DE2947325A1

DE2947325A1 - Ultrasonic technique for fluid flow speed measurement - using three sound converters fixed to prisms, two on one side of flow tube and electronic circuit to compensate for time delays

Info

Publication number: DE2947325A1
Application number: DE19792947325
Authority: DE
Inventors: Tokio Hino; Masaru Dipl Ing Kouno; Yukio Dipl Ing Nakagawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1978-11-22
Filing date: 1979-11-22
Publication date: 1980-06-12
Also published as: JPS5570715A

Abstract

In one example of the ultrasonic pick-up unit, two acoustic converters (1a, 1b) are mounted on an oblique face of a corresponding prism (2a, 2b) on either side of a hollow tube (3). The converters are typically of the Pb-Zr-Ti type. A fluid (4) flowing through the tube with a velocity V at an angle THETA to the normal to the light path, leads to a sound transit time, in addition to the delay time in the prisms, of T1(T2) = D/cost (C+Vsin THETA), where C is the sound velocity and the positive (negative) sign is taken for T1(T2) depending on the direction of fluid flow. Improved accuracy is obtained by adding a third prism abutting against the first (2a) so that an additional signal is obtained from reflection from the internal face of the hollow tube. The compensation signal is fed into the external electronic circuit, with a delay unit, a compensation circuit and an integrator.

Description

Ultras chall-Strömunqsmsß qerätUltrasound flow rate device

Zur Strömungsmessung, d.h. zur Messung des Durchflusses oder der Strömungsgeschwindigkeit, werden häufig Strömungsflesser mit Venturirohr oder elektromagnetische Strömungsmesser eingesetzt. Derartige Strömungsmesser sind in den Herstellungskosten vor allem dann aufwendig, wenn sie rir Rohre mit verhältnismäßig großem Durchmesser eingesetzt werden; der Aufwand an Material erhöht sich namlich proportional mit dem Durchmesser des Rohres. Anders sieht es bei akustischen Strömungsme3geräten aus, weil bei ihnen in vorteilhafter Weise der Aufwand zur das Material im wesentlichen unabhängig vom Rohrdurchmesser ist; daritberhinaus haben akustische Strömungsmeßgeräte den Vorteil, daß sie in Anlagen montiert werden können, ohne daß diese außer Betrieb gesetzt werden m'tssen. Dartlberhinaus zeigen akustische Strömungsmeßgeräte ein verhältnismäßig schnelles Ansprechen, was ihren Einsatz f<r verschiedene praktische Anwendung-«fälle günstig erscheinen läßt.For flow measurement, i.e. for measuring the flow rate or the flow velocity, are often flow ellers with Venturi tubes or electromagnetic flow meters used. Such flow meters are mainly in the manufacturing cost expensive when used for pipes with a relatively large diameter will; the amount of material used increases proportionally with the diameter of the pipe. The situation is different with acoustic flow meters, because with them in an advantageous manner, the cost of the material is essentially independent of the Pipe diameter is; In addition, acoustic flow meters have the advantage that they can be installed in systems without putting them out of operation must be. In addition, acoustic flow meters show a relatively high level of performance quick response, what their use for various practical applications makes it seem cheap.

Ein bekanntes Ultraschall-Strömungsmeßgerät arbeitet nach der sogenannten Sing-Around-Methode und ist mit einem Paar akustischer Wandler versehen, die schräg zur Strömungsrichtung einander gegenuberliegend 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. £ 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 zat. 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 f1 und f2 der Impulsfolgen; die Frequenzdifferenz f läßt sich durch folgende Gleichung beschreiben » f - f2 2 = (1) In dieser Gleichung bedeutet L die Entfernung zwischen den beiden akustischen Wandlern und V die Strom mungsgeschwindigkeit. Die Sing-Around-Methode hat den Nachteil, daß sie mit Meßfehlern aufgrund zusStzlicher Laufzeiten der akustischen Signale außerhalb der eigentlichen Strömung behaftet ist, beispielsweise in der Wandung eines die Strömung führenden Rohres.A known ultrasonic flow meter works according to the so-called Sing-around method and is provided with a pair of acoustic transducers that are inclined are arranged opposite one another to the direction of flow. First one sends from the two acoustic transducers an acoustic signal into the flow, whereupon an electrical impulse is generated by the other acoustic transducer when that emitted acoustic signal has reached. £ the electrical impulse of the recipient acoustic transducer is another acoustic pulse from one transducer generated back, so that a pulse train is produced, which has a period equal to the transit time tl of the acoustic signals in one direction zat. After that change the acoustic Converter their send and receive function, so that another pulse train is generated whose period is equal to a time period t2, that of the running time of the acoustic Signals in the opposite direction. The reciprocal values of the running times t1 and t2 are frequencies f1 and f2 of the pulse trains; the frequency difference f leaves describe yourself by the following equation »f - f2 2 = (1) In this equation means L is the distance between the two acoustic transducers and V is the flow rate. The sing-around method has the disadvantage that it is associated with measurement errors due to additional Run times of the acoustic signals outside the actual flow afflicted is, for example in the wall of a pipe guiding the flow.

