DE2850246A1

DE2850246A1 - Verfahren zur laufzeitmessung mittels signalverzoegerung

Info

Publication number: DE2850246A1
Application number: DE19782850246
Authority: DE
Inventors: Ajir Dr Ing Fazel-Madjlessi; Siegfried Ing Grad Maxam
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1978-11-20
Filing date: 1978-11-20
Publication date: 1980-05-29

Description

Verfahren zur Laufzetmessung mittels Signalverzögerung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs. Mit diesem Verfahren sollen Geschwindigkeiten eines strömenden Mediums in einem Kanal, Geschwindigkeiten eines Objektes in einem ruhenden Medium, aber auch die Geschwindigkeit einer Veränderung in einem Medium, beispielsweise die Schallgeschwindigkeit in einem Medium oder die Phasenverschiebung in zwei Wechselstromnetzen gemessen werden.
Voraussetzung für dieses Meßverfahren ist, daß in dem Meßmedium an beiden Meßfühlern zeitlich verschobene Verän.de n.ngen auftreten, die aufgrund unterschiedlicher Frequenz und/oder Amplitude signifikant sind.
Für dieses Meßverfahren erscheinen geeignet; Schnelle Temperaturänderungen in turbulenten Kanalströmungen, magnetische Veränderungen, Wirbelstrom-Veränderungen, Ultraschall- oder Schallschwingungen, Phasenverschiebungen in zwei Wechselströmen, Gasblasen in einer Flüssigkeit.
In der deutschen Zeitschrift "Elektronik" von 1971 wird in Heft 2 auf den Seiten 39 - 42, sowie in Heft 3 auf den Seiten 93 - 96 eine Einführung in die Korrelationsmeßtechnik gegeben. Auf einer Fachtagung der Kerntechnischen Gesellschaft in Berlin vom 10. - 12. März 1976 wurde über die "Messung von Fluidgeschwindigkeitstransienten auf der Basis von Kreuzkorrelationsanalysen" berichtet. In beiden Fällen sind die beschriebenen Methoden sowohl gerätetechnisch als auch zeitlich sehr aufwendig und damit nur begrenzt einsetzbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs. Mit diesem Verfahren sollen Laufzeiten in Meßmedien mit geringem gerätetechnischen Aufwand und quasi-kontinuierlich direkt gemessen werden. Damit ist gemeint, daß die Meßwerte nicht wie bei den erwähnten Korrelationsmessungen auf einem Datenträger gespeichert werden müssen, der später mittels einer elektronischen Datenverarbeitung ausgewertet wird.
Das Verfahren nach dem 1. Anspruch verwandelt zunächst in bekannter Weise die beiden zeitlich veränderlichen Meßsignale in Spannungen und verschiebt das zeitlich erste Signal mit veränderlicher Verzögerungszeit soweit, bis die beiden Signale übereinstimmen. Die bei dieser Übereinstimmung momentan eingestellte Verzögerungszeit entspricht direkt der Laufzeit zwischen den beiden Meßfühlern.
Das Verfahren nach dem 2. Anspruch benutzt unmittelbar die Differenz der beiden Meßsignale bzw. die Differenz der beiden Spannungen, die diesen Meßsignalen entsprechen. Bildlich betrachtet, werden die beiden an sich identischen Kurven, die den Verlauf der Spannungen über der Zeit darstellen, so lange verschoben, bis sie zur Deckung kommen. Diese Verschiebung, entspricht der Laufzeit eines Signals zwischen den beiden Meßfühlern.
Das Verfahren nach dem 3. Anspruch vergleicht ebenfalls die beiden Meßsignale bzw. die sich aus diesen Meßsignalen ergebenden Spannungen. Ihre Differenz wird aber anschließend quadriert. Da bei kleinen Differenzen das Quadrat dieser Differenzen noch wesentlich kleiner ist, wird das gesuchte Minimum deutlicher erkennbar.
Im übrigen wird durch die Quadrierung der Differenz erreicht, daß das Vorzeichen der Differenz ohne Bedeutung für die weitere Verarbeitung ist.
Das Verfahren nach dem 4. Anspruch speichert die zeitlich nacheinander gemessenen Signale kontinuierliche in einer sogenannten Eimerkettenschaltung, die beispielsweise aus einer Reihe von hintereinander angeordneten Kondensatoren besteht, deren Ladung jeweils im Takt von einem Kondensator zum benachbarten verschoben wird. Auf diese Weise wandert ein Meßsignal durch diese Eimerkettenschaltung, Es wird am Ende dieser Schaltung mit dem Meßsignal des zweiten Meßfühlers verglichen und anschließend gelöscht. Die Geschwindigkeit des Durchlaufs eines Meßsignals durch die Eimerkettenschaltung wird von einem Taktgenerator von veränderlicher Frequenz gesteuert. Bei hoher Frequenz durchläuft das Meßsignal die Eimerkettenschaltung sehr schnell, d. h., mit geringer Verzögerung.
Bei geringer Frequenz wird die Laufzeit des Signals in der Eimerkettenschaltung größer und damit auch die Verzögerung. Daher kann man die momentane Frequenz des Taktgenerators als Maß für die momentane Verzögerungszeit verwenden. Die momentane Verzögerungszeit ist aber, wenn die Differenz der beiden Meßsignale ein Minimum wird, ein Maß für die Laufzeit eines Signals zwischen den beiden Meßfühlern.
