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U1traschall-Strmunsmeß erät
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Zur Strömungsmessung, d.h. zur Messung des Durchflusses oder der Strömungsgeschwindigkeit,
werden häufig Strömungsmesser mit Venturirohr oder elektromagnetische Strömungsmesser
eingesetzt. Derartige Strömungsmesser sind in den Herstellungskosten vor allem dann
aufwendig, wenn sie fíir Rohre mit verhältnismäßig großem Durchmesser eingesetzt
werden; der Aufwand an Material erhöht sich nämlich proportional mit dem Durchmesser
des Rohres. Anders sieht es bei akustischen Strömungsmeßgeräten aus, weil bei ihnen
in vorteilhafter Weise der Aufwand zur das Material im wesentlichen unabhängig vom
Rohrdurchmesser ist; dartfberhinaus haben akustische Strömungsmeßgeräte den Vorteil,
daß sie in Anlagen montiert werden können, ohne daß diese außer Betrieb gesetzt
werden messen. DarUberhinaus zeigen akustische Strömungsmeßgeräte ein verhältnismäßig
schnelles Ansprechen, was ihren Einsatz fUr verschiedene praktische Anwendungsfälle
günstig erscheinen läßt.
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Ein bekanntes Ultraschall-Strömungsmeßgerät arbeitet nach der sogenannten
Sing-Around-Methode und ist mit einem Paar akustischer Wandler versehen, die schräg
zur Strömungsrichtung einander gegenüberliegend angeordnet sind. Zuerst sendet einer
von den beiden akustischen Wandlern ein akustisches Signal in die Strömung, worauf
vom anderen akustischen Wandler ein elektrischer Impuls erzeugt wird, wenn ihn das
ausgesandte akustische Signal erreicht hat. uf den elektrischen Impuls des empfangenden
akustischen Wandlers wird ein weiterer akustischer Impuls von dem einen Wandler
hin erzeugt, so daß eine Impulsfolge entsteht, die eine Periode gleich der Laufzeit
tl der akustischen Signale in einer Richtung nat. Danach ändern die akustischen
Wandler ihre Sende- und Empfangsfunktion, so daß eine weitere Impulsfolge erzeugt
wird, deren Periode gleich einer Zeitdauer t2 ist, die der Laufzeit der akustischen
Signale in der entgegengesetzten Richtung entspricht. Die Reziprokwerte der Laufzeiten
t1 und t2 sind Frequenzen £1 und £2 der Impulsfolgen; die Frequenzdifferenz J f
läßt sich durch folgende Gleichung beschreiben - - 2 (1) 2 - V In dieser Gleichung
bedeutet L die Entfernung zwischen den beiden akustischen Wandlern und V die Strömungsgeschwindigkeit.
Die Sing-Around-Methode hat den Nachteil, daß sie mit Meßfehlern aufgrund zusätzlicher
Laufzeiten der akustischen Signale außerhalb der eigentlichen Strömung behaftet
ist, beispielsweise in der Wandung eines die Strömung führenden Rohres.
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Es ist daher bereits eine andere Methode bekannt, die eine Phasensynchronisationsschaltung
benutzt, um die
Laufzeiten in Frequenzen umzusetzen, wobei eine
Verzögerungsschaltung eingeführt wurde, um die oben angesprochenen zusätzlichen
Laufzeiten zu kompensieren.
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Diese Methode wird als TLL (Time Locked Loop)-Technik bezeichnet.
In der Zeitschrift "Fuji Electric Journal" Vol. 48, Nr. 2, Seiten 29 bis 38 ist
sowohl die TLL-Technik als auch die oben behandelte Sing-Around-Methode beschrieben.
