei
Operationsverstärker 8043 C stellen die Phase des Signals,
das am Ausgangsanschluß AC erscheint, mit Einstellwiderständen
106 und 108 ein, mit denen die Phase des Signals
am Ausgangsanschluß AC um etwa 360°C eingestellt werden
kann. Diese Widerstände werden während des Abgleichs des
Strömungsmeßgerätes eingestellt und werden vorzugsweise so
eingestellt, daß das Signal am Anschluß 9 der Schaltung
CD 4046 +7,5 Volt ist, wobei keine Luft durch die Übertragungsanordnung 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.
Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung weist Umformer-Treiber/
Empfänger-Schaltungen auf und zeigt, wie diese mit den Umformern 24
und 26 verbunden sind. Die Schaltung der Fig. 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 Fig. 4 und anschließend an zwei Umformer-
Treiberschaltungen gegeben, wobei die erste Treiberschaltung
Q 5 und die zweite Treiberschaltung Q 6 enthält.
Diese Transistoren Q 5 und Q 6 verknüpfen das Sinussignal
von dem Eingangsanschluß AC an die jeweils verbundenen Umformer 24
oder 26, wodurch diese in ihren Sendebetrieb gelangen.
Verknüpfungssignale werden von Transistorpaaren
Q 1, Q 3 und Q 2, Q 4 und den jeweils verbundenen Schaltungen erzeugt,
die die Schaltung der Fig. 2 zum Erzeugen der Verknüpfungssignale
umfassen, die an den Anschlüssen X und Y
erscheinen. Da die Verknüpfungssignale an den Anschlüssen
X und Y zu unterschiedlichen Zeitpunkten auftreten und sich
abwechseln, wie dieses in Fig. 3 gezeigt ist, werden die
Umformer 24 und 26 abwechselnd in ihren Sendebetrieb 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 wirksam 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 Q 7 oder Q 8 leitend
oder gesperrt ist. Der Transistor Q 7 wird z. B. durch ein
Verknüpfungssignal Q 3 gesteuert und verbindet die
Leitung 112 mit Erde, wenn das Signal Q 3 positiv ist.
In gleicher Weise verbindet der Transistor Q 8 die Leitung 114
mit Erde, wenn das Verknüpfungssignal positiv
ist. Aus dem Impulsdiagramm der Fig. 3 ist zu erkennen,
daß Q₃ immer dann positiv ist, wenn X positiv ist, so
daß damit der Empfänger 116 immer 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 unwirksam, wenn
positiv ist, wenn sich der Umformer 26 im Sendebetrieb befindet.
Wenn daher ein gegebener Umformer 24 oder 26 sich
im Sendebetrieb befindet, so ist die jeweils mit ihnen
verbundene Empfängerschaltung 116 oder 118 unwirksam.
Befindet sich jedoch einer der Umformer im Sendebetrieb,
so ist die mit dem anderen Umformer 24 oder 26 verbundene
Empfängerschaltung 116 oder 118 wirksam, da das zugehörige
Verknüpfungssignal Q₃ oder Erdpotential zeigt. So befindet
sich z. B. während eines ersten Sende-Empfangs-Zyklus
der Umformer 24 im Sendebetrieb und erhält Signale vom Eingangsanschluß AC,
der Transistor Q 7 ist durch das Signal
Q₃ leitend, um den Empfänger 116 durch die Erdleitung 112
abzuschalten, und die Empfängerschaltung 118 ist wirksam
mit dem Umformer 26 verbunden, da der Transistor Q 8 infolge
des sich auf Erdpotential befindenden Verknüpfungssignals
sperrend ist. Gleichzeitig befindet sich das
Verknüpfungssignal Y auf Erdpotential, wodurch es verhindert,
daß das am Eingangsanschluß AC erscheinende Signal über
den Transistor Q 6 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 Q 7
durch Q₃ gesperrt ist, der Transistor Q 8 durch
leitend geschaltet ist, das Verknüpfungssignal Y
positiv ist und das Verknüpfungssignal X sich auf Erdpotential
befindet. Daher befindet sich der Umformer 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 Q 7 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 Vergleicherschaltung 124
verbunden ist. Die Vergleicherschaltung 124
ist immer dann wirksam, wenn das Verknüpfungssignal
A sich auf einem logischen Pegel von 0 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 3
der Vergleicherschaltung 124 ein negatives Potential hat,
und liegt bei 0 Volt, wenn das Eingangssignal am Anschluß 3
ein positives Potential hat. Die Vergleicherschaltung 124
formt daher das Sinus-Eingangssignal in ein Rechteck-Ausgangssignal
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 Eingangsleitung 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 von 0 befindet.