Das Verfahren nach dem 5. Anspruch läßt einen Teil des bisher beschriebenen Verfahrens, nämlich die Veränderung der Verzögerungszeit und die Suche nach dem jeweiligen Minimum der Differenz der beiden Meßsignale kontinuierlich ablaufen. Aus praktischen Gründen wird diese Verzögerungszeit nicht zwischen Null und einem sehr großen Wert sondern nur zwischen einem technisch möglichen minimalen und maximalen Wert variiert. Ein handelsüblicher Spannungs-Frequenz-Wandler wird von einem Dreieck-Generator so angesteuert, daß die Ausgangsspannung des Spannungs-Frequenz-Wandlers dauernd von einer unteren Frequenz bis zu einer oberen Frequenz wandert. Dadurch wird die Verzögerungszeit ebenfalls von einem Minimalve:-t bis zu einem Maximalwert geändert, so daß jedesmal das Minimum durchlaufen wird. Das jeweilige Minimum wird gespeichert und beim geringsten Minimum wird die momentane Verzögerungszeit bzw. die ihr entsprechende Frequenz gespeichert und zur Anzeige gebracht. Beim nächsten Durchlauf wird diese Anzeige durch die jeweils neuere Anzeige ersetzt.
Das im 6. Anspruch vorgeschlagene Verfahren wird angewandt für solche Medien, die von sich aus keine zur Messung geeigneten, zeitlich veränderlichen und signifikanten Eigenschaften aufweisen.
Die Figuren 1 - 3 dienen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Verfahren.
Figur 1 zeigt eine sehr vereinfachte, schematische Schaltung für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Rohr.
Figur 2 zeigt die Aufzeichnung der in Spannungen umgeformten Meßsignale aus Figur 1.
Figur 3 zeigt eine gegenüber Figur 1 etwas erweiterte Schaltung, die sich ebenfalls auf die Messung einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Rohr bezieht.
Die einfachste Lösung des Verfahrens wird anhand von Figur 1 erläutert. Zwei Meßfühler 1 und 2 sind mit dem Abstand L in einem Rohr 3 untergebracht. Durch das Rohr 3 strömt z. B. Flüssigmetall mit der Geschwindigkeit v von 1 nach 2. Pie Meßsignale von 1 und 2 werden in 4 und 5 in Spannungswerte umgeformt. Die Signale am Ausgang 4 und 5 zeigen die Kurven 12 und 13 in Figur 2.
Durch die analoge Verzögerungsschaltung 6 (z. B. Valvo Typ TDA 1022) wird das Signal 12 des Meßfühlers 1 um die Zeit tv verschoben und ergibt das Signal 14 in Figur 2. Bei der analoyen Verzögerungsschaltung 6 handelt es sich um eine sog, Eimerkettenschaltung, die beispielsweise ein 512-stufiges dynamischen MOS-Schieberegister zur Verzögerung analoger Signale enthält. Die Verzögerungsschaltung 6 wird durch einen Taktinipuisgeber 7, dessen Frequenz variabel ist, angesteuert. Durch Änderung der Frequenz wird die Verzögerungszeit tX, eingestellt. Die Verzögerungszeit v ist dabei umgekehrt proportional zu Frequenz Von den Signalen 13 und 14 aus Figur 2 wird mit dem Differenzverstärker 8 und dem Quadrierer 10 die quadratische Abweichung gebildet. Die Frequenz des Taktgenerators 7 wird variiert bis das Instrument 11 ein Minimum anzeigt. Die Geschwindigkeit in der Rohrstrecke 3 ergibt sich zu Setzt man in diese Beziehung ein, so ergibt sich v XL fT, d. h., die einges tellte Fr equenz ist direkt proportional der zu messenden Geschwindigkeit.
Die eingestellte Frequenz wird mit dem Frequenzmesser 9 gemessen.
Figur 3 zeigt die Schaltung eines Bet.riebsmeßgerates mit automatischem Meßablauf. Hierbei wird der Taktgenerator 7 aus Figur 1 durch einen Spannungs-Frequenz-Wandler 23 ersetzt. Dieser wird von einem Dreieck-Generator 24 so angesteuert, daß die Ausgangsspannung des Spannungs-Frequenz-Wandlers 23 dauernd von einer unteren Frequenz u bis zu einer oberen Frequenz f 0 wandert. Es wird dadurch erreicht, daß sich die Verzögerungszeit der analogen Verzögerungsschaltung 20 von einem t . bis zu einem t ebenfalls ändert, v min v max d. h., daß am Ausgang des Quadrierers 22 bei jedem Durchgang das Minimum durchlaufen wird, Durch eine Steuerlogik 28 wird erreicht, daß beim Erreichen des Minimums die Sample-Hold-Schaltung 25 den Momentanwert des Generators 24 übernimmt und bis zum nächsten Durchgang des Minimums speichert. Da die Eingangsspannung des Spannurigs-Frequenz-Wandlers 23 proportional zur Ausgangsfrequenz ist, ist diese Spannung proportional zur Geschwindigkeit v des strömenden Mediums im Rohr 15.
Die in der Sample- und Hold-Stufe 25 gespeicherte Spannung wird über eine Verstärkerstufe 26, in der der Nullpunkt und die Verstärkung eingestellt werden kann, einem Digitalvoltmeter 27 zugeleitet und zur Anzeige gebracht.

