DE2832835C2

DE2832835C2 - Ultraschall-Meßanordnung

Info

Publication number: DE2832835C2
Application number: DE2832835A
Authority: DE
Inventors: Takeo Tachikawa Tokio/Tokyo Kada; Masaru Kohne; Yukio Hino Tokio/Tokyo Nakagawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1977-07-26
Filing date: 1978-07-26
Publication date: 1985-03-28
Also published as: DE2832835A1; US4183244A; JPS5424062A; JPS5829854B2; BR7804790A

Description

senschaltung festgelegt wird.

Ein Zähler 3 zählt das Ausgangssignal des Oszialltorelements 1. Das Zählen wird in Abhängigkeit zu dem Ausgangssignal der Schallung 2 zur Erzeugung eines Synchronisationsimpulses gestartet. Wenn der Zählerstand des Zählers 3 einen Wert N erreicht, der durch den Durchmesser des Meßrohrs 10 etc vorherbestimmt ist, gibt der Zähler 3 ein Endsignal für den Zählvorgang ab. Mit 4 ist ein Verzögcrungselement bezeichnet, daß in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Zählers 3 in Betrieb gesetzt wird und ein Ausgangssignal in einem vorherbestimmten Zeitintervall abgibt

Das Ausgangssignal V des Verzögerungselements 4 ist an die Schaltung 8 zum Nachweis der Zeitdifferenz angelegt

Ein Schaltkreis 5 zur Erzeugung eines elektrischen Impulses ist mit 5 bezeichnet, der ein elektrisches Signal zum Ansteuern der Wandler 13 und 14 gemäß dem Ausgangssignal der Schaltung 2 zur Erzeugung eines Synchronisationsimpulses abgibt. Das elektrische Ausgangssigiia! des Schaltkreises 5 zur Erzeugung eines elektrischen Impulses wird selektiv durch die torschaltung 6 an den Wandler 13 oder 14 angelegt Das aufgenommene Signal des Wandlers 13 oder 14 wird durch die Torschaltung 6 an einen Verstärker 7 angelegt

Der Ausgang H des Verstärkers 7 ist an einen Schaltkreis 29 zur Überwachung der Amplitude, einen Triggerschaltkreis 30 und einen Schaltkreis 31 zur Überwachung von außergewöhnlichen Betriebszuständen (abnormality monitoring circuit) angelegt. Der Schaltkreis 29 zur Überwachung der Amplitude arbeitet so, daß die maximale Spitzenspannung des Ausgangssignais H des Verstärkers 7 auf einen gewissen Wert ohne Rücksicht auf den Wert des aufgenommenen Signals der Wandler 13 oder 14 begrenzt wird. Die Schaltung 29 zur Überwachung der Amplitude weist im wesentlichen, wie in F i g. 2 dargestellt ist, eine Schaltung 20 zum Ampliludcnübcrwachungsvergleich auf, an die eine Amplitudenüberwachungsspannung E₂ angelegt ist Das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 20 ist an eine Steuerschaltung 23 anlegt, die ihrerseits ein Amplitudensteuersignal Yabgibt, das an den Verstärker 7 angelegt ist, um den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 7 zu ändern. Der Triggerschaltkreis 30 überwacht, ob ein Ultraschallsignal die Wandler 13 oder 14 erreicht und weist im wesentlichen einen Triggervergltichsschaltkreis 21 auf. Das Ausgangs- oder Triggersignal Z des Triggerschaltkrcises 30. das durch eine Steuerschaltung 24 erhalten wird, ist an die Schaltung zum Nachweis der Zeitdifferenz zum Steuern der Schaltung 8 angelegt. Der Schaltkreis 31 zur Überwachung außergewöhnlicher Bctricbszusiände überwacht, ob ein Ultraschallsignal durch das /u messende Fluid absorbiert worden ist und weist im wesentlichen einen Schaltkreis 19 zum l'Jberwachungsvergleich außergewöhnlicher Betriebszustände, an den eine Überwachungsspannung E\ für außergewöhnliche Betriebszustand!.· angelegt ist, ein Flipflop 22, das ein Ausgangssignal X gemäß dem Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 19 abgibt und nach Ende jedes Meßintcrvalls zurückgesetzt wird, einen Schaltkreis 25 zur Gencrierung eines Samplingimpulses, der einen Samplingimpuls U zur Steuerung des Zcitablaufs abgibt, so daß das Ausgangssignal 5 des Schaltkreises 8 für den Zeildiffcrenznachwcis an das Oszillatordemcnt 1 angelegt wird, und ci"cn NAND-Schallkreis auf. an den das Ausgangssignal X des Flipflops 22 und der Samplingimpuls U angelegt werden. Die Spannung F.\ zur Überwachung außergewöhnlicher Betriebszustandc, die Amplitudenüberwachungsspannung Ei und die Setzspannung £j werden zu Spannungswerten von jeweils 2,5 V, 3 V Uiid 1,5 V eingestellt Wenn das Ausgangssignal H des Verstärkers 7 die Setzspannung E₃ der Triggerschaltung 30 (dargestellt in Fig.5) überschreitet, gibt die Triggerschaltung 30 als Ausgang das Triggersignal Z ab. Es sei angemerkt daß in dieser Ausführungsform die eingestellte Spannung Ei (set voltage) einen Wert aufweist durch den das Eintreffen der ersten WeI-Ie des Signals H nachgewiesen werden kann. Wenn das Ausgangssignal H des Verstärkers 7 die Spannung Fi zur Überwachung außergewöhnlicher Betriebszustände überschreitet, wird das Ausgangssignal X kontinuierlich danach abgegeben. Wenn in diesem Fall der Samplingimpuls L/abgegeben wird, wird das Ausgangssignal Wats Schaltkreises 31 nicht langer abgegeben.

