DE2920177A1 - Messgeraet zum bestimmen der laufzeit von ultraschall-signalen - Google Patents

Description

FUJI ELECTRIC CO., LTD Mein Zeichen

Kawasaki / Japan . VPA 73 P 8551 BRD

Ch.o-on.pa Kogyo Co., Ltd.
Japan

Meßgerät zum Bestimmen der Laufzeit von Ultraschall-Signalen ' ; -

Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßgerät mit Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem bekannten Meßgerät dieser Art, wie es in der Figur 1 dargestellt und unten noch näher beschrieben ist, wird eine von der Laufzeit der Ultraschall-Signale und von der Zeitdauer zum Zählen der Ausgangsimpulse des Oszillators auf einen vorgegebenen Viert abhängige Zeitdifferenz erfaßt und die Frequenz des Oszillators durch ein entsprechendes Differenzsignal so gesteuert, daß die Zeitdifferenz Null wird, wobei dann durch die Frequenz des Oszillators die Laufzeit bestimmt ist.

Ein Meßgerät dieser Art kann benutzt werden als Ultraschall-Strömungsmeßgerät oder als Ultraschall-Niveaumeßeinrichtung. Wenn es als Ultraschall-Strömungsmeßgerät benutzt wird, strömt das zu messende Mittel durch eine rohrförmige Anordnung, während bei einer Anwendung als

Kr.3 Hst / 11.05.1979

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Ultraschall-Niveaumeßeinrichtung das Mittel, das gemessen v/erden soll, eine Flüssigkeit ist, die sich in einem Behälter befindet und eine Oberfläche hat, deren Niveau zu bestimmen ist.
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Das bekannte Meßgerät nach Figur 1 enthält einen Oszillator 1, der spannungsgesteuert ist und dessen Frequenz in Abhängigkeit von der Höhe der Steuerspannung veränderbar ist. Das Meßgerät enthält ferner einen synchronisierenden Impulsgenerator 2, dessen Ausgangsimpuls mit jedem Ausgangsimpuls des Oszillators synchronisiert wird. Eine Sendeeinrichtung 3 ist mit einem Wandler 8 verbunden, der auf das Ausgangssignal des synchronisierenden Impulsgenerators 2 Ultraschall-Signale aussendet. Der Wandler 8 setzt ein elektrisches Signal in ein Ultraschall-Signal um. Das Ultraschall-Signal durchläuft das zu messende Mittel und wird dann von einem empfangenden Wandler 9 aufgenommen. Der empfangende Wandler 9 wandelt das Ultraschall-Signal in ein elektrisches Signal um. Die Wandler 8 und 9 sind an Wänden 11 und 12 befestigt. Diese Wände 11 und 12 sind Teil der Wand einer rohrförmigen Strömungsführung in dem Falle, in dem das Meßgerät als Ultraschall-Strömungsmeßgerät benutzt wird, oder bildet die Wand eines Flüssigkeitsbehälters, Tanks oder dgl., wenn es als Ultraschall-Niveaumeßeinrichtung angewendet wird.

In Figur 1 bezeichnet 1 die Entfernung im zu messenden Mittel, durch das das Ultraschall-Signal läuft, und t die Laufzeit für das Ultraschall-Signal über die Entfernung 1. Das Ausgangssignal des empfangenden Wandlers 9 wird zu einem Empfänger 4 geführt, der das Eintreffen des Ultraschall-Signals im empfangenden V/an dl er 9 erfaßt. Der Empfänger k erzeugt ein Trigger-Signal Z beim Auftreten des Ultraschall-Signals, um damit die Zeitdifferenz-Heßeinrichtung 7 zu steuern.