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Bei einem Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach der TLL-Technik ist einegestossene
Schleife in einer elektrischen Schaltungsanordnung vorgesehen, mit der die Frequenz
f eines spannungsgesteuerten Oszillators gesteuert wird, um eine bestimmte Zeitdauer
zum Zählen einer vorbestimmten Anzahl N von Schwingungen eines Ausgangsoszillators
gleich der Laufzeit der akustischen Impulse in der Strömung zu machen. Zu diesem
Zwecke ist das bekannte Ultraschall-Meßgerät mit einem Zähler versehen, der immer
dann ein Signal erzeugt, wenn er die vorbestimmte Anzahl N von Schwingungen des
Oszillators gezählt hat. Das Ausgangssignal des Zählers wird über ein Verzögerungsglied
einer Zeitdifferenz-Meßeinrichtung zugeführt. Ein empfangender akustischer Wandler
erzeugt ein Empfangssignal, wenn ihn ein akustisches Signal erreicht. Das Empfangssignal
wird der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung zugeführt. Auf diese Weise wird eine Zeitdifferenz
zwischen den beiden Ausgangssignalen ermittelt. Das Verzögerungsglied verzögert
das Signal um eine Zeitdauer Qd, wobei dieses Zeitintervall d so gewählt ist, daß
es gleich der zusätzlichen Laufzeit der akustischen Impulse außerhalb der Strömung
ist, so daß das Ausgangssignal der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung gegeben ist durch
N/f - t. Die Frequenzdifferenz df läßt sich dann durch folgende Gleichung beschreiben
In dieser Gleichung bezeichnet D den Durchmesser des die Strömung führenden Rohres
und e einen Winkel zwischen der Laufrichtung der akustischen Impulse in der Strömung
und einer Richtung quer zur Strömungsrichtung.
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Auf diese Weise wird dann einFrequenzsignal gewonnen, das der Strömungsgeschwindigkeit
V proportional ist.
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Falls der Durchfluß ermittelt werden soll, kann man ihn durch multiplizieren
der Strömungsgeschwindigkeit V mit der Querschnittsfläche des die Strömung fiihrenden
Rohres ermitteln.
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Ultraschall-Strömungsmeßgeräte in TLL-Technik haben den Vorteil einer
größeren Meßgenauigkeit im Vergleich zu Geräten nach der Sing-Around-Methode, weil
bei ihnen nur die Laufzeit in der Strömung berücksichtigt wird.
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Ultraschall-Meßgeräte in TLL-Technik haben dagegen den Nachteil, daß
sie einen ziemlich aufwendigen Schaltungsaufbau zur Umsetzung der Laufzeit in Frequenzen
benötigen; ähnliches gilt für die Sing-Around-Technik. Der verhältnismäßig komplizierte
Schaltungsaufbau führt zu einem recht erheblichen Aufwand bei der Fertigung.
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Dieser Aufwand müßte noch zusätzlich erhöht werden, wenn auch Strömungen
in Rohren mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser mit vergleichbarer Meßgenauigkeit
wie in Rohren mit großen Durchmesser ermittelt werden sollen. Dies setzt eine erheblich
genauere Umsetzung der Laufzeit in'Frequenzen voraus, wodurch die Herstellungskosten
für Ultraschall-Strömungsmeßgeräte für Rohre mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser
erheblich steigen würden.
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Wie oben bereits erwähnt wurde, haben Ultraschall-Strömungsmeßgeräte
in TLL-Technik den Vorteil, daß sie in einfacher Weise auf Rohre bereits installierter
Anlagen montiert werden können. Die akustischen Wandler derartiger Ultraschall-Strömungsmeßgeräte
sind dann außen an dem Rohr befestigt. Der vom akustischen Wandler erzeugte Ultraschall-Stahl
wird dann an der Grenzfläche zwischen der Wand des Rohres und dem Strömungsmittel
gebrochen, bevor er den anderen akustischen Wandler erreicht. Der Brechungswinkel
verändert sich mit Temperaturänderungen des Strömungsmittels odg der Wandung des
Rohres, was zu einer Veränderung der Schallgeschwindigkeit führt, Wenn sich der
Brechungswinkel ändert, ändert sich naturgemäß auch der Weg des Ultraschall-Strahles,
wodurch sich Meßfehler bei der Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit ergeben,
wenn nicht kompensiert wird.
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Ublicherweise werden Ultraschall-Strömungsmeßgeräte für Rohrleitungen
benutzt, die einen ziemlich großen Durchmesser von 300 mm oder mehr aufweisen und
in denen die Temperaturänderung des Strömungsmittels nicht in einem weiten Bereich
erfolgt, so daß die Veränderung des Brechungswinkels kein nennenswerten Einfluß
auf den Meßfehler im Vergleich zu der Streuung des Ultraschall-Strahles hat. Wird
jedoch ein Ultraschall-Strömungsmeßgerät in Rohrleitungen mit einem kleinen Durchmesser
von beispielsweise 50 mm eingesetzt oder eine hohe Meßgenauigkeit auch bei sich
in einem weiten Bereich ändernden Temperaturen verlangt, dann führt die Änderung
des Brechungswinkels zu Meßfehlern, die beachtlich sind.