Der Schaltkreis 8 zum Nachweis von Zeitdifferenzen ist im Detail in F i g. 3 dargestellt. Die Eingangsseite des Schaltkreises 8 wird durch einen NAND-Schaltkreis 100 gebildet, an den das Triggersignal Z des Triggerschaltkreises 30 und das Ausgangssignal Vg^ Verzögerungselements 4 angelegt werden. Wenn das Ti .ggersignal Z mit dem Ausgangssignal V übereinstimmt wird das Ausgangssignal M des NAND-Schaltkreises 100 .licht länger anliegen, wodurch ein Transistor Qi nichtleitend (aus)gescnaltet wird, weshalb der Laststrom in einen Kondensator C über eine Diode D von einer Konstantstromquelle 90 fließt um den Kondensator C aufzuladen.

Die Konstantstromquelle 90, die Diode D und der Kondensator C bilden einen Rampen-Generator bzw. -Schaltkreis. Das Ausgangssignal R des Rampen-Generators oder die Ladespannung des Kondensators C wird an einen Differenzverstärker 80 angelegt. An den negativen Eingang des Differenzverstärkers 80 wird eine Überwachungszeitmeßsollspannung Es₀ angelegt. Die Differenzspannung zwischen der Sollspannung £50 und dem Ausgangssignal R des Rampen-Generators wird durch die Schaltung 8 zum Nachweis der Zeitdifferenz als Ausgangssignal 5 angegeben.

Ei". Feldeffekttransistor O* bewirkt das Entladen des Kondensators C und seine Ein-Ausschalt-Wirkungsweise wird durch das Signal K gesteuert. Die Sollspannung £50 beträgt ungefähr 5 V.

Der Ausgang des Schaltkreises 80 ist an einen Cbzillatorsteuerschaltkreis 32 zum Steuern des Oszillatorelements 1 angelegt.

Der Steuerschaltkreis 32 weist, wie in Fig.4 dargestellt, eine Integrationsschaltung 28 und einen Feldeffckttransistor Qi auf. In der Steuerschaltung 32 wird das Ausgangssignal S des Zeitdifferenznachweisschaltkreises 8 an ein Oszillatorelement 1 angelegt, wenn der Transistor Qj durch das Ausgangssignal JV des Schaltkreises 31 zum Überwachen außergewöhnlicher Betricbszustände nichtleitend geschaltet ist

Die Betriebsweise der Ultraschalldurchflußmeßanordnung, die in dieser Art aufgebaut ist, wird nunmehr mit Bezug auf F i g. 7 beschrieben. Zunächst sei angenommen, daß der Wandler 14 als Iimpfängereinheit durch das Bstriebsweisenschaltsignal A des Betriebsweiscnschaltkreiscs 9 dient, wobei der Oszialltor H in dem Oszillatorelement 1 mit dem SynchiOnisationsimpulscr/.eugungsschaltkreis 2 verbunden ist und der Zähler 3 sowie die Torschaltung 6 so gesteuert wird, daß das

M Ausgangssignal des Impulsgenerator 5 an den Wandler 13 angelegt wird, während das Ausgangssignal des Wandlers 14 dem Verstärker 7 zugeführt wird. Unter diesen Bedingungen ist das Ausgangssignal M des

NAND-Schaltkrciscs 100 nicht länger vorhanden, wenn das Verzögerungselement 4 sein Ausgangssignal V in einem vorherbestimmten Zeitintervall abgibt. Deshalb wird das Laden des Kondensators C in dem Rampen-Generator gestartet. Danach wird die Bereitstellung des Ausgangssignals 7. des Triggcrschaltkrcises 30 eingestellt bzw. unterbrochen (suspended), wenn das Ausgangssignal H des Verstärkers 7 die Sollspannung £Ί übersteigt, wobei als Ergebnis der NAND-Schaltkreis 100 sein Ausgangssignal M abgibt und das Laden des Kondensators Cin dem Rampen-Generator angehalten wird.

Es sei angenommen, daß der Wert des Ausgangssignals R des Rampengenerators in diesem Fall durch /?i dargestellt wird. Das Ausgangssignal Ri wird mit der Sollspannung E» verglichen und die Diffcrenzspannung ε ist als Ausgangssignal S des Schaltkreises 8 für den Zcitdifferenznachswcis angelegt. Die Oszillutorfrcquenz des Oszillators 11 wird in Übereinstimmung mit der Differenzspannung ε gesteuert. Schließlich wird die Steuerung so bewirkt, daß die Differenzspannung ε zu Null wird, das bedeutet, daß die Ausgangsspannung R\ gleich der Sollspannung F» wird. Auf diese Weise wird die Vorwärtsrichtungsübertragungszeit Ta, die bei Abgabe eines Ultraschallimpulses in einer Vorwärtsrichtung bezüglich der Strömung des zu messenden Fluids erhalten wird, durch die Oszillationsfrequcnz des Oszillators 11 ersetzt. Auf diese Weise ist das Mcßintervall der Vorwärtsrichtungsübertragungszeit beendet.

