DE2943810C2

DE2943810C2 - Meßanordnung für die Geschwindigkeit von strömungsfähigen Medien mittels Laufzeitbestimmung von Schallwellen

Info

Publication number: DE2943810C2
Application number: DE2943810A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1979-10-30
Filing date: 1979-10-30
Publication date: 1982-12-09
Also published as: DE2943810A1; US4389899A; EP0028027A1; EP0028027B1

Description

a) einem Impulsgeber;

b) einem auf höherer Frequenz arbeitenden Frequenzgenerator mit einem Frequenzsteuereingang;

c) einem Phasendetektor, an dessen Eingänge das empfangene Impulssignal und das Ausgangssignal des Frequenzgenerators angelegt ist und dessen Ausgang an einem Mittelwertbildner anliegt, welcher seinerseits den Frequenzsteuereingang des Frequenzgenerators beaufschlagt;

d) die Frequenzen der beiden Generatoren sind einer Auswerteanordnung zugeführt; jo

dadurch gekennzeichnet, daß

e) der Impulsgeber (12) mit einer festen Frequenz arbeitet, und daß _r,

f) der Frequenzgenerator (13, 13') auch einen Setzeingang (15) aufweist, an den die Impulse des Impulsgebers (12) angelegt sind, wobei die Frequenz des Frequenzgenerators (13, 13') auf einen Wert entsprechend dem Zeitabstand 4« zwischen dem Eintreffen des Sendeimpulses am Setzeingang (15) und des Empfangsimpulses am Phasendetektor (16) durch einen Regelkreis (16, 17,13) eingeregelt ist.

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2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Setzeingang (15) des Frequenzgenerators (13,13') ein Verzögerungsglied (21) angeordnet ist, dessen Verzögerungszeit gleich den Laufzeitfehlern in der Sende- und Empfangsschaltung einschließich der Wandler (23 24) ist.

3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes (21) regelbar ist.

4. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes (21) in Abhängigkeit von dem während des Gerätebetriebs gemessenen Laufzeitfehler geregelt ist.

5. Meßanordnung nach Anspruch 5 oder 4, eo dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes (21) als Funktion der gemessenen Wandler- und/oder Gerätetemperatur gesteuert ist.

6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis « 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied (21) so eingestellt ist, daß die Phasendifferenz zwischen dem Impuls nach dem Verzögerungsglied

(21) und dem empfangenen Impuls gegen Null geht, wenn die Distanz zwischen den Wandlern gegen Null geht.

7. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit aufgrund eines oder beider Wandler (23,24) und gegebenenfalls aufgrund der vorgeschalteten Verstärker (31, 34) durch eine Detektorschaltung (43) bestimmt ist, deren Ausgangssignal einem Steuereingang (21") des Verzögerungsgliedes (21) zugeführt ist (F ig. 3).

8. Meßanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung (43) eine Brückenschaltung (23 bzw. 24, 36, 37, 38) zur Kompensation der kapazitiven Ströme im Wandler (23 bzw. 24) enthält

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung für die Geschwindigkeit von strömungsfähigen Medien mittels Laufzeitbestimmung von Schallwellen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer bekannten Meßanordnung dieser Art (Technisches Messen tm, 1979, Heft 3 (März), Seiten 113 bis 116) ist für jede Schallrichtung eine eigene Impulsschaltung mit je einem regelbaren Frequenzgeuerator vorgesehen, welcher von einem Phasendetektor gesteuert wird. Aus den unterschiedlichen Frequenzen der beiden Frequenzgeneratoren wird die Differenzfrequenz gebildet, die ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ist. Bei der bekannten Anordnung ist jedoch die Echoausblendung problematisch, weil die Wiederholfrequenz der Impulse von der Schallgeschwindigkeit abhängt und weil keine Pause zwischen Empfang und Senden eingefügt werden kann. Es müssen außerdem Maßnahmen getroffen werden, um ein Schwingen auf einer Harmonischen der Grundfrequenz zu unterdrücken.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Meßanordnung für die Geschwindigkeit von strömungsfähigen Medien, insbesondere von Rauchgasen in Kaminen, zu schaffen, bei der durch Laufzeitmeßfehler hervorgerufene Verfälschungen des Meßergebnisses weitgehend vermieden sind. Solche Verfälschungen werden insbesondere durch unerwünschte Echos und nicht zu vermeidende Gerätelaufzeiten hervorgerufen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 vorgesehen.