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Zur Erläuterung der Verhältnisse wird auf Fig. 1 verwiesen, aus der
ersichtlich ist, daß ein Ultraschall-
Strahl die Grenzfläche zwischen
der Wandung eines Rohres 3 und dem Strömungsmittel 4 unter einem Einfallwinkel 9
trifft und unter einem Brechungswinkel e das Strömungsmittel durchsetzt, um danach
an der Grenzfläche zwischen dem Strömungsmittel 4 und der Wandung 3 noch einmal
in ähnlicher Weise, jedoch in anderem Sinne gebrochen zu werden.
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Aus der unten angeführten Gleichung (10) geht hervor, daß sin 28 der
Faktor ist, der Meßfehler in Abhängigkeit von einer Änderung des Brechungswinkels
verursadt.
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Ein Beispiel für einen solchen Meßfehler unter den Bedingungen der
nachstehenden Tabelle 1 wird im folgenden untersucht.
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Tabelle 1
| Temperatur des Strömungsmittels 4 0°C Socc |
| C1 (Schallgeschwindigkeit in 3216 3191 |
| Prismen 2a und 2b sowie im |
| Rohr 3) |
| C (Schallgeschwindigkeit im 1402 1545 |
| Strömungsmittel 4) |
| Brechungswinkel e 17.9540 20.0210 |
| sin2# 0.5865 0.6433 |
Dabei ist angenommen, daß der Werkstoff der Prismen 2a und 2b und die Wandung des
Stromes 3 aus Eisen besteht und das Strömungsmittel 4 Wasser ist; ferner ist von
einem Exnfallswinkel T = 450 ausgegangen.
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Der Brechungswinkel e ist durch folgende Gleichung beschreibbar
Das Verhältnis zwischen den Werten sin2B bei einer Strömungsmitteltemperatur von
OoC und 50°C beträgt 1,0968.
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Dies bedeutet, daß die Meßergebnisse sich in diesen beiden Fällen
um etwa 9,7 % voneinander unterscheiden.
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Dies führt zu einen Fehler von annähernd 0,19 % pro 1°C.
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Ausgehend von einem Ultraschall-Meßgerät mit den Merkmalen nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Ultraschall-Meßgerät vorzuschlagen, mit dem sich die Strömungsgeschwindigkeit
mit hoher Genauigkeit auch in Rohren mit kleinem Durchmesser oder bei/einem weiten
Bereich sich ändernden Temperaturen trotz einer Änderung des Brechungswinkels in
Temperaturabhängigkeit messen läßt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das oben angegebene Ultraschall-Meßgerät
erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 ausgebildet.
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Eine weitere vorteilhafte Lösung der angegebenen Aufgabe wird bei
einem Ultraschall-Strömungsmeßgerät der angegebenen Art durch Ausbildung entsprechend
dem Kennzeichen des Patentanspruchs 2 erreicht.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Ultraschall-Meßgerätes
nach dem Patentanspruch 1 und dem Patentanspruch 2 ergeben sich aw den weiteren
Ansprüchen 3 bis 10
Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Grundausführung eines Ultraschall-Strömungsmeßgerätes
dargestellt, bei dem sich die Erfindung mit besonderem Vorteil anwenden läßt, in
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel Qs Ultraschall-Strömungsmeßgerätes mit ebenfalls
besonders guter Eignung zur Anwendung der Erfindung, in Fig. 4 eine Darstellung
mit mehreren Diagrammen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungseeispiels
nach Fig. 3 und in Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschall-Strömungsme8grrätes
wiedergegeben.
