DE2908194A1

DE2908194A1 - Verfahren zur betriebszustandseinstellung eines ultraschallverbrauchsmessers und nach diesem verfahren realisierter verbrauchsmesser

Info

Publication number: DE2908194A1
Application number: DE19792908194
Authority: DE
Inventors: Eduard Aleksandrovit Zalesskij
Original assignee: ZALESSKIJ
Current assignee: ZALESSKIJ
Priority date: 1978-03-03
Filing date: 1979-03-02
Publication date: 1979-09-06
Also published as: CA1129986A; JPS6047974B2; SU879306A2; FR2418924A1; JPS54135565A; FR2418924B1; DE2908194C2; US4240292A

Description

SCHIFF ν. FONER STREHl- SCHDBEL-HÜPF s£aBIN<3HAU& FlWCK

.. 5 _
Beschreibung

Die Erfindung "bezieht sich auf das Gebiet der Ultraschall-Meßtechnik, Insbesondere auf Verfahren zur Betriebszustandseinstellung In Ultraschall-Verbrauchsmessern sowie auf nach diesem Verfahren realisierte Durchfluß- und Verbrauchsmesser»

Die vorliegende Erfindung kann für die nach dem Prinzip. der Impulsfrequenzmessung aufgebauten Ultraschall-Verbrauchsmesser zur automatischen Messung des Verbrauchs iron Erdöl, Srdöl- und chemischen Erzeugnissen., Hahrungsprod.ukten, Wasser in Meliorationssystemen usw. benutzt werden«,

Zum besseren Verständnis des nachstehend beschriebenen Verfahrens und des entsprechenden Gerätes sei vorausgesetzt₉ daß unter Verbrauchsmessern Geräte gemeint slnd_s die zur Messung sowohl der Durchflußgeschwlndlgltelt als auch des Verbrauchs bestimmt sind,,- da der Verbrauch In der auf der Ausbreitung von akustischen Wellen beralieaden Meßtechnik eine Funktion der Geschwindigkeit Ist»

An die Genauigkeit der Messung des- Verbrauchs von verscliledenen Substanzen, z.B., von Srdol_P alt Hilfe von Ultraschall« Iiapulsfrequenzverfahren werden lamer strengere Anforderungen gestellt. Dementsprechend erhöhen sich die Forderungea an die Zuverlässigkeit der Geräte sowie an -die Grlautwrtirdigkelt der Meßergebnisse von m-trase&all-VerbrauchsmesseEn, die diese Verfahren realisieren und auf der Basis eines Synchronaeßkreises, d.iu eines'Schwlngungserzeugungssystems mit x^erzögerter akustischer RüöMcopplimg aufgebaut" werden. Diese rait einem Synchronmeßkreis ausgeführten Verbrauchs-

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messer können aber eine hohe Meßgenauigkeit nur in dem Falle ergeben, wenn im Synchromaeßkreis nach seiner Inbetriebsetzung sich der Betriebszustand mit andauerndem automatischem Impulsumlauf* und zwar mit dem Umlauf nur eines, die Nutzinformation tragenden Impulses einstellt. In den realen Meßsystemen kann aber der akustische Übertragungskanal, d.h. der Raum, der das zu kontrollierende Medium durchläßt und zwei elektroakustisch^ Wandler voneinander trennt, periodisch gestört werden. Diese Störungen, die zur Herabsetzung der Meßgenauigkeit führen, können infolge der Streuung des Ultraschallstrahles an Gasblasen und an Fremdeinschlüssen in dem zu kontrollierenden Medium entstehen. Beim Verschwinden der Fremdeinschlüsse muß der Betriebszustand des Verbrauchsmessers, d.h. der andauernde automatische Umlauf eines Impulses im Synchronmeßkreis wieder eingestellt werden. Eine verzögerte Betriebszustandseinstellung und der Betrieb mit zwei oder mehr im Synchronmeßkreis umlaufenden Impulsen führen zu Verfälschungen der Meßergebnisse.

Es ist ein Verfahren zur Inbetriebsetzung eines nach dem Prinzip der Impulsfrequenzmessung arbeitenden Ultraschall-Verbrauchsmessers bekannt, bei dem in den Synchronmeßkreis im Einschalt Zeitpunkt ein externer Auslöseimpuls eingeführt wird.

Der nach diesem Prinzip arbeitende bekannte Ultraschall-Verbrauchsmesser enthält zwei als Reihenschaltungen ausgeführte Synchronmeßkreise mit je einem Verstärker, einem Erregungsimpulsformer und zwei elektröakustischen Wandlern, die durch einen zum Durchlassen des zu kontrollierenden Mediums bestimmten Raum voneinander getrennt und gegeneinander so angeordnet sind, daß sie das Aussenden und den Empfang eines akustischen Signals zwischeinander unter einem von 90° verschiedenen Winkel α zur Durchflußrichtung

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des Mediums ermöglichen. Außerdem sind bei diesem bekannten Verbrauchsmesser ein Hilf sgenerator und ein Meßblock an die Synchronmeßkreise angeschlossen»

In jedem Synchromaeßkreis dieses Yerbrauchsmessers wird der vom Generator erzeugte Impuls dem Erregungsimpulsformer zugeführt, dessen Ausgangssignal zum elektroakustisehen Wandler gelangt, der einen Impuls in das zu kontrollierende Medium abstrahlt. Der vom anderen elektroakustischen Wandler empfangene Impuls gelangt wieder zum Erregungsimpulsformer,, -wobei also der Sigenumlauf des Impulses im Synchron» meßkreis erreicht wird. Nach der Frequenzdifferenz &f der in den Synchronmeßkreisen umlaufenden Impulse wird die Durchflußgeschwindigkeit ν des zu kontrollierenden Mediums bewertet (vgl. z.B. das Buch von Birger B.I. und Brashnikov N.I, "Ultraschall-Verbrauchsmesser", Moskau,-"Metallurgija«, 1964, S. 66-70).

