DE2900549A1

DE2900549A1 - DEVICE FOR MEASURING THE SPEED OF A LIQUID

Info

Publication number: DE2900549A1
Application number: DE19792900549
Authority: DE
Inventors: George H Fathauer; Peter Stasz
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1978-01-09
Filing date: 1979-01-08
Publication date: 1979-07-12
Also published as: FR2414204A1

Description

-β- 2900543-β- 2900543

P-311/P-312P-311 / P-312

MEDTRONIC, INC. 3O55 Old Highway Eight, Minneapolis, Minn. 5544O/V.St.A.MEDTRONIC, INC. 3O55 Old Highway Eight, Minneapolis, Minn. 5544O / V.St.A.

Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer FlüssigkeitDevice for measuring speed a liquid

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit und insbesondere zur Messung der Blutgeschwindigkeit auf Grund des Rückstreu-Dopplerprinzips. The invention relates to a device for measuring the Velocity of a liquid and in particular for measuring the blood velocity on the basis of the backscatter Doppler principle.

Es ist bekannt, Ultraschallgeräte zur Messung der Geschwindigkeit eines Flüssigkeitsstromes einzusetzen. Diese Geräte, die meistens mit zwei Wandlern, zuweilen aber auch nur mit einem einzigen Wandler ausgestattet sind, nutzen den Dopplereffekt aus. Es sind auch Geräte bekannt, die das gleiche Prinzip auf die Messung der Blutdurchflußmenge anwenden. Die bekannten Geräte sind Geschwindigkeitsmesser, vergleiche insbesondere die Aufsätze von D. L. Franklin und Mitarbeiter in "The American Journal of Medical Electronics", erste Ausgabe 1966, Seiten 24-28 und "IRE Transactions on Bio-medical Electronics", Januar 1962, Seiten 44 bis 49. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weisen derartige Ultraschallgeräte in der Regel einenIt is known, ultrasonic devices for measuring the speed to use a liquid flow. These devices, mostly with two converters, but sometimes are also only equipped with a single converter, use the Doppler effect. Devices are also known which apply the same principle to the measurement of blood flow rate use. The known devices are speedometers, compare in particular the essays from D. L. Franklin et al., The American Journal of Medical Electronics, First Edition 1966, pages 24-28 and "IRE Transactions on Bio-medical Electronics", January 1962, pages 44 to 49. As shown in Fig. 1, Such ultrasound devices usually have a

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Wandler, beispielsweise in Form eines Quarzes 14',auf, der mittels eines Generators 12' dazu angeregt wird, Ultraschallwellen in eine Leitung 24' zu emittieren. Die Ultraschallwellen werden von der durch die Leitung hindurchgeschickten Flüssigkeit reflektiert und mittels eines Detektors, typischerweise in Form eines Quarzes 18', erfaßt. Der Ausgang des Detektors 18' ist an einen Empfänger 2O' angeschlossen. Der Empfänger 2O¹ ermittelt, wie weiter unten im einzelnen erläutert ist, das empfangene Dopplersignal, das die Geschwindigkeitsinformation enthält. Dieses Prinzip läßt sich beispielsweise benutzen, um die Geschwindigkeit von Blut zu messen, das durch eine außerhalb des Körpers des Patienten verlaufende Leitung hindurchströmt. Wenn beispielsweise das Herz des Patienten mittels einer Herz-Lungen-Maschine oder dergleichen unterstützt wird oder die Nieren des Patienten mittels einer Dialysemaschine gereinigt werden, kann auf die erfindungsgemäße Weise der Blutstrom durch solche Maschinen gemessen werden. Converter, for example in the form of a quartz 14 ', which is excited by means of a generator 12' to emit ultrasonic waves in a line 24 '. The ultrasonic waves are reflected by the liquid sent through the line and detected by means of a detector, typically in the form of a quartz 18 '. The output of the detector 18 'is connected to a receiver 20'. The receiver 2O ¹ determines, as will be explained in detail below, the received Doppler signal, which contains the speed information. This principle can be used, for example, to measure the speed of blood flowing through a conduit extending outside the patient's body. If, for example, the heart of the patient is supported by means of a heart-lung machine or the like or the kidneys of the patient are cleaned by means of a dialysis machine, the blood flow through such machines can be measured in the manner according to the invention.

Die praktische Anwendung des Doppler-Rückstreuprinzips besteht darin, daß ein Ultraschallstrahl in das Medium gesandt wird, dessen Geschwindigkeit gemessen werden soll, und daß die ursprüngliche Frequenz mit der empfangenen verschobenen Frequenz verglichen wird. Um die Geschwindigkeitsinformation abzuleiten, führt der Empfänger 20'The practical application of the Doppler backscatter principle exists in that an ultrasonic beam is sent into the medium, the speed of which is to be measured, and that the original frequency is compared with the received shifted frequency. To the speed information derive, the receiver performs 20 '

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einen Vergleich zwischen der Streusignalfrequenz und der ursprünglichen Frequenz aus. Der Frequenzunterschied ist eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums. Weil das Medium in der Regel in einer Leitung von bekannten Abmessungen strömt, kann die Geschwindigkeitsinformation in die Gesamtdurchflußmenge umgesetzt werden.a comparison between the scatter signal frequency and the original frequency. The frequency difference is a function of the flow velocity of the medium. Because the medium usually flows in a conduit of known dimensions, the speed information be converted into the total flow rate.

Bei diesem Phänomen sind zwei grundlegende Aspekte zu berücksichtigen. Die Teilchengröße kann größer als die Wellenlänge des gesendeten Ultraschalls oder kleiner als diese sein, so daß die Teilchen als ein punktförmiger Streuer wirken. Die roten Blutkörperchen haben typischerweise einen Durchmesser von 8/jm und eine Dicke von 2 /um, während die Wellenlänge eines 3,13-Megahertz-Ultraschallstrahls in Blut bei etwa 48O/jm liegt. Im Falle der roten Blutkörperchen ist das Blutkörperchen kleiner als die Wellenlänge des Strahls. Das Blutkörperchen wird in Bewegung versetzt und wird zu einem Sekundäremitter, der als eine Punktquelle wirkt.There are two fundamental aspects to be considered in this phenomenon. The particle size can be larger than or smaller than the wavelength of the transmitted ultrasound so that the particles act as a point scatterer. The red blood cells typically have one Diameter of 8 / µm and a thickness of 2 / µm while the wavelength of a 3.13 megahertz ultrasonic beam in blood is about 48O / jm. In the case of red blood cells the blood cell is smaller than the wavelength of the beam. The blood cell gets moving and becomes a secondary emitter acting as a Point source acts.

Die Einhüllende des empfangenen Signals stellt die Überlagerung aus dem gesendeten Träger und dem zurückgestreuten Signal dar, dessen normale Frequenz auf Grund des Dopplerphänomens verschoben wurde. Dieses Signal wird dann verstärkt, demoduliert, niederfrequent verstärkt, verarbeitet und als Durchflußmenge von dem Empfänger 2O' gemäß Fig. 1 wiedergegeben. Die Frequenzverschiebung istThe envelope of the received signal represents the superposition of the transmitted carrier and the backscattered one Represents a signal whose normal frequency has been shifted due to the Doppler phenomenon. This signal will then amplified, demodulated, amplified at low frequency, processed and as a flow rate from the receiver 2O ' shown in FIG. 1. The frequency shift is

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auf die Relativbewegung des Objekts mit Bezug auf den Sender und Empfänger zurückzuführen. Die Frequenzverschiebung auf Grund der Bewegung des Teilchens gegenüber dem Sender beträgt:due to the relative movement of the object with respect to the transmitter and receiver. The frequency shift due to the movement of the particle in relation to the transmitter:

V^-V cos θV ^ -V cos θ

wobei f.. = Frequenz der erzwungenen Teilchenoszillation V_ = Ultraschallgeschwindigkeit im Medium V = Teilchengeschwindigkeitwhere f .. = frequency of the forced particle oscillation V_ = ultrasonic speed in the medium V = particle speed

θ = Winkel zwischen dem Ultraschall- und dem Geschwindigkeitsvektor
f = Ultraschallträgerfrequenzθ = angle between the ultrasonic and the velocity vector
f = ultrasonic carrier frequency

Die Frequenzverschiebung auf Grund der Bewegung des Teilchens gegenüber dem Empfänger beträgt:The frequency shift due to the movement of the particle to the recipient is:

^f2 - ^f ^f 2 - ^f

2 - ^f1 V₀₊V cos θ2 - ^f 1 V ₀₊ V cos θ

wobei f. = Frequenz der erzwungenen Teilchenoszillation f^ = neue Frequenz, wie sie am Empfänger gemessenwhere f. = frequency of the forced particle oscillation f ^ = new frequency as measured at the receiver

wird
V₁V_n wie oben angegebenwill
V ₁ V _n as indicated above

Durch Zusammenfassung von (1) und (2) kann die gesamte Dopplerverschiebung ausgedrückt werden alsBy combining (1) and (2), the total Doppler shift can be expressed as