Das Ausgangssignal am Anschluß 7 der Vergleicherschaltung 126
ist ein Rechtecksignal mit einer Spannung
von etwa +15 Volt, wenn immer das Eingangssignal am Anschluß 3
negatives Potential hat, und von etwa 0 Volt,
wenn immer das Eingangssignal am Anschluß 3 positives
Potential hat. Da die Verknüpfungssignale A und B zu unterschiedlichen
Zeitpunkten erscheinen, beeinflußt die
Arbeitsweise der Vergleicherschaltung 124 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 UND-Verknüpfung der an den Ausgängen der Vergleicher 124
und 126 erscheinenden Signale an.
Das Ausgangssignal von den Empfängerschaltungen 116 und 118
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 CD 4046 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 CD 4046 verbunden ist und einen
Ausgangspegel von einer logischen 1 immer dann hat, wenn
nur ein Eingang des Phasendetektors einen Pegel mit einer
logischen 1 erhält. Das am Anschluß 2 der integrierten Schaltung
CD 4046 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 CD 4046 erscheinenden Signal.
Bei der normalen Arbeitsweise des Strömungsmeßgerätes
ist, wenn die Zusammensetzung des durch die Umformeranordnung 10
hindurchströmenden Gases sich gegenüber
der ändert, bei der das Strömungsmeßgerät abgeglichen wurde,
die Phase des an dem Eingangsanschluß SIG in Fig. 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 MF-
Kondensator eines Tiefpaßfilters, das einen 1 MΩ-Widerstand
und einen 1MF-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 1 MF-Kondensator bewirkt,
daß die Spannung am Anschluß 9 der integrierten
Schaltung CD 4046 sich ändert, wodurch die Frequenz des
von dem Spannungsgesteuerten Oszillator erzeugten Signals
sich ebenfalls ändert. Das System setzt die Einstellung des
spannungsgesteuerten Oszillators hinsichtlich seiner Frequenz
fort, bis die Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten
und dem empfangenden 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,
da dieses die bisherigen Systeme nicht können. Es kann gezeigt
werden, daß die 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 Phasendetektor 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
aufrechterhalten.
Das impulsbreitenmodulierte Signal, das an dem Ausgang des
Phasendetektors erscheint, ist eines von zwei Eingangssignalen
für ein UND-Glied 140, dessen Ausgang mit einer
Integratorschaltung 142 verbunden ist. Der zweite Eingang
des UND-Gliedes 140 erhält ein die Integration ermöglichendes
Signal IE, das eine logische 1 immer dann ist, wenn
entweder das Verknüpfungssignal A oder das Verknüpfungssignal
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
impulsbreitenmodulierte Signal über das UND-Glied 140 zugeführt,
wenn es durch das die Integration ermöglichende Signal
IE leitend ist. Das Ausgangssignal der Integratorschaltung 142
erscheint am Ausgang 6 des Operationsverstärkers LM 318
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 Abtastantrieb 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 Abtast- und Halteschaltungen
146 oder 148, erscheint ein Integrator-Rücksetzsignal
am Eingangsanschluß IR, das einen Transistor Q 12
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
0 ist.
Während des Betriebs sind die Abtast- und Halteschaltungen 146
und 148 wirksam, um Gleichspannungen zu speichern, die
die Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten Signal an
dem einen Umformer und dem empfangenden 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 216 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 Ausgangsanschluß 14
erzeugt, die gleich der Differenz zwischen der Spannung,
die seinem nichtinvertierendem Eingangsanschluß zugeführt
wird und der Spannung ist, die an seinem invertierenden Eingangsanschluß
erscheint (⌀ D - ⌀ U). Wie früher angegeben wurde,
gibt diese Differenz die nicht korrigierte Strömungsgeschwindigkeit
eines Gases durch die Umformeranordnung 10 (Fig. 1)
an. Um das Strömungsmeßgerät in geeigneter Weise abzugleichen,
hat der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers
ein insgesamt mit 152 bezeichnetes Einstell-
Netzwerk, das mit ihm verbunden ist, um die Spannung an dem
nichtinvertierenden Eingangsanschluß so einzustellen, daß
die an dem Ausgangsanschluß 14 erscheinende Spannung immer
dann gleich 0 ist, wenn die Strömungsgeschwindigkeit durch
die Umformeranordnung 10 gleich 0 ist. Diese Einstellschaltung 152
kompensiert verschiedene Schaltungsabgleichfehler,
besonders solche der Abtast- und Halteschaltungen 146 und
148.
Das Ausgangssignal der Abtast- und Halteschaltungen 146 und
148 wird jeweils über einen 20K-Widerstand an den Eingangsanschluß 5
einer weiteren Abtast- und Halteschaltung 154
gegeben. Da die Ausgangssignale der Abtast- und Halteschaltungen 146
und 148 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
146 und 148 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 146 und 148 zu dem
Zeitpunkt gespeichert sind, wenn das Ansteuersignal erscheint.
Wie zuvor bereits angegeben wurde, weist diese am Ausgangsanschluß 8
des Verstärkers 156 auftretende Spannung ( Φ D + Φ U)
eine relative Angabe für die Schallgeschwindigkeit in dem
Gas innerhalb der Umformeranordnung 10 auf.
Die an dem Anschluß 8 des Verstärkers 156 erscheinende
Spannung ( Φ D + Φ U) wird an ein Tiefpaßfilter zurückgekoppelt,
das einen 1MΩ-Widerstand und einen 1MF-Kondensator
aufweist. Die an diesem 1MF-Kondensator auftretende
Spannung wird an einen Anschluß 9 der Schaltung CD 4046 gegeben,
die intern mit dem spannungsgesteuerten Oszillator
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 Schaltung der Fig. 4 und 5 in Verbindung mit den Schaltungen
der Fig. 2 erzeugen ein Signal an dem Ausgangsanschluß 14
des Verstärkers 150, das der nicht korrigierten Strömungsgeschwindigkeit
durch die Umformeranordnung 10 entspricht, und ein weiteres
Ausgangssignal am Anschluß 8 des Verstärkers 156, das der
Schallgeschwindigkeit in dem Gas innerhalb der Umformeranordnung 10
entspricht. Nach Maßgabe der Regeln bei der Bestimmung
des Umformers 24 als stromauf liegender 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 Richtung 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 14
des Verstärkers 150 positiv, so gibt dieses an, daß das
Strömungsmittel durch die Anordnung 10 in einer Richtung
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
Umformeranordnaung 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
bestimmen, ob die Geschwindigkeit größer oder kleiner als
die ist, für die das Strömungsmeßgerät abgeglichen wurde,
muß die Amplitude zum Zeitpunkt des Abgleichs 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 0 ist,
wenn das Abgleichströmungsmittel in der Umformeranordnung
vorhanden ist. Ändert sich dann die Schallgeschwindigkeit
in dem Strömungsmittel, so wird die Ausgangsspannung entweder
positiv oder negativ und das Vorzeichen der Spannung entspricht
dem Unterschied, ob 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 Eingangssignal
für die Schaltung der Fig. 6.
Eine weitere andere Ausbildung ermöglicht, daß die Ausgangsspannung
gleich dem Wert 1 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.
Die Schaltung der Fig. 6 weist eine Schaltung zur Annahme
der nicht korrigierten Strömungsgeschwindigkeit vom Ausgangssignal
des Verstärkers 150 in Fig. 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 f₁/f₂ ist, wobei f₁ die anfängliche Abgleichfrequenz
des spannungsgesteuerten Oszillators in Fig. 5
ist und f₂ die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators
ist, wenn ein Gas sich in dem Umformer befindet, das
eine unterschiedliche Schallgeschwindigkeit hat. Die
Schaltung der Fig. 6 mulitpliziert das Ausgangssignal der
nicht korrigierten Strömungsgeschwindigkeit des Verstärkers 150
mit f₂/f₁, um ein Signal für die korrigierte Strömungsgeschwindigkeit
am Anschluß 7 des Verstärkers LM 324 B in
Fig. 6 zu erzeugen.