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.Another method is therefore already known, that of a phase synchronization circuit used to the To convert running times into frequencies, whereby a Delay circuit was introduced to add the above mentioned To compensate for runtimes.

Diese Methode wird als TLL (Time Locked Loop)-TechniX bezeichnet. In der Zeitschrift 'wFuJi Electric Journal" Vol. 48, Nr. 2, Seiten 29 bis 38 ist sowohl die TLL-Technik als auch die oben behandelte Sing-Around-Methode beschrieben.This method is known as TLL (Time Locked Loop) TechniX. In the magazine "wFuJi Electric Journal" Vol. 48, No. 2, pages 29-38 is both the TLL technique and the sing-around method discussed above are described.

Bei einem Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach der TLL-Technik ist einegesi1ossene 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 Enpfangssignal wird der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung zugeführt. Auf diese Weise wird eine Zeitdifferenz zwischen den beiden Ausgangssignalen ermittelt. Das Verzögerungsglied verzögert das Signal um eine Zeitdauer 7d, 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 f f läßt sich aann durch folgende Gleichung beschreiben Af = f1 - f2 = N.sin 2# .V (2) 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.In the case of an ultrasonic flow meter using the TLL technology, there is a sealed Loop provided in an electrical circuit arrangement with which the frequency f a voltage controlled oscillator is controlled to a certain period of time for counting a predetermined number N of oscillations of an output oscillator equal to the transit time of the acoustic impulses in the flow. To this Purposes, the known ultrasonic measuring device is provided with a counter that always then generates a signal when it has the predetermined number N of oscillations of the Oscillator counted. The output signal of the counter is sent via a delay element fed to a time difference measuring device. A receiving acoustic transducer generates a receive signal when it receives an acoustic signal. The reception signal is fed to the time difference measuring device. This way there will be a time difference determined between the two output signals. The delay element delays the signal by a period of time 7d, this time interval d being chosen so that it equals the additional transit time of the acoustic impulses outside the flow is so that the output of the time difference measuring device is given by N / f - t. The frequency difference f f can then be described by the following equation Af = f1 - f2 = N.sin 2 # .V (2) In this equation, D denotes the diameter of the the flow leading pipe and e an angle between the direction of travel of the acoustic Pulses in the flow and in a direction transverse to the direction of flow.

Auf diese Weise wird dann einFrequenzsignal gewonnen, das der Strömungsgeschwindigkeit V proportional ist.In this way, a frequency signal is then obtained which corresponds to the flow velocity V is proportional.

Falls der Durchfluß ermittelt werden soll, kann man ihn durch multiplizieren der Strömungsgeschwindigkeit V mit der Querschnittsfläche des die Strömung filhrenden Rohres ermitteln.If the flow is to be determined, it can be multiplied by the flow velocity V with the cross-sectional area of the flow leading Determine the pipe.

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.Ultrasonic flow meters in TLL technology have the advantage of a greater measurement accuracy compared to devices using the sing-around method, because with them only the running time in the flow is taken into account.

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.Ultrasonic measuring devices in TLL technology, however, have the disadvantage that they use a rather complex circuit structure for converting the running time into frequencies require; the same applies to the sing-around technique. The relatively complicated one Circuit design leads to a considerable amount of effort in production.

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.This effort would have to be increased even more, albeit with currents in pipes with a relatively small diameter with comparable measuring accuracy as to be determined in pipes with a large diameter. This sets one up considerably more accurate implementation of the running time in frequencies ahead, reducing the manufacturing costs for ultrasonic flow meters for pipes with a relatively small diameter would increase significantly.