Bei der Anordnung der Wandler an gegenüberliegenden Seiten einer Rohrleitung mit dem Durchmesser D ist beispielsweise

Beim erwähnten bekannten Verfahren ist aber eine automatische Betriebszustandseinstellung im Verbrauchsmesser nach einer zeitweiligen Störung des akustischen Kanals unmöglich. Dieser Mangel ist dadurch zu erklären, daß bei dem bekannten Verfahren kein Merkmal der Wiederherstellung des Impulsumlaufs im Synchronmeßkreis, also kein Anzeichen für den normalen Betrieb des Verbrauchsmessers geliefert wird, dessen Fehlen die Einspeisung eines Auslöseimpulses vom Hilf sgenerator in den Synchronmeßkreis notwendig macht.

Dieser Mangel wurde bei einem anderen bekannten Verfahren zur Betriebszustandseinstellung im Impulsfrequenz-Ver-

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brauchsmesser beseitigt. Dieses Verfahren besteht darin, daß der Impulsformer des Synchronmeßkreises bei der anfänglichen Inbetriebsetzung des Verbrauchsmessers als selbsterregter Generator funktioniert, wobei seine Sigenschwingungsperiode etwas größer als die Maximaldauer der Impulsfortpflanzung im Synchronmeßkreis gewählt wird. Der vom Impulsformer erzeugte Impuls wird ebenso dem als Strahler wirkenden Wandler zugeführt und mit Hilfe des Empfangswandlers empfangen. Der empfangene Impuls kommt früher an, als der Impulsformer des Synchronmeßkreises den zweiten Impuls erzeugt, wobei durch den empfangenen Impuls die erzwungene Auslösung des Impulsformers im Synchronmeßkreis erfolgt und so der erzwungene Schwingungsbetrieb dieser Schaltung gewährleistet wird.

Bei einer Störung des akustischen Kanals kommen vom Empfangswandler keine Impulse an, wobei an der vorhandenen gleichgerichteten Spannung die Wiederherstellung des Verbrauchsmesserbetriebs erkannt wird und darauf die Registrierung der Meßergebnisse erfolgt.

Der bekannte Ultraschall-Verbrauchsmesser, der dieses Verfahren realisiert, enthält zwei Synchronmeßkreise, an die ein Meßblock und ein Amplitudendetektor angeschlossen sind, wobei der Triggerimpulsfonaer jedes Synchronmeßkreises im selbstschwingenden und im getriggerten Betrieb funktionieren kann. Beim Einschalten des Verbrauchsmessers arbeitet der Impulsformer als selbsterregter Generator, wobei seine Sigenschwingungsperiode etwas größer als die Maximaldauer der Impulsfortpflanzung im Synchronmeßkreis gewählt ist. Der vom Impulsformer des Synchronmeßkreises erzeugte Impuls wird ähnlicherweise dem als Strahler wirkenden Wandler zugeführt und mit Hilfe des Smpfangswandlers empfangen. Der empfangene Impuls kommt früher an als der Impulsformer des Synchronmeßkreises den zweiten Impuls erzeugt, wobei der empfangene Impuls die erzwungene Auslösung des Impuls-

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formers tind somit seinen getriggertea. Betrieb bewirkt _o Beieiner Störung des akustischen Kanals kommen vom Empfangs= %fandler keine Impulse an„ ..und der Impulsformer des Synchronmeßkreises funktioniert als 'selbstschwingende Schaltung« Nach Wiederherstellung des akustischen Kanals wird der Impulsformer des Synchronmeßkreises durch, den ersten empfangenen Impuls zwangsweise ausgelöst, wobei der normale BeBetrieb des Verbrauchsmessers wieder einsetzt« Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit wird das Vorhandensein des vom Empfangs— wandler gelieferten Signals im Verbrauchsmesser durch Gleichrichtung dieses Signals bestimmt, wobei an der vorhandenen gleichgerichteten Spannung die Betriebszustandseinstellung im Verbrauchsmesser erkannt wird," .worauf die Registrierung der Meßergebnisse wieder vorgenommen wird (vgl« z.B. das Buch von Birger G*Io und Brashnikov H*I* "Ultraschall-Verbrauchsmesser", Moskau,, "Metallurgies", 1964, Se 295 Ms 303).

Ein Mangel dieses Verfahrens besteht darin_s daß die Betriebsbereitschaft des Verbrauchsmessers nicht richtig erkannt werden kann-, "wenn an seinem Eingang Störungen erscheinen, die ebenso wie das Nützsignal gleichgerichtet werden» Infolgedessen ist in. diesem bekannten Gerät eine Verfälschung der MeßergeTbnisse möglich..

Ein gemeinsamer Mangel der beschriebenen Verfahren bestellt außerdem ia e-iner niedrigen Störfestigkeit der- nach diesen. Verfahren realisierten Verbrauchsmesser sowohl bei ihrer Inbetriebsetzung als auch bei ihrem Betrieb/ da der Synchronmeßkreis dieser Verbrauchsmesser für die ganze Betriebsdauer¹ geöffnet wird und bei eimer-falschen Auslösung des Impulsforaers durch Einwirkung einer Störung sich des* Umlauf voa zwei und mehr Impulsen im Synchronmeßkreis einstellen, kann, wobei die Meßergebnisse verfälscht werden«

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Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Betriebszustandseinstellung in einem auf der Basis eines Synchronmeßkreises ausgeführten Verbrauchsmesser werden in den Synchronmeßkreis Triggerimpulse eingespeist, wobei der Synchronmeßkreis periodisch gesperrt und geöffnet wird. Hierbei wird der im Synchronmeßkreis wirksame Impuls gespeichert, und mit Hilfe dieses gespeicherten Impulses erfolgt die Wiederherstellung des Verbrauchsmesserbetriebs nach einer zeitweiligen Störung im akustischen Kanal. Sine Erhöhung der Stör— festigkeit des Verbrauchsmessers wird durch Sperrung des Synchronmeßkreises für einen permanenten Zeitabschnitt erreicht, der kleiner als die voraussichtliche Fortpflanzungsdauer des Signals im akustischen Kanal ist.