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Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist ein Ultraschall-StrömungsmeBgerät mit
akustischen Wandlern 1a und 1b versehen, die auf einander gegenUberliegenden Seiten
einer Wand eines
Rohres 3 angeordnet sind, so daß ein Laufweg für
einen akustischen Impuls quer durch die Strömung gebildet ist; bei den akustischen
Wandlern kann es sich beispielsweise um Blei-Zirkonium-Titan-Wandler handeln. Ein
akustischer Impuls, der von dem Wandler 1a ausgesendet wird, durchläuft ein Prisma
2a und die Wand des Rohres 3> durchsetzt dann schräg die Strömung 4 und erreicht
durch die gegenüberliegende Wand des Rohres 3 und ein weiteres Prisma 2b den gegenüberliegenden
anderen Wandler 1b. Die Laufzeit T1 für den akustischen Impuls von dem einen Wandler
1a zum gegenüberliegenden anderen Wandler Ib in Strömungsrichtung läßt sich durch
folgende Gleichung beschreiben
In dieser Gleichung bezeichnet D den inneren Durchmesser des Rohres 3, C die Schallgeschwindigkeit
im Fluid 4, wenn dieses stillsteht, V die Strömungsgeschwindigkeit des Fluid 4 undd
die Summe zusätzlicher Laufzeiten der akustischen Signale in den Prismen 2a und
2b sowie in den Wänden des Rohres 3. Die andere Laufzeit T2 für akustische Impulse
zum akustischen Wandler 1a votn gegenüberliegenden Wandler Ib in Richtung entgegen
der Strömung ist gegeben durch folgende Gleichung
Das Ausführungsbeispielnzh Fig. 2 enthält einen Taktgenerator 5, der ein Signal
UT erzeugt, mit dem eine akustische Impulsübertragung gestartet wird; außerdem erzeugt
der Taktgenerator 5 ein Signal DS, mit dem eine Verzögerung beginnt. Das Signal
UT wird einem Oszillator 6 zugeführt, der dadurch angeregt wird, so daß der erste
Wandler 1a ein akustisches Signal
aussendet. Das Signal DS ist
einem Verzögerungsglied 7 zugeführt, so daß dieses ein Ausgangssignal nach einem
Zeitintervall Td! erzeugt. Das Verzögerungsglied 7 kann in üblicher Weise aufgebaut
sein, beispielsweise eine Konstantstromquelle, eine Kondensator-Widerstands-Anordnung
und einen Komparator enthalten. Der Ausgang des Verzögerungsgliedes 7 ist mit einem
Integrator 8 verbunden.
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Der Integrator kann integrierende Schaltungsmittel und einen elektronischen
Schalter enthalten. Wenn vom Verzögerungsglied 7 ein Signal nicht zugeführt wird,
wird ein Strom I1 eines steuerbaren Stromerzeugers 13 durch den elektronischen Schalter
gesperrt. Wenn das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 7 am Integrator 8 liegt,
wird der elektronische Schalter betätigt, und es beginnt die Integration des Stromes
I1. Die sich dadurch ergebende Ausgangsspannung El am Integrator wird einem Komparator
10 zugeführt. Bezeichnet man den Augenblick, zu dem der Integrator 8 vom Verzögerungsglied
7 des Ausgangssignals erhält als Null und die Ausgangs spannung des Integrators
8 zu diesem Zeitpunkt ebenfalls als null, dann kann die Ausgangsspannung El des
Integrators 8 nach einem Zeitintervall tl durch die nachfolgende Beziehung beschrieben
werden: El o KI1.t1 (5), in der K eine Konstante ist. Der Vergleicher 10 ist außerdem
mit einer Bezugsspannung Eo beaufschlagt, die von einer Bezugsspannungsquelle 11
erzeugt wird. Der Vergleicher 10 erzeugt ein Ausgangssignal, wenn die Spannung El
gleich der Referenzspannung Eo ist oder diese überschreitet. Das Ausgangssignal
des Vergleichers 10 wird einer Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 12 zugeführt.
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Das von dem einen akustischen Wandler 1a ausgesandte akustische Signal
breitet sich entlang eines Weges aus, wie er aus Fig. 1 ersichtlich ist, und erreicht
den anderen akustischen Wandler Ib nach einer Zeitdauer T1 nach seiner Aussendung.
Im akustischen Wandler Ib wird das akustische Signal in ein elektrisches Signal
umgesetzt, das einem Verstärker 9 zugeführt wird, der somit die Signalankunft erfaßt
und das Signal verstärkt.
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Das Ausgangssignal des Verstärkers 9 ist an die Zeitdifferenz-Meßeinrichtung
12 gelegt. Diese Einrichtung 12 ermittelt die Zeitdifferenz zwischen dem Ausgangssignal
des Verstrers 9 (dieses Signal enthält eine Information über den Augenblick, zu
dem das akustische Signal den anderen Wandler Ib erreicht) und dem Ausgangssignal
des Vergleichers 10 und erzeugt eine Ausgangsspannung, die der Zeitdifferenz proportional
ist. Diese Ausgangsspannung wird einer Anordnung 14 zugeführt, die eine Integrationsanordnung
enthält. Signale, die aus der Ausgangs spannung der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung
ausgetastet werden, sind dieser Integrationsanordnung zugeführt. Die Ausgangs spannung
der Integrationsanordnung ist als ein Korrektursignal dem Steuerbaren Stromgenerator
13 zugeführt, der aus einem Spannung-Strom-Umformer bestehen kann und der in den
Integrator 8 einen Strom einspeist, der proportional der Ausgangsspannung der Anordnung
14 ist. Auf diese Weise wird die Ausgangs spannung der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung
im Hinblick auf die Ausgangsspannung des Vergleichers korrigiert.