Des weiteren wird durch das Betriebsschaltsignal B des Schaltkreises 9 für die Betriebsweisenschaltung die Wandler 14 und 13 so geschaltet, daß sie jeweils als Übertragungs- bzw. Aufnahmeeinheit dienen, wobei der Oszillator 12 in dem Oszillatorelement mit dem Synchronisationsimpulserzeugungsschaltkreis 2 und dem Zähler 3 verbunden ist und die Torschaltung 6 dergestalt gesteuert wird, daß das Ausgangssignal des Impulserzeugungsschaltkreises 5 ebenfalls an den Wandler 14 und das Ausgangssignal des Wandlers 13 an den Verstärker 7 abgegeben wird. In gleicher Weise wie in dem vorstehend beschriebenen Fall wird eine Rückwärtsrichtungsübertragungszeit Tb (F i g. 6), die bei Abgabe eines Ultraschallimpulses in umgekehrter Richtung bezüglich der Strömung des zu messenden Fluids erhalten wird, durch die Oszillationsfrequenz des Oszillators 12 ersetzt. Auf diese Weise wird das Mcßintervall der umgekehrten Richtungsübertragungszeit beendet.

Die Differenz zwischen den Oszillationsfrcquenzen des Oszillators 11 und 12 wird als eine zu der Strömungsgeschwindigkeit proportionale Differenzfrequenz durch einer, umkehrbaren Zähler 17 aufgenommen, wobei sie als Flüssigkeitsmenge oder Flüssigkeitsgeschwindigkeit durch eine Anzeigeeinheit 18 angezeigt wird. In F i g. 6 stellt das Signal H\ eine Signalform dar, die bei Abgabe eines Ultraschallimpulses in einer Vorwärtsrichtung bezüglich der Strömung eines zu messenden Fluids erhalten wird, und das Signal H₂ eine Signalform dar, die bei Abgabe in einer umkehrten Richtung erhalten wird.

Manchmal wird das zu messende Fluid in ein Reservoir eingefüllt, aus dem es über eine Röhre gepumpt wird, um die Strömungsmenge zu messen. In einem solchen Fall können eine Vielzahl von Luftblasen in dem Fluid enthalten sein.

DDie Erfinder haben wiederholt viele Experimente und Untersuchungen für diesen Fall vorgenommen. Als Ergebnis ist herausgefunden worden, daß ein durch den Wandler 13 oder 14 abgegebener Ultraschallimpuls stark gediimpft wird und die Dämpfung bei allen abgegebenen Wellen nicht gleich ist. Das bedeutet, daß herausgefunden worden ist. daß bei Abgabe eines Ultraschallsignals, bei dem die dritte Welle Λ eine höhere Spitzenspannung als die vierte Welle Λ ist, durch einen Übcrtragungswandler abgegeben wird, wie in Teil (A) gemäß F i g. 8 angegeben ist, der Aufnahmcwandler ein Ultraschallsignal erhält, in welchem die drille Welle f,' einen geringeren Spitzenwert als die vierte Welle U aufweist, die im Teil (B) gemäß Fig.8 angegeben ist. Wenn das erhaltene Ultraschallsignal durch den Verstärker 7 verstärkt wird, ergibt sich die in Teil (C)gemäß F i g. 8 iingcgcbcnc Ausgangssignalform. Diese Wellenform (C) wird verstärkt, so daß der maximale Spitzen- wert /«" einen gewissen Wert (Ei) aufweist, mit Bezug auf den die Wellen f\" und f." verstärkt werden. In dem extremen Fall ist nachfolgendes Phänomen beobachtet worden: In der Überlragungsscitc ist die vierte Welle U in der Spitzenspannung kleiner als die drille Welle Λ und die fünfie Welle Λ kleiner als die vierte Welle Λ: während aufnahmcseitig die vierte Welle W im Spitzenwert höher als die dritte Welle ({ und die fünfte Welle l·,' im Spitzenwert höher als die vierte Welle U ist. Das Phänomen rührt daher, daß das Ultraschallsignal zum großen Teil durch die Blasen an diskontinuierlichen Frcqucnzstellcn (frequency discontinuity point) zum großen Teil absorbiert wird.

Dcmgtmäß wird das Ankunflssignal Hi' des Verstärkers 7, dus bei Abgabe eines Ultraschallsignals in der

jo Vorwärtsrichtung bezüglich der Strömung des zu messenden Werts, von der ersten Welle nachgewiesen werden kann, durch den Triggcrschaltkrcis 30 nachgewiesen: jedoch wird das Ausgangssignal H-i des Verstärkers 7, das bei Abgabe eines Ultraschallsignals in der umgekehrten Richtung bezüglich der Strömung des zu messenden Fluids erhalten wird, durch die Blasen stark absorbiert, wobei als Ergebnis die erste Welle Λ" stark gedümpfi wird, und das Ankommen des Ausgungssignals H₂ von dessen zweiter Welle durch die Triggcr- schaltung 30 selbst dann nachgewiesen wird, wenn dem maximalen Spitzenwert (U" und Λ") ein gewisser Wert (Ej) verliehen wird. Deshalb wird cin einem Zeitintervall Δ !"'entsprechender Meßfehler eingeschlossen.