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Mittels eines Zählers 5 werden die Ausgangsimpulse des Oszillators 1 gezählt. Der Zähler 5 beginnt mit der Zählung auf das Ausgangssignal des synchronisierenden Impulsgenerators 2 hin und erzeugt ein Zählende-Signal, wenn die Zählung einen vorbestimmten Viert N erreicht hat. Dem Zähler 5 ist ein Verzögerungsglied 6 nachgeordnet, in dem das Ausgangssignal des Zählers 5 um eine vorgegebene Zeitdauer verzögert wird. Das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 6 ist der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 7 zugeführt. Die Verzögerungszeit Xd des Verzögerungsgliedes 6 ist dabei so festgelegt, daß sie etwa der Summe der Laufzeit des Ultraschall-Signals von Wand 11 zu Wand 12 und der Zeitdauer entspricht, die das elektrische Signal vom Sender 3 zum Empfänger 4 benötigt.

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Die Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 7 ist in ihrem Aufbau bekannt und beispielsweise so ausgeführt, wie es in der japanischen Offenlegungsschrift 101 569/1976 beschrieben ist. Die Steuerspannung des Oszillators 1 und daher auch seine Frequenz ist in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal S der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 7 so verändert, daß dieses Signal S Null wird, d. h., die Zählzeit des Zählers 5 entspricht der Laufzeit des Ultraschall-Signals. Die sich daraus ergebende Frequenz wird durch einen weiteren Zähler 10 erfaßt und repräsentiert die Laufzeit t.

Wird die Frequenz des Oszillators 1 mit f bezeichnet,dann kann die Zeitdauer zum Zählen des Zählers 5 auf den vorgegebenen Wert N durch N/f ausgedrückt werden. Da aufgrund der Rückkopplungsschleife N/f gleich der Zeit des Ultraschall-Signals zum Durchlaufen des zu messenden Mittels ist, ist N/f gleich der Laufzeit t,oder f ist gleich N/t, wenn das System stabil ist, so daß die Frequenz f, die der Laufzeit umgekehrt proportional ist, 1/t, multipliziert mit N erhalten werden kann. Daher kann die Laufzeit t durch Auszählen der Frequenz f bestimmt -werden.

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Das Ultraschall-Signal ist jedoch leicht durch verschiedene Behinderungen in seinem Übertragungspfad beeinflußbar, so daß eine Überwachung erforderlich ist, ob die Übertragung unter normalen Bedingungen erfolgt. Bisher hat man dazu eine Signal-Überwachungsschaltung (siehe japanische Offenlegungsschrift 101 568/1976) oder einen Schaltungskreis zur Eliminierunc anormaler V/erte benutzt. Die Signal-Überwachungsschaltung überprüft, ob ein Spitzenwert des empfangenen Signals innerhalb eines bestimmten Spannungsbereichs liegt. Dies führt jedoch zu einer Fehlbeurteilung, d. h., zu einem fehlerhaften Erfassen des Auftretens eines Ultraschall-Signals, wenn die empfangene Wellenform verzerrt ist, beispielsweise durch Absorption infolge von Blasen im zu messenden Mittel. Auf der anderen Seite eliminiert der Schaltungskreis zur Eliminierung anormaler Werte einen Endausgangswert (z. B. den Durchschnittswert über eine Zeit von 5s) als einen Anormalwert, wenn der Endausgangswert sich merklich vom vorangehenden Ausgangswert, beispielsweise einem Durchschnittswert über eine Zeit von 5 s, die den letzten 5 s vorausgegangen ist, unterscheidet und der vorangegangene V/ert erhalten bleibt. Dies hat den Nachteil einer Verzögerung und schafft die Möglichkeit, daß eine plötzliche Änderung aufgrund einer plötzlichen Änderung der St römungsgeschwindigkeit oder des Niveaus als eine anormale Situation falsch erkannt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät zum Bestimmen der Laufzeit von Ultraschall-Signalen vorzuschlagen, bei dem Anormalitäten im Übertragungsweg schnell erkannt und somit Meßwerte ohne Fehlbeurteilung und ohne Fehlbewertung erfaßt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Meßgerät zum Bestimmen der Laufzeit von Ultraschall-Signalen entsprechend den

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kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgeführt.

V/eitere Erläuterungen der Erfindung erfolgen anhand der Figuren 2 bis 8, von denen

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Meßgerätes,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Übertragungs-Überwachungsanordnung des erfindungsgemäßen Meßgerätes nach Fig. 2,

Fig. 4 Diagramme über den Verlauf der Signale an verschiedenen Schaltungspunkten des erfindungsgemäßen Meßgerätes nach Fig. 2,
Fig. 5 weitere Diagramme über Signalverläufe bei anormaler Übertragung des Ultraschall-Signals, Fig. 6 zusätzlich Diagramme von Signalverlaufen bei ebenfalls anormaler Übertragung des Ultraschall-Signals, Fig. 7 eine v/eitere Ausführungsform der Übertragungs-Überwachungseinrichtung und

Fig. 8 Kurvenverläufe der Ausgangssignale bei Anwendung der Übertragungs-Überwachungsanordnung nach Fig. 7 im Rahmen des Meßgerätes nach Fig. 2 wiedergibt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind Schaltungsteile, die mit denen nach Fig. 1 übereinstimmen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist in Abweichung von dem bekannten Meßgerät nach Fig. 1 zusätzlich mit einer Übertragungs-Überwachungsanordnung 13 versehen, die monostabile Kippstufen 14 und 15, ein UND-Glied 16 und ein D-Flip-Flop 17 enthält, wie dies aus Fig. 3 hervorgeht. Dabei bilden die monostabilen Kippstufen 14 und 15 zusammen mit dem UND-Glied 16 eine Impuls-Erzeugereinrichtung, während das D-Flip-Flop 17 eine Vergleichsanordnung darstellt. Die monostabile Kippstufe 14 ist so bemessen, daß ihr Ausgangsimpuls eine

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Länge ti aufweist, die etwas langer als die Verzögerungszeit "fd des Verzögerungsgliedes 6 ist, wobei der Längenunterschied mit S bezeichnet ist; die andere monostabile Kippstufe 15 dagegen ist so ausgelegt, dai3 ihr Ausgangssignal eine Länge t2 aufweist, die etwas kurzer als die Verzögerungszeit Cd ist, und zwar wiederum um die Zeit S. Es ist daher

t 1 = Td + S
t 2 = X d - S

Die mono.stabile Kippstufe 14 erzeugt ein Ausgangssignal Q1 an ihrem Set-Ausgang Q, während die andere monostabile Kippstufe 15 ihr Ausgangssignal G2 an ihrem Reset-Ausgang C abgibt. Beide Ausgangssignale Q1 und Q2 sind dem UND-Glied 16 zugeführt, das an seinem Ausgang das Signal M mit einer Länge 2S abgibt. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei der vorliegenden Erfindung das Ausgangssignal ¥ des Zählers 5 gemäß Fig. 2 ein vorläufiges Ende bestimmt, um ein Impulssignal zu erzeugen, das nach einer vorgegebenen Zeit t2 auftritt und eine Länge 2S aufweist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 arbeitet in folgender Weise:
Nach den Diagrammen gemäß Fig. 4, die den Fall einer normalen Übertragung des Ultraschall-Signals darstellen, d. h., bei dem die Zählzeit N/f des Zählers 5 im wesentlichen der Laufzeit t des Ultraschall-Signals entspricht, liegt der Zeitpunkt des Beginns des Ausgangssignals Z des Empfängers 4 (dieser Zeitpunkt liegt um die Zeit t + T* nach dem Auftreten des Ausgangssignals K des synchronisierenden Impulsgenerators 2') innerhalb des Bereichs von - S vom Zeitpunkt des Auftretens des Ausgangssignals V des Verzögerungsgliedes 6, wobei dieser Zeitpunkt nach einer Zeit Ii/f + T'd nach dem Beginn des Ausgangssignals K des synchronisierenden Impulsgenerators 2 liegt.

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Die Figuren 5 und 6 zeigen in entsprechenden Diagrammen Signalverlaufe für den Fall, daß die übertragung des Ultraschall-Signals anormal verläuft, wobei dann der Augenblick des Beginns des Ausgangssignals Z des Empfängers 4 außerhalb des Bereichs - S vom Zeitpunkt des Beginns des Ausgangssignals V des Verzögerungsgliedes 6 liegt. Die Zeitdauer S kann bei diesem Ausführungsbeispiel etv/a 0,04 Us betragen.

Wie Fig. 4 im einzelnen erkennen läßt, beginnt der Zähler 5 mit dem Zählen, wenn das Ausgangssignal K des synchronisierenden Impulsgenerators 2 auftritt; es werden die Ausgangsimpulse des Oszillators der Frequenz f gezählt, während der sendende Wandler 8 das Ultraschall-Signal aussendet. Nach einer Zeitdauer N/f erzeugt der Zähler 5 sein Ausgangssignal, das ist das Zählende-Signal W, woraufhin die monostabile Kippstufe ihr Ausgangssignal Q1 mit einer Impulslänge ti und die monostabile Kippstufe ihr Ausgangssignal Q2 mit einer Impulslänge t2 erzeugt.

Infolgedessen entsteht am Ausgang des UND-Gliedes 16 ein Impulssignal M mit einer Länge 2S, das dem D-Eingang des Flip-Flop 17 zugeführt wird. Wenn der Empfänger 4 sein Ausgangssignal Z erzeugt zu einem Zeitpunkt, zu dem am Ausgang des UND-Gliedes 16 das Signal M ansteht, erzeugt das Flip-Flop 17 sein Ausgangssignal F. Dieses Ausgangssignal kann Meldeeinrichtungen steuern, wie eine Schnarre oder eine Lampe, die nicht gezeigt sind, um eine normale Übertragung des Ultraschall-Signals zu kennzeichnen. Die Meldung zeigt also an, daß der Augenblick t +'Cdes Beginns des Ausgangssignals Z des Empfängers 4 innerhalb eines Bereiches - S vom Augenblick N/f + £d des Auftretens des Ausgangssignals V des Verzögerungsgliedes 6 liegt.Λ T bezeichnet eine Differenz zwischen der Zählzeit N/f des Zählers 5 und der Laufzeit t des Ultraschall-Signals. Die Verzögerungszeit Td ist so gewählt, daß sie T+ 2w. s entspricht.

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ORIGINAL INSPECTED

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Aus Fig. 5 geht hervor, daß die Erfassung des Eintreffens des Ultraschall-Signals gegenüber dem richtigen Zeitpunkt gemäß Fig. 4 verschoben ist, so daß ein anormal langes Zeitintervall für die Messung gebildet ist. In diesem Fall wird, da der Zeitpunkt des Beginns des Ausgangssignals Z des Empfängers 4 mehr als un die Zeitdauer von 2S von dem Zeitpunkt der Erzeugung des Ausgangssignals M des UND-Gliedes 16 entfernt liegt, das Ausgangssignal F des D-Flip-Flop 17 "0". Dieses Verschwinden des Ausgangssignals F zeigt an, daß die übertragung des Ultraschall-Signals anormal verlaufen ist.

In Fig. 6 ist verdeutlicht, daß der Zeitpunkt der Erfassung des Eintreffens des Ultraschall-Signals gegenüber dem richtigen Zeitpunkt nach Fig. 4 so verschoben ist, daß ein anormal kurzes Meßintervall gebildet ist. In diesem Fall wird, da der Zeitpunkt des Beginns des Ausgangssignals Z des Empfängers 4 um mehr als die Zeitdauer von ZS gegenüber dem Auftreten des Ausgangssignals M des UND-Gliedes 16 verschoben ist, ähnlich wie im Falle der Fig. 5 das Ausgangssignal F des D-Flip-Flop 17 "0". Obgleich das Signal F in diesem Fall nach einem sofortigen Verschwinden wiederum den logischen Wert "1" für eine Zeitdauer von 2S annimmt, ist dies jedoch eine vernachlässigbar kurze Zeit, so daß eine Bedienungsperson diese nicht feststellen kann, sondern nur zur Kenntnis nimmt, daß das Signal F verschwunden ist.