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f = ff_c - f,) H- Jf₁ - f₂) = f_c - f₂ (3)f = ff _c - f,) H- Jf ₁ - f ₂ ) = f _c - f ₂ (3)

V_n-V cos θ
^f = ^fc 0 - V _n -V cos θ
^f = ^f c 0 -

Die Formel läßt sich in eine Folge auflösen. Berücksichtigt man nur den wichtigsten Term unter der Annahme, daß V_n (15OO m/s)£> V« (1 ,5 m/s bei 10 L/min), erhält man den Ausdruck:The formula can be broken down into a sequence. If one only takes into account the most important term under the assumption that V _n (1500 m / s) £> V «(1.5 m / s at 10 L / min), one obtains the expression:

2 Vf₀ cos θ2 Vf ₀ cos θ

Dies stellt die Grundformel dar, die bei Rückstreu-Doppler-Durchflußmengenmessern ausgenutzt wird. Dieses Signal ist schwierig zu ermitteln, weil die Signalamplitude bei der verschobenen Frequenz klein ist und von der unmittelbar angekoppelten Ultraschallträgerfrequenz überdeckt wird. Günstig ist, daß sich die unmittelbar abgestrahlte empfangene Ultraschallwelle zu dem Rückstreusignal in dem Quarz 18' addiert, wodurch ein amplitudenmoduliertes Signal erzeugt wird, das alle grundlegenden Informationen entsprechend der Formel (5) enthält. Der Empfangsquarz 18' setzt die Ultraschallenergie wieder in ein elektrisches Signal um. Das amplitudenmodulierte Signal, das mit einem Mikrovoltpegel vorliegt, wird hochfrequent verstärkt, demoduliert, niederfrequent verstärkt, verarbeitet und als Durchflußmengen information wiedergegeben.This is the basic formula used in backscatter Doppler flow meters is exploited. This signal is difficult to determine because the signal amplitude is at the shifted frequency is small and the immediate coupled ultrasonic carrier frequency is covered. It is favorable that the directly radiated received ultrasonic wave is added to the backscatter signal in the crystal 18 ', creating an amplitude-modulated signal which contains all the basic information according to the formula (5). The receiving crystal 18 ' converts the ultrasonic energy back into an electrical signal. The amplitude modulated signal that is generated with a Microvolt level is present, is amplified at high frequencies, demodulated, low-frequency amplified, processed and reproduced as flow information.

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Es wurde bereits vorgeschlagen (US-Patentanmeldung 798,67O)₁ bei einer Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit, insbesondere Blut, einen ersten Sendewandler in Form eines Quarzes vorzusehen, der mittels eines eine ungedämpfte Welle erzeugenden Generators angeregt wird, um ein Ultraschallsignal mit einer Frequenz von 3,13 Megahertz abzugeben. Das Ultraschallsignal wird in eine Leitung gerichtet, durch die Blut hindurchströmt. Die von den Blutzellen des Blutes reflektierte Ultraschallwelle wird durch die Leitung -hindurchgerichtet und von einem zweiten Wandler oder Empfangswandler erfaßt. Die reflektierte Ultraschallwelle ist in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des durch die Leitung hindurchlaufenden Blutes frequenzverschoben. Anschließend wird das von dem zweiten Ultraschallwandler abgeleitete Signal verstärkt und demoduliert, bevor es einem Frequenz/Spannungs-Umsetzer zugeführt wird. Die Amplitude des Ausgangssignals dieses Umsetzers bildet eine analoge Kenngröße für die Geschwindigkeit oder die Durchflußmenge des Bluts in der Leitung.It has already been proposed (US patent application 798,67O) ₁ to provide a first transmission transducer in the form of a quartz for a device for measuring the speed of a liquid, in particular blood, which is excited by means of a generator generating an undamped wave in order to transmit an ultrasonic signal a frequency of 3.13 megahertz. The ultrasound signal is directed into a conduit through which blood flows. The ultrasonic wave reflected by the blood cells of the blood is passed through the line and detected by a second transducer or receiving transducer. The reflected ultrasonic wave is shifted in frequency as a function of the speed of the blood passing through the line. The signal derived from the second ultrasonic transducer is then amplified and demodulated before it is fed to a frequency / voltage converter. The amplitude of the output signal from this converter forms an analog parameter for the speed or the flow rate of the blood in the line.

Es ist erwünscht, eine Flüssigkeits- oder Blutgeschwin-digkeitsmeßvorrichtung zu schaffen, die es erlaubt, die Geschwindigkeit oder die Durchflußmenge einer Flüssig-It is desirable to have a fluid or blood rate measuring device to create that allows the speed or the flow rate of a liquid

keit zu bestimmen, die durch eine beliebige von mehreren Leitungen hindurchfließt. Dabei versteht es sich, daß für eine vorgegebene Durchflußmenge der Flüssigkeit beithe ability to flow through any of a number of conduits. It goes without saying that for a given flow rate of the liquid

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Verkleinerung des Durchmessers oder des Querschnitts einer Leitung die Geschwindigkeit der Flüssigkeit zunimmt. Wenn umgekehrt die Querschnittsfläche einer Leitung vergrößert wird, nimmt die Geschwindigkeit der Flüssigkeit ab, wenn eine konstante Flüssigkeitsmenge durch die Leitung hindurchgeführt wird.Reducing the diameter or cross section of a Conduction the velocity of the liquid increases. Conversely, when the cross-sectional area of a conduit is increased the speed of the liquid decreases when a constant amount of liquid flows through the pipe is passed through.

Es ist ferner erwünscht, eine tragbare Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit zu schaffen, die aus einer unabhängigen, eingebauten Energiequelle, beispielsweise einer Batterie, gespeist werden kann. Wenn Batterien benutzt werden, ist es erwünscht, die den Batterien entnommene Energie zu minimieren, um für eine verlängerte Lebensdauer der Batterie zu sorgen. Zieht man den Einsatz von Batterien zur Stromversorgung einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art zur Messung der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit in Betracht, bewirkt der Quarzsender, und insbesondere der zur Speisung eines solchen Senders mit hoher Frequenz vorgesehene Generator, eine starke Stromentnahme aus der Batterie. Es ist daher erwünscht, solche Vorrichtungen nur intermittierend arbeiten zu lassen, um die Flüssigkeitsgeschwindigkeit auf einen Befehl durch den die Vorrichtung Bedienenden zu messen. Eine tragbare Blutgeschwindigkeitsmeßvorrichtung kann beispielsweise in einem Krankenhaus verwendet werden, wobei eine Hilfsperson die Vorrichtung von Patient zu Patient trägt. Die Vorrichtung eignetIt is also desirable to have a portable device for Determination of the velocity of a liquid creating from an independent, built-in energy source, for example a battery, can be fed. If batteries are used, it is desirable Minimize the energy drawn from the batteries in order to extend the life of the battery. If you consider the use of batteries to power a device of the type described above for measurement Taking into account the velocity of a liquid, the quartz transmitter, and in particular the one for the supply, effects Such a high frequency transmitter provided generator, a large current drain from the battery. It it is therefore desirable to have such devices only operate intermittently in order to increase the fluid velocity to measure upon a command from the operator of the device. A portable blood rate measuring device can for example be used in a hospital, with an assistant operating the device carries from patient to patient. The device is suitable

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sich dabei insbesondere zur Messung der Blutdurchflußmenge durch eine Leitung einer Dialysemaschine oder einer das Herz unterstützenden Maschine; sie läßt sich dann leicht von einer Maschine zur nächsten transportieren .in particular to measure the blood flow rate through a line of a dialysis machine or a heart assisting machine; she lets herself then easily transported from one machine to the next.

Aus der US-PS 3 741 014 ist ein Ultraschallmeßgerät zum Messen der Durchflußmenge eines Fluids unter Ausnutzung des Dopplerphänomens bekannt. Dabei wird ein Oszillator oder Generator vorgesehen, der einen Ultraschallwandler anregt, um eine Ultraschallwelle in eine Flüssigkeit zu richten. Die Ultraschallwelle wird von der Flüssigkeit reflektiert und von einem Empfangswandler aufgenommen. Das Ausgangssignal des Empfangswandlers wird verstärkt und mit einem Signal gemischt, das von dem Wandleroszillator oder -generator abgeleitet wird. Das Ausgangssignal des Mischers geht dann an einen Detektor und einen Signalimpulsumsetzer. Das Ausgangssignal des Umsetzers besteht aus einer Folge von Signalen, die proportional der Dopplerfrequenz sind. Es wird mit einem Maßstabsfaktor multipliziert und mittels des Umsetzers in einen binären Dezimalcode umgewandelt, um ein digitales Ausgangssignal zu erhalten, das mittels einer digitalen Anzeigevorrichtung wiedergegeben werden kann.From US-PS 3 741 014 an ultrasonic measuring device for Measuring the flow rate of a fluid using it of the Doppler phenomenon. An oscillator or generator is provided which has an ultrasonic transducer stimulates to direct an ultrasonic wave into a liquid. The ultrasonic wave is carried by the liquid reflected and picked up by a receiving transducer. The output signal of the receiving transducer is amplified and mixed with a signal derived from the transducer oscillator or generator. The output signal the mixer then goes to a detector and a signal pulse converter. The output signal of the converter exists from a sequence of signals proportional to the Doppler frequency. It comes with a scale factor multiplied and converted into a binary decimal code by means of the converter to form a digital output signal to obtain which can be displayed by means of a digital display device.

