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Ultraschall-StrömunsmeßRerät
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Es ist bekannt, mit einem Ultraschall-Strömungsmeßgerät die Geschwindigkeit
einer Strömung in einem Rohr zu ermitteln. Fig. 1 zeigt ein solches bekanntes Meßgerät.
Um die Geschwindigkeit V einer Strömung 2 in einem Rohr 1 zu messen, sind dort einander
gegen-Uber zwei akustische Wandler 3 und 4 angeordnet. Diese akustischen Wandler
setzen ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal um und umgekehrt. Wenn
der Wandler 3 als ein akustischer Impuls-Sender dient, dann arbeitet der andere
Wandler 4 als Impuls-Empfänger.
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Wenn der letztere Wandler 4 als Sender betrieben wird, dann arbeitet
der andere Wandler 3 als Impuls-Empfänger.
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Die Zeit, die ein akustischer Impuls vom Wandler 3 zum Wandler 4 in
Richtung des Pfeiles A benötigt, unterscheidet sich von der Zeit, die ein akustischer
Impuls zum Zurücklegen der Strecke zwischen dem Wandler 4 und dem Wandler 3 in Richtung
des Pfeiles B braucht, was auf die Geschwindigkeit V der Strömung 2 zurückzuführen
ist.
Die Differenz zwischen den beiden Laufzeiten ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
V. Es sind Verfahren bekannt, um die Differenz der Laufzeiten zu erfassen (japanische
Gebrauchsmuster-Auslegeschrift 25 837/1969 und "Fuji Electric Journal", Vol. 48,
No. 2, Seiten 27 bis 38).
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Bei einem bekannten, nach Art eines Rückkopplungskreises aufgebauten
Strömungsmeßgerätes ist ein elektrischer Impulserzeuger vorhanden, der den einen
oder den anderen akustischen Wandler 3 oder 4 mit elektrischen Impulsen beaufschlagt,
um akustische Impulse anzuregen. Das bekanne Strömungsmeßgerät enthält ferner einen
astabilen Multivibrator, der entweder mit dem empfangenden akustischen Wandler 4
oder 3 verbunden ist und seinerseits den Impulserzeuger steuert, wenn ein akustisches
Signal empfangen worden ist. Der Impulserzeuger, die sendenden und empfangenden
akustischen Wandler und der astabile MultiMbrator bilden demzufolge eine geschlossene
Schleife, die eine Art Oszillator darstellt. Die elektrischen und akustischen Impulse
laufen in der geschlossenen Schleife um, so daß eine Impulsfolge entsteht, die eine
bestimmte Periodendauer aufweist. Diese Periodendauer ist im wesentlichen der Laufzeit
des akustischen Impulses vom sendenden akustischen Wandler 3 oder 4 zum empfangenden
akustischen Wandler4 oder 3 gleich. Die Laufzeit der akustischen Impulse zwischen
ihnen kann daher durch Auszählen der Impulse der oben erwähnten Impulsfolge ermittelt
werden, um so ihre Frequenz zu ermitteln, die ihrerseits der Periodendauer umgekehrt
proportional ist. Die Frequenz der Anordnung ist daher ein Maß für die Laufzeit.
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Um beide akustischen Wandler sowohl als Sender wie auch als Empfänger
benutzen zu können, wird eine Schalteinrichtung verwendet, so daß dann die Laufzeiten
in beiden Richtungen, d. h. in Strömungsrichtung und entgegengesetzt dazu ermittelt
werden können.
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Da ein Erzeugen der Impulsfolge mit einer Periodendauer, die annähernd
so lang wie die Laufzeit des akustischen Signals ist, und dann ein Auszählen deinzahl
der Impulse vorgenommen werden muß, benötigt ein solches Strömungsmeßgerät eine
verhältnismäßig lange Meßzeit und einige lange Perioden zum Umschalten der akustischen
Wandler vom Sende- auf Empfangsbetrieb und umgekehrt.
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Es ist daher bereits bekannt, ein Strömungsmeßgerät in sog.
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TLL (Time-Locked-Loop)- Technik auszuführen, wie es beispielsweise
auf Seite 31 des oben bereits angegebenen "Fuji Electric Journal" beschrieben ist.
Bei einem Strömungsmeßgerät dieser Art kann das Umschalten der Wandler vom Sende-
auf Empfangsbetrieb in einer kurzen Periode erfolgen, die nur etwas länger als die
Laufzeit des akustischen Signals ist, so daß beide Messungen der Laufzeiten mit
und entgegen der Strömungsrichtung abwechselnd in dieser kurzen Zeitdauer durchgeführt
werden können.
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Bei beiden bekannten Arten von Ultraschall-Strömungsmeßgeräten ergeben
sich für den Fall Probleme mit der Einhaltung des Meßfehlers, indem die Strömung
eine Komponente enthält, die nicht parallel zur Mittenachse des die Strömung führenden
Rohres ist; beispielsweise kann der Vektor der Strömungsrichtung so verlaufen, wie
es durch den Pfeil V' in Fig. 1 darge-
stellt ist. Eine derartige
Strömungsrichtung kann sich in Rohrabschnitten einstellen, die nach einer Umlenkung
des Rohres liegen , und verursacht einen Meßfehler bei der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit.