Aufgrund dieser Ausbildung wird also die Impulsfrequenz nicht durch die Laufzeit der Impulse über die Meßstrecke bestimmt, sondern unabhängig davon vorgegeben. Auf diese Weise ist es möglich, die Impulsabstände so zu wählen, daß, bevor ein weiterer Impuls auf die Meßstrecke geschickt wird, sämtliche reflektierten Impulsanteile des vorangehenden Impulses abgeklungen sind. Die Messung kann so nicht von in der Meßstrecke noch vorhandenen reflektierten Schallanteilen verfälscht werden.

Für die Beseitigung der Laufzeitfehler der Meßanordnung sind die Merkmale der Patentansprüche 2 bis 8 vorteilhaft.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 ein schematisches Blockschaltbild der Meßanordnung,

Fig.2 ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Meßanordnung nach F i g. 1 und

F i g. 3 ein Blockschaltbild der Detektorschaltung 43 nach F ig. 1.

Die Meßanordnung besteht aus zwei gleich aufgebauten Impulsschallungen 11, 11', von dener< wegen der gleichen Ausbildung nur die eine (11) im einzelnen in F i g. 1 gezeigt ist, während die andere (H') nur als Block angedeutet ist. Miteinander gekuppelte Umschalter 30, 30' legen entweder einen elektroakustischer! Wandler 23 an die Sendeseite der Impulsschaltung 11 und den Wandler 24 an die Empfangsseite der Impulsschaltung 11 oder den Wandler 24 an die Sendeseite bzw. den Wandler 23 an die Empfangsseite der Impulsschaltung 11'.

Die Schalter 30, 30' werden mit einer der Impulsfrequenz entsprechenden Häufigkeit ständig zwischen ihren beiden Positionen hin- und hergeschaltet. Die Impulsfrequenz ist abhängig von der Länge der Meßstrecke und der Schallgeschwindigket des Mediums; sie beträgt z. B. 100 Hz.

In Fig. I ist der Zustand dargestellt, bei dem der Wandler 23 an der Sendeseite und der Wandler 24 an der Empfangsseite der Impulsschaltung 11 angeschlossen ist. Die Wandler 23,24 befinden sich am Ende einer Meßstrecke 29, entlang der ein Medium mit der Geschwindigkeit ν strömt.

Der Wandler 23 ist über den Umschalter 30 und einen Verstärker 31 an einen Modulator 25 angeschlossen. In dem Modulator 25 wird die von einem Hochfrequenzoszillator 32 kommende Hochfrequenz (mit einer Frequenz von etwa 300 kHz) mit dem vom Impulsgeber 12 kommenden Rechteckimpuls moduliert. Die vom Impulsgeber 12 kommenden Rechteckimpulse haben eine Wiederholungsfrequenz von beispielsweise 100 Hz. Die Impulse sind im Vergleich zu ihrem zeitlichen Abstand relativ schmal, wie das in F i g. 2 veranschaulicht ist, wo die Sendeimpulse (S) in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt sind. Aufgrund der beschriebenen Anordnung schickt der elektroakustische Wandler 23 in zeitlichen Abständen gleich Mf, Impulspakete 33 über die Meßstrecke 29 zum elektroakustischen Wandler 24, welcher bei der gezeigten Stellung der Schalter 30, 30' als Empfangswandler dient Die vom Wandler 24 empfangenen Impulssignale werden über einen Verstärker 34 und eine Torschaltung 27 einem Demodulator 26 zugeführt, welcher zusammen mit einem anschließenden Impulsformer 35 die ursprüngliche Impulsform wieder herstellt, so daß am Ausgang des Impulsformers 35 ein Empfangsimpuls E vorliegt, der in seiner Form dem Sendeimpuls S entspricht. Auch dies ist in F i g. 2 angedeutet. Wesentlich ist bei dem Impuls Faber nicht die Impulsbreite, sondern die Impulsflanke.