Es ist ferner eine Vorrichtung bekannt (US-PS 3 921 622), mittels deren ein ungedämpftes Ultraschallsignal an eineThere is also a device known (US-PS 3,921,622), by means of which an undamped ultrasonic signal to a

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Leitung gegeben wird, durch die ein Fluid hindurchströmt. Änderungen der Amplitude des Empfangssignals werden er-' faßt. Solche Änderungen sind kennzeichnend für Änderungen der akustischen Impedanz und damit für das Vorhandensein von Blasen innerhalb des Flüssigkeitsstromes. Wenn die Impedanz der Flüssigkeit über einen vorbestimmten Wert ansteigt, der von einer Auslöseschaltung bestimmt wird, wird eine Taktschaltung an einen Zähler angeschlossen, wodurch die Anzahl der Taktimpulse gezählt wird, die nach dem Ermitteln der Blasen auftreten.Line is given through which a fluid flows. Changes in the amplitude of the received signal are grasps. Such changes are indicative of changes in the acoustic impedance and thus the presence of bubbles within the liquid stream. When the impedance of the liquid rises above a predetermined value, which is determined by a trigger circuit, a clock circuit is connected to a counter, whereby counting the number of clock pulses that occur after the bubbles are detected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige und verbesserte Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit zu schaffen, die geeicht werden kann, um die Geschwindigkeit und/oder die Durchflußmenge in jeder beliebigen einer Mehrzahl von Leitungen zu bestimmen.' Die Vorrichtung soll zur Speisung aus einer unabhängigen, eingebauten Energiequelle, beispielsweise einer Batterie, geeignet sein; dabei soll die Energieentnahme aus der unabhängigen, eingebauten Energiequelle verringert sein. Bei der Vorrichtung soll eine digitale Schaltungsanordnung vorgesehen sein, die so ausgelegt ist," daß die Energieentnahme aus der unabhängigen, eingebauten Energiequelle minimiert wird.The invention is based on the object of a novel and improved apparatus for measuring speed a fluid that can be calibrated to speed and / or flow rate to be determined in any of a plurality of conduits. ' The device is intended to be supplied from an independent, built-in energy source, such as a battery, be suitable; in doing so, the energy extraction should be reduced from the independent, built-in energy source. The device should be a digital Circuitry may be provided which is designed so that "the power is drawn from the independent, built-in Energy source is minimized.

Eine erfindungsgemäß aufgebaute Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit weist einen Genera-A device for measurement constructed according to the invention the speed of a liquid has a genera-

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tor auf, der betätigbar ist, um ein Signal von verhältnismäßig hoher Frequenz an einen Sendewandler zu geben, der eine Ultraschallwelle in eine Leitung richtet, durch die die Flüssigkeit hindurchgeht. Ein Empfangswandler ist so angeordnet, daß er die von der Flüssigkeit reflektierte akustische Welle aufnimmt und ein Ausgangssignal liefert, das verstärkt und demoduliert wird, um eine Folge von verhältnismäßig niederfrequenten Impulsen zu erhalten, deren Frequenz kennzeichnend für die Geschwindigkeit der durch die Leitung hindurchgeführten Flüssigkeit ist. Die Impulsfolge wird an einen Zähler und einen Entschlüßler angelegt, um die Impulse zu zählen und zu entschlüsseln und ein Signal für eine zweckentsprechende Anzeige- oder Wiedergabeeinheit bereitzustellen, die eine Anzeige der Geschwindigkeit der Flüs^ sigkeit gestattet. Es ist ferner eine Zeitsteuerschaltung vorhanden, um den Zähler und den Entschlüßler für eine vorgewählte Entsperr- oder Eichperiode zu entsperren, die von der Querschnittsfläche (oder dem Durchmesser) der Leitung abhängig gemacht wird, durch die die Flüssigkeit hindurchläuft. Es versteht sich, daß bei Verkleinerung der Querschnittsfläche der Leitung für eine vorgegebene Flüssigkeitsdurchflußmenge die Geschwindigkeit der Flüssigkeit ansteigt. Um dies zu berücksichtigen, wird die Entsperrperiode des Zählers verringert. Umgekehrt wird bei größerer Querschnittsfläche der Leitung die Entsperrperiode verlängert.gate, which can be actuated to send a signal of relatively high frequency to a transmitting transducer, which directs an ultrasonic wave into a pipe which the liquid passes through. A receiving transducer is arranged to receive the acoustic wave reflected from the liquid and an output signal which is amplified and demodulated to form a train of relatively low frequency pulses to obtain the frequency of which is indicative of the speed of the line passed through Liquid is. The pulse train is applied to a counter and a decoder to count the pulses and to decrypt and to provide a signal for an appropriate display or reproduction unit, which allows the speed of the liquid to be displayed. It is also a timing circuit available to unlock the meter and the decoder for a preselected unlocking or calibration period, which depends on the cross-sectional area (or diameter) is made dependent on the conduit through which the liquid passes. It goes without saying that when downsizing the cross-sectional area of the conduit for a given liquid flow rate is the velocity the liquid rises. In order to take this into account, the unlocking period of the counter is reduced. Vice versa the unlocking period is extended with a larger cross-sectional area of the line.

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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zeitsteuer- und Stromversorgungseinheit vorgesehen, die nach Schließen eines Schalters durch den Bedienenden mindestens die Anzeigeeinheit für eine relativ längere Betriebsdauer mit Strom versorgt und dann die Stromzufuhr zu der Vorrichtung beendet. Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung wird der Schalter geschlossen, um die Zeitsteuer- und Stromversorgungseinheit sowie einen ersten monostabilen Multivibrator zu betätigen und auf diese Weise für eine relativ kurze Aufwärmdauer zu sorgen, innerhalb deren die Elemente der digitalisierten Schaltungsanordnung einen stabilen Betriebszustand erreichen. Anschließend wird ein zweiter monostabiler Multivibrator betätigt, dessen Periode in variabler Weise eingestellt wird, um die Entsperrperiode vorzugeben.In a further embodiment of the invention, a time control and power supply unit provided, which after closing a switch by the operator at least the display unit is powered for a relatively longer period of operation and then the power supply to the device terminated. According to one embodiment of the invention, the switch is closed, to operate the timing and power supply unit and a first monostable multivibrator and in this way to ensure a relatively short warm-up time within which the elements of the digitized Circuit arrangement achieve a stable operating state. Then a second monostable multivibrator is actuated, the period of which is variable is set to specify the unlock period.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below on the basis of preferred exemplary embodiments in conjunction with the drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 den allgemeinen, an sich bekannten AufbauFig. 1 shows the general, known structure

einer nach dem Dopplerprinzip arbeitenden Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit und/oder der Durchflußmenge von Flüssigkeiten,a device working according to the Doppler principle for measuring the speed and / or the flow rate of liquids,

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Fig. 2 ein Funktionsblockschaltbild einerFig. 2 is a functional block diagram of a

aus digitalen Einheiten aufgebauten Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit entsprechend der Erfindung sowieDevice for measuring speed made up of digital units a liquid according to the invention as well as

Fig. 3A und 3B ein schematisches Schaltbild einer3A and 3B are a schematic circuit diagram of a

Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 2.Embodiment of the device according to Fig. 2.

Die Flüssigkeitsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung 10 nach Fig. 2 weist einen eine ungedämpfte Welle abgebenden Generator 12 auf, mittels dessen ein Sendewandler 16 veranlaßbar ist, Energie in Form von Ultraschallwellen in Richtung auf eine Flüssigkeit und in die Flüssigkeit hinein abzugeben. Die Flüssigkeit, deren Geschwindigkeit gemessen werden soll, wird dabei durch eine Leitung 24 hindurch an dem Wandler 16 vorbeigeführt. Energie, die von der bewegten Flüssigkeit reflektiert oder gestreut wird, wird von einem Empfänger in Form eines Wandlers (Quarzes) 18 erfaßt, der. die ausgesandten Ultraschallwellen in ein elektrisches Signal mit einer Frequenz in der Größenordnung von 2 bis 4 Megahertz umsetzt. Dieses Signal geht an einen HF-Verstärker 42, mittels dessen Signale dieser Frequenz verstärkt werden können. Das verstärkte Ausgangssignal wird an eine Amplitudendemodulatorschaltung 43 angelegt. Der Sendewandler 16 und der Empfangswandler 18The liquid velocity measuring device 10 according to FIG. 2 has a generator which emits an undamped wave 12, by means of which a transmission transducer 16 can be caused to transmit energy in the form of ultrasonic waves in Dispense towards a liquid and into the liquid. The liquid whose speed is measured is to be, is guided past the transducer 16 through a line 24. Energy taken from the moving liquid is reflected or scattered, is received by a receiver in the form of a transducer (quartz) 18 captured, the. the emitted ultrasonic waves into an electrical signal with a frequency in the order of magnitude converts from 2 to 4 megahertz. This signal goes to an RF amplifier 42, by means of its signals of this frequency can be reinforced. The amplified output signal is applied to an amplitude demodulator circuit 43. The transmitting transducer 16 and the receiving transducer 18