Der nach diesem Verfahren ausgeführte bekannte Verbrauchsmesser enthält wenigstens einen Synchronmeßkreis, der als Reihenschaltung eines Impulsformer-Verstärkers, einer Sperrschaltung, eines Erregungsimpulsformers und zweier elektroakustischer Wandler ausgeführt ist. Die elektroakustischen Wandler sind durch einen zum Durchlassen des zu kontrollierenden Mediums bestimmten Raum voneinander getrennt und gegeneinander so angeordnet, daß sie das Aussenden und den Empfang eines akustischen Signals zwischeneinander unter einem von 90° verschiedenen Winkel zur Durchflußrichtung des Mediums ermöglichen. Außerdem enthält der Verbrauchsmesser einen getriggerten Generator., der an die Sperrschaltung angeschlossen ist. Als Triggerimpuls-Einheit dient ein Generator mit verzögerter Rückkopplung (vgl. z.B. die sowjetische Urheberurkunde Nr." 526 827)·

In diesem Verbrauchsmesser stößt der umlaufende Impuls den Generator mit verzögerter Rückkopplung an, der nach einer zeitweiligen Störung des akustischen Kanals den Verbrauchsmesser in Betrieb setzt. Zur Erhöhung der Störfestigkeit wird der Synchronmeßkreis mit Hilfe des getriggerten Generators gesperrt. Der letztere wird durch den vom elektro-

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akustischen Wandler empfangenen Impuls für einen permanenten Zeitabschnitt ausgelöst ₉ der kleiner als. die iroraus- sichtliche Fortpflanzungsdaiier des Signals im akustischen Kanal ist.

Sin Mangel dieses Verfahrens liegt darin,, daß die automatische Inbetriebsetzung des Verbrauchsmessers unmöglich ist. Bei Vergrößerung der Fortpflanzungsdauer des Ultraschallsignals in dem zu kontrollierenden Medium wird außerdem die Zeit verlängert, in der der Synchronmeßkreis offen bleibt_f wobei die Wahrscheinlichkeit einer falschen Auslösung des Synchronmeßkreises durch eine Störung steigt und die Meßgenauigkeit sinkt.

Bei kleineren Durchflußgeschwindigkeiten stellt die Fre— quenzdifxerenz im Ausdruck (1) eine geringe Größe dar. Bei einem Winkel et von beispielsweise 45°j einem Durchmesser D = 1 m und einer Durchflußgeschwindigkeit ν = 0_sl m/s ist die Frequenzdifferenz /vf = O₉1 Hz₉ d.h. nimmt die Meßzeit in diesem Falle einen zu großen Wert von 10 s an.

Atis diesem Grunde schließt die erwähnte Bauart des Verbrauchsmessers die Möglichkeit der Messung des Mosaentver=- brauchs aus,, was ebenfalls die Meßgenauigkeit beeinträchtigt. Wegen all dieser Nachteile kann der bekannte Verbrauchsmesser in den automatischen Regelungssystemen nicht effektiv genug benutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Betriebszustandseinstelliang in einem auf der Basis eines Synchronmeßkreises ausgeführten Ultraschall-Verbrauchsmesser zu entwickeln, das die Automatisierung des Verbrauchsmesserbetriebs ermöglicht sowie seine Störfestigkeit und die Zuverlässigkeit der Meßergebnisse erhöht _s und einen Verbrauchsmesser zur Realisierung dieses ¥erfah-

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rens auf Grund einer einfachen schaltungstechnischen Lösung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Verfahren zur Betriebszustandseinstellung in einem auf der Basis eines Synchronmeßkreises ausgeführten UItraschall-Verbrauchsmesser, bei dem in den Synchronmeßkreis Triggerimpulse eingegeben werden und der Synchronmeßkreis periodisch gesperrt und geöffnet wird» das Sperren und Öffnen des Synchronmeßkreises erfindungsgemäß mit Triggerimpulsen erfolgen, deren Folgeperiode im Bereich möglicher Variationen der Folgeperiode der im Synchronmeßkreis umlaufenden Impulse bis zum Zeitpunkt der Koinzidenz des umlaufenden Impulses mit dem Triggerimpuls geändert wird, wobei die Eingabe der Triggerimpulse in den Synchronmeßkreis durch kontinuierliche automatische Phasenangleichung dieser Impulse an die umlaufenden Impulse im Koinzidenzzeitpunkt unterbrochen wird und beim Fehlen der umlaufenden Impulse wieder einsetzt.

Zur Erhöhung der Störfestigkeit des Verbrauchsmessers ist es zweckmäßig, das Öffnen des Synchronmeßkreises für die Zeitabschnitte vorzunehmen, die nicht größer als die Dauer des Triggerimpulses sind. Zu demselben Zweck ist es auch erwünscht, die Dauer des Triggerimpulses im Zeitpunkt der Koinzidenz des umlaufenden Impulses und des Triggerimpulses zu begrenzen.

Zur Verkürzung der Dauer der Inbetriebsetzung kann die Folgeperiode der Triggerimpulse in Schritten geändert werden, die nicht größer als die Dauer des Triggerimpulses sind.

Eine höhere Zuverlässigkeit der Meßergebnisse wird erreicht, indem der Zeitpunkt der Koinzidenz des umlaufenden Impulses und des Triggerimpulses fixiert und dazu benutzt wird, die Beendigung der Inbetriebsetzung und die Einstellung des Be-

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triebszustands im Verbrauchsmesser zu. erkennen«,