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Wie oben dargelegt wurde, ist das erfindungsgemäße Ultraschall-Strömungsmeßgerät
mit einer Rückkopplungsschleife versehen, die zur Steuerungdes Stromes I1 in Abhängigkeit
vom Ausgangssignal der Zeitdifferenz-
Meßeinrichtung 12 dient,
so daß die Zeitdifferenz gegen Null geht. Wenn die Verhältnisse in der Rückkopplungsschleife
stabil geworden sind und die Ausgangsspannung der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 12
Null ist, gilt folgende Beziehung T1 = t1 #' #'d (6) Aus den Gleichungen (4), (5)
und (6) läßt sich die Beziehung aufstellen
da El = Eo in diesem Falle ist. Wenn die Verzögerungszeit #d' des Verzögerungsgliedes
7 td ist, folgt aus Gleichung (7)
In ähnlicher Weise wird eine andere Laufzeit T2 ermittelt, indem die Betriebsweise
der akustischen Wandler 1a und Ib mittels einer nicht dargestellten Schaltung zur
Betriebsartumschaltung verändert wird, so daß nunmehr der akustische Wandler 1b
akustische Signale aussendet, während erz akustische Wandler 1a sie empfängt. In
diesem Falle ergibt sich mit der ermittelten Zeit T2 und einem Ausgangsstrom I2
des steuerbaren Stromerzeugers 13 bei stabilen Verhältnissen inner Rückkopplungsschleife
die Beziehung
Aus den Gleichungen (8) und (9) läßt sich die folgende Gleichung errechnen:
Aus Gleichung (10) geht hervor, daß die Differenz zwischen den
Strömen I1 und I2 der Strömungsgeschwindigkeit V des Fluid proportional ist. Daher
läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Strömungsmeßgerät die Strömungsgeschwindigkeit
oder der Durchfluß ermitteln.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 erzeugt der Taktgenerator
5 nicht nur ein Signal UT zum Starten einer Aussendung akustischer Impulse und das
Signal DS zum Starten des Verzögerungsgliedes 7, sondern auch ein Signal MS, mit
dem die Laufrichtung der akustischen Signale von der Richtung vom Wandler 1a zum
Wandler Ib umgekehrt wird; dieses Signal MS ist - wie das Diagramm A nach Fig. 4
zeigt - durch zwei Zustände gekennzeichnet. In Fig. 3 sind übrigens Teile, die mit
denen nach Fig. 2 übereinstimmen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein Betriebsartumschalter 15a ist zwischen dem Oszillator 6 und den
akustischen Wandlern 1a und 1b angeordnet. Dieser Umschalter 15a, der beispielsweise
aus elektronischen Schaltelementen besteht, wird durch das Betriebsart-Umschaltsignal
MS gesteuert. Ein anderer Betriebsartumschalter 15b, der auch aus elektronischen
Schaltelementen bestehen kann, ist zwischen den akustischen Wandlern 1a und 1b sowie
dem Verstärker 9 angeordnet und wird ebenfalls durch das Signal MS gesteuert.
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Das Signal UT zum Starten einer Aussendung akustischer Impulse wird
gleichzeitig mit der Veränderung des Signals MS erzeugt; es kann eine kurze Dauer
haben und beispielsweise mittels eines monostabilen Multivibrators erzeugt sein.
Der Oszillator 6 erzeugt auf .das Signal UT
ein in der Leistung
verstärktes Ausgangssignal, das Uber den Betriebsartumschalter 15a weitergeleitet
wird.
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Das Betriebsart-Umschaltsignal MS bestimmt, welcher der Wandler la
und Ib über den Betriebsartumschalter15a an den Ausgang des Oszillators 6 angeschlossen
ist.
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Einer der Wandler la oder ib sendet ein akustisches Signal aus, das
von dem jeweils anderen empfangen wird.
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Mit dem Betriebsart-Umschaltsignal MS wird außerdem der weitere Betriebsartumschalter
15b gesteuert, so daß dieser Schalter 15b die elektrische Ausgangsgröße des Wandlers
Ib oder 1a, der jeweils die akustischen Impulse empfängt, dem nachfolgenden Verstärker
9 zuführt.