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.20- 2300549.20-2300549

bilden Teile einer Wandleranordnung 14. Sie werden in vorbestimmter Lage mit Bezug auf die Leitung 24 gehalten und sind vorzugsweise beide aus einem Bleititanzirkonat-Kristall gefertigt, der quadratisch sein und eine Kantenlänge von 25 mm haben kann. Der Kristall wird zweckmäßig in quadratischer Form auf eine Kantenlänge von 7,4 mm geschnitten. Sende- und Empfangswandler sitzen im oberen Gehäuseteil 20 bzw. im unteren Gehäuseteil 22 der Anordnung 14. Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung bestand der Sendewandler 16 aus Bleititanzirkonat-1, wahrend der Empfangswandler 18 aus Bleititanzirkonat-5 gefertigt war. Dadurch wurde die Empfindlichkeit des Gesamtsystems um einen Faktor von nahezu 2 gegenüber einer Ausführungsform verbessert, bei der auch der Sendewandler aus Bleititanzirkonat-5 bestand. Das Ausgangssignal der Demodulatorschaltung 43 geht an einen NF-Verstärker 44.form parts of a transducer arrangement 14. They are held in a predetermined position with respect to the line 24 and are preferably both made of a lead titanium zirconate crystal manufactured, which can be square and have an edge length of 25 mm. The crystal becomes expedient cut in a square shape to an edge length of 7.4 mm. Transmitting and receiving transducers sit in the upper housing part 20 and in the lower housing part 22 of the arrangement 14. In a practical embodiment of the invention, the transmitter transducer 16 consisted of lead titanium zirconate-1, while the receiving transducer 18 is made of lead titanium zirconate-5 was. This reduced the sensitivity of the overall system by a factor of almost 2 compared to an embodiment improved, in which the transmission transducer was made of lead titanium zirconate-5. The output signal of the Demodulator circuit 43 goes to an LF amplifier 44.

Die Einhüllende des von dem Wandler 18 empfangenen Signals stellt die Kombination aus dem Träger der Sendeenergie oder Ultraschallwellen mit dem zurückgestreuten Signal dar, dessen normale Frequenz in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der durch die Leitung 24 hindurchgeführten Flüssigkeit durch den Dopplereffekt verschoben wurde. Der Demodulator 43 liefert ein Ausgangssignal entsprechend der Einhüllenden des empfangenen Signals. Dieses Ausgangssignal geht an den NF-Verstärker 44, der das gleichgerichtete NF-Signal verstärkt.The envelope of the signal received by the transducer 18 represents the combination of the carrier of the transmission energy or ultrasonic waves with the backscattered signal, its normal frequency depending on the Speed of the passed through the line 24 Liquid has been displaced by the Doppler effect. The demodulator 43 supplies an output signal corresponding to the envelope of the received signal. This output signal goes to the LF amplifier 44, which amplifies the rectified LF signal.

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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform arbeitet der Generator 12 mit einer Ausgangsfrequenz in der Größenordnung von 3,13 Megahertz, was einen Kompromiß zwischen Dampfung und Auflösung darstellt. Es wurde gefunden, daß bei Anwendung von höheren Frequenzen die Dämpfung übermaßig anstieg, obwohl die Auflösung verbessert wurde. Bei der Messung eines Blutstroms haben die roten Blutkörperchen einen typischen Durchmesser von 8 /jm und eine Dicke von 2 ,um, während die Wellenlänge des 3,13-Megahertz-Ultraschallstrahls in Blut bei etwa 480/um liegt. Die roten Blutkörperchen haben infolgedessen einen Durchmesser, der kleiner als die Wellenlänge des Ultraschallstrahls ist. Die roten Blutkörperchen werden in Bewegung versetzt und werden dadurch zu einem Sekundäremitter, der als eine Punktquelle wirkt, wodurch Energie in Richtung auf den Empfangswandler 18 gestrahlt wird. Die Einhüllende des von dem Empfangswandler 18 angelieferten elektrischen Ausgangssignals stellt daher die Kombination des von dem Sendewandler 18 abgegebenen Sendeträgersignals mit dem gestreuten Signal dar, dessen normale Frequenz durch den Dopplereffekt verschoben wurde. Der Empfangswandler wandelt die Ultraschallenergie zurück in ein elektrisches Signal, das im Mikrovoltbereich amplitudenmoduliert ist.In an expedient embodiment, the generator works 12 with an output frequency of the order of magnitude of 3.13 megahertz, which is a compromise between attenuation and represents dissolution. It was found that when higher frequencies were used, the attenuation increased excessively, although the resolution has been improved. When measuring a blood flow, the red blood cells have a typical diameter of 8 µm and a thickness of 2, µm, while the wavelength of the 3.13 megahertz ultrasonic beam in blood is about 480 µm. As a result, the red blood cells have a diameter that is smaller than the wavelength of the ultrasonic beam. The red blood cells are set in motion and thereby become a secondary emitter that acts as a point source, releasing energy towards the Receiving transducer 18 is radiated. The envelope of the supplied by the receiving transducer 18 electrical output signal therefore represents the combination of the transmission carrier signal emitted by the transmission transducer 18 with the scattered one Represents a signal whose normal frequency has been shifted by the Doppler effect. The receiving transducer converts the ultrasonic energy back into an electrical signal that is amplitude modulated in the microvolt range.

Die Erfassung und Verstärkung des von dem Empfangswandler 18 abgegebenen Signals bietet verschiedene Probleme, und zwar insbesondere im Hinblick auf den großen Amplituden-The detection and amplification of the from the receiving transducer 18 emitted signal presents various problems, in particular with regard to the large amplitude

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_₂₂_ 2300549_ ₂₂ _ 2300549

bereich der von dem Wandler 18 angelieferten Signale. Mit Rücksicht darauf sind der Verstärker 42 und der-Demodulator 43 auf einen großen dynamischen Bereich ausgelegt. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform sind der Verstärker und der Demodulator nicht zu einer einzigen integrierten Schaltung zusammengefaßt, sondern als diskrete Einheiten ausgebildet, um für eine Verstärkung bei niedrigem Rauschen zu sorgen und eine Verstärkung von etwa 1O ohne Sättigung zu erlauben. Durch Verwendung von diskreten Komponenten und eines rauscharmen Vorverstärkers kann für eine Systemverstärkung durch den Verstär-range of the signals delivered by the converter 18. With Consideration is given to the amplifier 42 and the demodulator 43 designed for a large dynamic range. According to a preferred embodiment, the Amplifier and the demodulator not become a single one integrated circuit grouped together, but as discrete units designed to be used for amplification to provide low noise and allow a gain of about 10 without saturation. Using discrete components and a low-noise preamplifier can be used for system amplification by the

5 ker 42 und den Verstärker 44 von etwa 10 gesorgt werden, ohne daß gleichzeitig Rauschsignale zu falschen Ableseergebnissen führen.5 ker 42 and the amplifier 44 are taken care of by about 10, without noise signals leading to incorrect reading results at the same time.

Bei dem Ausgangssignal des NF-Verstärkers 44 nach Fig. handelt es sich um eine Folge von impulsartigen Signalen, deren Frequenz kennzeichnend für die Geschwindigkeit des Fluids ist, das durch die Leitung 24 hindurchgeleitet wird. Die Impulsfolge wird an einen Schmitt-Trigger 26 angelegt, der Ausgangssignale von gleichförmiger Amplitude in geeigneter Form liefert, um die Signale zu zählen und für eine digitale Anzeige der Flüssigkeitsgeschwindigkeit zu sorgen. Das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 26 geht an eine Entschlüsselungs- und Zähleinrichtung 38, und zwar insbesondere an deren Zähleingang. Die Entschlüsselungs- und Zähleinrichtung 38 zählt die Anzahl der Impul-The output signal of the LF amplifier 44 according to FIG. Is a sequence of pulse-like signals, the frequency of which is indicative of the speed of the fluid which is passed through the line 24 will. The pulse train is applied to a Schmitt trigger 26 which has output signals of uniform amplitude in suitable form for counting the signals and for a digital display of the liquid velocity to care. The output signal of the Schmitt trigger 26 goes to a decryption and counting device 38, and especially at their counter input. The decryption and counting device 38 counts the number of impulses

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■" ²³ " 2300549■ " ²³ " 2300549

se, die während einer Eich- oder Entsperrperiode angelegt werden. Diese Periode wird durch die Länge oder die Impulsbreite eines Signals bestimmt, das über eine Leitung 76 an einen Latch-Entsperreingang der Entschlüsselungs- und Zähleinrichtung 38 geht. Die Entschlüsselungsund Zähleinrichtung 38 wertet die Anzahl der Impulse aus und liefert ein digitales Ausgangssignal, das einer digitalen Anzeigeeinheit 4O zugeführt wird. Die Anzeigeeinheit 40 liefert eine digitale Anzeige der Geschwindigkeit der durch die Leitung 24 hindurchströmenden Flüssigkeit. se created during a calibration or unlocking period will. This period is determined by the length or the pulse width of a signal that travels over a line 76 to a latch unlock input of the decryption and counter 38 goes. The decryption and counting device 38 evaluates the number of pulses and provides a digital output signal which is fed to a digital display unit 40. The display unit 40 provides a digital display of the velocity of the liquid flowing through conduit 24.