Das bedeutet in dem Fall, bei dem das Ausgangssignal

H oder seine zweite Welle des Verstärkers 7 eine Sollspannung übersteigt, wie in F i g. 7 dargestellt ist. daß das Ausgangssignal Z des Triggcrschaltkrcises 30 um die Verzögerungszeit Δ /"'entsprechende Zeit Ti verzögert wird. Deshalb wird der Kondensator C in dem

Rampen-Generator stärker während der Vcr/.ögcrungszeit Ti geladen. In diesem Fall wird der Wr Ί R₂ des Ausgangssignals R des Rampen-Generators mit dem Sollwert £50 verglichen, wobei das gemessene Ergebnis in unerwünschter Weise eine Fließgcschwindig-

kcit anzeigt, die höher als die wirkliche Fließgeschwindigkeit ist. Des weiteren beträgt die Verzögerungszeit (Δ T') der /.weiten Welle, wenn sie mit der ersten Welle in dem Ausgangssignal H des Verstärkers 7 verglichen wird, ungefähr 1 μ Sekunde, wenn die Ultraschallfre-

bo quenz I MHz wie in Fig.7 beträgt Wenn in diesem

Zusammenhang die Rampe des Ausgangssignals R des Rampen-Generators 25 V/jus beträgt, dann beträgt der Wert «..ungefähr73 V. Wenn die Ultraschallfrcquenz 03 MHz beträgt, ist die

Verzögerungszeit (Δ T) ungefähr 2 us und in diesem Fall beträgt der Wert R₇ ungefähr 1,0 V.

Solch ein Wert R₁ (7,5 V oder 10 V) wird mit der vorgegebenen Sollspannung £Vi (5 V) verglichen. Demge-

maß wird das Meßergebnis einen Fehler dann aufweisen, wenn die Os/illationsfrequenzcn des Oszillators 11 und 12 so gesteuert werden, daß die Differenz f_n zwischen diesen zumindest zu Null gemacht wird (das Ausgangssignal S des Schaltkreises 8 zum Nachweis der Zciidiffcrcnz).

In der Beschreibung der Betriebsweise ist davon ausgegangen worden, daß in I·" i g. 7 Ausgangssignalformen verschiedener Schaltkreise dargestellt sind, die bei Abgabe eines Ultraschallimpulscs in der Vorwiirlsrichtung in mit Bezug auf die Strömung des zu messenden Fluids erhalten werden. Jedoch kann Fig. 7 zur Beschreibung der Betriebsweise im Falle einer umgekehrten Richtung verwendet werden, da sowohl der Fall der Vorwärlsrichiung und jener der Rüekwärtsrichtiing in gleicher Weise beschrieben werden kann.

Beispielsweise in dem Fall, wo die Anordnung so ausgelegt ist, daß die Ankunft eines Ultraschallimpulses von der zweiien Weile nuclide wiesen wird, wird der Spitzenwert der ersten Welle aus bestimmten Gründen 2« wesentlich größer, wobei der Nachweis des Vorliegens eines Ultraschallimpulscs auf die erste Welle geschoben wird (shifted), wobei in dem gemessenen Ergebnis dann ein Fehler eingeschlossen ist. Beispielsweise wird das Ausgangssignal R ungefähr 2.5 V bei einer Ultraschallfrequenz von 0,5 MHz betragen.

Mit Hinblick auf vorstehende Ausführungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Ultraschallmeß· anordnung bereitzustellen, bei der in dem Fall, daß nicht die reguläre Schwingung, sondern die dieser vorhcrge- jo hcndc oder nachfolgende Schwingung erfaßt wird, die hierdurch eingetretene /eitvcrschicbiing automatisch kompensiert und damit die Meßgenauigkeit erhöht wird.

Diese Aufgabe wird bei der anfangs genannten Ultraschall-Mcßanordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schaltkreis aum Oberwachen außergewöhnlicher Betriebszustände ein Ausgangssignal (W) abgibt, wenn ein dem Ausgangssignal des Wandlers im Empfangsbetrieb zugeordnetes Signal eine erste vorgegebcnc Spannung (E\) übersteigt, daß ein Triggerschaltkreis vorgesehen ist zur Abgabe eines Ausgangssignals (Z)an die Zcildifferenznachweissehaltung, wenn das dem Ausgangssignal des jeweiligen Wandlers im Empfangsbetrieb zugeordnete Signal einen ersten, unter normalen Bedingungen geltenden Sollwert (Ei) übersteigt, und daß ein Schaltkreis zum Nachweis falscher Triggerungen vorgesehen ist zur Abgabe eines Ausgangssignals in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal (W) des Schaltkreises zur Überwachung außergewöhnlicher Bc- so triebszustände. wenn ein Alisgangssignal (R) der Zeitdiffcrcnznachweisschaltung eine zweite vorgegebene Spannung (E_n,) übersteigt, so daß in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal (S) des Schaltkreises zum Nachweis falscher Triggerungen der Triggcrschaltkreis auf einen zweiten Sollwert (Ea) umschaltbar ist.

Bei Abgabe einer Ultraschallwelle in der Vorwärtsrichtung der Strömungsrichlung, wird ein Ausgangssignal von der ersten Oszillationsschaltung durch einen Zähler gezählt, wobei die Zeitdiffercnznachweis-Schal- m> lung die Zeitdifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Verzögerungselemenies und ein Ausgangssignal des Wandlers im Empfangsbelrieb feststellt, wobei die Oszillaiionsfrcqucnz des ersten Oszillators so gesteuert ist, daß die Zeitdifferenz zu NuI! gemacht wird. Wenn die Ultraschallwelle in umgekehrter Richtung der Slrömungsrichtung abgegeben wird, wird ein Ausgangssignal eines zweiten Oszillators durch einen Zähler gezählt, wobei die Zeitdifferenz-Nachweisschaltung die Zeildiffcrenz zwischen dem Ausgangssignal des Verzögerungsclcnients und dem Ausgangssignal des anderen Wandlers im Empfangsbetrieb feststellt, und die Oszillationsfrcqucn/. des zweiten Oszillators so gesteuert wird, daß die Zcitdiffcrenz zu Null gemacht wird, wobei die Strömungsmenge des Fluids als Differenz zwischen den Os/.illationsfrcqucnzen des ersten und zweiten Oszillators erhalten wird. Die Verbesserung vorliegender Erfindung schließt einen Schaltkreis zur Überwachung außergewöhnlicher Betriebszustände ein, der auf ein Signal //anspricht,das dem Ausgang des Empfangswandlers zur Bereitstellung eines Außcnsignals W entspricht, wenn das Signal W die Spannung zur Überwachung außergewöhnlicher Betriebszustände E\ übersteigt, wobei eine Triggcrschaltung zur Bereitstellung eines Ausgangssignals Z an die Zcitdifferenz-Nachweisschaltung abgegeben wird, wenn das Signal H eine Sollspannung Li übcrschrciic: und als Antwort auf ein Signs! F das Ausgangssignal Z zu der Zeitdifferenz-Nachweisschaltung bereitstellt, wenn das Signal H die Sollspannung Em übersteigt. Ferner ist eine Schaltung zum Nachweis falscher Triggerungen zur Bereitstellung eines Ausgangssignals F vorhanden, wenn das Ausgangssignal W vorliegt und wenn ein Signal R von der Zeitdifferenzschaltung eine Sollspannung Ci übersteigt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung umfaßt eine Verzögerungskompcnsationsschaltung zur Verzögerung durch ein vorherbestimmtes Zeitintervall des Ausgangssignals des Zählers zu dem Verzögerungselement, wobei die vorherbestimmte Zeitspanne in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal Γ der Schaltung zum Nachweis falscher Triggerungen ausgewählt ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Fig. Π bis 15 dargestellten Ausfühmngsbeispiels beschrieben. Es zeigt

Fig, I! ein Blockschaltbild einer Ultraschall-Meßanordnung,

Fig. 12,13 und 15 einzelne Teile der in Fig. 11 dargestellten Anordnung in detaillierterer Darstellung und

Fig. 14 ein Signalformdiagramm einzelner in der Schaltung gemäß F i g. 13 auftretender Signale.

In F i g. 11 sind die Teile der Meßanordnung, die denjenigen in der Anordnung nach Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen wie in dieser versehen.

In gleicher Weise wie in der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird das Ausgangssignal des Verstärkers 7 an den Schaltkreis 29 zur Überwachung der Amplitude, einem Triggerschaltkrcis 40 und einem Schaltkreis 31 zur Überwachung außergewöhnlicher Betriebszustände angelegt. In diesem Fall ist die Triggerschaltung 40 so ausgelegt (wie in F i g. 12 dargestellt), daß beispielsw eise zwe· Sollspannungen E_s und £30 daran angelegt werden. Beispielsweise wird die Sollspannung £3 bei leitendem Transistor Qi (eingeschaltet) an den Vergleichsschaltkreis 21 über Widerstände Rx und R₂ mittels einer elektrischen Quelle £300 angelegt, und wenn der Transistor Q₂ nichtleitend (ausgeschaltet) ist. wird die Sollspannung £10 an den Vergleichsschaltkreis 21 mittels Widerständen R, und R₂. Widerstände Ri und Rt und die elektrische Quelle Eioo angelegt. Die Sollspannung E» beträgt 2,0 V in dieser Ausführungsform.

Der Transistor Qi wird über einen Widerstand A₅ gesteuert und wird normalerweise in dem leitenden (eingeschalteten) Zustand gehalten.

Ein Schaltkreis 41 zum Nachweis von falschen Triggerungen ist vorgesehen, um die Tatsache nachzuweisen, daß der Nachweis der Ankunft eines Ultraschallim-

pulses anstelle durch die ursprüngliche nachzuweisende Welle von der folgenden Welle durchgeführt wird, wenn der Ultraschallimpuls stärkt gedämpft ist. Der Schaltkreis 41 weist, wie in F i g. 13 dargestellt ist. Vergleichsschaltkreise 431 und 432 und ein RS-Flipflop 44 auf. Die Sollspannungen Eti und £*? sind an die Vergleichsschaltkreise 431 und 432 jeweils mittels Widerständen Rt. Km und R\\ und einer elektrischen Quelle E* angelegt. Die Sollspannungen foi und E^ betragen jeweils etwa 6 und etwa 4 V beispielsweise. Die Sollspannung G,ι wird unter Berücksichtigung festgelegt, daß für den Fall, bei dem die ursprüngliche nachzuweisende Welle die erste Welle ist und die Ultraschallfrequenz IMHz beträgt, wobei die zweite Welle als nachzuweisende Welle verwendet wird, so daß dann das Ausgangssignal R des Rampen-Generators einen Wert von etwa 7 V aufweist. Andererseits wird die Sollspannung ß>₂ dadurch bestimmt, indem in Rechnung gestellt wird, daß in dem Fall, bei dem die ursprüngliche nachzuweisende Welle die zweite Weiie ist, das Äusgangssignai R des Rampcn-Generators einen Wert von etwa 2,5 V in gleicher Weise wie oben aufweist

In dieser Ausführungsform ist die Schaltung so ausgelegt, daß die erste Welle jene darstellt, durch die der Nachweis durchgeführt werden sollte, Das Ausgangssignal des Rampen-Generators ist an die verbleibenden Eingangsanschlüssc der Vcrgleichsschaltkrcisc 431 und 432 angelegt.