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Die Ausgangsspannung der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 12 wird gesteuert
entweder der einen Integratinnsanordnung 14a oder 14b der Steueranordnung über einen
weiteren Betriebsartumschalter 15c zugeführt, der beispielsweise ebenfalls aus elektronischen
Schaltelementen bestehen kann. Die Ausgänge der Integrationsanordnungen 14a und
14b sind mit einem zusätzlichen Betriebsa=mschalter 15d verbunden, der ebenfalls
aus elektronischen Schaltelementen bestehen kann und dazu dient, die Ausgangsgröße
jeweils einer der bilden Integrationsanordnungen als Korrektursignal dem nachgeordneten
steuerbaren Stromerzeuger 13 zuzuführen. Die Ausgangsspannungen beider Integratbnsanordnungen
14a und 14b der Steueranordnung sind ferner an einen Ausgangsschaltkreis 16 des
Ultraschall-Strömungsmeßgerätes geführt, wobei dieser Schaltkreis beispielsweise
ein Differenzverstärker sein kann, um eine der Differenz der beiden Ausgangsspannungen
der Integrationsanordnung 14a und 14b entsprechende Meßgröße zu erzeugen. Die Differenz
der I zwischen diesen beiden Spannungen stellt die Meßgröße dar und ist der Strömungsgeschwindigkeit
oder
dem Durchfluß proportional; die Differenz OI ist proportiona;
der Differenz der beiden oben erwähnten Ströme I1 und I2.
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In einer Betriebsart wird die Ausgangsgröße des Oszillators 6 über
den einen Betriebsartumschalter 15a dem akustischen Wandler 1a zugeführt, der daraufhin
ein akustisches Signal abgibt, wie es im Diagramm B der Fig. 4 dargestellt ist.
Dieses akustische Signal wird empfangen und in ein elektrisches Signal durch den
anderen akustischen Wandir Ib umgeformt, wie es aus dem Diagramm C nach Fig. 4 hervorgeht.
Dieses elektrische Signal wird über den anderen Betriebsartumschalter 15b dem Verstärker
9 zugeführt und dort erfaßt, um dann der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 12 zugeführt
zu werden; in dieser wird ein Zeitdifferenz-Signal gemäß Diagramm G nach Fig. 4
erzeugt. Das verzögerte Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 7 (vgl. Diagramm
D der Fig. 4) startet den Integrator, der daraufhin die integrierte Ausgangs spannung
El erzeugt, deren Verlauf über der Zeit im Diagramm E der Fig. 4 gezeigt ist.
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Wenn diese Spannung El die Referenzspannung Eo berschreitet, erzeugt
der Vergleicher s ein Ausgangssignal (siehe Diagramm F nach Fig. 4 ), das der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung
12 zugeführt wird, so daß diese das Zeitdifferenz-Signal gemäß Diagramm G nach Fig.
4 erzeugt. Dieses Zeitdifferenz-Signal wird be denmeiteren Betriebsartumschalter
15c der einen Integrationsanordnung 14a der Steueranordnung zugeführt, die außerdem
mit einem Abtastsignal gemäß Diagramm H der Fig. 4 beaufschlagt . Die Integrationsanordnung
14a erzeugt daraufhin ein Ausgangssignal, dessen Verlauf über der Zeit im Diagramm
I der Fig. 4 wiedergegeben ist; dieses Ausgangssignal ist durch die Integrationszeit
bestimmt, die ihrerseits von dem Abtastsignal vorgegeben ist.
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Das Ausgangssignal der Integrationsanordnung 14a ist als Korrekturspannung
dem steuerbaren Stromerzeuger 13 über den zusätzlichen Betriebsartumschalter 15d
zugeführt.
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In der anderen Betriebsart führt der eine Betriebsartumschalter 15a
die Ausgangsgröße des Oszillators 6 dem anderen Wandler ib zu, worauf dieser ein
anderes akustisches Signal aussendet, das im Diagramm C der Fig. 4 gezeigt ist.
Daraufhin empfängt der Wandler la das im Diagramm B der Fig. 4 gezeigte Signal.
Der Integrator 8 erzeugt nun eine andere Ausgangsspannung E2, die im zweiten Teil
des Diagramms E der Fig. 4 dargestellt ist. Die Ausgangsspannung des Vergleichern
- siehe Diagramm F in Fig. 4 - ist nun im Abhängigkeit von der Ausgangs spannung
E2 erzeugt und der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 12 zugeführt, so daß ein anderes
Zeitdifferenz-Signal entsteht, wie es im zweiten Teil des Diagramms G der Fig. 7
gezeigt ist. Dieses Signal ist über den weiteren Betriebsartumschalter 15c der anderen
Integrationsanordnung 14b der Steueranordnung zugeführt.