Wie oben bereits erwähnt wurde, haben Ultraschall-Strömungsmeßgeräte in TLL-Technik den Vorteil, daß sie in einfacher Weise auf Rohle bereits installierter Anlagen montiert werden können. Die akustischen Wandler derartiger Ultraschall-Strömungsmeßgeräte sind dann außen an dem Rohr befestigt. Eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit unter BrrUcksichtigung der Laufzeiten der Ultraschall-Signale erfaßt dann nicht nur die Laufzeiten in Strömungsmittel, sondern auch die Laufzeiten in Prismen 2a und 2b sowie in der Wand eines Rohres 3, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist. Die letzteren Laufzeiten verursachen Meßfehler. Es ist daher bekannt, zur Korrektur der Meßergebnisse einen vorausberechneten Meßfehler bei einer bestimmten Temperatur bei der oben erwähnten Sing-Around-Methode anzunehmen, oder bei der TLL-Technik in einem zusätzlichen Schaltkreis des Meßgerätes die ermitteltenLaufzeiten durch errechnete Werte bei einer bestimmten Temperatur richtig zu stellen.As mentioned above, ultrasonic flow meters have in TLL technology has the advantage that it is already installed in a simple manner on Rohle Systems can be assembled. The acoustic transducers of such ultrasonic flow meters are then attached to the outside of the pipe. A measurement of the flow rate taking into account the transit times of the ultrasonic signals then not recorded only the transit times in fluid, but also the transit times in prisms 2a and 2b and in the wall of a pipe 3, as can be seen from FIG. the the latter running times cause measurement errors. It is therefore known to correct it of the measurement results a precalculated measurement error at a certain temperature to be assumed in the above-mentioned sing-around method, or in the TLL technique the determined transit times in an additional circuit of the measuring device correct calculated values at a certain temperature.

Im Falle von Rohren mit einem ziemlich großen Durchmesser über etwa 300 mm kann die TLL-Technik Anforderungen an die Genauigkeit für Fehlers -+1,5 % genügen sogar unter der Annahme, daß die zusätzlichen Laufzeiten unabhängig von Temperaturändenngen bleiben, da die zusätzlichen Laufzeiten erheblich kürzer als die Laufzeiten im Strömungsmittel bei diesen Rohrdurchmessern sind; die zusätzlichen Laufzeiten betragen etwa 1/10 der Laufzeiten im Strömungsmittel.In the case of pipes with a fairly large diameter about about 300 mm, the TLL technology can meet requirements for accuracy for error - + 1.5% are sufficient even under the assumption that the additional running times are independent of Temperature changes remain, as the additional running times are considerably shorter than are the transit times in the fluid at these pipe diameters; the additional Running times are about 1/10 of the running times in the fluid.

In einem Rohr mit kleinem Durchmesser hingegen können die zusätzlichen Laufzeiten etwa halb so groß werden wie die Laufzeiten im Strömungsmittel oder sogar noch größer. Dann lassen sich mit der bekannten Technik die Genaulgkeitsanforderungen unter den verschiedenen Tem- peraturbedingungen nicht mehr erfüllen.In a pipe with a small diameter, however, the additional Run times are about half as long as the run times in the fluid or even even bigger. Then the accuracy requirements can be met with the known technology under the different tem- no longer meet temperature conditions.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Strömungsmeßerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so fortzubilden, daß eine genaue Messung auch in Rohren mit kleinem Durchmesser möglich ist, indem der Einfluß von Temperaturänderungen auf die zusätzlichen Laufzeiten außerhalb des Strömungsmittels ausgeschaltet wird.The invention is therefore based on the object of an ultrasonic flow meter according to the preamble of claim 1 so that an accurate measurement even in pipes with a small diameter is possible by the influence of temperature changes is switched off on the additional running times outside of the fluid.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das oben angegebene Ultraschall-Meßgerät erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 ausgebildet. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Ultraschall-Meßgerätes nach dem Patentanspruch 1 ergeben sich aus den Ansprüchen *is 4.The above-mentioned ultrasonic measuring device is used to solve this problem designed according to the invention in accordance with the characterizing part of claim 1. Particularly advantageous embodiments of the ultrasonic measuring device according to the patent claim 1 result from claims * is 4.

Eine weitere vorteilhafte Lösung der oben angegebenen Aufgabe wird bei einem Ultraschall-Strömungsmeßgerät der angegebenen Art durch Ausbildung entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruchs 5 erreicht.Another advantageous solution to the above problem is in an ultrasonic flow meter of the specified type by training accordingly the characteristic of claim 5 achieved.