Wenn das Ausgangssignal R die Sollspannung 6,ι überschreitet, gibt der Vergleichsschaltkreis 431 ständig ein Ausgangssignal »1« ab, während der Vergleichsschaltkreis 432 ständig ein Ausgangssignal »0« abgibt. Das RS-Flipflop 44 weist NAND-Schaltkreisc 441,442. 443 und 444 und einen lnvertiercr 445 (NOT-circuit) auf. Das Ausgangssignal W des Schaltkreises 31 zur Überwachung außergewöhnlicher Betricbszuständc wird an den Invertierer 445 angelegt. Das Äusgangssignai des Schaltkreises 4· zum Nachweis falscher Triggcrungcn liegt am Ausgang des NAND-Schaltkrciscs 443 an.

Das Ausgangssignal F weist normalerweise den logischen Wert »1« auf, so daß der Transistor Q₁ (F i g. 12) in leitendem Zustand (eingeschaltet) gehalten wird. In F i g. 14 ist ein Signalformdiagramm dargestellt, das die Ausgänge verschiedener Elemente zeigt. Insbesondere zeigt der Teil (A) gemäß Fig. 14 Signalformen, die in jedem Fall erhalten werden, wenn ein Ultraschallimpuls normal nachgewiesen oder die Ankunft durch die erste Welle nachgewiesen wird: während der Teil (fl^ Signalformen zeigt, die in jenem Fall erhalten werden, in welchem ein Ultraschallimpuls in nicht normaler Weise oder dessen Ankunft durch die zweite Welle nachgewiesen wird.

Wie von Teil (A) gemäß F i g. 14 ersichtlich, ist in dem Fall, wo der Nachweis des Ultraschallimpulses normal ist. das Ausgangssignal F des Schaltkreises 41 zum Nachweis falscher Triggerungen unverändert, das bedeutet, daß das Signal »1« anliegt Andererseits wie es aus dem Teil (B)gemäß Fig. i4 in dem Falle klar wird, wo der Nachweis eines Ultraschallimpulses nicht normal ist wird das Ausgangssignal Fdes Schaltkreises 41 auf den Wert »0« geschaltet, wenn das Ausgangssignal des Schaltkreises 31 zur Überwachung außergewöhnlicher Betriebszusiände anliegt. Dieser Zustand bleibt unverändert solange erhalten, bis die Absorption des Ultraschallimpulses durch das zu messende Fluid normal wird. Wenn das Ausgangssignal Fdes Schaltkreises 41 zu »0« wird, wird der Transistor Q₁ der Triggerschaltung 40 nichtleitend, wobei die Sollspannung des Vergleichsschaltkreises 21 in die Sollspannung /:"« abgeändert wird.

Wenn die Sollspannung der Triggcrschullung 40 auf Em. wie in Fig. 7 dargestellt, geändert wird, wird der

s nächste Nachweis für Ultraschallinipulse mit der zweiten Wclic durchgeführt.

Wenn der Nachwci», des Eintreffens des Ultraschallimpulses von der ersten Welle zu der zweiten Welle verschoben wird, wird die UltraschallObcrtragungszeit

in um die Versehiebezcii (beispielsweise Δ V in der Zeichnung) vergrößert. Die Wirkung dieser Verschiebungszeit geht sowohl in dem Fall der Vorwärtsrichiung als auch in dem Fall der Rückwärtsrichtung ein. Deshalb ist es möglich, die Ultrasehall-Rückwärts-Übcrtragungs-

zeit und die Ultraschall-Riiekwärts-Übcriragungs/eit einer Subtraktion zu unterziehen, wobei dann die Verschiebungszeil Δ T'gestrichen wird und wobei es demgemäß kein zu lösendes Problem gibt. Jedoch wird in dieser Ausführungsforni die Uliraschallüberlragungszeit durch «cn Oszillator ί i otici J2 c-fSC-Ui iiiiu uv.shüib ist die Übcrlragungzcit als Nenner verwendet. Aus diesem Grunde ist es unmöglich, daß die Vcrxchiebiings/.cil Δ Vgänzlich gestrichen wird, weshalb das Meßergebnis bis zu einem gewissen Grade einen Fehler einschließt.

In Anbetracht vorstehender Ausführungen wird durch die F.rfindiing ein Verfahren bereitgestellt, bei dem die zuvor genannte Verschiebungszeil .1 T zur Verbesserung der Meßgenauigkeit kompensiert ist.

Des weiteren wird zwischen dem Zähler 3 und dem

jo Verzögerungsclement 4, wie in Fig. 11 dargestellt.eine Vcr/.ögerungskompensalionsschaltung 42 verwendet, so daß bei Verschiebung des Nachweises der Ankunft des Ultraschallimpulscs von der ersten zu der zweiten Welle die Abgabe des Ausgangssignals Vde.·. Verzöge-

Ji rungselemcntes 4 verzögen ist

Die Verzögcrungskompcnsationsschaltung 42, wie in Fig. Γ) dargestellt weist einen monoslabilcn Multivibrator 45. ein Gaiter 46 «:κ! einen Inveriicrer 47 auf.
Das Gatter 46 weist einen UND-SchaltkrcisMl bzw.

«o 462 und einen ODER-Schaltkrcis 463 auf. Das Ausgangssignal des Schaltkreises 4t zum Nachweis falscher Triggerungen ist an den UND-Schaltkrcis 6Ή und den Invcrticrer 47 angeschlossen.
Wenn das Ausgangssignal /"des Schaltkreises 41 den Wert »0« annimmt wird die erfolgreiche Einleitung der Messung des Ausgangssignals des Zählers 3 zu dem Verzögcrungsclcment 4 um die Ausgangsverzögerungszeit Ti des monostabilcn Multivibrators45 (vgl.die Signalformcn V und R in F i g. 7) verzögert und detngcmaß ist die Erzeugung des Ausgangssignals Vdes Vcrzögerungselemcnts 4 um die Zeit Ti verzögert Diese Zeit wird so bestimmt, daß sie im wesentlichen der Verschiebungszeit Δ V entspricht, die zum Nachweis des Eintreffens eines Ultraschallimpulses notwendig ist, um diesen von der ersten Welle zu der zweiten Welle zu verschieben.

Auf diese Weise kann die Verschiebungszeit Δ Τ'wie in F i g. 7 angegeben, durch Verzögerung durch die Zeit Ti des Zeitbeginns für das I jden des Kondensators Cin

ho dem Rampcn-Gcncrator gemäß Fig.3 verzögert werden. Mit M' in Fig.7 ist das Ausgangssignal des NAND-Schaltkreises 100 (Fig.3) in der Kompensationsschaltung bezeichnet.
Wie sich aus vorstehender Beschreibung ergibt weist der Schaltkreis zum Nachweis von falschen Triggcrungen die Tatsache nach, daß der Nachweis des Eintreffens eines Ultraschallimpulses von der ursprünglich nachzuweisenden Welle zu der vorhergehenden oder

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folgenden Welle mit Hilfe des Ausgangssignals W des Schallkreises 31 zur Überwachung liuBcrgcwöhnliehcr Betricbszu.st;>ndc verschoben wird, um zu überwachen, >b der Ultraschallimpuls und das dem Ausgangssignal .S' der Zcitdiffercnznachwcisschaltung 8 entsprechende Si- ■> gnul K normal ist. Die Sollspannung des Triggersehalikrcises 40 /um Nachweis des Eintreffens eines LJIlraschallimpulses zur Steuerung der Zeitdifferen/.nachweisschaltung8 wird in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal des Schaltkreises zum Nachweis falscher iu Triggeriingcn geändert. Als Ergebnis wird die das Eintreffen des Ultraschallimpul.ses nachweisende Welle von der ersten nachzuweisenden Welle zu der vorhergehenden oder nachfolgenden Welle in der nachfolgenden Messung geändert und diese Welle wird zum Nachweis des Eintreffens der Ultraschallwelle in beiden der nach vorne und nach rückwärts gerichteten Richtungen verwendet. Deshalb ist die McÜgcnauigkcit verbessert. Zusätzlich ist die Ver/ögcrungskompcnsationsschallung 42 vorgesehen, so dall der Anstieg des Ausgangssignals Vdes Verzögrrungsclemenis 4. das an den Schaltkreis 8 zum Nachweis der Zeitdiffercn/. angelegt wird, im wesentlichen um die Vcrsehicbungszcit der nachzuweisenden Welle verzögert, wobei die Meßgenauigkeit weiter verbessert wird.

In der vorstehend beschriebenen Ausfilhrungsforni wird die Sollspannung der Triggerschaltung 40 automatisch in die Sollspannung E_m in Abhängigkeit von dem Schaltzustand (cin-aus) des Transistors Q₁ auf der Grundlage des Ausgangssignals f-'dcs Schaltkreises /um jo Nachweis falscher Triggerungen gesteuert, lcdoch kann die Sollspannung in die Sollspannung £jo beispielsweise durch nachfolgendes Verfahren geändert werden. Es wird eine tampe. die aus- und angeschaltet wird durch das Ausgangssignal /-'des Schaltkreises 41, und ein von I land /u betätigender Schalter parallel /11 den Widerständen /?i und /?< anstelle des Transistors Q₁ in dem Triggcrschaltkrcis 40 verwendet. Die Änderung der Sollspannung kann dann durch Betätigung des von I land zu betätigenden Schalters in Übereinstimmung mit ein- bzw. ausgeschalteter Lampe bewirkt werden.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

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50

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Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Meßanordnung mit einem Paar von an einem von einem zu messenen Fluid durchflossenen Rohr gegenüberliegend angeordneten Wandlern, die in einer solchen Beziehung zueinander stehen, daß jeder Wandler zum Empfang eines Signals von dem jeweils anderen Wandler in der Lage ist, und die wechselweise in einen Übertragungsbetrieb und in einen Aufnahmebetrieb steuerbar sind, einem Impulsgenerator zur Erregung des jeweiiigen Wandlers im Übertragungsbetrieb, zwei Oszillatoren mit veränderbaren Frequenzen, einem Zähler zum Zählen der Ausgangssignale jedes Oszillators und zur Abgabe eines Ausganggssignals bei Erreichen eines vorbestimmten Zählwertes, einem dem Zähler nachgeschalteten Verzögerungselement, einer Zeitdifferenznachweisschaltung zum Empfang des Ausger^ssignals des Verzögerungselementes und eines fcm Ausgangssienal des jeweiligen Wandlers im Empfangsbetrieb zugeordneten Signals, wobei die Frequenz des jeweiligen Oszillators bei einer in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung der Flußrichtung des Fluids abgegebenen Welle so gesteuert wird, daß die Zeitdifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Verzögerutigselements und dem Ausgangssignal des jeweils im Empfangsbetrieb befindlichen Wandlers zu Null gemacht wird, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids durch die Differenz zwischen den Frequenzen der Oszillatoren erhalten wird, und einem Schaltkreis zum Überwachen außergewöhnlicher Bc.riebszustände, dadurch gekermzeic/i r.e t, daß der Schaltkreis (31) zum Oberwachen außergev ähnlicher Betriebszustände ein Ausgangssignal (W) abgibt, wenn ein dem Ausgangssignal des Wandlers im Empfangsbereich zugeordnetes Signal eine erste vorgegebene Spannung (E\) übersteigt, daß ein Triggerschaltkrcis (40) vorgesehen ist zur Abgabe eines Ausgangssignals (Z) an die Zei'.differenznachweisschaltung (8). wenn das dem Ausgangssignal des jeweiligen Wandlers im Empfangsbetrieb zugeordnete Signal einen ersten, unter normalen Bedingungen geltenden Sollwert (E₃) übersteigt, und daß ein Schaltkreis (41) /um Nachweis falscher Triggerungen vorgesehen ist zur Abgabe eines Ausgangssignals in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal (W) des Schaltkreises (31) zur Überwachung außergewöhnlicher Bctriebszustände, wenn ein Ausgangssignal (R) der Zeitdifferenznachweisschaltung (8) eine zweite vorgegebene Spannung (Eu) übersteigt, so daß in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal (S) des Schaltkreises (40) auf einen zweiten Sollwert (£») umschaltbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verzögerungskompensationssehaltung (42) zur Verzögerung des Ausgangssignals des Vcrzögerungselements um ein vorherbestimmtes Zeitintervall, die durch das Ausgangssignal (F) des Schaltkreises (41) zum Nachweis falscher Triggerungen gesteuert wird.