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Daraufhin erzeugt diese andere Intergrationsanordnung 14b das im Diagramm
J der Fig. 4 erzeugte Signal infolge einer Zeitdauer, die durch das Abtastsignal
nach Diagramm H der Fig. 4 vorgegeben ist. Die Ausgangsgröße der anderen Integrationsanordnung
14b ist als Korrektursignalauch dem steuerbaren Stromerzeuger 13 über den zusätzlichen
Betriebsartuischalter 15d zugeführt.
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Die von den Integrationsanordnungen 14a und 14b erzeugt ten Korrektursignale
sind den oben erwähnten Stromen 11 und I2 proportional, so daß die Differenz beider
Korrektursignale, die am Ausgang. des Ausgantsschaltkreises 16 auftritt, im Hinblick
auf den oben
dargelegten Sachverhalt der Strömungsgeschwindigkeit
und dem DurchfluB proportional ist.
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Das Betriebsart-Umschaltsignal MS sollte eine Periode aufweisen, die
mehr als zweimal so lang wie die Laufzeiten T1 oder T2 der akustischen Signale sind,
da das Signal MS die Betriebsart der geschlossenen Rückkopllungsschleife des Gerätes
ändern soll.
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Bei dem Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach den Figuren 2 bis 4 oder
bei Ultraschall-Strömungsgeräten in TLL-Technik werden Reziprokwerte der Laufzeiten
der akustischen Impulse zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit oder des Durchflusses
benutzt, wobei die Beziehung zwischen der gewonnenen Ausgangsmengröße und der Strömungsgeschwindigkeit
durchtolgende Gleichung gegeben ist
In dieser Formel bedeuten X die Ausgangsmeßgröße, Ko einen Koeffizienten, e den
Brechungswinkel, D den inneren Durchmesser des Rohres 3 und V die Strömungsgeschwindigkeit
des Strömungsmittels 4. Der Ausdruck sin2 kann auch durchtolgende Beziehung dargestellt
werden sinne = 2sinEcosi (12) Benutzt man C zur Kennzeichnung der Schallgeschwindigkeit
bei Stillstand des Strömungsmittels 4, dann läßt sich die Laufzeit t eines akustischen
Impuls54urch die Strömung mittels folgender Gleichung darstellen
Nimmt man an, daß der Werkstoff Prismen 2a und 2b derselbe ist
wie der des Rohres 3, und bezeichnet man die Schallgeschwindigkeit in diesem Werkstoff
mit C1 und den Einfallswinkel des Ultraschall-Strahls mit # entsprechend Fig.1,
dann ist die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel 4 und dem Brechungswinkel e gegeben
durch das Brechungsgesetz von Snellius
Aus Gleichung (12) ergibt sich mit Gleichung (14)
Aus den Gleichungen (11) und (15) folgt dann
Wenn der Ausdruck von
gemäß Gleichung (16) konstant und unabhängig von der Temperatur des Strömungsmittels
4 gehalten werden kann, dann ist der Einfluß von Änderunge&es Brechungswinkels
vollständig kompensiert.
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Bei einem Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach dem Ausführungsbeispiel
gemäß den Figuren 3 und 4 ist der Koeffizient Ko und die Ausgangsmeßgröße X durch
die folgenden Gleichungen gegeben Ko = Eo/K (17) X = I2 - 12 (18)
Für
derartige Ultraschall-Strömungsmeßgeräte läßt sich dann die folgende Beziehung aufstellen
Anhand der Gleichungen (8) und (9) sind die Werte für die Ströme I1 und I2 gegeben
Daraus folgt
Dies wiederum führt anhand der Gleichungen (13) und (22) zu der Beziehung
Aus den Gleichungen (13) und (19) folgt
Wenn daher bei einem Ultraschall-StrömungsmeBgerät nach den Figuren 2 bis 4 beispielsweise
der Wert von I1 + 12 konstant gehalten wird, hängt der Fehler in der die Strömungsgeschwindigkeit
angebenden Meßgröße 11 - 12 nur von Änderungen der Schallgeschwindigkeit C1 in den
Prismen la und Ib und in der Wand des Rohres 3 ab.