Die Aufgabe der Erfindung wird auch dadurch gelöst, daß in dem zur Durchführung des Verfahrens entwickelten Ultraschall-? Verbrauchsmesser mit wenigstens einem Synchronmeßkreis, der als Reihenschaltung eines JEmpulsformer-Verstär— kers, einer Sperrschaltung, eines Erregungsimpulsformers und zweier elektroakustischer Wandler ausgeführt ist, die durch einen zum Durchlassen des zu kontrollierenden Mediums "bestimmten Raum voneinander getrennt und gegeneinander so angeordnet sind, daß sie das Aussenden tmd den Smpfang eines akustischen Signals zwischeneinander unter einem von 90° verschiedenen Winkel zur Durchflußrichtung des Mediums ermöglichen, sowie mit einer Triggerimpulseinheit und einem Meßblock, die an den Synchronmeßkreis angeschlossen sind, die erwähnte Triggerimpuls-Einheit erfindungsgemäß einen gesteuerten selbsterregten Generator enthält, dessen Ausgang an den ersten Eingang einer TMD—Schaltung, an den ersten Eingang eines Speichergliedes sowie an den ersten Eingang des Meßblocks angeschlossen ist und dessen Eingang mit dem Ausgang eines Phasensuch- und Machstimmgliedes verbunden ist, wobei der andere Eingang des Phasensuch- und Machstimmgliedes am Ausgang des Speichergliedes liegt _f das an den zweiten Eingang der UND-Schaltung angeschlossen ist, und die letztere mit ihrem Ausgang an den Triggereingang des Impulsfonaers und an den Steuereingang der Sperrschaltung angeschaltet ist, während der Ausgang der Sperrschaltung am zweiten Eingang des Speichergliedes liegt.

Die erwähnte Aufgabe wird auch dadurch, gelöst, daß im Verbrauchsmesser eine Einheit zur Kontrolle der Zuverlässigkeit der Meßergebnisse verwendet wird, deren Eingänge an den Ausgang des Speichergliedes bzw. an den Ausgang des ge-

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steuerten selbsterregten Triggerimpulsgenerators angeschlossen sind und deren Ausgang am Freigabeeingang des Meßblocks liegt.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch dadurch gelöst, daß die Triggerimpuls-Einheit mit einem Frequenzteiler ausgestattet wird, der zwischen den Ausgang des gesteuerten selbsterregten Triggerimpulsgenerators und den gemeinsamen Verbindungspunkt geschaltet ist, in dem der Eingang des Speichergliedes, der Eingang des Phasensuch- und Nachstimmgliedes und der Eingang der UND-Schaltung zusammengeschaltet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Betriebszustandseinstellung in dem nach diesem Verfahren ausgeführten Ultraschall-Verbrauchsmesser, der auf der Basis eines Synchronmeßkreises aufgebaut Ist, ermöglicht die Automatisierung der Verbrauchsmessung und gestattet es, die Störsicherheit und die Schnelligkeit des Meßvorganges sowie die Glaubwürdigkeit der Meßergebnisse zu erhöhen und damit die Genauigkeit der Durchfluß- und Verbrauchsmessung zu steigern.

Die Erfindung wird anhand der In der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

FIg. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ultraschall-5-Verbrauchsmessers,

Fig. 2 dasselbe Blockschaltbild von Fig. 1 mit einer Einheit zur Kontrolle der Zuverlässigkeit der Meßergebnisse,

Fig. 3 das Blockschaltbild des Verbrauchsmessers nach Fig. 1 mit einem Impulsfrequenzteiler,

Fig. 4a, b, c, d, e Spannungsdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung,

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Fig. 5 a, b, c, d, e, f Spannungsdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 4 gezeigten Schaltung.

Gemäß der Erfindung besteht das Verfahren zur Betriebszustandseinstellung in einem auf der Basis eines Synchronmeßkreises ausgeführten Ultraschall-Verbrauchsmesser in folgendem. In den Synchronmeßkreis werden Trigger impulse eingespeist. Die Folgeperiode der Trigger impulse wird im Bereich möglicher Variationen der Folgeperiode der im Synchronmeßkreis umlaufenden Impulse geändert. Also soll die Minimalperiode T . der Triggerimpulse kleiner als die minimale Fortpflanzungsdauer des Signals im akustischen Kanal sein:

^{W c}max ^{+ v}kax ^l '

Hierbei sind

L der Laufweg der akustischen Wellen in dem zu kontrollierenden Medium zwischen den elektroakustischen Wandlern;

die maximale Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in dem zu kontrollierenden Medium, die von den Eigenschaften des Mediums und den Umgebungsverhältnissen abhängig ist;

die Projektion des Vektors der maximal möglichen Durchflußgeschwindigkeit des Mediums auf die Richtung des Ultraschallbündels.

Die Maximalperiode T_max der Triggerimpulse soll Enger als die maximale Fortpflanzungsdauer des Signals im akustischen Kanal sein:

c . + v^f min max

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wobei c . die minimale Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in dem zu kontrollierenden Medium ist, die von den Eigenschaften des Mediums und den Umgebungsverhältnissen abhängig ist.

Die änderung der Periode erfolgt in Schritten, die nicht größer als die Dauer der Triggerimpulse sind.

Diese Änderung der Folgeperiode der Triggerimpulse wird bis zum Koinzidenzzeitpunkt (Überlagerungszeitpunkt) des umlaufenden Impulses und des Triggerimpulses vorgenommen. Beim Erreichen dieser zeitlichen Koinzidenz wird die Singabe der Triggerimpulse in den Synchronmeßkreis mit Hilfe der kontinuierlichen automatischen Phasen- und Frequenzangleichung dieser Impulse an die umlaufenden Impulse unterbrochen.

Diese automatische Phasennachstimmung erfolgt während der ganzen Betriebszustandsdauer des Verbrauchsmessers.

Bei einer Störung des akustischen Kanals, bei der die umlaufenden Impulse verschwinden, werden die Triggerimpulse mit ausgeglichener Phase zur Triggerung benutzt, indem sie in den Synchronmeßkreis eingeführt werden. Beim Betrieb des Synchronmeßkreises wird er mit Hilfe der Triggerimpulse periodisch geöffnet und gesperrt. Der Synchronmeßkreis kann für verschiedene begrenzte Zeitabschnitte geöffnet werden. Zweckmäßiger ist das Öffnen des Synchronmeßkreises für Zeitabschnitte, die nicht langer als die Dauer der Triggerimpulse sind, wobei die Triggerimpulsdauer im Zeitpunkt der Koinzidenz des umlaufenden Impulses und des Triggerimpulses zu begrenzen ist.