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Aus diesem Grunde hat man ein Strömungsmeßgerät so konzipiert, wie
es in Fig. 2 dargestellt ist. Hier sind beide akustischen Wandler 3 und 4 auf derselben
Seite eines Rohres 1 angebracht, so daf3 die Ausbreitung des akustischen Signals
mitfleflexion des Signals an der den akustischen Wandlern gegenüberliegenden Seite
erfolgt; die Laufzeit des Impulses wird auch hier gemessen. Die Einflüsse der geneigten
Strömung V' auf den Wegen C und D heben sich gegeneinander auf, wodurch ein Meßfehler
vermieden wird. Ein derartiges Meßgerät ist in der japanischen Patent-Auslegeschrift
25 750/1976 beschrieben,Aber häufig ist dieses Strömungsmeßgerät unzureichend, weil
es passieren kann, daß sich der Vektor der Strömung V' meanderförmig oder spiralförmig
verändert, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.
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Deshalb hat man zwei Paare akustischer Wandler 11 bis 14 eingesetzt,
wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Hier erfolgt die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit
unter Anwendung der Technik, die eingangs beschrieben ist und mit einem auf einen
Impuls erzeuger rückgekoppelten astabilen Multivibrator arbeitet.Es sendet demzufolge
zuerst der akustische Wandler 11 ein akustisches Signal zum Wandler 12. Es wird
eine Frequenz fA gebildet, die der Laufzeit proportional ist. Danach sendet der
Wandler 13 einen akustischen Impuls zum Wandler 14, und es wird eine weitere Frequenz
B entsprechend der Laufzeit dieses Impulses erzeugt. Daraus wird eine
Frequenz
fA + fig)/2 als die tatsächliche Frequenz erzeugt, die der Laufzeit des akustischen
Impulses in der Strömung V entspricht. Dieser Wert f1 wird als im wesentlichen frei
von Einflüssen einer geneigten Strömung V' angesehen, da diese Strömung V' beide
Wege der akustischen Impulse zwischen den Wandlern 11 und 12 sowie 13 und 14 in
im wesentlichen ähnlicher Lage kreuzt. Danach findet ein Wechsel der Funktionen
der Wandler von Sende- auf Empfangsbetrieb statt. Infolgedessen wird eine dritte
Frequenz fc gebildet, wenn ein akustischer Impuls vom Wandler 12 zum Wandler 11
gesendet wird, und eine vierte Frequenz fD gewonnen, wenn ein akustischer Impuls
vom Wandler 14 zum gegenüberliegenden 13 geschickt wird. Eine Frequenz f2 = (fC
+ fD)/2 bildet dann eine mittlere Frequenz für den Fall, daß die akustischen Signale
entgegen der Strömung V gesandt sind. Es können auf diese Weise Laufzeiten gewonnen
werden, die unbeeinflut von Wirkungen einer geneigtenStrömung V' sind, so daß die
Strömungsgeschwindigkeit aus den Frequenzen f1 und f2 ermittelt werden kann, die
diesen Laufzeiten entsprechen.
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Dieses Verfahren erfordert jedoch eine ziemlich lange Meßzeit, wie
oben schon erwähnt worden ist. Die Meßzeit zur Feststellung der Frequenzen £A bis
fD kann einige Sekunden betragen. Falls sich während dieser Zeit Veränderungen in
der Art des Strömungsvektors V' einstellen, heben sich die Einflüsse auf das Meßergebnis
nicht mehr auf. Eine Erklärung dafür wird im Zusammenhang mit Fig. 5 gegeben, die
schematisch die einzelnen Meßschritte bei einem Strömungsmeßgerät nach Fig. 4 wiedergibt
und in der die einzelnen Meßschritte veranschaulicht sind. Wenn die Frequenzen f
und ermittelt sind, wird der Durchschnittswert f1 dieser
Impulse
gebildet, Danach wird nach Ermittlung der Frequenzen c und fD der Durchschnittswert
f2 aus diesen beiden Werten gebildet, so daß damit die Laufzeiten der akustischen
Impulse in Strömungsrichtung und entgegengesetzt dazu erfaßt sind. Danach wird die
Frequenzdifferenz f = f - und somit auch die Differenz der Laufzeiten mit und entgegen
der Strömungsrichtung V erfaßt, um die Strömungsgeschwindigkeit aiermitteln.Nimmt
man an, daß mehrere Sekunden zur Messung jeder der Frequenzen £A bis fD erforderlich
ist, dann ergibt sich eine vollständige Meßzeit von 5 bis 10 s oder mehr zur Gewinnung
der Frequenzdifferenz f. Falls sich die Art der Neigung der Strömung V' in dieser
Zeit ändert, tritt bei Anwendung des eben beschriebenen Meßverfahrens nicht nur
eine Kompensation des Einflusses der geneigten Strömung nicht auf, sondern es wird
womöglichbogar der Meßfehler noch vergrößert.