Außerdem ist eine zweckentsprechende Zeitsteuerschaltung vorgesehen, die durch Schließen eines Startschalters 3O ausgelöst wird. Dadurch wird eine Zeitsteuer- und Stromversorgungseinheit 28 für eine vorbestimmte Systemarbeitsdauer betätigt, die ausreicht, um eine Messung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit durchzuführen und eine digitale Anzeige dafür wiederzugeben. Die Zeitsteuer- und Stromversorgungseinheit 28 weist eine unabhängige, eingebaute Energiequelle, beispielsweise eine Batterie, auf, die für die Systemarbeitsdauer selektiv wirksam gemacht wird. Die Zeitsteuer- und Stromversorgungseinheit 28 ist über Leitungen 29, die in Fig. 2 nur kollektiv angedeutet sind, an jede der übrigen Einheiten der Anordnung nach Fig. 2 angeschlossen.In addition, a suitable time control circuit is provided, which by closing a start switch 3O is triggered. This becomes a timing and power supply unit 28 is actuated for a predetermined system operating time sufficient to obtain a measurement of the liquid velocity perform and display a digital display for it. The timing and power supply unit 28 has an independent, built-in power source, such as a battery, which is used for the system operating time is made selectively effective. The timing and power supply unit 28 is via lines 29, which are only indicated collectively in FIG. 2, to each of the remaining units of the arrangement according to FIG. 2 connected.

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Im Betrieb wird durch das Schließen des Startschalters 30 ein erster monostabiler Multivibrator 32 betätigt, der ein impulsartiges Signal für eine vorbestimmte, relativ kurze Aufwärmdauer in der Größenordnung von 0,47 s liefert, damit sich das System stabilisieren kann, bevor mit einem Zähl- und Meßvorgang begonnen wird. Das Ausgangssignal des Multivibrators 32 geht an einen ersten Eingang einer NOR-Schaltung 36 und stellt außerdem die verschiedenen Komponenten der Entschlüsselungs- und Zähleinrichtung 38 zurück. Nach der durch den ersten Multivibrator 32 vorgegebenen Aufwärmdauer wird ein zweiter monostabiler Multivibrator 34 für eine variable"""Eichperiode wirksam gemacht, die mittels eines Potentiometers Rp_R eingestellt wird. Das Ausgangssignal des zweiten Multivibrators 34 geht über eine Leitung 70b an die NOR-Schaltung 36, um diese zu . entsperren. Das Ausgangssignal der NOR-Schaltung 36 wird über eine Leitung 76 dem Entsperreingang der Entschlüsselungs- und Zähleinrichtung zugeführt, wodurch diese Einrichtung für die mittels des zweiten Multivibrators 34 vorgegebene Eichdauer entsperrt wird. Das Ausgangssignal des zweiten monostabilen Multivibrators 34 geht ferner über eine Leitung 7Oa an den Generator 12, so daß dieser ein Hochfrequenzsignal an den Sendewandler 16 anlegt. Dadurch wird ein hochfrequentes· akustisches Signal in die Leitung 24 übertragen. Dieses Signal wird von der Flüssigkeit reflektiert und mittels des Empfangswandlers 18 erfaßt. Die mittels des monosta-In operation, closing the start switch 30 actuates a first monostable multivibrator 32, which supplies a pulse-like signal for a predetermined, relatively short warm-up period of the order of 0.47 s, so that the system can stabilize before a counting and Measuring process is started. The output signal of the multivibrator 32 goes to a first input of a NOR circuit 36 and also resets the various components of the decryption and counting device 38. After the warm-up period specified by the first multivibrator 32, a second monostable multivibrator 34 is activated for a variable """calibration period, which is set by means of a potentiometer Rp _R. The output signal of the second multivibrator 34 goes to the NOR circuit via a line 70b The output signal of the NOR circuit 36 is fed via a line 76 to the unlocking input of the decryption and counting device, whereby this device is unlocked for the calibration period specified by the second multivibrator 34. The output signal of the second monostable multivibrator 34 also goes via a line 70a to the generator 12, so that the generator 12 applies a high-frequency signal to the transmitting transducer 16. This transmits a high-frequency acoustic signal into the line 24. This signal is reflected by the liquid and detected by the receiving transducer 18. The by means of the monostatic

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bilen Multivibrators 34 eingestellte Eichdauer ist relativ kurz mit Bezug auf die Systemarbeitsdauer bemessen, die durch die Zeitsteuer- und Stromversorgungseinheit 28 vorgegeben wird. Infolgedessen wird der Generator 12, der eine relativ hohe Stromentnahme bewirkt, mittels der eingebauten Stromquelle nur für die relativ kurze Eichdauer mit Strom versorgt, während die Stromzufuhr zu der Entschlüsselungs- und Zähleinrichtung 38 sowie zu der digitalen Anzeigeeinheit 4O mittels der Zeitsteuer- und Stromversorgungseinheit 28 (und der zugeordneten eingebauten Stromquelle) für die relativ lange Systemarbeitsdauer erfolgt, so daß der Bedienende ausreichend Zeit hat, um die mittels der Anzeigeeinheit 40 wiedergegebene Flüssigkeitsgeschwindigkeit bequem beobachten und aufzeichnen zu können. Das Ausgangssignal des Empfangswandlers 18 wird nacheinander mittels des HF-Verstärkers 42 verstärkt, mittels der Amplitudendemodulatorschaltung 43 demoduliert und mittels des NF-Verstärkers 44 weiter verstärkt, um dann dem Schmitt-Trigger 26 zugeführt zu werden und eine Folge von Impulsen gleichförmiger Amplitude zu erhalten, die über eine Leitung 74 an den■Zähleingang der Entschlüsselungs- und Zähleinrichtung 38 gehen. Die aus den Baugruppen 28, 32 und 34 bestehende Zeitsteuerschaltung hat also die Aufgabe, für ein Aufwärmen oder Stabilisieren der verschiedenen Elemente des Systems zu sorgen, worauf der Sendewandler 16 für eine relativ kurze Zeitspanne, d. h. die Eich- oder Entsperrdauer, mitThe calibration period set by the multivibrator 34 is relative briefly measured with reference to the system operating time, which is measured by the timing control and power supply unit 28 is specified. As a result, the generator 12, which causes a relatively high power consumption, by means of the built-in power source only for the relatively short calibration period supplied with power, while the power supply to the decryption and counting device 38 as well as to the digital Display unit 4O by means of the time control and Power supply unit 28 (and its associated built-in power source) for the relatively long system life takes place, so that the operator has sufficient time to view the displayed by means of the display unit 40 Conveniently observe and record fluid velocity. The output signal of the receiving transducer 18 is successively amplified by means of the RF amplifier 42, by means of the amplitude demodulator circuit 43 demodulated and further amplified by means of the LF amplifier 44 in order to then be fed to the Schmitt trigger 26 and to receive a train of pulses of uniform amplitude which are fed via a line 74 to the counting input the decryption and counting device 38 go. The timing control circuit consisting of modules 28, 32 and 34 so has the task of warming up or stabilizing the various elements of the system ensure, whereupon the transmitting transducer 16 for a relatively short Period of time, d. H. the calibration or unlocking period, with

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Energie beaufschlagt wird. Dadurch werden der Strom bzw. die Energie, die der zu der Zeitsteuer- und Stromversorgungseinheit 28 gehörenden Batterie entzogen werden, vermindert. Nachdem die vergleichsweise lange Systemarbeitsdauer abgelaufen ist, schaltet die Zeitsteuer- und Stromversorgungseinheit 28 die Stromzufuhr über die Leitungen 29 zu den Baugruppen oder Elementen der Anordnung nach Fig. 2 ab.Energy is applied. Thereby the current resp. the energy that goes to the timing and power supply unit 28 belonging battery are withdrawn. After the comparatively long system working time has expired, the time control and power supply unit 28 switches the power supply via the lines 29 for the assemblies or elements of the arrangement according to Fig. 2.