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Berücksichtigt man nun die Werte nach Tabelle 1, dann ergibt sich
Dies bedeutet einen Fehler von nur noch 0.0155 , pro 1 0C. Damit ist nachgewiesen,
daß bei dem dargestellten Ultraschall-Strömungsmeßgerät bei einem Konstanthalten
der Summe I1 + I2 ein Meßfehler durch Änderung des Brechungswinkels praktisch vermieden
ist.
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Bei einem Ultraschall-Strömungsmeßgerät mit diesen vorteilhaften Eigenschaften
nach Fig. 5 - in der übrigens Teile, die mit denen nach Fig. 3 übereinstimmen, mit
gleichen Bezugszeichen versehen sind - ist zusätzlich eim Addierschaltung 17 als
Einrichtung zur Erfassung von den Reziprokwerten der Laufzeiten entsprechenden Größen
und eine Anordnung 18 zur Einstellung der Referenzspannung vorgesehen. Die Addierschaltung
17 bildet die Summe der Ausgangsspannungen der Integrationsanordnungen 14a und 14b;
diese Ausgangsspannungen sind linear proportional zu den Strömen I1 und I2.
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Die Ausgangsspannung der Addierschaltung 17 ist der Anordnung 18 zu
Einstellung der Referenzspannung zugeführt. Diese Anordnung 18 verändert ihre Ausgangsspannung
entsprechend der Eingangsspannung, wodurch die Referenzspannung für den Vergleicher
10 so geändert wird, daß die Ausgangsspannung der Addierschaltung 17 gleich der
Ausgangsspannung der Referenzspannung8~ quelle 11 ist. Durch die Addierschaltung
17 und die Anordnung 18 zur Einstellung der Referenzspannung kann die Summe der
Ausgangsspannungen der Integrationsanordnungen 14a und 14b unabhängig von der Schallgeschwindigkeit
im Strömungsmittel 4 konstant gehalten
werden, wodurch auch die
Summe der Ströme I1 und I2 konstant gehalten wird Die Anordnung 18 zur Einstellung
der Referenzspannung sollte eine wesentlich geringere Ansprechschnelligkeit als
der Hauptschaltkreis mit den Schaltungseinheiten 5 bis 16 gemäß den Figuren 2 bis
5 aufweisen. Grund dafür ist, daß es zur Stabilität der Rückkopplungsschleife besser
ist, eine Anordnung 18 zu haben, die sucht auf Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit
V anspricht. Eine niedrige Ansprechgeschwindigkeit der Anordnung 18 ist auch wünschenswert,
da Temperaturänderungen im allgemeinen nicht sehr schnell ablaufen.
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Wie die obigen Betrachtungen zeigen, läßt sich bei Prismen 2a und
2b und eine4tohr 3 aus Eisen bei einem Strömungsmittel Wasser bei Temprraturänderungen
in einem Bereich zwischen 0 0C und 50 0C entsprechend den Bedingungen gemäß Tabelle
1 ein Meßfehler von 0,78 , erreichen. Dies entspricht einem Fehler von 0,015 % pro
1 0C Wassertemperaturänderung. Der Meßfehler ist damit verglichen mit Ultraschall-Strömungsmeßgeräten
bekannter Ausführung um eine Größenordnung verringert, so daß mit dem erfindungsgemäßen
Strömungsmeßgerät auch bei Rohren mit kleinem Durchmesser in einem weiten Temperaturbexich
gemessen werden kann.
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Wie oben bereits erwähnt, läßt sich die Erfindung nicht nur bei einem
Ultraschall-Strömungsmeßgerät anwenden, wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist,
sondern auch bei UltraschaIAMeßgeräten in TLL-Technik. In einem solchen Fall wird
dann das Meßgerät mit zusätzlichen Schaltungsmitteln versehen, um die Summe von
Frequenzen f1 und f2 konstant zu halten. Dabei stellt die Frequenz f1 den Reziprokwert
einer Laufzeit eines akustischen Impulses beispielsweise in Strömungsrichtung und
die
Frequenz f2 den Reziprokwert der Laufzeit eines akustischen
Impulses in Gegenrichtung dazu dar.
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Ferner hat sich gezeigt, daß nicht unbedingt zur Erzielung der oben
beschriebenen Vorteile die Summe der Ströme I1 und I2 konstant gehalten werden muß,
sondern daß es in drr Praxis vielfach ausreicht nur) den einen Strom I1 oder den
anderen Strom I2 konstant zu halten. Entsprechend sind dann Schaltungsmittel vorzusehen,
um entweder den Strom I1 oder den Strom I2 konstant zu halten.