Claims

Verfahren zur Laufzeitmessung mittels Signalverzögerung Patentansprüche 1 Verfahren zur Messung der Laufzeit zwischen zwei Meßfühlern; diese Meßfühler sind in Meßrichtung mit Abstand voneinander angeordnet; diese Meßfühler messen zeitlich veränderliche Eigenschaften eines Meßmediums; dieses Verfahren hat folgende M e r k m a 1 e a) Die zeitlich veränderlichen Meßsignale werden in analoge Spannungen umgewandelt; b) das erste der beiden Meßsignale wird kontinuierlich gespeichert und nach einer veränderlichen Verzögerungszeit ebenfalls kontinuierlich mit dem zweiten Meßsignal verglichen; c) bei größtmöglicher Übereinstimmung der beiden Meßsignale wird die momentane Verzögerungszeit als Maß für die Laufzeit benutzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, mit folgendem Merkmal: a) Die Verzögerungszeit wird solange verändert, bis die Differenz der beiden Meßsignale ein Minimum wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, mit folgendem Merkmal: a) Die Verzögerungszeit wird solange verändert, bis die absolute quadratische Differenz der beiden Signale ein Minimum wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, mit folgenden Merkmalen: a) Das erste Meßsignal wird kontinuierlich in einer sogenannten Eimerkettenschaltung gespeichert; b) diese Eimerkettenschaltung wird mit einem Taktgenerator von veränderlicher Frequenz gesteuert; c) bei größtmöglicher Übereinstimmung der beiden Meßsignale wird die momentane Frequenz des Taktgenerators als Maß für die momentane Verzögerungszeit verwendet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, mit folgenden Merkmalen: a) Die momentane Verzögerungszeit wird mit einem Dreieckgenerator und einem Spannungsfrequenzwandler kontinuierlich zwischen einem minimal und einem maximal möglichen Wert variiert.

b) Das jeweilige Minimum der Differenz bzw. der quadratischen Differenz der beiden Meßsignale wird gespeichert.

c) Beim geringsten Minimum wird die momentane Verzögerungszeit gespeichert und zur Anzeige gebracht.
6. Verfahren nach Anspruch 1 für Medien, die keine zur Messung geeigneten zeitlich veränderlichen Eigenschaften haben, mit folgenden M e r k m a 1 e n a) Am ersten Meßfühler oder in Strömungsrichtung davor werden künstlich signifikante Änderungen aufgebracht.