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Die Erfindung geht von einem Ultraschall-Strömungsmeßgerät gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aus und setzt sich die Aufgabe, die Nachteile
der bekannten Strömungsmeßgeräte zu vermeiden, um ein Ultraschall-Strömungsmeßgerät
zu erhalten, das eine genaue Messung der Strömungsgeschwindigkeit auch in dem Falle
gewährleistet, in dem die Strömung eine geneigte Komponente enthält, die sich mit
der Zeit und bezüglich ihrer Lage verändert.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Ultraschall-Strömungsmeßgerät erfindungsgemäß
dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 entsprechend ausgeführt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen
2 bis 4.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform zur Lösung der oben angegebenen
Aufgabe ist gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 5 ausgeführt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Ultraschall-Strömungsmeßgerätes ergeben sich aus den Ansprüchen 6 bis 11.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind in Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Ultraschall-Strömungsmeßgerates, in Fig. 7 die Funktionsweise
anhand von mehreren Disgrammen, in Fig. 8 ein Teil der synchronisierenden Schaltungsmittel,
wie sie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 Verwendung finden können, in Fig.
9 die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 6 mit Schaltungsmitteln nach
Fig. 8 anhand von mehreren Diagrammen, in Fig. 10 ein Rohr mit einer Anordnung von
akustischen Wandlern, in Fig. 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Ultraschall-Meßgerätes und in Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel für die Schaltungsmittel
zur unterschiedlichen Steuerung der Wechselperiode gezeigt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind akustische Wandler 21
bis 24 ähnlich dem bekannten Aufbau angeordnet, wie er in Fig. 4 gezeigt ist; jedoch
wird hier
von der TLL-Technik Gebrauch gemacnt. Denventsprechend
sind Laufzeit-Meßeinric:ntungen 25 und 26 so ausgebildet, daß die von ihnen gesteuerten
akustischen Wandler abwechselnd in Strömungsrichtung und entgegengesetzt dazu mit
einer kurzen Wechselperiode in der Größenordnung der Laufzeit eines akustischen
Impulses senden.
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Die beiden Laufzeit-Meßeinrichtungen 25 und 26 sind in ihren Funktionen
identisch, so daß im folgenden nur die Laufzeit-Meßeinrichtung 25 näher beschrieben
wird.
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Zuerst wird ein elektrischer Impuls von einer Klemme 27 der Laufzeit-Meßeinrichtung
25 abgegeben. Dieser Impuls wird von dem akustischen Wandler 21 in einen akustischen
Impuls umgesetzt, der die Flüssigkeit 2 mit einer Strömungsgeschwindigkeit V in
Richtung der Strömung durchläuft, um den akustischen Wandler 22 zu erreichen. Dort
wird er wieder in ein elektrisches Signal umgesetzt und der Klemme 28 der Laufzeit-Meßeinrichtung
25 zugeführt. Die Klemme 28 nimmt diesen elektrischen Impuls daher nach einem Zeitintervall
auf, das etwa der Laufzeit des akustischen Impulses vom Wandler 21 zum Wandler 22
entspricht, nachdem über die Klemme 27 dieser elektrische Impuls ausgesandtwoaden
Ist.
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Wenn eine Meßperiode für die Laufzeit eines akustischen Impulses vom
Wandler¢1 zum Wandler 22 in Richtung der Strömung beendet ist, dann wird umgekehrt
die die Klemme 28 ein . elektrischer Impuls ausgesondert, auf dem hin ein akustischer
Impuls vom Nrandler¢2 zum Wandle«21 entgegen der Richtung der Strömung des Fluids
22 läuft. Dieser akustische Impuls wird vom Wandler 21 aufgenommen und wieder in
einen elektrischen Impuls umgesetzt, der dann der Klemme 27 der Laufzeit-Heßeinrichtung
25 zugeführt wird. Damit ist eine Meßperiode für die Laufzeit eines akustischen
Impulses entgegen der Strömungsrichtung
beendet.
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Die Meßperioden für die Laufzeiten von Impulsen mit und entgegen der
Strömungsrichtung wechseln einander in einer kurzen Wechselperiode ab. In jeder
Meßperiode erzeugt die Laufzeit-Meßeinrichtung 25 eine Spannung VA, die der Differenz
zwischen dan Laufzeiten der akustischen Impulse in Strömungsrichtung, das ist die
Dauer der Laufzeit des Impulses vom Wandler 21 zum Wandler 22, und der Laufzeit
entgegengesetzt dazu, das ist die Dauer der Laufzeit des Impuls es in umgekehrter
Richtung, entspricht. Diese Spannung VA wird am Ausgang 29 der Laufzeit-Meßeinrichtung
25 erzeugt und stellt eine Größe zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit dar,
die abhängig von den akustischen Impulsen zwischen den Wandlern 21 und 22 ist.
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In der TLL-Technik findet der Wechsel in der Laufrichtung der akustischen
Impulse mit Strömungsrichtung und entgegengesetzt dazu in einer kurzen Meßperiode
statt, die im wesentlichen der Laufzeit der akustischen Impulse zwischen den Paaren
akustischer Wandler entspricht. Die Meßperiode wird üblicherweise durch Auszählen
einer bestimmten Anzahl von Impulsen eines Taktgenerators festgelegt.