Aus den Ansprüchen 6 bis 16 ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen der Ausführungen des erfindunsgemäBen Ultraschall-Strömungsmeßgerätes nach den vorgeordneten Ansprüchen.Advantageous developments result from claims 6 to 16 the designs of the ultrasonic flow measuring device according to the invention according to the preceding Claims.

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 des Ultraschall-Strömungsmeßgerätes mit ebenfalls besonders guter Eignung zur Anwendung der Erfindung, in Fig. 4 eine Darstellung mit mehreren Diagrammen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig, 3, in Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, in Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßgerätes mit den im Rahmen der Erfindung interessierenden Schaltungsteilen und in Fig. 7 ein weiteres Auführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschall-Strömungsmeßgerätes dargestellt.An exemplary embodiment is shown in FIG. 2 for a more detailed explanation of the invention a basic version of an ultrasonic flow meter shown in which the invention can be used with particular advantage, in FIG. 3 a further one Embodiment of the ultrasonic flow meter with also special good suitability for applying the invention, in 4 shows an illustration with several diagrams to explain the mode of operation of the exemplary embodiment according to FIG. 3, in FIG. 5 an embodiment according to the invention, in FIG. 6 a Embodiment of the measuring device according to the invention with the within the scope of the invention circuit parts of interest and in FIG. 7 a further exemplary embodiment of the ultrasonic flow meter according to the invention shown.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist ein Ultraschall-Strömungsmeßgerät mit akustischen Wandlern 1a und 1b versehen, die aufeinander gegenüberliegenden 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 1 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 la zum gegenüberliegenden anderen Wandler 7b in Strömungsrichtung läßt sich durch folgende Gleichung beschreiben D/cos # T1 = C + V.sin # + #d (3) 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 und 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 la vom gegenüberliegenden Wandler ib in Richtung entgegen der Strömung ist gegeben durch folgende Gleichung T2 = D/cos#/C - V.sin# + #d (4) Das AusführungsbeispielnachFig. 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 zugefUhrt, 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.As shown in FIG. 1, an ultrasonic flow meter is included acoustic transducers 1a and 1b provided, the mutually opposite sides a wall of one Tube 3 are arranged so that a path for an acoustic pulse is formed across the flow; with the acoustic Converters can be, for example, lead-zirconium-titanium converters. A acoustic pulse emitted from the transducer 1a passes through a prism 2a and the wall of the tube 1 then passes through the flow 4 at an angle and reaches it through the opposite wall of the tube 3 and another prism 2b the opposite other converter 1b. The transit time T1 for the acoustic pulse from one transducer la to the opposite other transducer 7b in the direction of flow can be through Describe the following equation D / cos # T1 = C + V.sin # + #d (3) in this equation D denotes the inner diameter of the pipe 3, C the speed of sound im Fluid 4, when it is at a standstill, V is the flow velocity of the fluid 4 and the sum of additional transit times of the acoustic signals in the prisms 2a and 2b as well as in the walls of the pipe 3. The other transit time T2 for acoustic impulses to the acoustic transducer la from the opposite transducer ib in the opposite direction the flow is given by the following equation T2 = D / cos # / C - V.sin # + #d (4) The embodiment shown in FIG. 2 contains a clock generator 5, which is a signal UT generated, with which an acoustic impulse transmission is started; also generated the clock generator 5 a signal DS with which a delay begins. The signal UT is fed to an oscillator 6, which is thereby excited so that the first Converter 1a an acoustic signal sends out. The signal DS is a delay element 7 supplied so that this an output signal after a Time interval td! generated. The delay element 7 can be constructed in the usual way be, for example a constant current source, a capacitor-resistor arrangement and contain a comparator. The output of the delay element 7 is with a Integrator 8 connected.