Um den Umlauf von Impulsen mit doppelter Frequenz im Synchronmeßkreis zu verhindern, muß die Bedingung

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^cmax ^{+ v}max < max < 2 (4)

mxn max mm

erfüllt werden»

Praktisch kann diese Bedingung leicht erfüllt werden, da für die zu kontrollierenden Medien

^cmax "*" ^vmax < 1,5 (5)

c . — v¹

mxn max

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde in einem in Fig. 1 gezeigten Verbrauchsmesser realisiert, der zur Messung des Verbrauchs von Substanzen in Rohrleitungen bestimmt ist*

Dieser Ultraschall-Verbrauchsmesser enthält wenigstens einen Synchronmeßkreis 1 (Fig. 1) mit einem Impulsformer-Verstärker 2, der an den Eingang 3 einer Sperrschaltung 4 angeschlossen ist. Die letztere ist mit dem Eingang 5 eines 3Srregungsiiapi?.lsformers 6 verbunden» Weiterhin gehören zum SynchromaeSkreis 1 zwei elektroakustische Wandler 7 und 8, die durch einen zum Durchlassen des zu kontrollierenden Mediums bestimmten Raum 9 voneinander getrennt sind»

Die Wandler 7_a S sind an gegenüberliegenden Seiten einer Rohrleitung so angeordnet, daß, sie das Aussenden und den Empfang des akustischen Signals von einem Wandler 7 ibzWo 8 zum anderen ermöglichen» Dabei weicht der Winkel α zwischen der Burchflußrichtung des Mediums in der Rohrleittmg und der Fortpflanztsngsrichtung der akustischen Wellen zwischen den Wandler-η 7_S 8 von 90° ab« Außerdem enthält der ültraschall^erbrauchsmesser eine Triggerimpuis-Sinheit ■ 10 τω,ά einen Heßblock 1I₅. die an den Synchronmeßkreis 1 angeschlos-

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sen sind. Die Triggerimpuls-Einheit 10 weist einen gesteuerten selbsterregten Generator 12 auf» dessen Ausgang 13 an den Eingang 14 einer UND-Schaltung 15, an den Eingang 16 eines Speichergliedes 1?» an den Eingang 18 eines Phasensuch- und Nachstimmgliedes 19 sowie an den Eingang 20 des Meßblocks 11 geschaltet ist. Der Eingang 21.des gesteuerten selbsterregten Generators 12 ist mit dem Ausgang 22 des Phasensuch- und Nachstimmgliedes 19 verbunden. Der Eingang 23 des letzteren liegt am Ausgang 24 des Speichergliedes 17_f das seinerseits an den Eingang 25 der UND-Schaltung 15 angeschlossen ist. Der Ausgang 26 der UND-Schaltung 15 ist mit dem Triggereingang 27 des Impulsformers 6 und mit dem Steuereingang 28 der Sperrschaltung 4 verbunden, deren Ausgang 29 am Eingang 30 des Speichergliedes 17 liegt.

Im Vergleich zur AusführungsVariante nach Fig* 1 weist der in Fig. 2 gezeigte Ultraschall-Verbrauchsmesser zusätzlich eine Einheit 31 zur Kontrolle der Zuverlässigkeit der Meßergebnisse auf, deren Eingänge 32 und 33 an den Ausgang 24 des Speichergliedes 17 bzw. an den Ausgang 13 des gesteuerten selbsterregten Triggerimpulsgenerators 12 geschaltet sind. Der Ausgang 34 dieser Einheit 31 liegt am Eingang 35 des Meßblocks 11.

Die Triggerimpuls-Einheit 10⁸ (Fig» 3) weist gegenüber der Einheit 10 nach Fig. 1 einen Frequenzteiler 36 auf, der zwischen den Ausgang 13 des gesteuerten selbsterregten Generators 12 und den gemeinsamen Verbindungspunkt 37 geschaltet ist, in dem der Eingang 16 des Speichergliedes 17, der Eingang 18 des Phasensuch- und Nachstimmgliedes 19 und der Eingang 14 der UND-Schaltung 15 zusammengeschaltet sind.

Als Sperrschaltung 4 kann z.B. eine NMD-Schaltung benutzt werden. Das Speicherglied 17 kann mit Hilfe eines RS-Flipflops und die Einheit 31 zur Kontrolle der Zuverlässigkeit

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der Meßergebnisse mittels eines D-Plipflops realisiert werden»

Das Phasensuch™ und Nachstimmglied 19 stellt ein mit einer Entladungsstrecke ausgestattetes Bauelement zur Potentialspeicherung, z.B. einen Kondensator dar.

Das Verfahren zur Betriebszustandseinstellung in dem dieses Verfahren realisierenden Ultraschall-Verbrauchsmesser wird in der nachstehenden Beschreibung der Wirkungsweise dieses erfindungsgemäß ausgeführten Verbrauchsmessers näher erläutert.

Die am Ausgang 22 (Fig. 1) des Phasensuch- und Nachstimiagliedes 19 erzeugte Spannung wird dem Eingang 21 des gesteuerten selbsterregten Triggerimpulsgenerators 12 zugeführt und bewirkt die Durchstimmung seiner Frequenz. Im Zeitpunkt der Zuführung der Speisespannungen ist die Spannung am Ausgang 22 des Phasensuch- und Nachstinmgliedes 19 gleich Null. Dabei ist die Impulsperiode T_min (Fig· ^a) des gesteuerten selbsterregten Generators 12 minimal und kleiner als die minimale Fortpflanzungsdauer des Signals im akustischen Kanal» Die Periode des Triggerimpulsgenerators 12 wird so durehgestimmt, daß die maximale Periode T___ der

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an seinem Ausgang erscheinenden Impulse größer als die maximale Fortpflanzungsdauer des Signals im akustischen Kanal ist. Also müssen die Bedingungen (2) und (3) erfüllt werden.

Beim Anlegen der Speisespannungen wird vom Ausgang 13 des ' gesteuerten selbsterregten Triggerimpulsgenerators 12- kein Impuls geliefert, da an seinem Ausgang 13 ein niedriger Pegel (L-Pegel) v/irksam ist. Dieser Pegel wird vom Speicherglied 17 gespeichert, wobei an seinem Ausgang 2h ein höherer Pegel (Η-Pegel) liegt, der Η-Pegel erscheint auch·am Ausgang 26 der UND-Schaltung 15 bei ihrem Ausgangszüstand*

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Da der Ausgang 24 des Speichergliedes 17 mit dem Eingang der UND-Schaltung 15 verbunden ist, gelangt der erste positive Impuls 38 (Fig. 4a) vom Ausgang 13 des gesteuerten selbsterregten Triggerimpulsgenerators 12 zur UND-Schaltung 15. Hierbei wird der Impuls 39 (Fig. 4b) auf den Eingang (Fig. 1) der Sperrschaltung 4 gegeben und öffnet diese,- Derselbe Impuls 39 gelangt auch zum Eingang 27 des Impulsformers 6, wobei dieser ausgelöst wird. Die. Auslösung des Impulsformers 6 erfolgt hierbei mit der Hinterflanke des positiven Impulses 39 (Fig· 4b).

Der Impuls 40 (Fig. 4c) wird vom Impulsformer 6 (Fig. 1) dem Wandler 7 zugeführt, in dem er in ein Ultraschallsignal umgewandelt wird, welches das zu kontrollierende Medium durchläuft und vom Wandler 8 empfangen wird, der es in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses Signal gelangt zum Impulsformer-Verstärker 2, in dem es verstärkt und in einen Rechteckimpuls 41 (Fig. 4d) umgeformt wird, der auf die Sperrschaltung 4 (Fig. 1) geführt wird. Der vom Impulsformer-Verstärker 2 gelieferte Impuls wird in Bezug auf den vom Ausgang des Erregungsimpulsformers 6 abgegebenen Impuls um die Zeit t verzögert. Da die Schwingungsperiode des gesteuerten selbsterregten Triggerimpulsgenerators 12 minimal und kleiner ist als t, gelangt der nächstfolgende Impuls 42 (Fig. 4b) vom Ausgang 26 der UND-Schaltung 15 früher zum Eingang 28 der Sperrschaltung 4 als der Impuls vom Ausgang des Impulsformer-Verstärkers 2, wobei die Sperrschaltung 4 im Zeltpunkt der Ankunft des vom Impulsformer-Verstärker 2 abgegebenen Impulses gesperrt ist. Nichtsdestoweniger durchläuft der am Ausgang der UND-Schaltung 15 erzeugte Impuls 42 (Fig. 4b) ebenso wie der erste Impuls den akustischen Kanal usw. Gleichzeitig gelangen die positiven Impulse vom Ausgang 13 des gesteuerten selbsterregten Triggerimpulsgenerators 12 an den Eingang 18 des Phasensuch- und Nachstimmgliedes 19 und vergrößern die Spannung an seinem Ausgang (Fig. 4e). Dabei vergrößert sich die Schwingungs-

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periode des Generators 12, bis die Sperrschaltung 4 zum Zeitpunkt der Ankunft des Impulses 43 (Fig» 4d) vom Impulsformer-Verstärker 2 durch den Impuls 44 (Fig. 4a) des Generators 12 geöffnet wird. Dann wird der vom Impulsformer-Verstärker 2 erzeugte Impuls 43 (Fig. 4d) zum Eingang 5 (Fig. 1) des Impulsformers 6 durchgelassen und löst diesen mit der negativen Vorderflanke aus, wobei der Synchronmeß— kreis 1 in Betrieb gesetzt wird (vgl. den Synchronimpuls 45 in Fig. 4c). Gleichzeitig gelangt der negative Impuls vom Ausgang 29 der Sperrschaltung 4 zum Eingang 30 (Fig. 1) des Speichergliedes 17 und stellt an seinem Ausgang 24 den L-Pegel ein, so daß auf die UND-Schaltung 15 das Verbotssignal gegeben wird, wobei die Dauer des Impulses 46 (Fig. 4b) am Ausgang dieser Schaltung 15 begrenzt wird (vgl. den Zeitpunkt t₁ in Fig. 4). Hierbei fällt die Hinterflanke des am Ausgang 26 der UND-Schaltung 15 erscheinenden positiven Impulses mit der Vorderflanke des negativen Impulses am Ausgang 29 der Sperrschaltung 4 zusammen. Das bedeutet, daß der weitere Betrieb des gesteuerten selbsterregten Triggerimpulsgenerators 12 keinen Einfluß auf den Betrieb des Synchronmeßkreises 1 ausübt und der Generator 12 folglich automatisch, abgeschaltet wird.

Darauf gellt das Phasensuch- und Machstimmglied 19. vom Suchbetrieb zur automatischen Phasennachstimmung des gesteuerten Triggerirapulsgenerators 12 in Bezug auf die im Synchronmeßkrels 1 umlaufenden Impulse über. Mit der Hinterflanke" des vom Triggerimpulsgenerator 12'erzeugten positiven Impulses wird der Η-Pegel am Ausgang des Speichergliedes 17 .

wieder eingestellt.

Der vo® Generator 12 erzeugte Triggeriiapuls gelangt zum EIagang 13 des Paasensucli— und Maciistiiimgliedes 19?' während, seines anderen Eingang 23 Impulse vom Ausgang 24 des SpeichergllecLeE 1? zugeführt werden«, deren Vorderflanke mit der Vorderflsake &θτ is SynchroBaeßkreis usalauf enden Impulse aacli Sg ösr* Sperrschsl^img 4 zusasmenfällt _B Bas

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sensuch— und. Machstimmglied 19 löst die zeitliche Abweichung des Triggerimpulses von der Vorderflanke des im Synchronmeßkreis 1 umlaufenden Impulses heraus und wandelt diese Abweichung in ein Steuersignal um, mit dessen Hilfe die Frequenz und die Phase des Triggerimpulsgenerators 12 gesteuert werden. Diese Nachstimmung erfolgt so, daß die Vorderflanke des im Synchronmeßkreis umlaufenden Impulses innerhalb, vorzugsweise in der Mitte des Triggerimpulses liegt. In diesem Falle wird die Sperr schaltung 4 und folglich der Synchronmeßkreis 1 durch die Vorderflanke des Triggerimpulses geöffnet und durch die Vorderflanke des im Synchronmeßkreis umlaufenden Impulses gesperrt, wobei also die Öffnungszeit des Synchronmeßkreises die Hälfte der Triggerimpulsdauer beträgt. Unter Berücksichtigung der erforderlichen Störsicherheit wird die Dauer des Triggerimpulses gleich 1 - 2 % von der Folgeperiode der umlaufenden Impulse gewählt.

Auf diese Weise werden die vom Ausgang des gesteuerten selbsterregten Generators 12 abgegebenen Triggerimpulse in ihrer Frequenz und Phase mit den im Synchronmeßkreis umlaufenden Impulsen verkoppelt, wobei die Folgefrequenz der letzteren ermittelt werden kann, indem man die vom Ausgang des Generators 12 gelieferten Triggerimpulse an den Eingang 20 des Meßblocks 11 anlegt.

Bei einer Störung im akustischen Kanal werden die Impulse vom Ausgang des gesteuerten selbsterregten Triggerimpulsgenerator 12 weiterhin auf den Eingang des Phasensuch- und Nachstimmgliedes 19 gegeben, wobei sie die Spannung an seinem Ausgang erhöhen und die Triggerimpulsperiode deswegen größer wird. Beim größten Wert der Spannung am Ausgang des Pnasensuch- und Nachstimmgliedes 19 ist diese Periode maximal. Ia Phasensuch- und Nachstimmglied 19 fällt nun diese Spannung infolge der Entladung Ibis auf Null ab, worauf

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die Einrichtung in der beschriebenen Weise werter arbeitet.

Der in Fig. 2 gezeigte Ultraschall-Verbrauchsmesser funktioniert ähnlich wie der "Verbrauchsmesser nach Fig. 1, mit dem Unterschied, daß er die Kontrolle der Zuverlässigkeit der Meßergebnisse nach der Koinzidenz jedes im Synchronmeßkreis 1 umlaufenden Impulses mit dem Triggerimpuls ermöglicht. Zu diesem Zweck werden die Impulse vom Ausgang 24 des Speichergliedes 17 dem Informationseingang 32 der Einheit 31 zur Kontrolle der Zuverlässigkeit der Meßergebnisse (im folgenden des Speichergliedes 31) zugeführt, während die Impulse vom Ausgang 13 des gesteuerten selbsterregten Triggerimpulsgenerators 12 auf den Eingang 33 des Speichergliedes 31 gegeben werden, der als Synchronisationseingäng dient. Die am Ausgang 34 des Speichergliedes 31 erscheinende Spannung ist ein Merkmal des normalen Verbrauchsmesserbetriebs. Diese Spannung wird dem Freigabe eingang 35 des Meßblocks 11 zugeführt.

Im Falle einer Störung im akustischen Kanal (in dem von dem zu kontrollierenden Medium gefüllten Raum 9) erscheint zum Zeitpunkt der Ankunft der Hinterflanke eines vom gesteuerten Triggerimpulsgenerator 12 erzeugten Impulses am Eingang 33 des Speichergliedes 31 an seinem Informationseingang 32 der Η-Pegel, der den gesperrten Zustand des Synchronmeßkreises 1 kennzeichnet. Durch die Hinterflanke des Triggerimpulses wird die Information über die Koinzidenz der Triggerimpulse und der im Synchronmeßkreis umlaufenden Impulse gelöst, wobei vom Ausgang 34 des Speichergliedes 31 auf den Freigabeeingang 35 des Meßblocks 11 das Verbotssignal gegeben wird. Vom Ausgang 13 des gesteuerten selbsterregten Triggerimpulsgenerators 12 werden dem Eingang 18 des Phasensuchund Nachstimmgliedes 19 weiterhin Impulse zugeführt, welche die Spannung an seinem Ausgang 22 erhöhen, wobei die Triggerimpulsperiode vergrößert wird. Bei der Maximalspannung am Ausgang 22 des Phasensuch- und Nachstimmgliedes 19

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fällt diese Spannung infolge der Entladung bis auf Null ab, worauf die Einrichtung in der beschriebenen Weise arbeitet.

Um die Betriebszustandseinstellung im Verbrauchsmesser gleich im ersten Zyklus der Änderung der Triggerimpulsperiode zu gewährleisten, muß jede nachfolgende Periode der Triggerimpulse nicht mehr als um die Dauer des Triggerimpulses geändert werden.

Der in Fig. 3 dargestellte Ultraschall-Verbrauchsmesser funktioniert ähnlich wie der Verbrauchsmesser nach Fig. 1, mit dem Unterschied, daß der in die Triggerimpuls-Einheit 10' eingeführte Frequenzteiler 36 die Frequenzteilung von Impulsen (Fig. 5a) am Ausgang des Generators 12 (Fig. 3) durch eine Größe "K" bewirkt. In diesem Falle sind die vom Ausgang des Generators 12 abgegebenen Impulse in Frequenz und Phase mit den im Synchronmeßkreis 1 umlaufenden Impulsen verkoppelt, ihre Frequenz ist aber um den Faktor "K" hoher als die der Impulse im Synchronmeßkreis 1.

Wenn im Verbrauchsmesser beispielsweise zwei Synchronmeßkreise benutzt werden, beträgt die im Meßblock erhaltene Frequenzdifferenz F der selbsterregten Generatoren

F ₌ . ν . K. (6)

Bei Benutzung eines Frequenzteilers 36 mit einem Teilungsverhältnis von beispielsweise K = 100 beträgt die Meßzeit für den erwähnten Fall 0,1 s. Deswegen ermöglicht der in Fig. 3 gezeigte Verbrauchsmesser die Messung des Momentanverbrauchs und den Betrieb in automatischen Regelungssystemen im reellen Zeitmaßstab.

Die Spannungsdiagramme, die in Fig. 5b, c, d, e, f zur Erläuterung der Wirkungsweise des in Fig. 3 gezeigten Ver-

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ttrauclisniessers aufgeführt sind$ unterscheiden sich von-den in Fig« 4 a₅ b, C₉ d_s β dargestellten !Diagrammen nur dadurch, daß in Fig» 5t* (die der Fig_a 4a entspricht) die Impulsfolge am Ausgang des Frequenzteilers 36 gezeigt ist«,

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, ²⁶ _t

Leerserte

Claims

SCHIFF ν, FÖNER STREHL 3CHÜBEL-rlOPr BaBiNGHAUS FINCK MARlAHlLFPi-ATZ 2 & 3, MÖNCHEN SO /I 9 ö Θ I 3 "V POSTADRESSE: POSTFACH 95Ο16Ο, D-8OOO MÖNCHEN 95 PROFESSIONAL REPRESENTATIVES ALSO BEFORE THE EUROPEAN PATENT OPFtOS KARU UUDW(Q SCHIFF (igS4-1978> Eduard Aleksandrovitsch Zalesskij . Vladimir Viktorcwitsch Smyschljaev DlPU, IWO. DIBTHR ESBINSHAUS DR. ING. DIETER FHMCK TELEFON (Ο8Θ) 4S2OS4 TELEX 5-33 585 AURO O TELEGRAMMS AUROMARCPAT MÜNCHEN 2, März 1979 VERFAHREN ZUR BETRIEBSZUSTANDSEINSTELLUNG EINES ULTRA-SCHALLYERBRAUCHSMESSERS UND NACH DIESEM VERFAHREN REALI SIERTER VERBRAUCHSMESSER Patentansprüche

1.jVerfahren zur Betriebszustandseinstellung in einem auf der Basis eines Synchronmeßkreises ausgeführten Ultraschall-Verbrauehsmesser₉ bei dem in den Synchronmeßkreis Triggerimpulse eingegeben werden und der Synchronmeßkreis perio-" disch gesperrt und. geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet j daß das Sperren und Öffnen des Synchronmeßkreises mit Triggerimpulsen erfolgt„ deren Folgeperiode im Bereich von möglichen Variationen der Folgeperiode der im Synchronmeßkreis umlaufenden Impulse bis zum Zeitpunkt der Koinzidenz des umlaufenden Impulses mit dem Trig-= gerimpuls geändert wird,, wobei die Eingabe der Triggerimpulse in den Synchronmeßkreis durch kontinuierliche automa-

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tische Pnasenangleichung dieser Impulse an die umlaufenden Impulse im Koinziden2zeitpunkt unterbrochen wird und beim Fehlen der umlaufenden Impulse wieder einsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Öffnen des Synchronmeßkreises für Zeitabschnitte vorgenommen wird, die nicht größer als die Dauer des Triggerimpulses sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Dauer des Triggerimpulses im Zeitpunkt der Koinzidenz des umlaufenden Impulses und des Triggerimpulses begrenzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _f daß die Polgeperiode der Triggerimpulse in Schritten geändert wird, die nicht größer als die Dauer des Triggerimpulses sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Zeitpunkt der Koinzidenz des umlaufenden Impulses und des Triggerimpulses fixiert und dazu benutzt wird, die Beendigung der Inbetriebsetzung und die Einstellung des Betriebszustandes im Verbrauchsmesser zu erkennen.

6. Ultraschall-Verbrauchsmesser zur Durchführung des Ver-

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fahr ens nach Anspruch 1, Bit wenigstens einem SynclsroHiaeS-kreis, der als Reihenschaltimg eines Imptilsforiaer-Yerstärkers_t einer Sperr schaltung, eines Srregimgsimpiilsformers und zweier elektroakustischer Wandler ausgeführt ist, die durch einen zum Durchlassen des zu kontrollierenden. Mediums bestimmten Raum voneinander getrennt und gegeneinander so angeordnet sind, daß sie das Aussenden und den Smpfang eines akustischen Signals zwi sehe neinander unter einem von 90° verschiedenen Winkel zur Durchflußrichtung des Mediums ermöglichen, sowie mit einer Triggerimpulseinheit und einem Meßblock, die an den Synchronmeßkreis angeschlossen sind₅ dadurch gekennzeichnet , daß die Triggerimpulseinheit (10) einen gesteuerten selbsterregten Generator (12) enthält, dessen Ausgang an den ersten Eingang einer UND-Schaltung (15)» an den ersten Eingang eines Speichergliedes (17)» an den ersten Eingang eines Phasensuch- und Machstimmgliedes (19) sowie an den Singang des Meßblocks (11) angeschlossen ist und dessen Eingang mit dem Ausgang des Phasensuch- und Nächstimmgliedes (19) verbunden ist, wobei der andere Eingang des Phasensuch— und Nachstinungliedes (19) am Ausgang des Speichergliedes (17) liegt, das an den zweiten Eingang der UND-Schaltung (15) angeschlossen ist, und die letztere mit ihrem Ausgang an den Triggereingang des Impulsformer-Verstärkers (2) und an den Steuereingang der Sperrschaltung (4) geschaltet ist, während der Ausgang der Sperrschaltung (4) am zweiten Eingang des Speichergliedes (17) liegt.

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7. Verbrauchsmesser nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einheit (31) zur Kontrolle der Zuverlässigkeit der Meßergebnisse, deren Eingänge an den Ausgang des Speichergliedes (17) und an den Ausgang des gesteuerten selbsterregten Triggerimpulsgenerators (12) angeschlossen sind und deren Ausgang am Freigabeeingang des Meßblocks (11 ) liegt.

8. Verbrauchsmesser nach Ansprüchen 6, 7, dadurch
gekennze ichnet , daß die Triggerimpulseinheit (10) mit einem Frequenzteiler (36) ausgestattet ist, der
zwischen den Ausgang des gesteuerten selbsterregten Triggerimpulsgenerators (12) und einen gemeinsamen Verbindungspunkt (37) geschaltet ist, in dem der Eingang des Speichergliedes (17), der Eingang des Phasensuch- und Nachstimmgliedes (19) und der Eingang der UND-Schaltung (15) zusammengeschaltet sind.

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