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Ein Ausführungsbeispiel dafür ist in Fig. 7 mittels der Diagramme
A bis D gezeigt. Das Diagramm A zeigt die Impulse des Taktgenerators. Ein Steuersignal
zum Umschalten der akustischen Wendler von Sendeauf Empfangsbetrieb ist im Diagramm
B wiedergegeben.
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Dieses Steuersignal tritt zu einem Zeitpunkt auf, der durch Auszählen
der Impulse des Taktgenerators bestimmt istsund dient dazu, die Arbeitsweise der
akustischen
Wandler 21 und 22 vom Sende- auf Empfangsbetrieb und umgekehrt zu verändern; dies
bedeutet eine Änderung der Funktion der Klemmen 27 und 28 von Ausgang auf Eingang
und umgekehrt. Während der Zeit T1 nach Diagramm B der Fig. 1 sendet beispielsweise
die Klemme 27 einen elektrischen Impuls m7 aus, wie dies im Diagramm C der Fig.
7 gezeigt ist. Auf diesen Impuls ml empfängt die andere Klemme 28 nach Ubertragung
vom Wandler 21 auf den Wandler 22 einen Impuls nl, wie dies im Diagramm D der Fig.
7 veranschaulicht ist. Wenn die Zeit T1 durch das Umschaltsignal beendet ist, wird
der Aus- und Eingang vertauscht. Dann wird über die Klemme 28 ein elektrischer Impuls
m2 ausgesendet, der nach Übertragung vom Wandler 22 auf den Wandler 21 einen elektrischen
Impuls n2 an der Klemme 27 hervorruft. Dies geschieht während der Zeit T2. Nach
der Zeit T2 beginnt wieder die Zeit T1.
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In diesem Beispiel erfolgt die Messung der Laufzeit in Strömungsrichtung
während der Zeit T7, während die Messung entgegengesetzt dazu während der Zeit T2
vorgenommen wird; jede der Zeiten T1 und T2 entspricht einer Zeitdauer von acht
Impulsen des Taktgenerators. Der tatsächliche Meßablauf kann einige Unterschiede
zu dem in Fig. 7 Dargestellten aufweisen, da gemäß der Erfindung zwei Laufzeit-Meßeinrichtungen
25 und 26 vorgesehen sind. Darauf wird später noch näher eingegangen.
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Die Funktionsweise der Laufzeit-Meßeinrichtung 26 ist ähnlich der
Einrichtung 25. Die Laufzeit-Meßeinrichtung 26 ist mit ihren Eingangs- bzw. Ausgangsklemmen
31 und 32 mit akustischen Wandlern 23 und 24 verbunden und weist eine Ausgangsklemme
33 auf, um eine der Laufzeit proportionale Ausgangsspannung abzugeben.
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Im Betrieb ermitteltaie Laufzeit-Meßeinrichtung 25 des Meßgerätes
nach Fig. 6 eine Differenz zwischen den Laufzeiten der akustischen Signale in Richtung
der Strömung und entgegengesetzt dazu auf der Strecke zwischen den Wandlern 21 und
22; dieser Differenz entspricht eine Spannung VA, die am Ausgang 29 auftritt, wie
oben erwähnt wurde. Etwa zur selben Zeit erfaBt die andere Laufzeit-Meßeinrichtung
26 eine Differenz zwischen den Laufzeiten der akustischen Impulse mit und entgegen
der Strömungsrichtung auf dem Pfad zwischen den Wandlern 23 und 24 in Form einer
Spannung V3, die an ihrem Ausgang 33 auftritt. Die Spannungen VA und V3 werden einer
Einrichtungzar Bildung des Durchschnittswertes 34 zugeführt, wie den Wert (VA +
Veb)/2 als das rechnerische Ergebnis der Strömungsgeschwindigkeit ermittelt. Dieses
Ergebnis ist von zwei Operanden abhängig, die über entsprechende Laufwege der akustischen
Impulse gewonnen sind, so daß es die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit frei
von Fehlern wiedergibt, die unter dem Einfluß einer Neigung der Strömung auftreten
können, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert worden ist. Mittels etwa gleichzeitiger
Messung des Durchlaufes akustischer Impulse zwischen den Wandlern 21 und 22 sowie
den anderen Wandlern 23 und 24 kann erfindungsgemäß der Einfluß von Strömungsneigungen
sogar in dem Falle eliminiert werden, indem sich ihre Art mit der Zeit verändert.
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Der Meßvorgang zwischen den Wandlern 21 und 22 findet in der Meßzeit
T1 für Impulse in Strömungsrichtung und in der Meßzeit T2 für Impulse statt, die
entgegen der Strömungsrichtung laufen. In ähnlicher Weise erfolgt eine Messung zwischen
den Wandlern 23 und 24 während
der Zeitdauer T1' in Strömungsrichtung;
während der Meßzeit T2' wird die Erfassung von Impulsen entgegen der Strömungsrichtung
vorgenommen.
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Es entsprechen sich also T1 und T12 sowie T2 und T2'.