Die Fig. 3A und 3B zeigen ein schematisches Schaltbild der Vorrichtung entsprechend dem Funktionsblockschaltbild nach Fig. 2, wobei entsprechende Schaltungen von unterbrochenen Linien umfaßt und mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Im Ruhezustand, d. h. dann, wenn der Startschalter 30 in Fig. 3A offen ist, wird ein Kondensator C₁₄ der Zeitsteuer- und Stromversorgungseinheit 28 mittels einer Spannung aufgeladen, die von der eingebauten Stromquelle oder Batterie 60 über einen Widerstand Rpg zugeführt wird. Das von dem Kondensator C. . gespeicherte Potential geht über logische Gatter 54 und 56 an die Basis eines Transistors Q., der gesperrt wird, wodurch die Arbeitsspannung der Vorrichtung, die beispielsweise 6 V beträgt, von den übrigen Einheiten der Vorrichtung abgeschaltet wird. Entsprechend den Fig. 3A und 3B wird die Spannung von +6 V vom Kollektor des Transistors Q₄ aus den verschiedenen Punkten des übrigen Teils der Vorrichtung zugeführt. Infolgedessen wird die Batterie 6O3A and 3B show a schematic circuit diagram of the device corresponding to the functional block diagram of FIG. 2, corresponding circuits being enclosed by broken lines and provided with corresponding reference numerals. In the idle state, ie when the start switch 30 in FIG. 3A is open, a capacitor C _{14 of} the timing and power supply unit 28 is charged by means of a voltage which is supplied from the built-in power source or battery 60 via a resistor Rpg. That of the capacitor C.. Stored potential goes through logic gates 54 and 56 to the base of a transistor Q., which is blocked, whereby the operating voltage of the device, which is, for example, 6 V, is switched off from the other units of the device. Referring to Figures 3A and 3B, the +6 V voltage is supplied from the collector of transistor Q ₄ from the various points of the remainder of the device. As a result, the battery becomes 60

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geschont, weil die Baugruppen des Systems, und insbesondere der Generator 12 sowie der diesem zugeordnete Sendewandler 16 mittels der Schalteinrichtung in Form des Transistors Q, abgetrennt sind. Das hochliegende Ausgangssignal des zweiten monostabilen Multivibrators 34 " geht über einen Inverter 62 und die Leitung 7Oa an die Basis des Transistors Q₁ des Generators 12, wodurch der Transistor Q₁ gesperrt wird. Dadurch wird die Batterie abgetrennt, die entsprechend Fig. 3A unmittelbar an die verschiedenen Bauteile des Generators 12 angeschlossen ist. Wie aus den Fig. 3A und 3B weiter hervorgeht, stehendie verschiedenen aktiven Komponenten, wie beispielsweise die logischen Gatter 54, 56 und 59 sowie ein Gatter 58 der Zeitsteuer- und Stromversorgungseinheit 28,in ständiger Verbindung mit der Batterie 60. Es handelt sich dabei um C-MOS-Komponenten, die der Batterie 60 nur sehr wenig Strom entnehmen.Protected because the assemblies of the system, and in particular the generator 12 and the transmission converter 16 assigned to it, are separated by means of the switching device in the form of the transistor Q. The high output signal of the second monostable multivibrator 34 ″ goes via an inverter 62 and the line 70a to the base of the transistor Q _{1 of} the generator 12, whereby the transistor Q _{1 is} blocked 3A and 3B, the various active components, such as logic gates 54, 56 and 59 and a gate 58 of timing and power supply unit 28, are in constant communication therewith of the battery 60. These are C-MOS components that draw very little current from the battery 60.

Um das Arbeiten der Geschwindigkeitsmeßvorrichtung auszulösen, wird der Startschalter 30 geschlossen. Dadurch wird der Kondensator C.. über eine Diode D. und einen Widerstand R^₇ nach Masse entladen. Die Diode D. sorgt für eine rasche Entladung des Kondensators C₁ ., um die Systemarbeitsdauer beginnen zu lassen, die von den Zeitkonstanten einer den Kondensator C. . und den Widerstand R„, um-In order to trigger the operation of the speed measuring device, the start switch 30 is closed. As a result, the capacitor C .. is discharged to ground via a diode D. and a resistor R ^ _7. The diode D. ensures rapid discharge of the capacitor C _1. To leave the system to start working duration of the time constants of the capacitor C.. and the resistance R "to-

14 2o14 2o

fassenden Ladeschaltung und die Spannung der Batterie bestimmt wird. Mit anderen Worten, die Batterie 6O lädtthe full charging circuit and the voltage of the battery is determined. In other words, the battery 60 is charging

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den Kondensator C„ . über den Widerstand R_, auf, wobei der Ladevorgang eine der Systemarbeitsdauer entsprechende Zeitspanne von beispielsweise 20 s benötigt, bis die am Kondensator C.. anstehende Spannung ausreicht, um über die logischen Gatter 54 und 56 den Transistor Q. zu sperren. Dadurch wird das in der Größenordnung von +6 V liegende Arbeitspotential gemäß den Fig. 3A und-3B von den verschiedenen Baugruppen des Systems abgetrennt. Die Anordnung wird also während dieser durch den Zeitsteueroder Ladekreis bestimmten Zeitspanne mit Strom versorgt; anschließend wird die Stromzufuhr unterbunden, um damit die Lebensdauer der Batterie 60 zu verlängern.the capacitor C ". through resistor R_ to, wherein the charging a corresponding one of the system working time period of, for example, 20 s needed until the capacitor C.. The voltage present is sufficient to block the transistor Q. via the logic gates 54 and 56. As a result, the working potential of the order of magnitude of +6 V according to FIGS. 3A and 3B is separated from the various assemblies of the system. The arrangement is thus supplied with current during this period of time determined by the time control or charging circuit; then the power supply is cut off in order to extend the service life of the battery 60.

Beim Schließen des Startschalters 3O geht ferner ein Impuls (bei dem es sich um einen Nadelimpuls handeln kann) über einen Kondensator C- an den ersten monostabilen Multivibrator 32, der aus den logischen Gattern 58 und 59 besteht. Mittels des Ausgangssignals des Multivibrators 32 wird über eine Leitung 72b die Entschlüsselungs- und Zähleinrichtung 38 zurückgestellt. Das Rückstellsignal geht dabei insbesondere an die Rückstelleingänge der Dividierschaltung 64 und des Zählers 66 der Einrichtung 38. Der monostabile Multivibrator 32 liefert ein impulsartiges Ausgangssignal mit einer vorbestimmten Dauer von beispielsweise 0,47 s an dem Ausgang 13 des Gatters 58. Dieses Signal geht an den zweiten monostabilen Multivibrator 34 sowie über einen Kondensator C<| a, einen Wider-When the start switch 3O is closed, there is also an impulse (which can be a needle pulse) via a capacitor C- to the first monostable Multivibrator 32, which consists of logic gates 58 and 59. Using the output signal of the multivibrator 32, the decryption and counting device 38 is reset via a line 72b. The reset signal goes in particular to the reset inputs of the dividing circuit 64 and the counter 66 of the device 38. The monostable multivibrator 32 provides a pulse-like output signal with a predetermined duration of for example 0.47 s at the output 13 of the gate 58. This signal goes to the second monostable multivibrator 34 and a capacitor C <| a, a cons

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stand R₆ und eine Leitung 72a an den Eingang 7 der NOR-Schaltung 36 (Fig. 3B)₁ wodurch die Rückstellbedingung für den Zähler 66 während der Aufwärmdauer aufrechterhalten wird.stood R ₆ and a line 72a to the input 7 of the NOR circuit 36 (Fig. 3B) ₁ whereby the reset condition for the counter 66 is maintained during the warm-up period.

Die negative Flanke des Ausgangsimpulses des ersten Multivibrators 32 schaltet den zweiten Multivibrator 34 für die Entsperr- oder Eichdauer ein, die mittels eines Zeitgliedes vorgegeben wird, das die Widerstände R_?ft und R sowie einen Kondensator C₁₇ umfaßt. Wie in Fig. 3A und in Fig. 2 angedeutet ist, handelt es sich bei dem Widerstand R₀₀ um einen verstellbaren Widerstand, der entsprechend der Querschnittsfläche oder dem Durchmesser der Leitung 24 eingestellt wird, durch die die Flüssigkeit oder das Blut hindurchströmt. Wenn der Durchmesser oder die Querschnittsfläche der Leitung 24 zunimmt, sinkt bei vorgegebener Durchflußmenge die Flüssigkeitsgeschwindigkeit. Nimmt umgekehrt die Querschnittsfläche de_r Leitung 24 ab, steigt bei gegebener Durchflußmenge die Geschwindigkeit der Flüssigkeit. Die Entsperr- oder Eichdauer wird daher verlängert, wenn die Querschnittsfläche der Leitung 24 zunimmt, um in der Anzeigeeinheit 40 eine entsprechend richtige digitale Anzeige sicherzustellen. Umgekehrt wird die Eichdauer verkürzt, wenn die Querschnittsfläche der Leitung 24 kleiner wird und die resultierende Frequenz der Signale, die nach Durchlaufen der Dividierschaltung 64 an den Zähler 66 gehen, ansteigt. In derThe negative edge of the output pulse of the first multivibrator 32 switches on the second multivibrator 34 for the unlocking or calibration period, which is predetermined by means of a timing element which comprises _{the resistors R? Ft} and R and a capacitor C _17. As indicated in FIG. 3A and in FIG. 2, the resistor R ₀₀ is an adjustable resistor which is set according to the cross-sectional area or the diameter of the line 24 through which the liquid or the blood flows. As the diameter or cross-sectional area of conduit 24 increases, the fluid velocity decreases for a given flow rate. Conversely, if the cross-sectional area of the line 24 decreases, the velocity of the liquid increases for a given flow rate. The unlocking or calibration time is therefore lengthened when the cross-sectional area of the line 24 increases in order to ensure a correspondingly correct digital display in the display unit 40. Conversely, the calibration time is shortened if the cross-sectional area of the line 24 becomes smaller and the resulting frequency of the signals which go to the counter 66 after passing through the dividing circuit 64 increases. In the

