DE2831270A1

DE2831270A1 - Vorrichtung zur temperaturmessung

Info

Publication number: DE2831270A1
Application number: DE19782831270
Authority: DE
Inventors: Sigeyuki Akita; Hisato Wakamatsu
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1977-07-20
Filing date: 1978-07-17
Publication date: 1979-02-01
Also published as: JPS5421894A; US4201087A; DE2831270C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines Objekts gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Vorrichtung also, bei der die Temperatur eines Mediums, etwa von Luft, dadurch gemessen wird, daß eine temperaturabhängige Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer akustischen Welle in diesem Medium ermittelt wird.

Es sind bereits Vorrichtungen bekannt geworden, 10 bei denen ein Ausgangssignal eines Trägerwellengenerators mit Hilfe eines NF-Generators veränderbarer Frequenz frequenzmoduliert wird, um eine modulierte Welle zur Erregung eines Ultraschallschwingers zu schaffen. Der Ultraschallschwinger sendet dabei intermittierend 15 eine Ultraschallwelle von etwa 40 KHz gemäß der in Fig. 9a gezeigten Wellenform. Diese Ultraschallwelle

Deutsche Bank (München) Klo. 51/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939 B44

HO/ba

Postschock (München) Kto. 670-43-804

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wird von einem Empfänger empfangen und verstärkt, um ein in Fig. 9B gezeigtes Signal zu erhalten. Das verstärkte Signal wird zur Gewinnung einer Modulationswelle durch einen Frequenzdxskrimxnator geleitet. Die auf diese Weise erhaltene Modulationswelle wird bezüglich ihrer Phase einem Vergleich unterzogen, damit ihre Modulationsfrequenz so verändert werden kann, daß der Abstand zwischen dem akustischen Sender und dem Empfänger ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge der Modulationswelie wird und die sich ergebende Frequenz die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Temperatur des Mediums zwischen dem Sender und dem Empfänger angibt.

Bei diesen bekannten Vorrichtungen benötigt man jedoch eine Zeit zum Aufbau eines Signals, wie bei B-1 in Fig. 9B dargestellt, zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Empfänger die Trägerwelle empfängt, und dem Zeitpunkt, zu dem sich eine Ausgangswelle mit festem Pegel ergibt. Die Folge davon ist, daß, wenn nicht nur das zu messende Medium sondern auch die gesamte Meßschal·- tung einer beträchtlichen Temperaturänderung unterliegen, beispielsweise eine bei C-1 in Fig. 9C gezeigte WeUenform, die im Empfänger bei einer Temperatur TO empfangen und verstärkt wird, offensichtlich gemäß der in Fig. 9C gezeigten Wellenform C-2 verschoben wird, wenn sich die Temperatur ändert und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers ansteigt. Daher ergibt sich eine Phasendifferenz oder Zeitdifferenz t infolge einer Änderung der Leistung· der Meßschaltung. Eine tatsächiiche Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle kann daher nicht präzise ermittelt werden.

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Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Vorrichtung so auszugestalten, daß das erwähnte Problem vermieden wird und die Temperatur mit einer höheren Genauigkeit ermittelt werden kann. 5

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.

Die Erfindung sieht vor, daß ein akustischer Sender und ein Empfänger eine Trägerwelle in Form einer Ultraschallwelle ununterbrochen sendet bzw. empfängt, so daß ständig eine Ausgangswellenform mit einem festen Pegel unabhängig von der Umgebungstemperatur erhalten werden kann. Dadurch kann die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle zur Messung der Temperatur des zu messenden Mediums immer stabil und genau ermittelt werden kann.

Die Erfindung umfaßt eine Fühlerschaltung, die den Sender und den Empfänger für das ununterbrochene Senden und Empfangen einer Trägerwelle als Ultraschallwelle enthält, und eine Verarbeitungsschaltung, die aie Temperatur des zu messenden Mediums aufgrund der Phasendifferenz zwischen den gesendeten und den empfangenen Signalen ermittelt. Ein Impulssignal_r dessen Frequenz das Doppelte der Erregerfrequenz des Ultraschallschwingers beträgt, wird von der Verarbeitungsschaltung über Signalleitungen an die Fühlerschaltung geliefert, wo das Impulssignal zur Schaffung des Erregersignals um den Faktor 1/2 frequenzgeteilt wird. Daher können die Fühlerschaltung und die Verarbeitungsschaltung im Abstand voneinander angeordnet sein und die Temperatur des zu messenden Mediums dennoch immer stabil und genau gemessen werden.

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Ein Phasendifferenzdetektorsignal oder Phasendifferenzsignal von der Fühlerschaltung wird in der Verarbeitungsschaltung hochfrequenzmoduliert. Die modulierten Impulse werden jeweils während bestimmter Zeitintervalle aufeinanderfolgend gezählt und ihr Mittelwert über die bestimmten Zeitintervalle angezeigt. Daher kann die Temperatur des zu messenden Mediums stabil und an entfernter Stelle angezeigt werden.

Der akustische Sender sendet kontinuierlich eine Ultraschallwelle, der Empfänger empfängt die Trägerwelle vom Sender durch das zu messende Medium hindurch, und eine Bestimmungsschaltung ermittelt auf der Grundl-age der entsprechenden Pulsdauer die Phasendifferenz zu einem bestimmten Zeitpunkt zwischen der vom Sender ausgesendeten Signalfolge und der vom Empfänger empfangenen und bestimmt aufgrund der festgestellten Pulsdauer die Temperatur des zu messenden Mediums. Dabei sendet der Sender und empfängt der Empfänger die Trägerwelle konstant ohne Unterbrechung. Der Empfänger kann konstant eine Ausgangswellenform mit einem festen, von der Umgebungstemperatur unabhängigen Pegel liefern, so daß die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle stabil und genau festgestellt werden kann, um die Temperatur des zu messenden Meidums zu messen. Falls eine Temperaturbestimmungsschaltung wie die erwähnte Bestimmungsschaltung vorhanden ist, in der ein Phasendifferenzsignal, das der Phasendifferenz entspricht, hochfrequenzmoduliert wird und die Anzahl der modulierten Impulse zur Ermittlung der Temperatur des zu messenden Mediums gezählt wird, kann die dem Phasendifferenzsignal entsprechende Pulsdauer verläßlich ermittelt werden, während die Genauigkeit der Er-

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mittlung der Pulsdauer durch einfache Einstellung leicht verändert werden kann.

Die Fühlerschaltung besitzt eine Signalformschaltung, die ein Impulssignal von einer ersten Signalleitung empfängt und ein Erregersignal mit einer Frequenz erzeugt, die sich durch Frequenzteilung des Impulssignals durch zwei ergibt. Dieses in der Frequenz halbierte Signal dient der Erregung des Ultraschallschwingers.

Die Signalformschaltung erzeugt ferner ein bestimmtes Synchronsignal. Die Fühlerschaltung umfaßt außerdem den Sender, der aufgrund des Erregersignals konstant sendet, sowie den Empfänger, der die Trägerwelle des Senders durch das zu messende Medium hindurch empfängt. Eine Phasendifferenzermittlungs- und Verarbeitungsschaltung stellt unter Zuhilfenahme des Synchronsignals die Phasendifferenz bezogen auf die entsprechende Pulsbreite zwischen einer Reihe von Erregersignalen und einer Reihe von den vom Empfänger empfangenen Signalen fest. Die Verarbeitungsschaltung umfaßt einen Hochfrequenzgenerator, der das Impulssignal mit bestimmter Frequenz über die erste Signalleitung sendet, eine Bestimmungs- und Verarbeitungsschaltung, die die Temperatur des zu messenden Mediums aufgrund des Phasendifferenzsignals ermittelt, das über die zweite Signalleitung von der Fühlerschaltung kommt. Da ein Impulssignal mit einer Frequenz, die doppelt so groß wie die Erregerfrequenz des Ultraschallschwingers ist, von der Verarbeitungsschaltung zur Fühlerschaltung gesendet wird, kann die Fühlerschaltung mit konstanter elektrischer Leistung versorgt werden, mit einem Tastverhältnis von 1:1 unabhängig von Störungen beispielsweise in der verteilten Kapazität der ersten Signalleitung. Dies gilt selbst dann, wenn die Fühlerschaltung und die Verarbeitungs-

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schaltung im Abstand voneinander angeordnet sind. Das bedeutet, daß die Signalformschaltung in der Fühlerschaltung ihre Punktion konstant mit Stabilität und Verläßlichkeit ausführt und daß die Trägerwelle konstant gesendet und empfangen werden kann, so daß die Phasendifferenz zwischen der Serie von gesendeten Signalen und der Serie von empfangenen Signalen festgestellt werden kann. Als Folge davon kann die Temperatur des zu messenden Mediums auch über eine Entfer- nung stabil und verläßlich gemessen werden.

Zusätzlich zu der in Verbindung mit der vorangegangenen Weiterbildung erläuterten Fühlerschaltung kann ein Hochfrequenzgenerator vorgesehen sein, der das Impulssignal mit einer bestimmten Frequenz über die erste Signalleitung zur Fühlerschaltung liefert. Eine Modu-■ latorschaltung kann das von der Fühlerschaltung über die zweite Signalleitung erhaltene Phasendifferenzsignal mit Hilfe des Signals vom Hochfrequenzgenerator hochfrequenzmodulieren. Eine Temperaturbestimmungsund Verarbeitungsschaltung zählt aufeinanderfolgend die modulierten Impulse von der Modulatorschaltung jeweils während eines bestimmten Zeitintervalls und bestimmt mit Hilfe des gezählten. Werts die Temperatur des zu messenden Mediums. Eine Verarbeitungs- und Anzeigeschaltung mit einer Anzeigeeinrichtung zeigt in einer bestimmten Temperatureinheit digital das Bestimmungssignal von der Temperaturbestimmungs- und Verarbeitungsschaltung an. Auf diese Weise kann der Mittelwert der Temperatur über ein definiertes Zeitintervall angezeigt werden. Daher kann die Temperatur des zu messenden Mediums konstant angezeigt werden, und zwar stabil und selbst über eine Entfernung.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des grundsätzlichen Aufbaus einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2A, 2B und 2C das gesamte elektrische Schaltbild mit ins einzelne gehenden elektrischen Verbindungen im Blockschaltbild von Fig. 1,

Fig. 3 bis 8 Signalverläufe an verschiedenen Stellen der Schaltung zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und 15

Fig. 9 Signalverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise bekannter Vorrichtungen.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des grundsätzliehen Aufbaus der Vorrichtung. In diesem Blockschaltbild enthält der Block 100 einen Anzeigeteil und der Block 120 einen Fühlerteil·, die beide über Versorgungsleitungen 10 und 11 von einer elektrischen StromgueUe 10 versorgt werden und über Signa^eitungen 13 und 14 zum Aussenden und Empfangen von Signaien miteinander verbunden sind.

Im Anzeigeteil 100 ist 101 ein Hochfrequenzgenerator (HF-Generator), 102 eine Referenzschaltung, 103 eine Moduiatorschalung, 104 eine Akkumuiatürschalung, 105 eine Taktsignaischa^ung, 106 eine Verknüpungsscha^ung, 107 eine Zählschaltung, 108 eine Schaltschal· tung, 109 eine Diskriminatorschaitung und 110

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eine Anzeigeschaltung. Die Referenzschaltung 102 teilt die Frequenz des Signals vom HF-Generator 101 zur Erzielung einer Frequenz (die nachfolgend als Bezugsfrequenz bezeichnet wird), die doppelt so groß wie die Erregerfrequenz für den Fühlerteil 120 ist. Die Modulatorschaltung 103 moduliert das HF-Signal mit einem Phasendifferenzsignal vom Fühlerteil 120. Die Akkumulatorschaltung 104 akkumuliert das modulierte Impulssignal. Die Taktsignalschaltung 105 liefert nach je-

TO weils einem bestimmten Zeitintervall ein Taktsignal. Die Verknüpfungsschalung 106 liefert als Antwort auf jedes Taktsignal ein Speichersignal und ein Rückstellsignal. Die Zählschaltung 107 zählt die Anzahl der in der Akkumulatorschaltung 104 akkumulierten Impulse.

Die Schaltschaltung 108 schaltet die Anzahl der akkumulierten Impulse abhängig davon, ob die Temperatur des Mediums Luft positiv oder negativ ist. Die Diskriminatorschaltung 109 stellt fest, ob die Temperatur des Mediums Luft positiv oder negativ ist, und die Anzeigeschaltung 110 zeigt die Temperatur des Mediums Luft an.

Der Fühlersteil 120 enthält eine Synchronschaltung 121, die die Bezugsfrequenz vom Anzeigeteil 100 durch zwei teilt und die Erregerfrequenz für den Ultraschallschwinger und außerdem ein Synchronsignal zur Ermittlung der Phasendifferenz zwischen den von einem Sender 123 ausgesendeten und den von einem Empfänger 124 empfangenen Signalen liefert. Der Sender 123 und der Empfänger 124 senden bzw. empfangen ununterbrochen Signale mit der Erregerfrequenz. 122 ist ein Phasendifferenzdetektor, der die Phasendifferenz zwischen den dem Sender 123 übertragenen Signalen und den vom Empfänger 124 gelieferten Signalen ermittelt.

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Unter Bezug auf Fig. 2, die ein elektrisches Gesamtschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt, werden im folgenden die Einzelheiten des voranstehend erläuterten Aufbaus und seiner Wirkungsweise beschrieben.

Gemäß Fig. 2 ist der HF-Generator 101 eine bekannte Oszillatorschaltung mit einem Quarzoszillator, die einen Quarz 203, Kondensatoren 201 und 202, Widerstände 204, 205, 206 und 207, Verknüpfungsglieder 208 und 209 sowie ein verstärkendes Nicht-Glied 210 enthält. Das durch die Schwingungen des HF-Generators erzeugte Impulssignal wird mittels der Referenzschaltung 102 durch hundert frequenzgeteilt. Die Referenzschaltung 102 enthält Dekadenzähler 211 und 212, ein Nicht-Glied 213 und einen Transistor

214. Am Anschluß 14" erscheint ein Bezugssignal, dessen Verlauf sich durch Invertierung des Signalverlaufs (300) in Fig. 3 ergibt. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden zwei integrierte Schaltungen (IC) SN7490s der Firma Texas Instruments (im folgenden als TI bezeichnet) in Kaskadenschaltung als Dekadenzähler 211 und 212 zur Schaffung des durch hundert frequenzgeteilten Bezugssignals verwendet. Das Bezugssignal, d.h. das Signal mit der Bezugsfrequenz, gelangt an einen Anschluß 14" des Fühlerteils 120, wo es mittels eines Nicht-Glieds 21 geformt wird, an dessen Ausgang das bei (300)in Fig. 3 gezeigte Signal auftritt. Dieses Bezugssignal 300 erreicht den Eingang der Synchronschaltung 121. Die Synchronschaltung 121 enthält eine Frequenzteilerschaltung (SN7493 von TI) und liefert an Leitungen 131 bzw. 141 durch zwei bzw. durch acht frequentgeteilte Signale, die bei (301) und (302) in Fig. 3 gezeigt sind. Das Signal 301 wird dem Sender 123 zugeführt,

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wo es einen Leistungsverstärker mit drei Nicht-Gliedern 26, die parallelgeschaltet sind, durchläuft, um einen Ultraschallschwinger einer Sendeeinrichtung 27 zu erregen. Von der Sendeeinrichtung 27 wird daraufhin ständig die bei (303)in Fig. 3 gezeigte Ultraschallwelle ausgestrahlt. Die Sendeeinrichtung 27 und eine entsprechende Empfangseinrichtung 28 sind bekannte Einrichtungen, wie sie üblicherweise zum Senden bzw. Empfangen von Ultraschallwellen verwendet werden. Der Grund dafür, daß das Bezugssignal zur Schaffung der Erregerfrequenz um den Faktor 1/2, d.h. also durch zwei frequenzgeteilt wird, besteht in folgendem. Selbst falls beispielsweise der Ort des Anzeigeteils 100 und der des Fühlerteils 120 voneinander entfernt sind und das Tastverhältnis der Perioden (Ta in Fig. 3 (300)) des am Anschluß 14" des Fühlersteils 120 ankommenden Bezugssignals infolge der verteilten Kapazität oder ähnlichem der Signalleitung 14, welche diese Teile verbindet, von Periode zu Periode verschieden ist, hat jede Periode (Tb in Fig. 3 (301)) des durch zwei frequenzgeteilten Ausgangssignals ein Tastverhältnis von 1:1, so daß die Sendeeinrichtung 27 konstant eine definierte elektrische Leistung liefert. Man wird diese Art der Verarbeitung wählen, falls, wie oben beschrieben, die Signalleitung 14 lang ist (z.B. mehrere Meter lang). Falls die Signalleitung 14 jedoch kurz und ihre verteilte Kapazität gering ist, ist es nicht unbedingt erforderlich, daß im Fühlerteil 120 die Frequenzteilung um den Faktor 1/2 erfolgt.

Die von der Sendeeinrichtung 27 ständig ausgesandte Ultraschallwelle wird von der Empfangseinrichtung 28 empfangen, deren Ausgang ständig ein Empfangssignal liefert, das bei (310) in Fig. 3 gezeigt ist

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und der empfangenen Ultraschallwelle entspricht. Das Empfangssignal 310 wird an den invertierenden Eingang und den nicht-invertierenden Eingang eines !Comparators 29 angelegt, an dessen Ausgang ein Signal mit dem bei (311)in Fig. 3 gezeigten Verlauf auftritt. Dieses Signal 311 ist dem auch als Trägerwelle bezeichneten Signal 301 ähnlich, unterscheidet sich jedoch in der Phase. Man sorgt dafür, daß das eine ununterbrochene Welle darstellende Empfangssignal 310 von der Empfangseinrichtung 28 symmetrisch um die Null-Volt-Linie schwingt, so daß der Komparator 29 das impulsförmige Signal 311 erzeugt, das sich in Abhängigkeit vom Polaritätswechsel des Emfpangssignals 310 ändert. Selbst wenn also der Komparator 29 eine Temperaturdrift aufweist, wird sein Ausgangssignal von dieser Temperaturdrift nicht beeinflußt.

Die Trägerwelle 301 und das auch als Empfangswelle bezeichnete Signal 311 gelangen an die Takteingänge CP von JK-Flipflops 22 und 23 des Phasendifferenzdetektors 122. Da die Löscheingänge der JK-Flipflops 22 und mit dem invertierten Verlauf des Synchronsignals 302 beaufschlagt sind, erscheint am Ausgang Q des Flipflops 22 jeweils nach einem Zeitintervall TO, das bei (312) in Fig. 3 gezeigte Signal, während am Ausgang Q des Flipflops 23 jeweils nach dem Zeitintervall TO das bei (313)in Fig. 3 gezeigte Signal auftritt. Die Signale 312 und 313 erreichen die Eingänge eines NAND-Glieds 24. Mit der Periode TO tritt daher am Ausgang des NAND-Glieds 24 das bei (314)in Fig. 3 gezeigte Phasendifferenzsignal auf, dessen Impulsbreite die Phasendifferenz T1 ist.

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Diese Phasendifferenz soll nun unter Bezug.auf Fig. 4 erläutert werden. Wenn gemäß Fig. 4 eine Sendeeinrichtung 401 und eine Empfangseinrichtung 402 um einen definierten Abstand 1 voneinander entfernt sind und zum Zeitpunkt AO von der Sendeeinrichtung 401 auf der Trägerwelle 411 ein Signal ausgesandt wurde, dann ergibt sich das Zeitintervall t vom Zeitpunkt AO zum Zeitpunkt Al zu t = -l/v, wobei ν die Schallgeschwindigkeit ist. Da η Impulse (n. = 0, 1, 2, ...) während dieses ZeitIntervalls t von der Sendeeinrichtung 4 01 ausgesendet werden, haben die Impulssignale oder die Folgen von Impulsen eine Phasendifferenz T = (l/v)-n*Tb (wobei Tb die Periode des Impulssignals ist) zwischen der Empfangseinrichtung 402 und der Sendeeinrichtung 401» Aus dieser angegebenen Beziehung geht hervor, daß die Phasendifferent T von der Schallgeschwindigkeit ν und damit von der Lufttemperatur abhängig ist.

Aus der obigen Beziehung für die Phasendifferenz T geht ferner hervor, daß die Phasendifferenz T außerdem erheblich von der Entfernung 1 abhängt, nämlich mit zunehmender Entfernung 1 zunimmt, so daß mit zunehmender Entfernung auch die Genauigkeit der Phasendifferenzermittlung zunimmt. Auf der anderen Seite nimmt mit wachsender Entfernung 1 auch die Schwankung der ermittelten Phasendifferenz T zu, die durch die Schwankung der Temperaturverteilung oder ähnliches infolge einer Luftströmung zwischen der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung hervorgerufen wird. Daher kann die Lufttemperatur möglicherweise nicht ermittelt werden, wenn am Meßpunkt eine deutliche Schwankung der Luftströmung vorliegt. Daher muß die Entfernung 1 unter Berücksichtigung des Schwankungsmaßes der Temperaturverteilung des

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zu messenden Objekts und der Periode der Trägerwelle geeignet bestimmt werden. Einige experimentelle Ergebnisse der vorliegenden Ausführungsform haben ergeben, daß die Entfernung 1 günstig zwischen 24 bis 30 mm für eine Trägerwellenfrequenz von 40 KHz liegt. Allgemein kann man sagen, daß, falls die Werte für die Entfernung 1 die Gleichung 1 = n-Tb + T erfüllen, daß dann diese Werte verwendet werden können (T ist die Phasendifferenz, Tb ist die Periode des Synchronsignals und η = 1, 1, 2

Das Phasendifferenzsignal wird vom Anschluß 13" des Fühlerteils 120 über die Signalleitung 13 zum Anschluß 13' des Anzeigeteils 100 übertragen. Daher erscheint am Ausgang eines Nicht-Glieds 221 der Modulatorschaltung 103 ein bei (501)in Fig. 5 gezeigtes Phasendifferenzsignal. Das Phasendifferenzsignal 501 ist das gleiche wie das Phasendifferenzsignal 314, jedoch in vergrößertem Zeitmaßstab. Ein NAND-Glied 223 moduliert ein HF-Signal 502 von der Referenzschaltung 102 mit diesem Phasendifferenzsignal 501 und liefert an seinem Ausgang ein moduliertes Impulssignal 503, dem im Zeitintervall T1 die Hochfrequenzimpulse überlagert sind. Falls sich die Phasendifferenz T1 mit einer Änderung der Lufttemperatur ändert, ändert sich folglich auch die Anzahl der Hochfrequenzimpulse, die im Zeitintervall T1 auftreten, entsprechend. Wenn die Frequenz des HF-Signals 502 erhöht wird, wird die Anzahl der Hochfrequenzimpulse größer, so daß die Genauigkeit der Ermittlung der Phasendifferenz T1 erhöht wird.

Das Phasendifferenzsignal 501 vom Ausgang des NichtGlieds 221 wird auch noch der Taktsignalschaltung 105 zugeführt, die die Impulse des Phasendifferenzsignals 501 bis 2 (in diesem Beispiel 2 ) zählt, um ein Takt-

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signal bestimmter Zeit bzw. Periode zu erzeugen. Die

„. , _m—3 _om—2 „m—1 , „m
Signale 2 ,2 ,2 und 2 si)

(603) und (604) in Fig. 6 gezeigt.

Signale 2^m"³, 2^m~², 2^{m 1} und 2^m sind bei (601), (602),

Alle diese Signale werden an die Verknüpfungsschaltung 106 geliefert, die Nicht-Glieder 251 und 252 und NAND-Glieder 253 und 254 enthält. An den Ausgängen des NAND-Glieds 253 und des NAND-Glieds 254 in der Verknüpfungsschaltung 106 treten ein bei (605) in Fig.

gezeigtes Speichersignal bzw. ein bei (606) in Fig. 6 gezeigtes Rückstellsignal auf. Das Signal 6 04 wird an einen Eingang eines NOR-Glieds 271 der Schaltschaltung 108 geliefert, während der andere Eingang dieses NOR-Glieds das Ausgangssignal 607 der Akkumulatorschaltung 104 empfängt, das das modulierte Impulssignal um

2^m Impulse akkumuliert hat. Am Ausgang des NOR-Glieds 271 erscheint daher ein bei (608) in Fig. 6 gezeigtes Signal. Es ist evident, daß die Anzahl der im Zeitintervall T2 im Signal 608 vorhandenen Impulse gleich dem Mittelwert der Anzahl von Impulsen ist, die im Intervall T1 des modulierten Impulssignals 503 vorhanden sind, wobei der Mittelwert über das Zeitintervall ti gebildet wurde (ti = TO "· 2^m). Das modulierte Impulssignal 503 wird in der Akkumulatorschaltung 104 während des Zeitintervalls ti akkumuliert. Dieses Zeitintervall ti wird durch die . TJaktsignalschaltung 105 vorgegeben, so daß der Mittelwert der Phasendifferenz über das Zeitintervall ti gebildet wird.

Das Rückstellsignal 606, welches das Ausgangssignal des NAND-Glieds 254 ist, bringt ein D-Flipflop 283 in der Diskriminatorschaltung 109 in den Ausgangszustand, so daß seine Ausgänge Q und Q "0" bzw. "1" werden. Wenn diese Signale Q und Q die Eingänge der NAND-Glieder

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272 bzw. 273 der Schaltschaltung 108 erreichen/ wird das NAND-Glied 272 gesperrt, während das NAND-Glied geöffnet, d.h. also auf Durchlaß geschaltet wird. Am Ausgang des NAND-Glieds 273 erscheint daher das bei

(701) in Fig. 7 gezeigte Signal. Dieses Signal 701 erreicht den Anschluß "Abwärtszählen" des Aufwärts/Abwärts-Zählers 261 in der Zählschaltung 107. Der Borgeanschluß des Aufwärts/AbwärtsZählers 261 liefert jedesmal einen Impuls, wenn zehn Impulse den Abwärtszählanschluß des Zählers erreicht haben. Das Ausgangssignal vom Borgeanschluß gelangt an den Abwärtsζähleingang der nächsten Stufe des Aufwärts/Abwärtszählers 262, so daß der Aufwärts/Abwärtszähler 261 die erste Stelle und der Aufwärts/ Abwärtszähler 262 die zweite Stelle oder Größenordnung darstellt. Das gleiche gilt, wenn die Aufwärtszählanschlüsse beim Aufwärtszählen mit Signalen beaufschlagt werden.

Es sei nun angenommen, daß die Signale an den Dateneingängen A, B, C und D des im folgenden auch einfach als "Zähler" bezeichneten Aufwärts/AbwärtsZählers 261 alle "0" sind, daß die Signale an den Dateneingängen A, B und C des im folgenden ebenfalls einfach als "Zähler" bezeichneten Aufwärts/Abwärtszählers 262 "0" sind, während das Signal am Dateneingang D des Zählers 262 "1" ist. Wenn also die Dateneingänge auf diese Weise auf "80" eingestellt sind, ändert sich der Zählerausgang beim Eintreffen von Impulsen am Abwärtszählein-

gang des Zählers 261 zu 79 - 78 - 77 - . Wenn das

Rückstellsignal 606 von Fig. 7 die Ladeeingänge der Zähler 261 und 262 zum Zeitpunkt B1 erreicht, liefern die Ausgänge Q_A, Q_ß, Q_c und Q_D des Zählers 261 alle ein "0" Signal, die Ausgänge Q , Q und O des Zählers 262 ebenfalls ein "0" Signal, während der Ausgang Q des Zählers 262 ein "1" Signal abgibt. Das Ausgangs-

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signal 701 des NAND-Glieds 273 erreicht den Abwärtszähleingang des Zählers 261 , so daß sich die Ausgangssignale an den Ausgängen Q,, Q , Q_r und Q des Zählers

261 gemäß den Darstellungen in (702), (703), (704) und

(705) in Fig. 7 ändern, während das Signal 706 am Borgeanschluß des Zählers 261 dazu führt, daß sich die Signale an den Ausgängen Q^, Q_ß, Q_c und Q_D des Zählers

262 gemäß den Darstellungen bei (707), (708), (709) und (710) in Fig. 7 ändern.

Es sei nun angenommen, daß fünfundfünfzig Impulse im Intervall T2 enthalten sind. Die Ausgangssignale an Q_A, Q_B, Q_c und Q_D des Zählers 261 sind "1", "0", "1" bzw. "0". Die Ausgangssignale an Q , Q , Q und Q des Zählers 26 2 sind "0", "1", "0" bzw. "0", so daß die Ausgangssignale insgesamt nach dem Zeitintervall zwischen B2 und B3 den Wert 80 - 55 = 25 darstellen. Diese Ausgangssignale gelangen an die Eingänge der Leuchtdiodenanzeigeeinrichtungen 291 und 292 (YOKOGAWA-HEWLETT-PACKARD 7300), welche "die erste Ordnung" bzw. "die zweite Ordnung" in der Anzeigeschaltung 110 darstellen.

Da diese Anzeigeeinrichtungen 291 und 292 an ihren Bereitschaftsanschlüssen mit den Speichersignalen 605, die bei (605) in Fig. 7 gezeigt sind, beaufschlagt wurden, leuchten in diesen Anzeigeeinrichtungen 291 und 292 die Leuchtdioden abhängig von den Eingangscodesignalen auf, wenn das Speichersignal 605 "0" ist, um diesen Zustand anzuzeigen und weiterhin zu speichern. Daher zeigt die Anzeigeeinrichtung 291 die Ziffer "5" an, während die Anzeigeeinrichtung 292 die Ziffer "2" anzeigt, so daß die angezeigte Temperatur der das gemessene

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Medium darstellenden Luft 25⁰C ist. Wenn der Zeitpunkt B4 in Fig. 7 erreicht ist, werden die Zähler 261 und 262 in den Ausgangszustand zurückgestellt, so daß derselbe Vorgang, wie er oben beschrieben wurde, ausgeführt werden kann und eine den Ausgangssignalen der Zähler 261 und 262 entsprechende Anzeige erfolgen kann. Es sei z.B. angenommen, daß die Temperatur der gemessenen Luft angestiegen ist und daß damit das Zeitintervall T1 des Phasendifferenzsignals 314, das in Fig. 3 gezeigt ist, kürzer geworden ist, so daß die Anzahl der im Zeitintervall T2 in Fig. 7 auftretenden Impulse fünfundzwanzig ist. Die Ausgangssignale an den Ausgängen Q_A, Q_B, Q und Q_D des Zählers 261 sind dann "1", "0", "1" bzw. "0", während die Ausgangssignale an den entsprechenden Ausgängen des Zählers 262 "1", "0", "1" bzw. "0" sind, so daß die Ausgangssignale insgesamt nach dem Zeitintervall zwischen B2 und B3 entsprechend dem oben beschriebenen Vorgang den Wert 80 - 25 = 55 darstellen. Die Anzexgeeinrichtungen 291 und 292 zeigen daher beide die Ziffer "5" an, was bedeutet, daß die Lufttemperatur 55⁰C ist.

Es sei nun angenommen, daß die Temperatur der das zu messende Medium darstellenden Luft so weit abgesunken ist, daß sie auf der Celsius-Skala einen negativen Wert erreicht hat. Aus der bereits angegebenen Beziehung T = l/v - η-Tb ergibt sich dann, daß das Intervall T1 im Phasendifferenzsignal 314 von Fig. 3 vergrößert ist. Es sei ferner angenommen, daß das modulierte Signal akkumuliert bzw. aufsummiert wird, so daß die im Intervall T3, welches dasselbe wie das Intervall T2 in Fig. ist, auftretenden Impulse des bei (608) in Fig. 8 gezeigten Ausgangssignals des NOR-Glieds 271 91 ist. Die Darstellung in Fig. 8 entspricht gerade der voran-

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gegangenen Beschreibung, d.h. ausgehend vom Zeitpunkt C1 erreicht das Ausgangssignal 801 des NAND-Glieds den Abwärtszähleingang des Zählers 261, so daß sich die Ausgangssignale an den Ausgängen der Zähler 261 und 262 so ändern, wie dies bei (803), (804), (805), (806), (807), (811), (812), (813) und (814) in Fig. gezeigt ist.

Wenn zum Zeitpunkt C2 achtzig Impulse den Abwärtszähleingang des Zählers 261 erreicht haben, sind die Ausgangssignale aller Ausgänge der Zähler 261 und "0" geworden, da 80 - 80 = 0 ist, so daß ein bei (815) in Fig. 8 gezeigtes Signal am Borgeanschluß des Zählers 262 zur Darstellung "der zweiten Ordnung" erscheint.

Dieses Signal 815 und das Ausgangssignal 807 vom Borgeanschluß des Zählers 261 zur Anzeige "der ersten Ordnung" werden an ein NOR-Glied 281 der Diskriminatorschaltung 109 angelegt. Am Ausgang dieses NOR-Glieds erscheint ein Signal 820, das zum Zeitpunkt C2 auf "1" steigt. Da dieses Signal 820 dem Takteingang eines D-Flipflops 283 zugeführt wird, wird zum Zeitpunkt C2 der Ausgang Q des D-Flipflops 283 "1", während sein Ausgang Q "0" wird. Daher wird das NAND-Glied 272 in der Schaltschaltung 108 geöffnet, während das NAND-Glied 273 gesperrt wird. Als Folge davon erscheint am Ausgang des NAND-Glieds 272 ein Impulssignal, das bei (802) in Fig. 8 gezeigt ist. Dieses Signal 802 wird dem Aufwärtszähleingang des Zählers 261 zugeführt. Nach dem Zeitpunkt C2 liefern die Ausgänge der Zähler 261 und 262 Signale, deren Gesamtwert mit der Anzahl der Eingangsimpulse zunimmt. Nach Ablauf des Zeitintervalls zwischen dem Zeitpunkt C3 und dem Zeitpunkt C4 sind die Ausgangssignale an den

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Ausgängen Q , Q , Q und Q des Zählers 261 "1", "0",

A D C L)

"0" bzw. "1", während die Ausgangssignale an den Ausgängen Q_A, Q_B, Q_c und Q_D des Zählers 262 "1", "0", "0" bzw. "0" sind. Die Anzeigeeinrichtung 291 zur Anzeige "der ersten Ordnung" bzw. der geringwertigeren Stelle zeigt eine "9" an, während die Anzeigeeinrichtung 29 2 zur Anzeige "der zweiten Ordnung" bzw. der höherwertigen Stelle eine "1" anzeigt, da die Gesamtanzeige aufgrund des Ergebnisses 80 - 99 = -19 ist.

Da das Signal 821 vom Ausgang Q des D-Flipflops 283, das zum Zeitpunkt C2 "1" geworden ist, an den
Anschluß D des D-Flipflops 284 der nächsten Stufe angelegt wird, deren Takteingang vom Ausgangssignal eines Nicht-Glieds 282 beaufschlagt wird, erscheint am Ausgang Q des D-Flipflops 284 ein Signal 822, das zum
Zeitpunkt C3 auf "1" ansteigt. Das Nicht-Glied 282
erhält als Eingangssignal das Speichersignal 605 vom
Ausgang des NAND-Glieds 253. Das Signal 822 wird mittels eines Nicht-Glieds 285 invertiert und dem Anschluß einer Anzeigeeinrichtung 293 zur Anzeige des
Minuszeichens zugeführt, so daß diese Anzeigeeinrichtung das Minuszeichen anzeigt. In der Anzeigeschaltung 110 werden die Ziffern daher mit dem Minuszeichen "-19" angezeigt, was bedeutet, daß die Temperatur der Luft
als zu messendem Medium -19⁰C ist.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform erfolgt die Messung aufgrund der Phasendifferenz T1
(Fig. 3, 314) zwischen den Signalen der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung. Dieselbe Messung
kann aber auch mit Hilfe der Impulsbreite To durchgeführt werden, die sich durch Subtrahieren der Phasen-

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differenz T1 von der Periodendauer des Synchronsignals ergibt. Die Impulsbreite To würde in diesem Fall im Gegensatz zur vorangegangenen Ausführungsform mit steigender Temperatur zunehmen. Durch Umkehren der Wirkung des Aufwärtszählens und Abwärtszählens bei den Zählern 261 und 262 zur Einstellung jeweiliger Eingangsdaten läßt sich daher offensichtlich das gleiche Ergebnis wie bei der beschriebenen Ausführungsform erzielen. Bei der beschriebenen Ausführungsform wurde die Schwingfrequenz zur Bildung des Bezugssignals gemäß der Darstellung in Fig. 2 durch hundert geteilt. Der Faktor dieser Frequenzteilung ist jedoch nicht auf diesen Wert beschränkt, sondern hängt von der Erregerfrequenz des Ultraschallschwingers ab.

Damit man bei der beschriebenen Ausführungsform eine stabile Anzeige erhält, werden die modulierten Impulse von der Modulatorschaltung 103 durch die Akkumulatorschaltung 104 aufsummiert und mit Hilfe der Taktsignalschaltung 105 der Mittelwert der Anzahl modulierter Impulse über ein bestimmtes Zeitintervall ermittelt. Dieses Signal wird der Zählerschaltung 107 zugeführt, um die Anzeigeschaltung 110 zur Anzeige des Mittelwerts zu steuern. Die modulierten Impulse könnten jedoch auch direkt der Zählschaltung 107 ohne Mittelwertbildung zum Aufsummieren zugeführt werden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird das Ausgangssignal (bzw. die Ausgangssignale) der Zählschaltung 107 zur digitalen Anzeige der Anzeigeschaltung 110 zugeführt. Anstelle der Anzeigeschaltung 110 könnte jedoch auch zur Analoganzeige ein Drehspulmeßinstrument oder ähnliches verwendet werden.

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Auch könnte, obwohl bei der obigen Ausführungsform das Ausgangssignal· der Zählschaltung 107 zur Anzeige verwendet wird, dieses Ausgangssignal statt zur Anzeige anderen elektronischen Steuervorrichtungen zugeführt werden und als Temperaturfühler dienen. Dabei kann, wenn die Frequenz der Hochfrequenzimpulse, die dem NAND-Glied 223 in der Modulatorschaltung geliefert werden, erhöht wird, die Temperatur mit einer größeren Genauigkeit ermittelt werden. Durch geeignetes Anpassen der Frequenzeinstellung der HF-Impulse an das rasche Ansprechverhalten erlaubt solch ein Temperaturfühler eine schnelle elektronische Steuerung bei einer Temperaturänderung .

Obwohl schließlich bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Temperatur von Luft als zu messendem Medium ermittelt wurde, ist das Medium natürlich nicht auf Luft beschränkt, sondern schließt alle anderen Materialien ein, durch die hindurch UltraschallWe^en 0 sich ausbreiten können, z.B. verschiedene Arten von Gasen wie Sauerstoff, Stickstoff, Helium oder ähnliches, einige Arten von Flüssigkeiten wie Wasser, Öl oder ähnliches und selbst einige Arten von Feststoffen wie Eisen, Holz oder ähnliches. In diesen Fällen müssen jedoch die Parameter wie der Abstand zwischen der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung, die Erregerfrequenz oder die Konstanten der Bestimmungsschaltung im Hinblick auf die unterschiedlichen Bedingungen der Schallwellenausdehnung in verschiedenen Medien eingestellt werden.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Temperaturmessung eines Mediums wie Luft

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oder dergleichen geschaffen, bei der die Messung auf einer Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Ultraschallwelle abhängig von der Temperaturänderung des Mediums beruht. Ein akustischer Sender sendet

durch Erregung eines Ultraschallschwingers mit einer Reihe von einen Träger darstellenden Impulsen kontinierlich diesen Träger als Ultraschallwelle durch das Medium zu einem Empfänger. Die empfangene Ultraschallwelle stellt nach Verstärkung eine Reihe von Impulsen dar, die unabhängig von einer Änderung im Verstärkungsfaktor des Verstärkers im Emfpänger einen konstanten Signalpegel haben.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

■^f-1.) Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines Objekts in Form eines von Ultraschallwellen durchdringbaren Mediums, umfassend einen Ultraschallwellen ausstrahlenden Sender, einen diese Ultraschallwellen nach ' Durchlaufen des Objekts empfangenden Empfänger und eine Verarbeitungseinrichtung für die empfangenen Ultraschallwellen t dadurch gekennzeichnet , daß eine Impulsgeneratoreinrichtung ( 121) vorhanden ist und kontinuierlich erste Impulssignale einer bestimmten Frequenz erzeugt, daß der Sender (123) Ultraschallwellen synchron zu den ersten Impulssignalen zum Objekt sendet, daß der Empfänger (124) einen bestimmten Abstand (1) vom Sender hat und zweite mit den empfangenen Ultraschallwellen (310) synchrone Impulssignale (311) erzeugt, daß ein Phasendifferenzdetektor (122) zur Ermittlung der Phasendifferenz zwischen den ersten und den zweiten Impulssignalen vorgesehen ist und ein drittes Impulssignal (314) mit einem der ermittelten Phasendifferenz gleichen Zeitintervall (Ti) erzeugt, und daß eine Meßeinrichtung (103-109) vorhanden ist, welche die Zeitintervalle der dritten Impulssignale mißt und proportional zu den gemessenen Zeitintervallen der Tempe-

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Deutsche Bank (München) Kto. 51/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Posischeck (München) Kto. 670-43-804

HO/ba

ORIGINAL INSPECTED

rafcur des Objekts entsprechende Ausgangswerfe abgibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Empfänger (124) umfaßt: einen Wandler (28), an dessen Ausgangsanschlüssen abhängig von den empfangenen Ultraschallwellen Wandlersignale erzeugbar sind, und einen Komparator (29), dessen Eingänge mit den Ausgangsanschlüssen des Wandlers verbunden sind, der die Wandlersignale in die zweiten Impulssignale (311) umformt und der zwischen seinem Ausgang und einem seiner Eingänge einen die zweiten Impulssignale von der Temperatur unabhängig machenden Widerstand aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Meßeinrichtung umfaßt: einen Bezugssignalgenerator (101, 102) zur Erzeugung von Schwingungssignalen mit einer bestimmten Frequenz, die größer als die bestimmte Frequenz der ersten Impulssignale ist, einen Zähler (104, 107), der mit dem BezugsSignalgenerator verbunden ist und die Schwingungssignale während der Zeitintervalle (T1) der vom Phasendifferenzdetektor (122) erzeugten dritten Impulssignale (314) zählt, und eine Anzeigeeinheit (110), die mit dem Zähler verbunden ist, um entsprechend dem ausgegebenen Zählerstand des Zählers einen der Temperatur des Objekts entsprechenden Digitalwert anzuzeigen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugssignalgenerator (101, 102) und die Impulsgeneratoreinrichtung (121) über eine erste Signalleitung (14) verbunden

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sind, daß der Phasendifferenzdetektor (122) und der Zähler (104, 107) der Meßeinrichtung über eine zweite Signalleitung (13) verbunden sind und daß die Impulsgeneratoreinrichtung einen Frequenzteiler enthält, der die Frequenz der Schwingungssignale in die Frequenz der ersten Impulssignale teilt.

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