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Wenn daher keine Steuerung der Augenblicke des Beginns der Meßzeiten
erfolgt, können folgende Nachteile auftreten: 1. Falls eine Erzeugung eines elektrischen
Impulses durch eine der Laufzeit-Meßeinrichtungen (beispielsweise durch die Meßeinrichtung
25) zeitlich zusammenfällt mit dem Empfang eines elektrischen Impulses von einem
der anderen Laufzeit-Meßeinrichtungen 26 zugeordneten Wandler, kann der elektrische
Impuls Jener ersten Einrichtung zu einer StBrung des elektrischen Impulses der anderen
Meßeinrichtung führen; 2. Falls ein akustischer Impuls, der von einem mit einer
der beiden Laufzeit-Meßeinrichtungen verbundenen Wandler erzeugt ist, einen mit
der anderen Laufzeit-MeBeinrichtung verbundenen Wandler gleichzeitig mit dem ordnungsgemäusen
akustischen Empfangsimpuls erreicht, kann dieser Impuls eine akustische Störung
bezüglich des ordnungsgemäß empfangenden Impulses hervorrufen.
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Um die Nachteile (1) und (2) zu vermeiden, ist es vorteilhaft, daß
die elektrischen Impulse der Laufzeit-Meßeinrichtungen 25 und 26 an die entsprechenden
Wandler in einer richtigen zeitlichen Beziehungai einander abgegeben werden. Deshalb
wird bei dem Strömungsmeßgerät ein Synchronisierungssignal von einen Synchronisierausgang
41 der Laufzeit-Meßeinrichtung 25 an einen Synchronisiereingang 42 der Laufzeit-Meßeinrichtung
26
abgegeben, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist.
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Die Laufzeit-Meßeinrichtungen 25 und 26 sind mit Zeit bestimmenden
Schaltungsmitteln versehen, um die Meßzeiten T1 und T2 festzulegen. Ein Beispiel
fUr eine Ausführung dieser Schaltungsmittel ist aus Fig. 8 entnehmbar. Ähnlich wie
bei der üblichen TLL-Technik ist auch hier Jede Zeitdauer T1 und T2 zur Messung
der Laufzeiten in Strömungsrichtung und entgegengesetzt dazu auf eine ziemlich kurze
Zeitdauer in der Größenordnung der Laufzeit selbst festgelegt; die Meßzeiten T7
und T2 wechseln einander ab. Gemäß der Erfindung indessen ist ein gewisses Pausenintervall
zwischen den Meßzeiten T1 und T2 vorgesehen, wobei die Veränderung des Pausenkntervalls
zur Synchronisation der Laufzeit-Meßeinrichtungen 25 und 26 dient.
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Im einzelnen bezeichnet in Fig. 8 die Bezugsziffer 51 einen astabilen
Multivibrator, der in üblicher Weise zur Erzeugung von Taktimpulsen P mit einer
vorgegebenen Frequenz dient; dieser Multivibrator stellt also einen Taktgenerator
dar. Die Taktimpulse P sind einem Frequenzteiler 52 zugeführt, der aus einer Kombination
von Flips-Flops besteht. An seinen Ausgängen 53, 54, 55 und 56 können Ausgangssignal
nach entsprechender Frequenzteilung von 1/2, 1/22, 1/23 und 1/24 auftreten.
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Die Ausgangssignale der ersten drei Ausgänge werden einem UND-Glied
zugeführt, während das Ausgangssignal 1/24 als das oben erwähnte Steuersignal zum
Umschalten der Wandler 21 und 22 oder 23 und 24 vom Sende- auf Empfangsbetrieb dienen
(siehe Fig. 7, Diagramm B); damit werden also die Zeitdauern T1 und T2 festgelegt.
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Obwohl bei dem Beispiel nach Fig. 7, Diagramm A die Taktimpulse kontinuierlich
erzeugt werden, können sie
intermittierend erzeugt werden in der
Anordnung nach Fig. 8, so daß das oben erwähnte Pausenintervall auftritt.
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Zu diesem Zwecke ist ein monostabiler Multivibrator 58 vorgesehen,
der beim Auftreten eines Ausgangsimpulses des UND-Gliedes 57getrigget wfinS der
Multivibrator 58 erzeugt an seinem Ausgang 59 ein Ausgangssignal, das mit den Triggern
dieses Multivibrators beginnt und für eine bestimmte Zeitdauer bestehen bleibt,
die durch seine Zeitkonstante gegeben ist, so daß für diese Zeitdauer die Erequenzerzeugung
des astabilen Multivibrators 51 und damit die Erzeugung von Taktimpulsen P unterbrochen
ist. Das Ausgangssignal am UND-Glied 57 tritt zu der Zeit auf, zu der alle Ausgänge
53, 54 und 55 des Frequenzteilers 52 auf hohem Potential liegen; das ist der Augenblick,
zu dem Frequenzteiler 52 sieben Taktimpulse gezählt hat. Für die oben erwähnte Zeitdauer
von diesem Augenblick an ist die Erzeugung der Taktimpulse unterbrochen, und danach,
wenn der achte Taktimpuls erzeugt ist, wird das Steuersignal zum Umschalten der
Betriebsart der Wandler von Senden auf Empfangen am Ausgang 56 des Frequenzteilers
52 erzeugt.
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Der monostabile Multivibrator 58 ist ferner mit einem Rücksetzeingang
61 versehen. Wenn ein Eingangssignal diesem Rücksetzeingang 61 zugeführt wird, dann
wird das Signal am Ausgang 59 dieses Multivibrators beendet, und der astabile Multivibrator
51 beginnt zur arbeiten.
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An einem Ausgang 62 des monostabilen Multivibrators 58 wird ein zu
dem Signal am Ausgang 59 invertiertes Signal erzeugt.
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Jede der Laufzeit-Meßeizrichtungen 25 und 26 nach Fig. 6
enthält
zelbestimmende Schaltungsmittel und synchronisierende Schaltungsmittel, wie sie
in Fig. 8 dargestellt sind. Der das invertierte Ausgangssignal führende Ausgang
62 einer der Lauf zeit-Meßeinrichtungen (im vorliegenden Fall der der Meßeinrichtung
25) dient als synchronisierender Ausgang 41 gemäß Fig. 6, während der Rücksetzeingang
61 der Schaltungsmittel der anderen Laufzeit-Meßeinrichtung (im vorliegenden Falle
der Neßeinrichtung 26) zugeordnet ist und als Synchronisiereingang 42 dient. Der
astabile Multivibrator zur Erzeugung der Taktimpulse in der letzteren Laufzeit-Meßeinrichtung
26 - dieser Multivibrator ist im folgenden mit 51' bezeichnet - ist so eingestellt,
daß er eine etwas kürzere Schwingungsperiode aller ähnliche Multivibrator der ersteren
Laufzeit-Meßeinrichtung 25 aufweist.
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Eine Erläuterung der Funktionsweise der Laufzeit-Meßeinrichtung erfolgt
im folgenden in Verbindung mit den Diagrammen A bis N der Fig. 9,in denen die Verläufe
verschiedener Signale dargestellt sind. Zum Zwecke der Erläuterung sind Teile und
Signale der Laufzeit-Meßeinrichtung 26, die mit der Laufzeit-MeBeinrichtung 25 übereinstimmende
Teile kennzeichnen sollen, mit entsprechenden Bezugs zeichen - jedoch versehen durch
Beistriche - gekennzeichnet wie 51', 52', 53' usw. Wie oben erwähnt, erzeugen die
Frequenzteiler 52 und 52' auf Taktimpulse P und P', die in den Diagrammen A und
J der Fig. 9 dargestellt sind, in den Laufzeit-Meßeinrichtungen 25 und 26 ihre in
der Frequenz heruntergeteilten Ausgangssignale an ihren Ausgängen 53, 54, 55 und
53', 54' und 55', wie es die Diagramme B, C und D sowie K, L und M der Fig. 9 veranschaulichen.
Wenn die entsprechenden
sieben Taktimpulse gezählt sind, das geschieht
zu den Augenblicken tl und t1' gemäß Fig. 9, dann erzeugen die UND-Glieder 57 und
57' ihre Ausgangssignale (Diagramm F gemäß Fig. 9), auf die hin das Ausgangspotential
an den Klemmen 59 und 59' der monostabilen Multivibratoren 58 und 58' angehoben
wird, wie dies in den Diagrammen G und I nach Fig. 9 dargestellt ist; daraufhin
werden die Taktimpulse P und P' unterbrochen.
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Das Diagramm H der Fig. 9 zeigt das invertierte Ausgangssignal am
Ausgang 62 des monostabilen Multivibrators 58. Die Ausgangssignale an den Klemmen
59 und 59' der monostabilen Multivibratoren bleiben für eine Zeitdauer d T erhalten
und verschwinden danach. Infolgedessen wird zum Zeitpunkt t2 nach der Zeitdauer
T vom Zeitpunkt t1 das Potential am Ausgang 59 de5*hltivibrators 59 gesenkt, und
die Taktimpulse P treten wieder auf. Der Frequenzteiler 52 zählt die Taktimpulse
P, um an seinem Ausgang 56 ein heruntergeteiltes Ausgangssignal zu erzeugen, das
zum Zeitpunkt t3 beginnt, wenn der Frequenzteiler 52 den achten Taktimpuls gezählt
hat, wie dies im Diagramm E der Fig. 9 gezeigt ist. Zum Zeitpunkt t3 verändern die
Wandler 21 und 22 ihre Betriebsart von Sanden auf Empfangen und umgekehrt; dies
bedeutet: Es endet beispielsweise eine Meßzeit T1 zum Durchlaufen akustischermpulse
vom Wandler 21 zum Wandler 22 in Strömungsrichtung und die andere Meßperiode T2
zum Durchlaufen in umgekehrter Richtung vom Wandler 22 zum Wandler 21 in Richtung
entgegengesetzt zur Strömungsrichtung beginnt.
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Was den anderen Multivibrator 58' anbelangt, so ist das Zeitintervall
vom Augenblick tl bis zum Augenblick t2, während dessen sdin Ausgangssignal angehoben
ist,
kürzer als die Zeitdauer A T; dennoch fällt sein Potential
am Ausgang 59' zur Zeit t2, wie dies im Diagramm I nach Fig. 9 gezeigt ist, da -
wieoben erwähnt - das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 58 fällt, das
Potential am invertierenden Ausgang 62 erhöht wird, wie dies im Diagramm nach Fig.