Die Impulse des Impulsgebers 12 werden auf der Sendeseite über ein in seiner Funktion noch zu beschreibendes Verzögerungsglied 21 dem Setzeingang 15 eines frequenzsteuerbaren Frequenzgenerators 13 zugeführt Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht der Frequenzgenerator 13 aus einen frequenzsteuerbaren Hochfrequenzoszillator mit einer mittleren Frequenz von beispielsweise 115 kHz und einem daran angeschlossenen Frequenzteiler mit einem Verhältnis von 1 :500, so daß der Generator insgesamt mit einer Frequenz von 230 Hz arbeitet. Der Frequenzsteuereingang 14 befindet sich an dem Hochfrequenzoszillatorteil des Generators 13.

Der Ausgang des Generators 13 und dieEmpfangsimpulse Esind den beiden Eingängen eines Phasendetektors 16 zugeführt Der Ausgang dieses Detektors steuert über einen als Tiefpaß ausgebildeten Mittelwertbildner 17 den Steuereingang 14 des Frequenzgenerators 13 an.

Die Ausbildung des Frequenzgenerators 13, des

Phasendetektors 16 und des Mittelwertbildners 17 ist

nun so,

daß beim Eintreffen eines Impulses am Setzeingang 15 der Generator 13 phasenmäßig auf einen bestimmten Zustand beispielsweise auf Null gesetzt wird. Nach dem Ablauf einer Zeit \lf_G, liegt am Ausgang des Frequenzgenerators 13 ein Impulssignal vor, welches jetzt phasenmäßig mit dem dem anderen Eingang zugeführten Empfangsimpuls E verglichen wird. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 16 steuert nun zusammen mit dem Mittelwertbildner 17 die Frequenz des Generators 13 so, daß die Frequenz des Generators 13 erhöht wird, wenn der Frequenzgeneratorimpuls später als der Empfangsimpuls am Phasendetektor 16 eintrifft und umgekehrt Auf diese Weise wird der Frequenzgenerator 13 auf eine Frequenz /c; eingeregelt, deren Reziprokes gleich der Laufzeit des Impulses über die Meßstrecke 29 ist Da der Hochfrequenzoszillator des Frequenzgenerators 13 kontinuierlich schwingt liegt also an ihm ständig ein der Laufzeit exakt entsprechendes Frequenzsignal fc ι vor.

Auf entsprechende Weise wird in der Impulsschaltung 11' ein Frequenzsignal fc2 in dem dort vorhandenen frequenzsteuerbaren Frequenzgenerator 13' erzeugt. Das Reziproke dieses Frequenzsignals /c? ist ^J0 gleich der Laufzeit der Impulse 33' vom Wandler 24 zum Wandler 23, was in F i g. 1 gestrichelt angedeutet ist.

Die gemeinsame Umschaltung der Schalter 30, 30' von der Impulsschaltung 11 auf die Impulsschaltung 11' erfolgt in einem solchen Rhythmus, daß jeweils ein ^r' Impuls vom Wandler 23 zum Wandler 24 bzw. vom Wandler 24 zum Wandler 23 laufen gelassen wird und daß dann die Umschaltung erfolgt. Bei einer Impulswiederholungsfrequenz von !00 Hz erfolgt somit eine Laufrichtungsumschaltung alle V₁₀O see, was voll ausrei-⁴⁽¹ chend ist, um für beide Schallaufrichtungen gleiche Strömungsverhältnisse zu haben.

Die Ausgänge der Frequenzgeneratoren 13, 13' werden dem Eingang einer Differenzbildungsstufe 18, welche die Differenzfrequenz der Oszillatoren 13, 13' mißt, zugeführt. Das Differenzsignal ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Eine anschließende Schaltstufe 19 multipliziert das Differenzsignal mit einer Konstante in Abhängigkeit vom Teilungsverhältnis im Generator 13 und der Länge der Meßstrecke. ^D° Gegebenenfalls wird in der Schaltstufe 19 auch eine Analog-Digital-Wandlung vorgenommen. Ein Anzeigegerät 20 ist an die Schaltstufe 19 angeschlossen. Die beiden Frequenzsignale werden also in den beiden Stufen 18, 19 unmittelbar in ein die Geschwindigkeit ν des strömenden Mediums wiedergebendes Signal umgewandelt, welches dann am Anzeigegerät 20 zur Anzeige gebracht wird.