Der Integrator kann integrierende Schaltungsmittel und einen elektronischen Schalter enthalten. Wenn vom Verzögerungsglied 7 ein Signal nicht zugeführt wird, wird ein Strom 11 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 - K.I1.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 0 wird einer Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 12 zugeführt.The integrator can have integrating circuit means and an electronic one Switch included. If a signal is not supplied by the delay element 7, is a current 11 of a controllable power generator 13 through the electronic switch locked. If the output signal of the delay element 7 is at the integrator 8, the electronic switch is actuated and the integration of the current begins I1. The resulting output voltage El at the integrator is used in a comparator 10 supplied. It denotes the moment at which the integrator 8 of the delay element 7 of the output signal receives as zero and the output voltage of the integrator 8 at this time also as zero, then the output voltage El des Integrator 8 described after a time interval tl by the following relationship become: El - K.I1.t1 (5), in which K is a constant. The comparator 10 is also applied to a reference voltage Eo, which is provided by a reference voltage source 11 is produced. The comparator 10 generates an output signal when the voltage El equals or exceeds the reference voltage Eo. The output signal of the comparator 10 0 is fed to a time difference measuring device 12.

Das von dem einen akustischen Wandler la 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 7b wird das akustische Signal in ein elektrisches Signal umgesetzt, das einem Verstarker 9 zugeführt wird, der somit die Signalankunft erfaßt und das Signal verstärkt.The acoustic signal emitted by the acoustic transducer la propagates along a path, as can be seen from Fig. 1, and reaches the other acoustic transducer Ib after a period of time T1 after its transmission. In the acoustic converter 7b, the acoustic signal is converted into an electrical signal implemented, which is fed to an amplifier 9, which thus detects the signal arrival and amplifies the signal.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 9 ist an die Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 12 gelegt. Diese Einrichtung 12 ermittelt die Zeitdifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Verstärkers 9 (dieses Signal enthält eine Information über den Augenblick, zu dem das akustische Signal -den anderen Wandler 7b 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 Ausgangsspannung der Integrationsanordnung ist als ein Korrektursignal dem Steuerbaren Strom generator 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 Ausgangs spannung des Vergleichers korrigiert.The output signal of the amplifier 9 is sent to the time difference measuring device 12 placed. This device 12 determines the time difference between the output signal of the amplifier 9 (this signal contains information about the moment, too which the acoustic signal reaches the other transducer 7b) and the output signal of the comparator 10 and generates an output voltage proportional to the time difference is. This output voltage is fed to an arrangement 14, which is an integration arrangement contains. Signals from the output voltage of the time difference measuring device are blanked are fed to this integration arrangement. The output voltage the integration arrangement is as a correction signal to the controllable current generator 13 supplied, which can consist of a voltage-current converter and which is in the Integrator 8 feeds a current that is proportional to the output voltage of the arrangement 14 is. In this way, the output voltage of the time difference measuring device corrected with regard to the output voltage of the comparator.

Wie oben dargelegt wurde, ist das erfindungsgemäße Ultraschall-Strömungsmeßgerät mit einer Rückkopplungsschleife versehen, die zur SteuerunMes Stromes I1 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Zeitdifferenz- Meßeinrichtung 12 dient, so daß die Zeitdifferenz gegen Null geht. Wenn die Verhältnisse in der RUckkopplungsschleife stabil geworden sind und die Ausgangs spannung der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 12 Null ist, gilt folgende Beziehung T1 = t1 + #'d (6) Aus den Cleichungen (4), (5) und (6) läßt sich die Beziehung aufstellen Dcos e +#d = Eo . 1 +# d' (7) C + V.sin# KI1 da El = Eo in diesem Falle ist. Wenn die Verzögerungszeit #d' des Verzögerungsgliedes 7 td ist, folgt aus Gleichung (7) D/cos e = Eo . 1 (8) C + V.sin# K I1 In ähnlicher Weise wird eine andere Laufzeit T2 ermittelt, indem die Betriebsweise der akustischen Wandler 1a und 1b mittels einer nicht dargestellten Schaltung zur Betriebsartumschaltung verändert wird, so daß nunmehr der akustische Wandler 1b akustische Signale aussendet, während der akustische Wandler 1a sie emempfängt. In diesem Falle ergibt sich mit der ermittelten Zeit T2 und einem Ausgangsstrom I2 des steuerbaren Stromerzeugers 13 bei stabilen Verhältnissen inder Rückkopplungsschleife die Beziehung D/cos 0 = Eo 1 (9) C - V.sin # K I2 Aus den Gleichungen (8) und (9) läßt sich die folgende Gleichung errechnen: 11 - I2 - Eo.sin2# . V (10) K.D 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.As stated above, the ultrasonic flow meter of the present invention is provided with a feedback loop, which is used to control the current I1 as a function of from the output signal of the time difference Measuring device 12 is used, so that the time difference tends to zero. When the ratios are in the feedback loop have become stable and the output voltage of the time difference measuring device 12 is zero, the following relationship applies T1 = t1 + # 'd (6) From the equations (4), (5) and (6) the relationship can be established Dcos e + # d = Eo. 1 + # d '(7) C + V.sin # KI1 since El = Eo in this case. If the delay time #d 'of the delay element 7 td follows from equation (7) D / cos e = Eo. 1 (8) C + V.sin # K I1 In a similar way Way, a different transit time T2 is determined by changing the operating mode of the acoustic Converters 1a and 1b by means of a circuit, not shown, for switching the operating mode is changed so that now the acoustic transducer 1b emits acoustic signals, while the acoustic transducer 1a receives them. In this case it results with the determined time T2 and an output current I2 of the controllable power generator 13 the relationship D / cos 0 with stable conditions in the feedback loop = Eo 1 (9) C - V.sin # K I2 From equations (8) and (9), the following can be derived Calculate the equation: 11 - I2 - Eo.sin2 #. V (10) K.D From equation (10) it can be seen that the difference between the currents I1 and I2 is the flow velocity V is proportional to the fluid. Therefore, with the ultrasonic flow meter according to the invention determine the flow velocity or the flow rate.