9 gezeigt ist, und dies ist über die Klemmen 41 und 42 an den Rücksetzeingang 61'
des Multivibrators 58' gelegt ist. Wie im Diagramm J der Fig. 9 gezeigt ist, beginnt
dann wieder di-? Erzeugung von Taktimpulsen P', der Frequenzteiler 52' zählt den
achten Taktimpuls und sein Ausgangssignal an der Klemme 56' wird angehoben, wie
dies im Diagramm N nach Fig. 9 gezeigt ist, um die Wandler 23 und 24 von der Betriebsart
S enden auf die Betriebsart Empfangen umzuschalten.
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Wie oben erläutert, findet das Umschalten der Betriebsart der Wandler
von S enden auf Empfangen in den Laufzeit-Meßeinrichtungen 25 und 26 im wesentlichen
zur gleichen Zeit und synchron zueinander statt. Obwohl die Umschaltung bisher nur
im Zusammenhang mit einer Änderung Impulsaussendungyin der StrömungsricYt:ng auf
entgegen dazu behandelt worden ist, erfolgt natürlich der andere Wechsel von einem
Aussenden entgegen der Strömungsrichtung auf ein Senden in Strömungsrichtung in
ganz ähnlicher Weise. Abänderungen der dargestellten Ausfuhrungsbeispiele sind gemäß
der Erfindung ohne weiteres möglich. Beispielsweise kann die Verbindung zur Synchronisierung
zwischen den beiden Laufzeit-Meßeinrichtungen 25 und 26 im obigen Ausführungsbeispiel
auch so erfolgen, daß der invertierende Ausgang 62' des Multivibrators 58' in der
Laufzeit-Meßeinrichtung 26 mit dem Rücksetzeingang 61 des Multivibrators 58 der
Laufzeit-Meßeinrichtung 25 verbunden ist, so daß die
Laufzeit-Meßeinrichtung
25 das synchronisierende Signal an die Laufzeit-Meßeinrichtung 26 abgibt; es ist
aber auch möglich, den invertierenden Ausgang 62 des Multivibrators 58 mit dem Rücksetzeingang
61' des Multivibrators 58' zu verbinden, so daß die Laufzeit-Meßeinrichtung 26 das
synchronisierende Signal an die Laufzeit-Meßeinrichtung 25 gibt.
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Außerdem sind verschiedene andere Schaltungsmittel verfügbar, um den
geeigneten Zeitpunkt zum Beginn der Meßzeiten zur Impulsaussendung mit und entgegen
der Strömungsrichtung festzulegen.
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Was die Anordnung der Wandler für ein Strömungsmeßgerät gemäß der
Erfindung anbelangt, so müssen nicht nur zwei Paare von ihnen vorhanden sein, sondern
es sind auch andere Anordnungen anwendbar, wobei beispielsweise - wie Fig. 10 zeigt
- zwei Paare akustischer Wandler in entsprechender Position - ähnlich wie oben erwähnt
- in zwei Ebenen 71 und 72 angeordnet sind. Bei dieser Anordnung kann sogar bei
einer dreidimensionalen Neigung der Strömung zir Achse ein MeBfehler vermieden werden,
so daß ein einwandfreies Meßergebnis erzielt werden kann. Fernerhin ist das Strömungsmeßgerät
nach de#trfindung nicht nur anwendbar zur Messung in rohrförmigen Passagen, sondern
auch in Kanälen oder bei Partialströmungen in einen Behälter oder auf See.
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Das erfindungsgemäße Ultraschall-Strömungsmeßgerät ist mit zwei Paaien
oder mehr akustischer Wandler ausgerüstet und so ausgestaltet, daß der Einfluß von
Neigungen der Strömung auf das Meßergebnis vermieden ist; durch gleichzeitiges Ermitteln
derLaufzeit der akustischen Impulse mit und entgegen der Strömungs-
richtung
ist sichergestellt, daß exakte Meßergebnisse sogar dann erzielt werden, wenn sich
die Art der Strömungsneigung mit der Zeit und in der Art ändert.
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Das Ausftihrungsbeispiel nach Fig. 11 stimmt im wesentlichen mit dem
nach Fig. 6 überein, so daß hier mit dem Ausftihrungsbeispiel nach Fig. 6 übereinstimmende
Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; im Unterschied zum Ausführungsbeispiel
nach Fig. 6 sind hier die Laufzeit-Meßeinrichtungen 75 und 76 abweichend aufgebaut.