Mittels des vorzugsweise regelbaren Verzögerungsgliedes 21 können die zum Setzeingang 15 gelieferten °° Impulse des Impulsgebers 12 um eine Zeit τι verzögert werden. Die Zeit τι kann auf einen Wert entsprechend den Laufzeitfehlern des Gerätes eingeregelt werden. Das Verzögerungsglied 21 kann einen Steuereingang 21' aufweisen, an den ein von einem Temperaturfehler^bdetektor K abgegebenes Signal angelegt ist. Die Verzögerungszeit kann so automatisch in Abhängigkeit von der Gerätetemperatur geregelt werden. Auf diese Weise werden auch temperaturabhängige Laufzeitfeh-

ler innerhalb des Gerätes einschließlich der Wandler 23, 24 berücksichtigt.

Das Verzögerungsglied 21 kann entfallen, wenn beim Setzen der Zähler nicht auf Null gestellt wird, sondern soweit abweichend von Null eingestellt wird, daß erst '< nach der gewünschten Verzögerungszeit der Wert Null erreicht wird. Es ist zweckmäßig, diese Setzdifferenz steuerbar zu machen und in Abhängigkeit von der Temperatur oder anderen Umwelteinflüssen (z. B. Gaszusammensetzung, Luftdruck, Spülluftgeschwindig- m keit) zu verändern.

Außerdem ist der Impulsgeber 12 noch über ein weiteres Verzögerungsglied 28 mit einer Verzögerungszeit Γι an den zweiten Eingang der Torschaltung 27 angeschlossen. Die Verzögerungszeit τ\ ist so gewählt, η daß die Torschaltung 27 nur innerhalb eines solchen Zeitbereiches geöffnet ist, innerhalb dessen der Eingang eines Empfangsimpulses E erwartet werden kann. Das Verzögerungsglied 28 bestimmt also nicht nur die Öffnungszeit, sondern auch die Öffnungsdauer der 2n Torschaltung 27.

Nach den F i g. 1 und 3 weist das Verzögerungsglied 21 auch noch einen zweiten Stuereingang 21" auf, welcher an eine Detektorschaltung 43 angelegt ist, die von dem Eingangssignal des Verstärkers 31 sowie dem r> Ausgangssignal des Wandlers 23 beaufschlagt ist. Die Detektorschaltung 43 dient dazu, die durch den Verstärker 31 und den Wandler 23 hervorgerufenen Laufzeiten bzw. Verzögerungszeiten bzw. Phasenverschiebungen des modulierten Trägersignals zu erfassen und das Verzögerungsglied 21 über den Eingang 21" auf eine entsprechende Verzögerung einzuregeln. Eine ähnliche Schaltung kann für den Verstärker 34 und den Wandler 24 in der Impulsschaltung W vorgesehen sein, was durch gestrichelte Linien 43' angedeutet ist.

Für genaue Messungen muß nämlich berücksichtigt werden, daß sich die Gesamtlaufzeit aus der Signallaufzeit durch das zu untersuchende Medium und der Verzögerungszeit durch das zu untersuchende Medium und der Verzögerungszeit sowie der Laufzeit im Gerät zusammensetzt. Die vom Gerät verursachten Verzögerungszeiten und Laufzeiten müssen kompensiert werden. Den größten Teil der Verzögerungszeit des Gerätes erzeugen die elektronischen Wandler 23, 24 und eventuell noch die vorgeschalteten Verstärker 31, 34. Die Eigenschaften der Wandler 23, 24 und gegebenenfalls auch der Verstärker 31, 34 sind temperaturabhängig. Außerdem ändern sich die Verzögerungszeiten mit dem Alter der Bauelemente. Mit der in F i g. 3 im einzelnen gezeigten Detektorschaltung so 43 können die Änderungen der Verzögerungszeiten der Wandler 23,24 und gegebenenfalls auch der Verstärker 31,34 erfaßt werden.

Nach F i g. 3 wird der ohnehin vorhandene trägerfrequente Impuls auf den elektroakustischer! Wandler 23 bzw. 24 gegeben, wobei im allgemeinen der in F i g. 3 nur gestrichelt angedeutete Verstärker 31 bzw. 34 vorgeschaltet ist

Der Strom durch den Wandler 23 bzw. 24 wird als Spannungsabfall an einem Widerstand 36 gemessen, der *>o zwischen Masse und die eine Elektrode des Wandlers 23 bzw. 24 geschaltet ist.