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Praxis wird die Eichdauer durch Einstellen des Widerstandes R₀₀ für eine bestimmte Leitung von gegebener Querschnittsfläche empirisch derart justiert, daß die von der Anzeigeeinheit angezeigte Flüssigkeitsgeschwindigkeit gleich der Geschwindigkeit ist, die von einer zweiten Standardgeschwindigkeitsmeßvorrichtung angezeigt wird. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel, bei welchem die Leitung 24 einen Außendurchmesser von 6,4 mm und einen Innendurchmesser von 4,8 mm hat und die Dividierschaltung 64 durch einen Faktor von 16 dividiert, wird der monostabile Multivibrator 34 mittels des Widerstandes R„g so eingestellt, daß er ein Ausgangssignal mit einer Dauer von etwa 3,5 s liefert. Der WiderstandIn practice, the calibration period is adjusted empirically by setting the resistance R ₀₀ for a particular conduit of a given cross-sectional area such that the liquid velocity indicated by the display unit is equal to the velocity indicated by a second standard velocity measuring device. According to an embodiment in which the line 24 has an outer diameter of 6.4 mm and an inner diameter of 4.8 mm and the dividing circuit 64 divides by a factor of 16, the monostable multivibrator 34 is set by means of the resistor R "g" that it provides an output signal with a duration of about 3.5 s. The resistance

R₀₀ kann dabei so verstellbar sein, daß Zeitdauern im Za R ₀₀ can be adjustable so that time periods in the Za

Bereich zwischen 3 und 4,5 s vorgegeben werden können. Die Einstellung der Eichdauer erfolgt empirisch, weil die Leitung 24 in der Praxis aus einem relativ flexiblen Werkstoff bestehen kann, so daß sie bei Anordnung in den Gehäuseteilen 20,22 nicht mehr genau kreisförmig sondern oval ist.Range between 3 and 4.5 s can be specified. The calibration period is set empirically because the conduit 24 may in practice be made of a relatively flexible material so that it can be used when arranged in the housing parts 20, 22 no longer exactly circular but is oval.

Die Rückflanke des positiven Ausgangsimpulses des zweiten monostabilen Multivibrators 34 wird mittels des Inverters 62 invertiert und dem Eingang 6 der NOR-Schaltung 36 zugeführt, wodurch die NOR-Schaltung 36 entsperrt wird. Infolgedessen geht das Ausgangssignal am Ausgang 5 der NOR-Schaltung 36 nach unten, wodurch der ZählwertThe trailing edge of the positive output pulse of the second monostable multivibrator 34 is by means of the inverter 62 inverted and fed to the input 6 of the NOR circuit 36, whereby the NOR circuit 36 unlocks will. As a result, the output signal at the output 5 of the NOR circuit 36 goes down, whereby the count value

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des Zählers 66 festgehalten wird. Auf diese Weise wird der Zählwert angezeigt, der auftritt, wenn die Entschlüsselungs- und Zähleinrichtung 38 die Anzahl der Impulse des Schmitt-Triggers 26 zählt. Beispielsweise kann es sich bei der Dividierschaltung 64 um eine binäre Schaltung handeln, die durch 16 teilt und von der Firma Motorola unter der Bezeichnung 14024 auf den Markt gebracht wird. Der Zähler 66 kann die Form eines dreistufigen dekadischen BCD-Zählers haben, wie er beispielsweise von der Firma Motorola unter der Bezeichnung MC14553 geliefert wird. Der Entschlüßler 68 kann ein BCD-7-Segment-Decoder-Treiber sein, wie er von der Firma National Semiconductor Co. unter der Bezeichnung 74C48 auf den Markt gebracht wird.of the counter 66 is held. That way will displays the count that occurs when the decryption and counting device 38 counts the number of pulses of the Schmitt trigger 26. For example, it can The dividing circuit 64 is a binary circuit that divides by 16 and is made by Motorola Marketed under the designation 14024 will. The counter 66 may be in the form of a three-level decadic BCD counters, such as those from supplied by Motorola under the designation MC14553 will. The decoder 68 can be a BCD 7 segment decoder driver as it was marketed by National Semiconductor Co. under the designation 74C48 is brought.

Entsprechend Fig. 3A geht das Ausgangssignal vom Ausgang 3 des Inverters 62 über die Leitung 70a an den Generator 12,um diesen einzuschalten und dessen Transistor Q stromführend zu machen. Dadurch wird die von dem Generator 12 gebildete Oszillatorschaltung mit Spannung aus der Batterie 60 gespeist. Der Sendewandler 16 wird veranlaßt, eine akustische Welle in die Leitung 24 abzustrahlen (Fig. 2). Die akustische Welle wird von der durch die Leitung 24 strömenden Flüssigkeit reflektiert und mittels des Empfangswandlers 18 und des HF-Verstärkers 42 erfaßt. Das Ausgangssignal des Empfangswandlers 18 wird mittels des aus Transistoren Q₁₀ und Q₃ bestehenden HF-Verstär-According to FIG. 3A, the output signal from the output 3 of the inverter 62 goes via the line 70a to the generator 12 in order to switch it on and to make its transistor Q live. As a result, the oscillator circuit formed by the generator 12 is supplied with voltage from the battery 60. The transmitting transducer 16 is caused to emit an acoustic wave into the line 24 (FIG. 2). The acoustic wave is reflected by the liquid flowing through the line 24 and detected by means of the receiving transducer 18 and the RF amplifier 42. The output signal of the receiving transducer 18 is generated by means of the _{HF amplifier consisting of transistors Q 10} and Q _3.

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kers 42 verstärkt und dann der Demodulatorschaltung oder dem quadratischen Detektor 43 zugeführt. Die Schaltung 43 sorgt für die Demodulation des verstärkten Signals und legt dessen Einhüllende an den NF-Verstärker 44, der mit einem Operationsverstärker 50 bestückt ist. Wie aus Fig. 3B hervorgeht, geht das verstärkte Ausgangssignal dann an den Schmitt-Trigger 26, der einen Operationsverstärker 52 aufweist. Dadurch wird das Signal weiter verarbeitet. Es wird eine Folge von Ausgangssignalen gleichförmiger Amplitude erzeugt, deren Folgefrequenz kennzeichnend für die Geschwindigkeit bzw. die Durchflußmenge der durch die Leitung 24 strömenden Flüssigkeit ist. Die vom Schmitt-Trigger 26 kommende Impulsfolge wird an die binäre Dividierschaltung 64 angelegt und bezogen auf die Abfrage- oder Eichdauer um einen Faktor von 16 heruntergeteilt, wodurch die Frequenz des Schmitt-Triggerausgangssignals in eine digitale Rate umgesetzt wird. Das Ausgangssignal der binären Dividierschaltung 64 geht an den Zähleingang des Zählers 66, der das dividierte Eingangssignal während der Abfrage- oder Eichdauer auszählt, die von der Querschnittsfläche der Leitung 24 abhängig gemacht ist. Am Ende der Eichdauer geht der Ausgang 5 der NOR-Schaltung 36 nach unten, wodurch der Zählwert des Zählers 66 festgehalten wird.kers 42 amplified and then the demodulator circuit or fed to the square detector 43. The circuit 43 demodulates the amplified signal and places its envelope on the LF amplifier 44, which is equipped with an operational amplifier 50. How out 3B, the amplified output signal then goes to the Schmitt trigger 26, which is an operational amplifier 52 has. This will further process the signal. A sequence of output signals becomes more uniform Generated amplitude, the repetition frequency indicative of the speed or the flow rate of the liquid flowing through line 24. The pulse train coming from the Schmitt trigger 26 is on the binary dividing circuit 64 is applied and divided down by a factor of 16 based on the query or calibration duration, thereby converting the frequency of the Schmitt trigger output signal to a digital rate. That The output signal of the binary dividing circuit 64 goes to the counting input of the counter 66, which divides the input signal counts during the query or calibration period, which depends on the cross-sectional area of the line 24 is made. At the end of the calibration period, the output 5 of the NOR circuit 36 goes down, whereby the count of the Counter 66 is held.

Die Eich- oder Entsperrdauer ist gegenüber der Systemarbeitsdauer von beispielsweise 2O s relativ kurz, soThe calibration or unlocking period is relatively short compared to the system operating period of 20 s, for example, see above

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daß nach dem mittels des Zählers 66 durchgeführten Zählvorgang die Anzeige für eine relativ lange Zeitdauer erhalten bleibt. Dabei legt die Zeitsteuer- und Stromversorgungseinheit 28 weiterhin +6 V-Spannung an die Komponenten der Schaltung und insbesondere an die binäre Dividierschaltung 64, den Zähler 66_r den Entschlüßler 68 und die digitale Anzeigeeinheit 4O, wodurch die fortgesetzte Wiedergabe der Flüssigkeitsgeschwindigkeit ermöglicht wird. Der Entschlüßler 68 entschlüsselt den binären Zählwert des Zählers 66 und dient als Treiber für die dreiziffrige digitale Anzeigeeinheit 40, die entsprechend einer Folge von einziffrigen Dezimalzahlen angesteuert wird. Der Zähler 66 wirkt gleichzeitig als Zeitmultiplexer, der Zeitsteuersignale über jeden der Transistoren Q-,, Q und Qg anlegt, um die entsprechenden Eingange 1,4 und 7 der Anzeigeeinheit 40 anzusteuern, so daß die betreffende, vom Entschlüßler 68 kommende Dezimalzahl in der richtigen Reihenfolge und mittels der richtigen Ziffer der Anzeigeeinheit 4O wiedergegeben wird.that after the counting process carried out by means of the counter 66, the display is retained for a relatively long period of time. The timing and power supply unit 28 continues to apply +6 V voltage to the components of the circuit and in particular to the binary dividing circuit 64, the counter 66 _r, the decoder 68 and the digital display unit 4O, which enables the continued display of the liquid velocity. The decoder 68 decrypts the binary count value of the counter 66 and serves as a driver for the three-digit digital display unit 40, which is controlled according to a sequence of single-digit decimal numbers. The counter 66 also acts as a time division multiplexer, which applies timing signals through each of the transistors Q-, Q and Qg to drive the corresponding inputs 1, 4 and 7 of the display unit 40 so that the relevant decimal number coming from the decoder 68 is in the correct Sequence and is reproduced by means of the correct number of the display unit 4O.

Wenn der Startschalter 30 während einer ausgedehnten Wiedergabeperiode erneut geschlossen wird, kann die Anordnung gemäß den Fig. 3A und 3B einen auf neuesten Stand gebrachten Ablesewert liefern. Dies ist möglich, weil die Diode D. den Kondensator C, . rasch entlädt und dadurch die nächste Systemarbeitsdauer einleitet. Ohne die DiodeIf the start switch 30 is closed again during an extended playback period, the arrangement of Figures 3A and 3B can provide an updated reading. This is possible because the diode D. the capacitor C,. discharges quickly and thereby initiates the next system working period. Without the diode

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D. würde die Entladung des Kondensators C₁ . relativ langsam erfolgen; es müßte relativ lange gewartet werden, bis eine neue Messung eingeleitet werden könnte.D. the discharge of the capacitor C ₁ . take place relatively slowly; it would have to wait a relatively long time before a new measurement could be initiated.

Bei der Batterie 6O kann es sich um eine wiederaufladbare Batterie handeln. Die Spannung der Batterie wird vom Kollektor des Transistors Q* aus einer Batterieprüfschaltung 8O mit Spannungsmeßtransistoreh Q₁- und Q-. zugeführt. Wenn die Spannung der wiederaufladbaren Batterie 6O unter einen vorbestimmten Wert absinkt, der erkennen läßt, daß ein Aufladen notwendig wird, geht vom Emitter des Transistors Q,- ein Ausgangssignal an den Eingang 6 der digitalen Anzeigeeinheit 40. Dadurch werden die jeder der Ziffern zugeordneten Dezimalpunkte hellgesteuert, um dem Bedienenden anzuzeigen, daß die Batterie 6O wieder aufgeladen werden muß.The battery 60 can be a rechargeable battery. The voltage of the battery is taken from the collector of the transistor Q * from a battery test circuit 8O with voltage measuring transistors Q ₁ - and Q-. fed. When the voltage of the rechargeable battery 6O falls below a predetermined value, which indicates that charging is necessary, an output signal goes from the emitter of the transistor Q to the input 6 of the digital display unit 40. This causes the decimal points assigned to each of the digits Brightly lit to indicate to the operator that the battery 6O needs to be recharged.

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Claims

PATENT Attorney DLPL-ING. GERHARD SCHWAN ELFENSTB.ASSE32 D-6000 MÜNCHEN 83 29ÜQ549 P-311 / P-312 Claims

1. Device for measuring the speed of a through a liquid flowing through a plurality of lines with different cross-sectional areas with acoustic reflection centers with the help of ultrasonic waves, characterized by

a) first and second transducers (16, 18) assigned to the relevant line (24) for emitting an ultrasonic wave into the liquid flowing through the line and to receive an ultrasonic wave, which is scattered back from the liquid passed through the conduit;

b) an optionally operable generator (12), by means of which the first converter (16) with a high-frequency signal can be acted upon and can be caused to emit the ultrasonic wave into the liquid is;

c) wherein the second electroacoustic transducer (18) supplies an electrical output signal, the frequency of which compared to the generator frequency due to the

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TELEPHONE: 0ö!) / 6012039 · CABLE: ELECTRlCPATENT MUNICH

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Doppler effect is shifted by an amount., that of the speed of the line depends on the liquid flowing therethrough;

d) a demodulator device (42, 43, 44) to form an amplitude-demodulated sequence of pulse-like output signals;

e) a counting device (38, 40) responsive to the demodulated output signal for counting the pulse-like signals during a variable calibration period for the purpose of forming a parameter for the Speed of the liquid flowing through the conduit; and

f) an arbitrarily operable triggering device (28, 3O, 32, 34) for actuating the counting device for the purpose of initiating a calibration period and a device (R ₂₈ ) for changing the calibration period as a function of the cross-sectional area of the relevant line.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the triggering device (28, 30, 32, 34) is an arbitrary has operable switch (30) and a time control (28) which responds to the closing of the switch

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ters out a control signal to the calibration period Counting device (38, 4O) applies.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that that the counting device (38, 40) one the pulse-like signals of the demodulator device (42, 43, 44) counting and one for the number of pulses A characterizing digital output signal supplying counter (66), a digital output signal decrypting and corresponding driver signals delivering decryptor (68) as well as a digital Display unit (40) which, in response to the driver signals, a digital display according to the Provides the speed of the liquid flowing through the line (24).

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the triggering device (28, 30, 32, 34) one of Hand-operated switch (3O) and a monostable that responds to the closing of the switch Having multivibrator (34) for supplying an output signal for the calibration period.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the triggering device (28, 30, 32, 34) further has a second monostable multivibrator (32) coupled to the switch (30), by means of which

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when the switch is closed, an output signal for resetting the counting device (38, 40) is available is.

6. Apparatus according to claim 5, characterized by a on the output signals of the two multivibrators (32, 34) responsive gate (36) for generating a hold signal, by means of which the counting device (38, 4O) can be retained at the end of the calibration period.

7. Apparatus according to claim 4, characterized in that by means of the output signal of the monostable multivibrator (34) the generator (12) for one of the calibration periods corresponding time can be actuated.

8. Device according to one of claims 4 to 7, characterized in that an actuation of the switch (30) responsive time control (28) for the power supply of the decoder (68) and the display unit (40) for a system operating time exceeding the calibration period and an independent power supply (6O) are provided that the timing control has a charging circuit with a resistor (R _{? i} ?) and a capacitor (C ..,) which can be charged by the power source (6O), and that a diode (D.) in Series with the closed switch (3O) between the capacitor

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and ground to cause the capacitor to discharge relatively quickly and start up quickly to allow a new operating sequence of the system .

9. Device for measuring the speed of a liquid flowing through a line, characterized by

a) first and second transducers (16, 18) assigned to the line (24) for emitting an ultrasonic wave into the liquid flowing through the conduit and for receiving an ultrasonic wave which is scattered back by the liquid passed through the conduit;

b) an optionally operable generator (12) by means of the first converter (16) of which with a high frequency signal can be acted upon and can be caused to emit the ultrasonic wave into the liquid is;

c) where the second electroacoustic ^ transducer (18) supplies an electrical output signal, the frequency of which compared to the generator frequency due to the Doppler effect is shifted by an amount that depends on the speed of the line

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depends on the liquid flowing therethrough;

d) a demodulator device which receives the electrical output signal of the second converter (18) (42, 43, 44) to form an amplitude-demodulated Output signal;

_{e) an evaluation and display device (3S 1} 40) which responds to the amplitude-demodulated output signal of the demodulator device for generating and reproducing a parameter for the speed of the liquid flowing through the line; and

f) a time control device (28, 30, 32, 34) by means of the generator of which can be selectively initiated for a first, relatively short period of time Apply high frequency signal to the first transducer (16) and by means of which the evaluation and display device (38, 40) for a second, relative can be actuated for a long time in order to continue displaying the measured liquid velocity to allow during the second duration.

10. The device according to claim 9, characterized in that an independent, built-in power source (60) before is seen and that the timing device (28,3O,

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32, 34) _-14) has a chargeable by means of the current source (60) charging circuit with a resistor (R ₂ p) · ^e * ~ ^uno nem capacitor (C.

11. The device according to claim 9, characterized in that an independent, built-in power source (60) is provided and that the time control device (28, 30, 32, 34) has an optionally operable switch (3O), when it is closed, the second duration for the purpose of coupling the power source to the components of the device and a third period of time can be introduced before the initiation of the The first period allows the components of the device to stabilize.

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