Es werden nämlich bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 die Meßzeiten T7 und
T2 der Laufzeit-Neßeinrichtung 75 und die Meßzeiten T1' und T2' der Laufzeit-Meßeinrichtung
76 so festgelegt, daß sie sich voneinander unterscheiden. Jede der Laufzeit-Meßeinrichtungen
75 und 76 ist mit Schaltungsmitteln zur unterschiedlichen Steuerung der Wechselperiode
versehen, um die Meßzeiten T1 und T2 bzw. T1' und T2' festzulegen. Ein AusfUhrungsbeispiel
dafür ist in Fig. 12 gezeigt. Obwohl im folgenden nur eine Erläuterung des Aufbaus
der Schaltungsmittel der Laufzeit-Meßeinrichtung 75 erfolgt, ist die Laufzeit-Meßeinrichtung
76 identisch aufgebaut. Ein astabiler Multivibrator 81 erzeugt in üblicher Weise
Taktimpulse -P mit vorgegebener Frequenz. Die Taktimpulse P sind einem Frequenzteiler
82 zugeführt. An Ausgängen 83, 84, 85 und 86 treten Ausgangsimpulse nach einer Frequenzteilung
1/2, 1/22, 1/23 und 1/2 auf. Die Ausgangssignale der ersten drei Ausgänge sind einem
UND-Glied 87 zugeführt, während das Ausgangssignal am Ausgang 86 als Sigral zur
Umschaltung der Betriebsart der Wandler von Senden auf Empfangen dient, somit also
das Zeitsignal zum Festlegen der Meßzeiten T7 und T2 darstellt. Dieses Signal ist
das oben erwähnte Steuer signal zum Umschalten von Sende-
auf Empfangsbetrieb
der Wandler und ist als Beispiel in Diagramm B der Fig. 7 dargestellt. Obgleich
die Taktimpulse nach Diagramm A der Fig. 7 als fortlaufend erzeugt dargestellt sind,
können sie mit Unterbrechung gemäß der Anordnung nach Fig. 12 erzeugt werden, um
die Zeiten T1 und T2 zu verändern.
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Zu diesem Zwecke ist ein monostabiler Multivibrator 88 vorgesehen,
der beim Auftreten eines Ausgangssignals am Ausgang des UND-Gliedes 87 getriggert
ist und an seinem Ausgang 89 ein Ausgangs signal auf hohem Niveau erzeugt, das vom
Augenblick des Triggerns für eine Zeitdauer JT ansteht, die durch die Zeitkonstante
des Multivibrators 88 gegeben ist, so daß für diese Zeitdauer » T die Erzeugung
von Taktimpulsen P von dem astabilen Multivibrator 81 unterbrochen ist. Das Ansteigen
des Potentials am UND-Glied 87 tritt auf, wenn alle Ausgänge 83, 84 und 85 auf hohem
Niveau liegen; dies isider Augenblick, zu dem der Frequenzteiler 82 den siebten
Taktimpuls gezählt hat.
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Für die Zeitdauer T von diesem Augenblick an wird die Erzeugung von
Taktimpulsen P unterbrochen und danach, wenn der achte Impuls erzeugt ist, das Signal
zum Umschalten an dem Ausgang 86 des Frequenzteilers 82 erzeugt.
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Infolgedessen sind die Meßzeiten T1 und T2 um die Zeitdauer T des
Ausgangssignals des monotabilen Multivibrators 88 verlängert.
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Die andere Laufzeit-Meßeinrichtung 76 ist auch mit ähnlichen Schaltungsmitteln
versehen, um die Meßzeiten einzustellen. Zum Zwecke der Erläuterung sind Teile und
Signale der weiteren Laufzeit-Meßeinrichtung 76
durch entsprechende
Bezugszeichen mit Beistrich gekennzeichnet, wie 81', 82' usw. Um die Meßzeiten T1'
und T2' der Laufzeit-Meßeinrichtung 76 und die Meßzeiten T1 und T2 der Laufzeit-Meßeinrichtung
75 unterschiedlich zueinander festzulegen, sind die Zeitkonstanten der monostabilen
Multivibratoren 88nund 88' unterschiedlich bemessen. Dies bedeutet, daß die Zeitdauer
£ T des Ausgangssignals des monostabilen Multivibrators 88 und die Laufzeit ßT'
des Ausgangssignals des monostabilen Multivibrators 88' unterschiedlich bemessen
sind. Es kann auch einer der beiden Multivibratoren 83 und 88' ganz fortgelassen
werden, so daß T oder null wird.
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Es sind auch andere Ausführungsformen gemäß der Erfindung möglich,
beispielsweise können die Schaltungsmittel zur Einstellung der Meßzeiten der Laufzeit-Meßeinrichtung
75 und 76 unterschiedlich voneinander sein. Anstelle der Benutzung der monostabilen
Multivibratoren 88 und 88' ist es auch möglich, die Frequenz der Taktimpulse eines
der beiden Laufzeit-Meßeinrichtungen zu verändern, oder den Frequenzteiler 82 und
82' unterschiedliche Teilerverhältnisse zu geben. Es ist ferner möglich, bei einem
Strömungsmeßgerät nach den Figuren 11 und 12 die Wandler so anzuordnen, wie es in
Fig. 10 dargestellung und im Zusammenhang damit oben bereits ausführlich beschrieben
ist.
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Von der Erfindung kann auch nachträglich Gebrauch gemacht werden,
indem zusätzlich zu einem schon vorhandenen Paar von akustischen Wandlern wenigstens
ein weiteres Paar angeordnet wird, um ohne alzu großen zusätzlichen Aufwand Meßergebnisse
zu erreichen, die frei von Meßfehlern sind.