Um die keine Information über die Verzögerungszeit des akustischen Signals liefernde Kapazität des Wandlers 23 bzw. 24 zu eliminieren, ist parallel zu der Anordnung aus dem Wandler 23 bzw. 24 und dem Widerstand 36 bzw. zusätzlich dem Verstärker 31,34 die Hintereinanderschaltung eines Kondensators 37 und eines weiteren Widerstandes 38 geschaltet Die Verbindungspunkte zwischen den Wandlern 23, 24 und dem Widerstand 36 bzw. dem Kondensator 37 und dem Widerstand 38 sind an die beiden Eingänge einer Differenzbildungsstufe 39 angelegt. Die Kapazität des Kondensators 37 und die Widerstände 36, 38, welche wesentlich kleiner als die Impedanz der Wandler bei der Trägerfrequenz sind, sind so gewählt, daß der kapazitive Strom des Wandlers 23 bzw. 24 kompensiert wird. Dieser kapazitive Strom liefert also am Ausgang der Differenzbildungsstufe 39 kein Signal.

Die mechanische Schwingung des vorzugsweise piezoelektrischen Wandlers 23 bzw. 24 bedingt jedoch ein Ungleichgewicht der Brückenschaltung 23,36,37,38 welche sich als endliches Ausgangssignal der Differenzbildungsstufe 39 bemerkbar macht. Dieses Ausgangssignal wird in einem Demodulator 40 demoduliert. Am Ausgang des Demodulators 40 liegt also ein Trägerimpuls vor, der durch die mechanischen Eigenschaften des Wandlers verändert bzw. verzerrt ist. Entsprechend dem elektromechanischen Übertragungsfaktor des Wandlers 23 bzw. 24 ist dieser Trägerimpuls zeitverschoben.

Der Ausgang des Demodulators 40 ist an einen Zeitdifferenzdetektor 42 angelegt, dessen anderer Eingang über einen weiteren Demodulator 41 an die Eingangsklemme des Kondensators 37 angelegt ist Der Demodulator 41 liefert also einer, vom Verstärker 31 bzw. 34 und dem Wandler 23 bzw. 24 unveränderten Trägerimpuls an den Zeitdifferenzdetektor.

An dessen Ausgang liegt somit ein Steuersignal vor, welches der durch den Verstärker 31 bzw. 34 und den Wandler 23 bzw. 24 bedingten Zeitverzögerung des Trägerimpulses entspricht.

Eine entsprechende Verzögerung wird durch Anlegen an den Steuereingang 21" in dem Verzögerungsglied 21 hervorgerufen, so daß damit der Einfluß des Verstärkers 31 bzw. 34 und des Wandlers 23 bzw. 24 auf die Meßgenauigkeit eliminiert ist.

Auf diese Weise kann die Verzögerungszeit beider Wandler 23, 24 gemessen und addiert werden. Notfalls kann man sich auch auf die Messung der Verzögerungszeit eines Wandlers beschränken. Dafür wird dann der Steuerhub für das Verzögerungsglied 21 verdoppelt

Vorteilhafterweise kann die anhand von F i g. 3 beschriebene Messung der Phasendifferenz zwischen Trägerimpuls und mechanischer Schwingung für jeden Wandler 23 bzw. 24 getrennt vorgesehen sein, so daß die in Fig.3 dargestellten Schaltelemente entsprechend doppelt vorzusehen wären.

Wenn der Laufzeitfehler mit Hilfe des Detektors 43 erfaßt wird, dann kann der Detektor K entfallen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßanordnung für die Geschwindigkeit von strömungsfähigen Medien mittels Laufzeitbestimmung von Schallwellen, bei der in dem Medium zwei aus elektroakustischen Wandlern bestehende Schallsender-Empfänger in einem Abstand vorgesehen sind, deren Verbindungslinie eine Komponente in Richtung der zu messenden Geschwindigkeit hat, und bei der Impulsgeber Schallimpulse abwechselnd _lu in der einen und der entgegengesetzten Richtung zwischen den Wandlern hin- und hergeschickt werden, wobei in einer Auswerteschaltung über die Laufzeiten der Schallimpulse in den beiden Richtungen die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird und für jede Schallrichtung eine Impulsschaltung mit folgenden Merkmalen vorgesehen ist: