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Ultraschall-Durchflußmeßeinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Durchflußmeßeinrichtung, mit
der aus dem über eine Referenzmeßstrecke, die durch einen Abschnitt definierter
Länge s und definierten Querschnitts einer Flüssigkeits-Transportleitung gebildet
ist, gemessenen Iaufzeitunterschied a t zwischen paarweise gleichzeitig ausgelösten
Schallimpulsen, von denen sich jeweils der eine in Strömungsrichtung der Flüssigkeit
und der andere gegen die Strömungsrichtung in dem Leitungsabschnitt ausbreitet,
die die Transportleitung durchströmende Flüssigkeitsmenge fortlaufend erfaßbar ist,
wobei am Anfang und am Ende des Referenz-Leitungsabschnitts jeweils ein Ultraschall-Detektor
angeordnet ist, der auf die gegen die Strömungarichtung bzw. auf die sich in Strömungsrichtung
ausbreitenden periodisch erzeugten Schallimpulse anspricht und bei deren Auftreten
jeweils ein Steuersignal zum Aktivieren bzw. Entaktivieren einer den Laufzeitunterschied
erfassenden elektronischen Zeitmeßeinrichtung erzeugt0 Eine Durchfluß-Meßeinrichtung
dieser Art ist aus Lueger Technik-Lexikon, Bd. 25, S. 1092 Rowohlt, 1972 bekannt.
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Bei der bekannten Durchfluß-Neßeinrichtung ist - in Strömungsrichtung
gesehen - am Anfang und am Ende der Meßstrecke jeweils ein Ultraschall-Impulsgeber
und ein -Detektor vorgesehen, wobei der am Beginn der Referenz-Neßstrecke angeordnete
Empfänger zum Empfang derjenigen Schallimpulse bestimmt ist, die von dem am Ende
der Referenz-Meßstrecke angeordneten Ultraschallimpulsgeber ausgesandt werden und
der dort angeordnete Detektor die Ausgangsimpulse des am Beginn der Referenz-Meßstrecke
angeordneten Ultraschall-Impulsgebers empfängt.
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Um zu erreichen, daß die Ultraschall-Detel;toren im wesentlichen nur
die am anderen Ende der Referenz-Neßstrecke ausgesandten Ultraschall-Impulse "sehen",
nicht aber auch die vom unmittelbar benachbarten Geber ausgesandten Impulse, sind
der Geber und der Detektor eines funktionell miteinander gekoppelten Geber/Detektor-Paares
auf verschiedenen Seiten des Rohr-Leitungsabschnittes angeordnet, und der Geber
hat eine zu dem ihm zugeordneten Detektor hinweisende Richtcharakteristik.
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Ein Nachteil dieser bekannten Durchfluß-Neßeinrichtung ist einmal
darin zu sehen, daß man einerseits verhältnismäßig große Rohrquerschnitte benötigt
und andererseits auf relativ kurze Meßstrecken angewiesen ist, um die Richtcharakteristik
der Impulsgeber zweckentsprechend ausnutzen zu können, was die mit der bekannten
Durchfluß-Meßeinrichtung erreichbare Neßgenauigkeit von vornherein einschränkt.
Auch der Aufbau der bekannten DurchfluB-Meßeinrichtung ist dadurch, daß die Impulsgeber
ihre Impulse im wesentlichen nur in einer durch die Anordnung der Detektoren vorgegebenen
Richtung "abstrahlen" dürfen, kompliziert und mit erheblichem technischem Aufwand
sowohl hinsichtlich der Konstruktion der zum Einsatz kommenden Bauelemente als auch
hinsichtlich der Montage verbunden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Durchfluß-Meßeinrichtung
der eingangs genannten Art anzugeben, bei der einerseits größere längen der Meßstrecke
möglich sind, und die andererseits sowohl von der Zahl der benötigten Bauelemente
als auch vom Montageaufwand her gesehen billiger in der Herstellung ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Referenz-Leitungsabschnitt
in der Art einer Leitungsschleife ausgebildet ist, an deren zuflußseitigem Beginn
und deren abflußseitigem Ende die von einem einzigen Ultraschall-Impulsgeber erzeugten
Ultraschall-Impulse in die strömende Flüssigkeit einspeisbar sind, daß die beiden
Ultraschall-Detektoren in unmittelbarer Nähe des Ultraschall-Impulsgebers
und
in gleichem Abstand von diesem an Beginn und am Ende des Referenz-Leitungsabschnitts
angeordnet sind und daß die elektronische Zeitmeßeinrichtung eine Trigger und Torschaltung
aufweist, die auf das Ausgangssignal des auslaufseitigen Ultraschall-Detektors ein
den Eingang eines die Ausgangsimpulse eines auarzgesteuerten HF-Oszillators empfangenden
digitalen Zählers freigebende~ auf das Ausgangssignal des zulaufseitigen Ultraschall-Detektors
ein den Zählereingang wieder sperrendes und bei gleichzeitigem Auftreten der Detektor-Ausgangssignale
ein den Zähler zurücksetzendes Steuersignal erzeugt.
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Die erfindungsgemäße Durchfluß-Meßeinrichtung arbeitet wie folgt:
Aufgrund eines vom Ultraschall-Impulsgeber erzeugten Schallimpulses breiten sich
in dem Referenz-Leitungsabschnitt.zwei Schallimpulse aus, von denen der eine vom
zulaufseitigen Beginn der Referenz-Meßstrecke in Strömungsrichtung der in der Transportleitung
strömenden Flüssigkeit zum auslaufseitigen Ende der Referenz-Meßstrecke und der
andere von dort und entgegen der Strömungsrichtung zum zulaufseitigen Ende der Referenz-Meßstrecke
läuft. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit vl des in Strömungsrichtung laufenden Schallimpul
ses ist dann gleich der um di-e Strömungsgeschwindigkeit v5 vermehrten Schallgeschwindigkeit
a in der betreffenden Flüssigkeit und die Ausbreitungsgeschwindigkeit v2 des entgegen
der Strömungsrichtung laufenden Schallimpulses gleich der um die Strömungsgeschwindigkeit
Vs verminderten Schallgeschwindigkeit a (v1=a+v5;v2=a-v5).
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Aufgrund seiner größeren Ausbreitungsgeschwindigkeit vl trifft der
in Strömungsrichtung verlaufende Schallimpuls etwas früher am auslaufseitigen Detektor
ein als der gegen die Strömungsrichtung laufende Schallimpuls am zulaufseitigen
Detektor und das elektrische Ausgangssignal dieses Detektors ist gegenüber demjenigen
des auslaufseitigen Detektors um den Laufzeitunterschied iZ t verzögert.
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Mit dem Ausgangssignal des zuerst ansprechenden auslaufseitigen
Detektors
wird eine Torschaltung angesteuert, die den Eingang eines digitalen Zählers zum
Empfang der Ausgangsimpulse eines quarzgesteuerten Oszillators, der beispielsweise
mit 500 MEIz schwingt, freigibt. Durch das Ausgangssignal des zulaufseitigen Detektors
wird diese vorschaltung wieder gesperrt. Der Zählerstand des digitalen Zählers ist
dann dem Laufzeitunterschied n t, der eine Funktion der StrömWngsgeschwindigkeit
v5 ist, direkt proportional; dieser Zähler war zuvor durch das unmittelbar nach
der Aussendung des primären Schallimpulses praktisch gleichzeitige Auftreten der
Ausgangssignale beider Detektoren zurückgesetzt worden. Der Zählerstand kann dann
bei bekanntem Querschnitt des Referenz-Leitungsabschnitts mittels eines digitalen
Rechenwerks, auf die Durchflußmenge umgerechnet und in digitaler oder analoger Form
zur Anzeige gebracht und/oder fortlaufend registriert werden.
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Die Wiederholung eines solchen Meßzyklus kann auf einfache Weise durch
einen den Ultraschall-Impulsgeber zur Abgabe der Schallimpulse ansteuernden Rechteck-Generator
erfolgen, der periodisch Steuerimpulse erzeugt, deren Wiederholungsfrequenz kleiner
ist als der niedrigste praktisch vorkommende Reziprokwert der Laufzeit t der vom
auslaufseitigen Ende der Referenz-ißstrecke zu deren zulaufseitigem Ende laufenden
"langsamen" Schallimpulse.
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Die erfindungsgemäße Ultraschall-J)tirchfluß-Heßeinrichtung hat aufgrund
dieses Aufbaues und ihrer Wirkungsweise zumindest die folgenden Vorteile: Zum ersten
wird dadurch, daß nur ein einziger Schallimpulsgeber benötigt wird, eine erhebliche
bauliche Vereinfachung erzielt, die mit. einem entsprechenden Preisvorteil verknüpft
ist. Um die hinsichtlich des von den Schallimpulsen durchlaufenden Weges erforderliche
Symmetrie zu gewährleisten, ist es nicht erforderlich, daß die Detektoren und der
Schallimpulsgeber in einem direkten "Sichtkontakt" stehen, da es in erster Linie
nur auf die Impulslaufstrecke zwischen den Detektoren ankommt. Demgemäß kann der
zwischen
den Detektoren verlaufende Referenz- Ieitungsabschnitt längs einer im Prinzip beliebig
verlaufenden Bahn verlegt sein, beispielsweise kreisförmig aber auch U- oder schraubenförmig.
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Der Referonz-Leitungsabschnitt kann daher auf sehr engem Raum untergebracht
werden. In einem durch die Nachweisempfindlichkeit der Detektoren gegebenen Rahmen
ist nan hinsichtlich der Länge der Referenz-eßstrecke im wesentlirhen nur durch
die Schallabsorption im strömenden Medium begrenzt, so daß man auch entsprechend
große Referenz-Meßstrecken vorsehen kann, was für die erzielbare Neßgenaugkeit günstig
ist.
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Wenn die Flüssigkeit in dem Referenz-Leitungsabschnitt laminar strömt,
dann liegt, über den Rohrquerschnitt gesehen, eine inhomogene Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit
vor, die zu einer mit einer Abflachung verbundenen Verbreiterung der den Referenz-Leitungsabschnitt
in und gegen die Strömungsrichtung durchlaufenden Schallimpuls führt. Dies rührt
daher, daß bei laminarer Strömung eine der Rohrwand unmittelbar benachbarte Flüssigkeits-Grenzschicht
vorhanden ist, die praktisch steht, während die Flüssigkeit nur in unmittelbarer
Näher der Leitungsrohrachse den vollen Wert vs hat. Das von den sich in Strömungsrichtung
ausbreitenden schnellen Schall impulsen umfaßte Spektrum der Ausbreitungsgeschwindigkeit
reicht also vom Wert a der Schallgeschwindigkeit für die ruhende Flüssigkeit bis
zu dem um die Strömungsgeschwindigkeit v5 vermehrten Wert a+v5 der Schallgeschwindigkeit
und das von den "langsamen", sich gegen die Strömungsrichtung ausbreitenden Schall
impulsen umfaßte Spektrum der Ausbreitungsgeschwindigkeit von dem um die Strömungsgeschwindigkeit
Vs verminderten Wert a-vS bis zu dem Wert a der Schallgeschwindigkeit für die ruhende
Flüssigkeit. Bezogen auf den Zeitpunkt des wegen der geringen Entfernung vom Ultraschallimpulsgeber
praktisch gleichzeitigen Ansprechens der beiden Detektoren "sieht" demgemäß der
auslaufseitige Detektor einen Druckimpuls, der im Zeitpunkt t1 ° s/(a+v ) mit relativ
flachem Anstieg einsetzt und 5 im Zeitpunkt t2 ° s/a mit relativ flachem Abfall
ausklingt, während der zulaufseitige Detektor einen Druckimpuls "sieht", der im
Zeitpunkt
t2 einsetzt und im Zeitpunkt tf 2 s/(a-v5) auslingt.
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Ein negativer Einfluß dieser Verbreiterung der Schallimpulse auf die
Meßgenauigkeit läßt sich gemäß einer bevorzugten Ausführungs form der Erfindung
auf einfache Weise dadurch weitestgehend vermeiden, daß den als Druck/Spannungswandlern
ausgebildeten Ultraschalldetektoren Spannungsvel-stärker mit hohem Verstärkungsgrad
nachgeschaltet sind, deren Ausgangssignale die Eingangssignale von die Steuersignale
erzeugenden Schwellenwertstufen sind, die ein Ausgangssignal mit einem definierten
(hohen) ersten Signalpegel erzeugen, wenn die Amplitude der Verstärker-Auägangssignale
betragsmäßig größer ist als ein vorgegebener, im Vergleich mit der Maximalamplitude
der Verstärker-Ausgangssignale niedriger Schwellenwert und ein Ausgangssignal mit
definiertem (niedrigem), vom ersten verschiedenen Signalpegel abgeben, wenn die
Amplitude der Verstärker-Ausgangssignale betragsmäßig niedriger ist als der vorgegebene
Schwellenwert. Die Vorder- und Rückflanken der Ausgangssignale der Schwellenwertstufen
fallen dann sehr genau mit den Zeitpunkten zusammen, in denen die den Referenz-Leitungsabschnitt
in entgegengesetzter Richtung durchlaufenden Schallimpulse an den ihnen zugeordneten
Detektoren eintreffen bzw. wieder abgeklungen sind. Der zeitliche Abstand der Vorderflanken
der beiden pro Meßzyklus erzeugten Aufigangs-Spannungsimpulse der Schwellenwertstufe(n)
ist dann gleich dem Leufzeitunterschied zwischen einem sich über die Referenzmeßstrecke
mit der Geschwindigkeit vl = a+v5 und einem sich über die Referenzmeßstrecke mit
der für die ruhende Flüssigkeit charakteristischen Schallgeschwindigkeit a ausbreitenden
Schallimpuls und der zeitliche Abstand zwischen der Vorderflanke des für den in
Strömungsrichtung laufenden, "beschleunigten" Schallimpuls erzeugten Ausgangssignal
der Schwellenwertstufe von der Rückflanke des für den entgegen der Strömungsrichtung
laufenden, "verzögerten" Schallimpuls erzeugten Ausgangssignal der Schwellenwertstufe
entspricht dann dem Laufzeitunterschied zwischen einem sich mit der Geschwindigkeit
V1 = a+v5 und einem sich mit der Geschwindigkeit
v2 - a-vS über
die Referenz-Meßstrecke ausbreitenden Schallinpuls.
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Vorteilhaft ist es daher, wenn in weiterer Ausgestaltung der Brfindung
als Steuersignal zur Freigabe des Zählereingangs ein von der-Vorderflanke des Ausgangssignals
der dem auslaufseitigen Detektor nachgeschalteten Schwellerwertstufe abgeleiteter
Impuls kurzer ~' Dauer und als-den Zählereingang wieder sperrendes Steuersignal
ein von der Rückflanke des Ausgangssignals der dem zulaufseitigen Detektor nachgeschalteten
Schwellenwertstufe abgeleiteter Impuls kurzer Dauer ausgenutzt ist. Man kann dann
den größtmöglichen erfaßbaren Laufzeitunterschied ausnutzen, was natürlich die höchstmögliche
Meßgenauigkeit ergibt.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßqn Durchflußmeßeinrichtung
ist vorgesehen, daß bei vorgegebener kinematischer Viskosität 9 der Flüssigkeit,
die die Referenz-Ieitungsschleife durchströmt, deren Querschnitt und die StrömungsCeschwindiCkeit
v5 so gewählt sind, daß die Reynold'sche Zahl R gemäß der Beziehung R = vd/#, worin
d bei kreisrundem Leitungsquerschnitt den Innendurchmesser des Leitungsrohres bedeutet,
größer ist als der für den Umschlag von laminarer in turbulente Strömung charalteristische
Mindestwert (R sa 2300). Die Durchflußmeßeinrichtung .arbeitet dann mit tirbulenter
Strömung, in welchem Falle die Dispersion der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schall-Impulse
vernachlässigt werden kann, so daß es, um den größtmöglichen Laufzeitunterschied
ausnutzen zu können, genügt, Schallimpulse mit hinreichend kleiner Impulsdauer in
die Referenz-Leitungsschleife einzuspeisen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Schallimpulsgeber durch die vom Ausgangssignal des auf die entgegen der Strömungsrichtung
laufenden Schallimpulse ansprechenden zulaufseitigen Ultraschalldetektors abgeleiteten
Steuerimpulse getriggert ist. Durch diese Art der Steuerung der Impulswiederholungsfrequenz
wird unabhängig ton der für die strömende Flüssigkeit
charakteristischen
Schallgeschwindigkeit, der Eleßstreckenlange gegebenenfalls weiterer, den zu erfassenden
Laufzeitunterschied beeinflussenden Parametern eine die gesamte Überwachungszeit
optimal überdeckende Folge unmittelbar nneinander anschließender Meßzyklen erreicht.
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Der einfache Aufbau der erfindungsgemäßen Durchfluß-Meßeinrichtung
beinhaltet auch die vorteilhafte Möglichkeit, den einzigen Ultraschall-Impulsgeber
und die beiden Ultraschall-Detektoren zu einer vorgefertigten Baueinheit zusammen
zu fassen oder durch ein Ultraschall-Sender-Empfänger-Wandlerelement zu ersetzen,
woran gegebenenfalls Referenz-Leitungsschleifen unterschiedlicher Länge und unterschiedlichen
Querschnitts anschließbar sind. Dadurch werden sowohl die Fertigungs- und Nontagekosten
günstig niedrig ge-.
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halten als auch die Einsatzmöglichkeiten der Durchfluß-Neßeinrichtung
erweitert.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbei spiels anhand der Zeichnung.
Es zeigt: Fig. 1 ein Dloclcschaltbild einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchfluß-Meßeinrichtung
und Fig. 2 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Funktion der Ultraschall-Durchfluß-Meßeinrichtung
gemäß Fig. 1.
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Mit der in der Fig. l dargestellten Ultraschall-Durchfluß-Meßeinrichtung
1 soll die Durchflußmenge einer durch eine Transportleitung 2 strömenden Flüssigkeit,
beispielsweise Dieselkraftstoff, der von einem Tank zur Einspritzpumpe eines Dieselmotors
fließt, fortlaufend möglichst genau gemessen werden können.
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Hierzu ist ein schleifenförmig verlegter Leitungsabschnitt 2 vorgesehen,
der über geeignete Anschlußstücke 3 und 4 an den vom nicht dargestellten Tank kommenden
Teil 6 der Transportleitung
bzti. an den zur ebenfalls nicht dargestellten
Einspritzpumpe weiterführenden Teil 7 der Transportleitting angeschlossen ist.
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Der schleifenförmige Leitungsabschnitt kann ein Glas- oder ein Metallrohr
sein, das über die gesamte Länge denselben, beispielsweise kreisrunden, Querschnitt
hat. Gemäß Fige 1 durchströmt die Flüssit-,lreit den schleifenförmigen Leitungsabsehnitt
im Uhrzeigersinn.
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Ein Ultraschall-Impulsgeber 8, beispielsweise ein handelsüblicher
keramischer Schallgeber ist im Bereich der einander benachbarten zulaufseitigen
und auslaufseitigen Endabschnitte des schleifenförmigen Leitungsabschnitts 2 so
angeordnet, daß die von ihm periodisch erzeugten Schallimpulse sowohl am zulaufseiteigen
Beginn als auch am auslaufseitigen Ende einer den größten Teil des schleifenförmigen
Leitungsabschnitts 2 umfasenden Referenzmeßstrecke in die entlang dieser Meßstrecke
strömende Flüssigkeit einspeisbar sind. Anfang und Ende dieser Referenzmeßstrecke,
die entlang der zentralen Achse 11 des Leitungsrohres gemessen die Länge s hat,
sind durch übliche, als Druck-Spannungswandler arbeitende Ultraschall-Detektoren
12 und 13 markiert.
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Die beiden Detektoren 12 und 13 sind in Strömungsrichtung der Flüssigkeit
gesehen, in gleichem, möglichst geringem Abstand vom Impulsgeber 8 angeordnet.
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Aus einer impulsförmigen Erregung des Schallimpulsgebers 8, wobei
die ErregungszeitiS zweckmäßigerweise sehr viel kürzer gewählt ist als die Laufzeit
eines ochallimpulses über die Referenz-I;eßstrecke, resultiert nun einmal ein Schall
impuls, der den schleifenförmigen Leitungsabschnitt 2 in Strömungsrichtung der Flüssigkeit
durchläuft und zum anderen ein Schall impuls, der die Leitungsschleife 2 in der
entgegengesetzten Richtung durchläuft Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit v1 des
in Strömungsrichtung der Flüssigkeit laufenden Schallimpulses um den Betrag der
Strömungsgeschwindigkeit v5 größer ist als die Schallgeschwindigkeit a bei ruhender
Flüssigkeit und die Ausbreitungsgeschwindigkeit v2
des entgegen
der Strömungsrichtung laufenden Schallimpulses um den Wert der Strömungsgeschwindigkeit
v5 kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit a bei ruhender Flüssigkeit, trifft
der in Strömungsrichtung laufende Schallimpuls früher bei dem am auslaufseitigen
Ende der Referenz-Meßstrecke angeordnete Detektor 13 ein als der entgegen der Strömungsrichtung
laufende Schallimpuls bei dem am zulaufseitigen Beginn der Referenz-Meßstrecke angeordneten
Detektor 12.
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Unter der Voraussetzung, daß die Strömungsgeschwindigkeit v5 über
den gesamten Leitungsquerschnitt konstant ist, eine Voraussetzung, die in guter
Näherung nur bei turbulenter Strömung erfüllt ist, gelten dann für die Laufzeit
t1 und t2 der gegenläufigen Schallimpulse die folgenden Beziehungen: t1 = s/v1 =
s/(a+v5) (1) und t2 = s/v2 = s/(a-v5) (2).
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Für den Laufzeitunterschied t ergibt sich hieraus: = s(1/(a-vs)-1/(a+vs))
= 2svs/(a²-vs²) (3) Da die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten - ein typischer
Wert für Dieselkraftstoff ist 1400m/sec.- in aller Regel sehr viel größer ist als
die Strömungsgeschwindigkeit v5 mit größenordnungsmäßig 1m/s, kann im Nenner der
Beziehungen (3) vs² in guter Näherung Werden, und man erhält unter dieser Voraussetzung
t = 2sv /a2 (3a) 5 In der durch die Beziehung 3a angegebenen Näherung ist der Laufzeitunterschied
#t eine lineare Funktion der Strömungsgeschwindigkeit v bzw. diese gemäß der Beziehung
v5 = ta2/2s (3b)
eine lineare Funktion des zu messenden Laufzeitunterschiedes
# t und demzufolge bei bekanntem Leitungsquerschnitt auch die Durchflußmenge, Der
relative Fehler, mit dem somit die Durchflußmessung behaftet ist, entspricht dann
in erster liäherung dem relativen Fehler, mit dem der Laufzeitunterschied # t bestimmbar
ist, sofern die Laufzeitstrecke s, die Schallgeschwindigkeit a im ruhenden Medium
und der Lautungsquerschnitt im kleinerem relativem Fehler bekannt sind, was aber
im allgemeinen vorausgesetzt werden kann0 Die im Rahmen der Durchfluß-Meßeinrichtung
1 weiter vorgesehenen elektronischen Einrichtungen zur Erfassung des Laufzeitunterschiedesi
# t und deren Funktion wird im folgenden anhand der Fig. 1 und des Impulsdiagramms
der Fig0 2 näher erläutert: Es sei angenommen, daß die Ultraschall-Detektoren 12
und 13 als Ausgangsstufe eine Gleichrichterstufe haben, die als Spannungs-Ausgangssignal
ein Effektiv-Gleichspannungssignal erzeugt, dessen Amplitude dem Betrag der Druckamplitudeen
der von einem einzelnen Ultraschall umfaßten Druck-Oszillationen entspricht und
einen der Hüllkurve dieser Druckamplituden entsprechenden zeitlichen Amplitudenverlauf
hat0 Diese Ausgangs signale sind die Eingangssignale von SpannungsverstäAtern 14
und 16, die einen sehr hohen Verstärkungsgrad haben und durch die impulsförmigen
Ausgangssignale der Detektoren 12 und 13 bis in die Sättigung ausgesteuert werden.
Die Ausgangssignale der Verstärker 14 und 16 sind dann rechteck- bzw0 trapezförmige
Spannungsimpulse mit sehr steilen Vorder-und Rückflanken. Jedem der beiden Spannungsverstärker
14 und 16 ist eine Schwellenwertatufe 16 bzw0 18 nachgeschaltet, deren Ausgangssignal
ein Hoch-Pegelsignal ist, sobald und solange die Ausgangssignalamplitude des Verstärkers
14 bzw0 16 größer ist als ein vorgebbarer Schwellenwert Ug und sonst ein Niedrig-Pegel-Spannungssignal.
Die Ausgangssignale der Schwellenwertstufen 17 und 18 sind somit Rechteck-Impulse,
deren Dauer im wesentlichen derjenigen der von den Detektoren 12 und 13 empfangenen
Schallimpulse
entspricht. Der dem auslaufseitigen Detektor 13
zugeordneten Schwellenwertstufe 18 ist eine Impulsformerstufe 19 nach -geschaltet,
die beim Auftrcten der Vorderflanke des von dieser Schwellenwertstufe 18 erzeugten
Rechteck-Ausgangssignals einen positiven Rechteckimpuls kurzer Impulsdauer erzeugt.
Der dem zulaufseitigen Detektor zuseordneten Schwellenwertstufe 17 ist eine Impulsformerstufe
20 nachgeschaltet, die beim Auftreten der Rückflanke des von dieser Schwellenwertstufe
17 erzeugten Rechteckimpulses einen positiven Spannungsimpuls kurzer Dauer abgibt.
Die von den Impuisformerstufen 19 und 20 erzeugten Nadel impulse sind die an getrennten
Eingängen 21 und 22 empfangenen Eingangssignale einer Trigger- und Torschaltung
23, die an einem weiteren Eingang 24 die Ausgangsimpulse eines quarzgesteuerten
500 MEIz - Oszillators empfängt. An einem weiteren Eingang 27 empfängt die Trigger-und
Torschaltung 23, das Ausgangssignal eines logischen UND-Gliedes 28, dessen Eingangssignale
die Ausgangssignale der Schwellenwertstufen 17 und 18 sind.
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Die Funktion der Trigger und Torschaltung 23 und der in soweit beschriebenen
Teile der Durchfluß-IIeßeinrichtung 1 wird im folgenden anhand des Impulsdiagramms
der Fig. 2 näher erläutert, wobei davon ausgegangen sein soll, daß die Strömung
der Flüssigkeit in dem schleifenförmigen Leitungsabschnitt 2 laminar ist.
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Es sei angenommen, daß der Ultraschallgeber 8 im Zeitpunkt to für
eine kurze Zeitspanne # erregt wird und einen Schallimpuls 29 entsprechender Dauer
aussendet, der sich im gesamten Leitungsquerschnitt des schleifenförmigen Icitungsabschnittes
2 ausbreitet.
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Dieser Schallimpuls 29, der einmal vom zulaufseitigen Endabschnitt
9 zum auslaufseitigen Endabschnitt 10 und zum anderen von dort zum zulaufseitigen
Endabschnitt 9 der Leitungsschleife 2 zurückläuft, wird von den beiden Detektoren
12 und 13 pra1tisch gleichzeitig empfangen und mit gleichzeitig auftretenden Spannungsimpulsen
31 und 32 entsprechend kurzer Impulsdauer quittiertO Wegen der bei
larzinarer
Strömung inhomogenen Verteilung der StrömungsgeschaJindigkeit mit über den Leitungsquerschnitt
gesehen parabolischem Geschwindigkeitsprofolö werden die mit und gegen die Strömungsrichtung
laufenden Druckimpulse verbreitert, weil für die Laufzeit in der praktisch ruhenden,
der Leitungswanf unmittelbar benachbarten Grenzschicht der Flüssigkeit die für die
ruhende Flüssigkeit geltende Schallgeschwindigkeit a und nur für den längs der zentralen
Achse 11 des Referenz-Leitungsabschnitts 2 verlaufenden Strömungspfad die um die
Strömungsgeschwindigkeit v5 vermehrten bzw. verminderte Schallgeschwindigkeit a
+ vs anzusetzen ist. Dies hat zur Folge, daß die Druckwelle des in Strömungsrichtung
verlaufenden Schallimpulses am auslaufseitigen Detektor 13 zwar schon nach der Zeit
t1 = s/(a+vs) einsetzt, aber erst nach der Zeit t2 = s/a wieder abklingt. Entsprechend
setzt die Druckwelle des mit dem entgeungesetzt zur Strömungsrichtung verlaufenden
Druckimpulses am zulaufssitigen Detektor 12 schon nach dieser Zeit t2 ein und klinkt
nach der Zeit t3 = s/(a-vS) wieder ab. Die Spannungs-Ausgangs-Signale der beiden
Detektoren 13 und 12 haben demgemäß qualitativ den in Fig. 2 durch die Impulszüge
33 und 34 repräsentierten zeitlichen Verlauf mit einem relativ breiten Spannungsmaximum
36 für den in Strömungsrichtung laufenden "schnellen" Schallimpuls und einem entsprechendem
Spannungsmaximum 37 für den entgegen der Strömungsrichtung laufenden "langsamen"
Schallimpuls0 Die für diese Detektor-Ausgangssignale 33 und 34 erzeugten Ausgangssignale
der Spannungsverstärker 16 und 14 sind in Figo 2 durch die Impulszüge 38 und 39
repräsentiert. Die für die Ausgangs-Spannungsmaxima 36 und 37 der Detektoren 13
und 12 erzeugten Ausgangsimpulse 41 und 42 haben den aus der Fig 2 ersichtlichen
trapezförmigen Zeitverlauf mit im Vergleich mit den Spannungsmaxiina 36 und 37 erheblich
steileren Vorderflanken 43 bzw 44 und Rückflanken 46 bzw. 47 Die mittels der Schwellenwertstufen
18 und 17 von den Verstärker-Ausm gangssignalen 38 und 39 abgeleiteten impulsförmigen
Ausgangssignale sind in Fig. 2 durch die Impulszüge 48 und 49 repräsentiert0 Die
für die trapezwellenförmigen Ausgangssignalteile 41 und 42 der Verstärker 16 und
14 von den Schwellenwertstufen 17 und 18 erzeugten
Rechteck-Ausgangsimpulse
51 und 52 setzen ein, sobald die iiusgangssignalamplitude der Verstärker 16 und
14 höher ist als ein vorgegebener Spannungs-Schwellenwert Ug und fallen wieder ab,
wenn die Ausgangssignalamplituden der Verstärker 16 und 14 diesen Spannungs-Schwellenwert
wieder unterschreitet. Infolge der gegenüber den Spannungsmaxima 36 und 37 der Detektor-Ausgangssignale
vergrößerten Steilheit der Vorder- und Rückflanken der Trapezförmigen Ausgangsimpulse
41 und 42 der Verstärker 16 und 14 tritt die Vorderflanke 53 des Rechteck-Impulses
51 praktisch im Zeitpunkt t1 seine Rückflanke 54 und die Vorderflanke 56 des Rechteck-Impulses
52 praktisch im Zeitpunkt t2 und dessen Rückflanke 57 praktisch im Zeitpunkt t3
auf, wenn der Spannungs-Schwellenwert Ug in dem durch einen hinreichenden Störabstand
gesetzten Rahmen möglichst niedrig gewählt ist. Demgemäß wird dann auch der von
der Impulsformerstufe 19 von dem Rechteck-Impuls 51 abgeleitete Nadelimpuls 58 praktisch
im Zeitpunkt t1 und der von der Rückflanke 57 des Rechteck-Impulses 52 der Schwellenwertstufe
17 mittels der Impulsformerstufe 20 abgeleitete Nadelimpuls 59 praktisch im Zeitpunkt
t3 erzeugt. Der zeitliche Abstand der Nadelimpulse 59 und 58 entspricht dann in
sehr guter Nähern dem durch-die Beziehung 3a angegebenen Laufzeitunterschied zwischen
den maximal verzögerten und maximal beschleunigten Schallimpulskomponenten. Das
Ausgangssignal des UND-Gliedes ist ein zeitlich praktisch mit dem Schallimpuls 29
zusammenfallender Rechteck-Impuls 60.
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Die Messung des Laufzeitunterschiedes Zi t vollzieht sich in fortlaufend
wieWerholten Meßzyklen, wobei die Erregung des Ultraschallimpulsgebers 8 mittels
eines Rechteck-Generators 61 gesteuert ist, der in periodischer Folge die zur Einleitung
eines solchen Meßzyklus erforderlichen Erregungsimpulse der Dauer t erzeugt. Wenn
die Trigger- und Torschaltung 23 den Recnteck-Impuls 60 des UND-Gliedes 28 empfängt,
gibt sie an einem ersten Ausgang 62 einen Impuls ab, der einen digitalen Zähler
63 zurücksetzt. Auf Empfang des für den in Strömungsrichtung laufenden Schallimpulses
am Ausgang der Impulsformerstufe -19 im Zeitpunkt t1 auftretenden ersten Nadelimpulses
58
gibt die Trigger- und Torschaltung 23 einen vom 500 MHz-Oszillator 26 zum Zähleingang
64 führenden Signalpfad frei, so daß der Zähler 63 die Ausgangsimpulse des 500 tEz-Oszillators
zählen kann0 Auf das Auftreten des von der Impulsformerstufe 20 für den entgegen
der Strömungsrichtung laufenden Schall impuls im Zeitpunkt t erzeugten zweiten Nadelimpulses
59 wird dieser Signalpfad wieder gesperrt, und der Zählerstand des digitalen Zählers
63 ist dem LaufzeitunterschiediX t - t3-t1 direkt proportional.
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Gleichzeitig wird durch den zweiten Nadelimpuls, gegebenenfalls mit
einer geringfügigen zeitlichen Verzögerung an einem weiteren Ausgang 66 der Trigger
und Torschaltung ein Triggerimpuls erzeugt, der über die gestrichelt eingezeichnete
Signalleitung 67 von dem Rechteck-Generator 61 empfangen wird und dessen erneute
Erregung veranlaßt Dadurch wird erreicht, daß sich die Meßzyklen mit einer automatisch
an die Signalgeschwindigkeit in der Durch fluß-PIeßeinrichtung angepaßten optillal
hohen Wiederholungsfrequenz unmittel-bar aneinander anschließen Der Rechteck-Generator
61 kann in diesem Fall als ein einfacher monostabiler Nultivibrator ausgebildet
sein. Bei dieser Art der Erreger-Impulswiederholung ist auch unabhängig von der
Länge der Referenz-Meßstrecke stets eine optimal "dichte" Folge der Meßzyklen gewährleistet.
Es versteht sich jedoch, daß der Rechteck-Generator 61 auch als ein mit einer vorgebbar
festen Impulswiederholungsfrequenz arbeitender Impulsgeber ausgebildet sein kann.
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Geht man von einer für Dieselkraftstoff charakteristischen Schallgeschwindigkeit
a von 1400m/s, einer Länge s der Referenz-Meßstrecke von 1,4m und einer Strömungsgeschwindigkeit
v5 von 1,4m/s aus, so ergibt sich anhand dr Beziehung 3a für den Laufzeitunterschied
At ein Wert von 2 ß so Die mittlere Laufzeit der Schallimpulse über die Referenz-Meßstrecke
s beträgt dann in erster Näherung eine ms und demgemäß bei der genannten Art der
automatischen Impulswiederholungs-Steuerung die Impulswiederholungsfrequenz des
Rechteck-Oszillators 61 1kHz. Der relative Fehler, mit dem dann die Messung
des
Laufzeitunterschieds a t von 2yE s behaftet ist, beträgt dann, wenn die Frequenz
des quarzgesteuerten Oszillators 500 ERIz ist, rund 1 %..
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Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Durchfluß-Meßeinrichtung,
obwohl am Beispiel der Messung der Durchflußmenge von Dieselkraftstoff näher erläutert,
auch für die Nessung der Durchflußmenge anderer Flüssigkeiten geeignet ist. Durch
geeignete Wahl des Quer schnitts des Referenz-Leitungsabschnitts 2 und des Druckes,
unter dem die Flüssigkeit durch den Referenz-Leitungsabschnitt 2 strömt, kann man
die Durchfluß-fießeinrichtung 1 entweder bei laminarer oder auch bei turbulenter
Strömung der Flüssigkeit betreiben. Der für den Fall der laminaren Strömung geeignete
Aufbau der Durchfluß-Neßeinrichtung 1 gemäß Fig. 1 ist auch für Messungen bei turbulenter
Strömung geeignet. Ist jedoch von vornherein gewährleistet, daß die Durchfluß-Meßeinrichtung
mit turbulenter Strömung der Flüssigkeit betrieben wird, können zumindest die Schwellenwertstufen
17 und 18, gegebenenfalls auch die Verstärker 14 und 16 entfallen.
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Der digitale Zähler 63 umfaßt zweckmäßigerweise auch einen Speicher,
in dem der für einen Meßzyklus ermittelte Zählerstand für die Dauer des nächsten
Meßzyklus gespeichert bleibt und mittels einer Auswertungsschaltung 67, gegebenenfalls
unter Nitverarbeitung weiterer, die Laufzeit der Schallimpulse beeinflussender Parameter,
zu einer entsprechend korrigierten Durchfluß-Nengenanzeige verarbeitet wird.