Die Frage der Länge bzw. der Größe der Zeitdifferenz ΔΤ = t - N/f zwischen der Laufzeit t des Ultraschall-Signals und der Zählzeit K/f des Zählers ist von Bedeutung für die Meßgenauigkeit im Hinblick auf die Ermittlung, ob die Übertragung des Ultraschall-Signals normal oder anormal ist. Nimmt man an, daß die Meßgenauigkeit für die Erfassung der Laufzeit des Ultraschall-Signals

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beispielsweise - 1 ju.s betragen soll, dann muß die Zeitdauer S nach FIg. 4 auf 1 )Xs festgesetzt werden. Dann kann gemäß der Erfindung aufgrund einer derartigen Steuerung der Oszillator-Frequenz, daß die Zählzeit N/f gleich der Laufzeit t ist, mit dem Meßgerät nach Fig. 2 erreicht werden, daß die Zeitdifferenz t - N/f innerhalb des Bereiches von - 1 ju.s liegt, was mit der-geforderten Genauigkeit übereinstimmt. Das Ergebnis zeigt mit dieser Genauigkeit, daß die Übertragung eines Ultraschall-Signals normal oder anormal verläuft.

Wie oben bereits erwähnt, kann bei dem erfindungsgemäßen Meßgerät die Erfassung einer Fehlausv/ertung stattfinden, wenn der Augenblick des Beginns des Ausgangssignals Z des Empfängers 4 mehr als um die Zeit 2S gegenüber dem Auftre ten des Ausgangssignals M des UND-Gliedes 16 verschoben ist. Falls sich eine plötzliche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit oder des Niveaus ereignet, d. h. eine Änderung der Laufzeit des Ultraschall-Signals eintritt, dann kann es geschehen, daß die Schaltungsbausteine des erfindungsgemäßen Meßgerätes diesem Wechsel nicht folgen können, aber der Zeitpunkt des Auftretens des Ausgangssignals des Empfängers außerhalb der Dauer des Ausgangssignals des UND-Gliedes liegt, so daß die Übertragungsbedingungen für das Ultraschall-Signal als anormal erkannt werden. Danach jedoch fällt aufgrund von Wiederholungsmessungen mit dem Wiederhersteilen des stabilen Zustandes der Augenblick des Auftretens des Ausgangssignals des Empfängers wieder in die Zeit des Bestehens des Ausgangssignals des UND-Gliedes, so daß die Übertragungsbedingungen für das Ultraschall-Signal wieder als normal erfaßt werden. Falls ferner die Wandler 8 oder 9 unregelmäßig arbeiten,- also beispielsweise nicht senden oder nicht empfangen, kann durch das Ausbleiben des Ausgangssignals des Empfängers auch dieses fehlerhafte Arbeiten angezeigt

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fi VPA 78 P 8551 BRD werden.

In Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Übertragungs-Überwachungsanordnung im Rahmen des erfindungsgemäßen Meßgerätes dargestellt. Hier besteht die Impuls-Erzeugereinrichtung aus einer monostabilen Kippstufe 18, die mit ihrem Eingang an den Ausgang des Zählers 5 angeschlossen ist und somit mit dem Ausgangssignal ¥ des Zählers 5 beaufschlagt ist. Die nonostabile Kippstufe 18 erzeugt am Set-Ausgang Q ein Ausgangssignal Q3 mit einer Länge t. Der monostabilen Kippstufe 18 ist eine weitere monostabile Kippstufe 19 nachgeordnet, die ein Ausgangssignal Q4 mit einer Impulslänge 2S an ihrem Set-Ausgang erzeugt. Die monostabile Kippstufe 18 gibt hier das Set -Signal Q3 ab, während bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 von der entsprechenden monostabilen Kippstufe das Reset-Signal Q2 erzeugt wird.

Fig. 8 zeigt die Signalverlaufe an den verschiedenen Schaltungspunkten einen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Meßgerätes nach Fig. 3 mit einer Übertragungs-Überwachungsanordnung nach Fig. 7 und läßt ähnliche Verhältnisse erkennen, wie sie im Zusammenhang mit der Fig. 4 bereits erläutert worden sind.

5 Ansprüche
8 Figuren

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Claims (5)

Patentansprüche Unser Zeichen VPA 78 P 8551 BRD

1. Meßgerät zum Bestimmen der Laufzeit von Ultraschall-Signalen mit
a) einem Oszillator, der

al) hinsichtlich seiner Frequenz veränderbar ist, mit b) einem Zähler, der

b1) dem Oszillator nachgeordnet ist und

b2) die Ausgangsimpulse des Oszillators jeweils bis zu einem vorgegebenen Wert zählt, und mit

c) einer Zeitdifferenz-Meßeinrichtung, die

d) ein von der Laufzeit und von der Zeitdauer zum Zählen der Ausgangsimpulse des Oszillators auf den vorgegebenen Wert abhängiges Differenzsignal an ihrem Ausgang erzeugt und

c2) mit ihrem Ausgang mit dem Oszillator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß

d) eine Übertragungs-Überwachungseinrichtung (13) vorhanden ist, daß

e) die Ubertragungs-Überwachungseinrichtung (13) eine Impuls-Erzeugereinrichtung (14, 15, 16) enthält, die

el ) an den Ausgang des Zählers (5) angeschlossen ist und

e2) nach einer vorgegebenen Zeitdauer (t2) nach Erreichen des vorgegebenen Wertes (N) einen Ausgangsimpuls (M) mit einer vorbestimmten Länge (25) abgibt, und daß

f) in der Übertragungs-überwachungsanordnung (13) der Impuls-Erzeugereinrichtung (14, 15, 16) eine Vergleichsanordnung (17) nachgeordnet ist, die

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f1) auch mit einem nach der Laufzeit (t) aus dem jeweiligen Ultraschall-Signal abgeleiteten elektrischen Signal (Z) beaufschlagt ist und

f2) ein Ausgangssignal (F) erzeugt, wenn das elektrisehe Signal während des Ausgangsimpulses (M) der Inipuls-Erzeugereinrichtung (14, 15, 16) auftritt.

2. Meßgerät nach Anspruch 1 mit einem Verzögerungsglied zwischen Zähler und Zeitdifferenz-Meßeinrichtung, d a durch gekennzeichnet, daß

g) die vorgegebene Zeitdauer (t2) um eine vorbestimmte Zeitspanne (S) kürzer als die Verzögerungszeit (,Td) des Verzögerungsgliedes (6) ist.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

h) die Impuls-Erzeugereinrichtung aus zwei an den Ausgang des Zählers (5) angeschlossenen monostabilen Kippstufen (14, 15) und einem diesen nachgeordneten UND-Glied

(16) besteht.

4. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

j) die Impuls-Erzeugereinrichtung aus zwei hintereinander angeordneten monostabilen Kippstufen (18, 19) besteht.

5. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche,_ dadurch gekennzeichnet, daß

k) die Vergleichsanordnung aus einem D-Flip-Flop (17) besteht, deren

k1) einer Eingang (D) mit dem Ausgang der Impuls-Erzeugereinrichtung (14, 15, 16) und deren

k2) anderer Eingang (T) mit dem aus dem jeweiligen Ultraschall-Signal abgeleiteten elektrischen Signal (Z) beaufschlagt ist.

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