Die Fehlerspannung des spannungsgesteuerten Oszillators, die
am Ausgang des Verstärkers 156 in Fig. 5 erscheint, ist
proportional der Frequenz und wird zum Erzeugen eines Korrekturfaktors
zum Korrigieren der Strömungsgeschwindigkeit benutzt.
Der Operationsverstärker LM 308 der Fig. 6 wirkt als
ein Signalumformer, und erhält die Fehlerspannung ( Φ D + Φ U)
des spannungsgesteuerten Oszillators. Durch Einstellung
des mit dem Verstärker LM 308 verbundenen Widerstandes zum
Abgleich auf 0 wird am Anschluß 6 eine Ausgangsspannung
von 0 Volt erzeugt, wenn die Fehlerspannung den Nominalpegel
von +7,5 Volt hat. Der Signalumformer erzeugt eine
Ausgangsspannung von ±1,05 Volt pro Abweichung von ±5 KHz.
Das Ausgleichssignal am Anschluß 6 des Verstärkers LM 308
moduliert dann einen Einsatzzyklus-Modulator, der aus
Verstärkern LM 324 A und LM 311 und die mit diesen verbundene
Schaltung gebildet ist. Wenn der spannungsgesteuerte
Oszillator auf der Abgleichfrequenz arbeitet, ist das
Ausgangssignal am Verstärker LM 308 gleich 0 und der
Einstellwiderstand für den Einsatzzyklus, der mit dem
Verstärker LM 324 A verbunden ist, wird auf 50% eingestellt,
wobei die Feldeffekttransistor-Schalter Q 14 und
Q 15 für 50% der Zeit gesperrt und für 50% der Zeit leitend
sind. Als Folge davon ist die Verstärkung des Verstärkers
LM 324 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 LM 324 B
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 LM 308 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 LM 324 B 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 LM 324 B 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.
Die Beschreibung hat auch etwas die Tatsache betont, daß
die Erfindung für ein Strömungsmeßgerät geeignet ist, mit
dem die Strömungsrichtung, die Strömung und die Schallgeschwindigkeit
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 Schutzumfang verlassen
wird. So kann z. B. anstelle des Phasendetektors und der
Phasensummen- und Differenzrechnern auch eine andere äquivalente
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 Strömungsmittelströmung und die andere
die Geschwindigkeit der akustischen Drücke in dem Strömungsmittel
ohne Strömungsmittelströmung sind. Einer dieser äquivalenten
Geschwindigkeitsrechner kann eine Einrichtung zum
Bestimmen der Zeitdifferenz zwischen dem Start der akustischen
Drücke an einem sendenden Umformer und dem Zeitpunkt,
zu dem der 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.
Claims (16)
1. Strömungsmeßgerät für ein längs eines Weges strömendes
Strömungsmittel mit einem ersten und einem zweiten längs
des Strömungsweges angeordneten Wandler zur Erzeugung von
stromabwärts bzw. stromaufwärts laufenden Schalldruckwellen,
einer Umsteuerschaltung, um abwechselnd in einem ersten
Meßzyklus den ersten bzw. zweiten Wandler als Schallsender
bzw. Schallempfänger und in einem zweiten Meßzyklus
den zweiten Wandler bzw. ersten Wandler als Schallsender
bzw. Schallempfänger zu betätigen, Einrichtungen, um eine
erste Phasendifferenz bei stromaufwärts laufenden Schalldruckwellen
zwischen den Signalen des ersten und zweiten
Wandlers und eine zweite Phasendifferenz bei stromabwärts
laufenden Schalldruckwellen zwischen den Signalen des
zweiten und ersten Wandlers zu messen, Einrichtungen zur
Erzeugung eines von der Differenz zwischen den beiden Phasendifferenzen
abhängigen Differenzsignals, dessen Größe
bzw. Vorzeichen mit dem jeweiligen Fluidströmungsfluß bzw.