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Meßanordnung mit einem Paar von an einem von einem zu messenden Fluid durchflossenen Rohr gegenüberliegend angeordneten Wandlern, die in einer solchen Beziehung zueinander stehen, daß jeder Wandler zum Empfang eines Signals von dem jeweils anderen Wandler in der Lage ist, und die wechselweise in einen Übertragungsbetrieb und in einen Aufnahmebetrieb steuerbar sind, einem Impulsgenerator zur Erregung des jeweiligen Wandlers im Überiragungsbctrieb, zwei Oszillatoren mit veränderbaren Frequenzen, einem Zähler zum Zählen der Ausgangssignale jedes Oszillators und zu. Abga- be eines Ausgangssignals bei Erreichen eines vorbestimmten Zählwerles, einem dem Zähler nachgeschalteten Verxögcrungselemcnt, einer Zeitdifferenznachweisschaltung zum Empfang des Ausgangssignals des Verzögerungselementes und eines dem Ausgangssignal des jeweiligen Wandlers im Empfangsbelrieb zugeordneten Signals, wobei die Frequenz des jeweiligen Oszillators bei einer in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung der Flußrichtung des Fluids abgegebenen WeUe so gesteuert wird, daß die Zeitdifferenz zwischen dem Aus- gangssignal des Verzögerungselements und dem Ausgangssignal des jeweils im Empfangsbetrieb befindlichen Wandlers zu Null gemacht wird, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids durch die Differenz zwischen den Frequenzen der Oszillatoren erhalten

wird, und einem Schaltkreis zum Überwachen außergewöhnlicher Bctriebszuständc.

Eine derartige bekannte Ultraschall-Meßanordnung ist in Fig. I dargestellt. Sie entspricht im wesentlichen der in der US-PS 38 18 757 dargestellten Mcßanord-

jo nung.

Die F i g. 2 bis 4 zeigen Einzelheiten der Meßanordnung nach Fig. 1 und die Fig.5 bsi 10 Signalformdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise dieser Meßanordnung.

Mit 10 ist in F i g. 1 ein Meßrohr bezeichnet, durch das ein zu messendes Fluid in Richtung des Pfeils fließt. Ultraschallwandler 13, 14 sind an der Außenwandung des Meßrohrs 10 jeweils durch Montageelcmcntc 15 und 16 angeordnet. Jeder der Wand'cr 13, 14 wandelt ein elektrisches in ein akustisches Signal und umgekehrt. In einer ersten Betriebsweise dient der Wandler 13 als Übertragiingseinhcit. während der Wandler 14 als Aufnahmccinhcil dient. In der anderen Betriebsweise dient der Wandler 13 als Empfangscinheit, während der

Wandler 14 als Übcrtragungscinheit dient. Diese zwei Betriebsweisen können durch eine Schaltung 9 zum. Schalten der Betriebsweise eingeschaltet werden. Diese Bctriebswcisenschaltcreinhcil gibt zwei Bctricbsweisenschallsignalc A und B ab. um die Wandler 13 und 14 durch einen Torschaltkreis 6 so anzusteuern, daß die Wandler 13 und 14 die Übcrtragungs- bzw. Empfangscinheit in abwechselnder Weise werden.

Mit 1 ist in Fig.) ein Oszillatorclcmenl mit zwei Oszillatoren M, 12 dargestellt. Diese beiden Os/illato rc η sind spannungsgcstcucrtc Oszillatoren, in denen die Stcucrspannung in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal einer Zcitdiffcren/.naehwcisschallung 8 geändert werden, wobei als Ergebnis die Oszillationsfrcquen/. verändert wird.

w Die spannungsgcstciicrtcn Oszillatoren 11 und 12 sind selektiv durch die Belriebsweiscnschaltsignalc A und öso gesteuert, daß in einer Betriebsweise einer der Oszillatoren M und 12d;is Aiisgangssignal der/eikliifercnznachweisschaltung erhält. Mit 2 ist eine Schaltung

b^r) zur F.r/.cugung eines Synchronisalionsimpulses gezeigt, die in Synchronisation mit dem Ausgangssignal einer der Oszillatoren 11 und 12 ein Ausgangssignal generieren, das selektiv durch die Einheit 9 für die Bctriebswci-