dessen Richtung in Beziehung steht, und mit einem einstellbaren
Oszillator zum automatischen Einstellen der
Frequenz der Schalldruckwellen zur Erreichung möglichst
hoher von den Wandlern empfangener Signale,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung (146, 154, 156) zur Bildung der Summe
einer ersten und einer zweiten Phasendifferenz (Φ D + Φ U )
vorgesehen ist und daß die Frequenz des einstellbaren
Oszillators (VCO) in Abhängigkeit von dem Signal der Summe
der beiden Phasendifferenzen derart gesteuert wird, daß
ein Resonanzecho über dem Durchmesser (D) einer der
Wandler (24, 26) auftritt, wenn dieser auf ein Signal
anspricht.
2. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste und zweite Wandler (24, 26) jeweils einen
sendenden und einen getrennten empfangenden Wandler haben.
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 Wandler (24, 26) einen zylindrischen Körper
aufweist, dessen Innenmantelfläche im wesentlichen fluchtend
mit der Richtung der Strömungsmittelströmung ausrichtbar
ist.
5. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Wandler (24, 26) einen Kristall aufweist.
6. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kristall aus einem Material aus der Polyvinylfluoride,
Bariumtitanat, Bleizirkonattitanat, Quarz,
Turmalin, hochpolymere organische piezoelektrische
Materialien oder polarisierte polykristalline ferroelektrische
Keramikmaterialien aufweisenden Gruppe hergestellt
ist.
7. Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der einstellbare Oszillator (VCO) zum automatischen
Einstellen der Frequenz der Schalldruckwellen ein Oszillator
zum Erzeugen eines Signals bei einer Frequenz
ist, die zumindest teilweise durch die Summe der ersten
Phasendifferenz und der zweiten Phasendifferenz bestimmt
ist.
8. Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umsteuerschaltung (50) zusätzliche eine Einrichtung
(Q₁ bis Q₆) zum kontinuierlichen Umschalten zwischen
dem ersten Sende-Empfangs-Zyklus und dem zweiten
Sende-Empfangs-Zyklus hat.
9. Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung (146, 148) 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
(Fig. 6) zum Korrigieren des Differenzsignals in ein
korrigiertes Strömungsflußsignal.
11. Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
gekennzeichnet
durch akustisches Dämpfungsmaterial (30, 32), das längs
des Weges des Strömungsmittels an einer Stelle angeordnet
ist, um die Schallwellendrücke von einem der Wandler (24,
26) vor einem Austreten aus dem Strömungsmeßgerät und die
reflektierten Schallwellendrücke bei einem Eindringen in
das Gerät wesentlich zu vermindern.
12. Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
gekennzeichnet
durch eine Einrichtung (LM 308, LM 324, LM 311), die auf
die die Frequenz einstellende Einrichtung (156) und auf
die die Differenz erzeugende Einrichtung (150) anspricht,
um ein Strömungsfluß-Aussgangssignal zu erzeugen, das
die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels
angibt.
13. Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
gekennzeichnet
durch eine auf das korrigierte Differenzsignal und die die
Frequenz einstellende Einrichtung (156) ansprechende Einrichtung
zum Erzeugen eines die Schallgeschwindigkeit (c)
in dem Strömungsmittel angebenden Signals.
14. Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des Oszillators (VCO) derart eingestellt
wird, daß die Strecke D des Durchmessers eines Wandlers
(24, 26) senkrecht zur Richtung der Strömungsmittel-Strömung
eine Eigenwertzahl der in dem Strömungsmittel erzeugten
Wellenlänge (λ) des Schalls ist.
15. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des Oszillators (VCO) derart eingestellt
wird, daß sich an den Wandlern (24, 26) jeweils die natürliche
Hohlraumresonanzfrequenz der 02-Mode ergibt.
16. Strömungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des Oszillators (VCO) auf einem solchen
Wert gehalten wird, daß der Durchmesser D eines Wandlers
im wesentlichen gleich 2,3 λ ist, wobei λ die Wellenlänge
des von den Wandlern (24, 26) in dem Strömungsmittel
innerhalb des Weges erzeugten Schalls ist.
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