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 NS, 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.In the embodiment of FIG. 3, the clock generator generates 5 not just a signal UT to start a transmission of acoustic impulses and that Signal DS to start the delay element 7, but also a signal NS, with which the direction of travel of the acoustic signals from the direction from the transducer 1a to Converter ib is reversed; this signal MS is - like diagram A according to FIG. 4 shows - characterized by two states. Incidentally, in Fig. 3 parts with correspond to those of FIG. 2, provided with the same reference numerals.

Ein Betriebsartumschalter 15a ist zwischen dem Oszillator 6 und den akustischen Wandiern 1a und Ib angeordnet. Dieser Umschalter 15a, der beispielsweise aus elektronischen Schaltelementen besteht, wird durch das Betriebsart-Umschaltsignal 4s gesteuert. Ein anderer Betriebsartumschalter 15b, der auch aus elektronischen Schaltelementen bestehen kann, ist zwischen den akustischen Wandlern la und 7b sowie dem Verstärker 9 angeordnet und wird ebenfalls durch das Signal MS gesteuert.A mode switch 15a is between the oscillator 6 and the acoustic wandering 1a and Ib arranged. This switch 15a, for example consists of electronic switching elements, is activated by the operating mode switchover signal 4s controlled. Another mode switch 15b, which is also made up of electronic Switching elements can exist between the acoustic transducers la and 7b as well the amplifier 9 and is also controlled by the signal MS.

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 über den Betriebsartumschalter 15a weitergeleitet wird.The signal UT for starting a transmission of acoustic pulses is generated simultaneously with the change in the signal MS; it can be of a short duration have and be generated for example by means of a monostable multivibrator. The oscillator 6 generates the signal UT one in performance amplified output signal which is passed on via the mode switch 15a will.

Das Betriebsart-Umschaltsignal MS bestimmt, welcher der Wandler 1a und Ib über den Betriebsartumschalter15a an den Ausgang des Oszillators 6 angeschlossen ist.The operating mode switchover signal MS determines which of the transducers 1a and Ib connected to the output of the oscillator 6 via the mode switch 15a is.

Einer der Wandler 1a oder Ib sendet ein akustisches Signal aus, das von dem jeweils anderen empfangen wird.One of the transducers 1a or Ib sends out an acoustic signal that is received by the other.

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.With the operating mode switchover signal MS, the further operating mode switch is also activated 15b controlled so that this switch 15b the electrical output of the converter Ib or 1a, each of which receives the acoustic impulses, the subsequent amplifier 9 feeds.

Die Ausgangsspannung der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 12 wird gesteuert entweder der einen Integratiansanordnung 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 Betriebsafumschalter 15d verbunden, der ebenfalls aus elektronischen Schaltelementen bestehen kann und dazu dient, die Ausgangsgröße jeweils einer der'weiden Integrationsanordnungen als Korrektursignal dem nachgeordneten steuerbaren Stromerzeuger 13 zuzuführen. Die Ausgangsspannungen beider Integratbnsanordnunger. 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 ZI zwischen diesen beiden Spannungen stellt die Meßgröße dar und ist der Strömungsgeschwindigkeit oder dem Durchfluß proportional; die Differenz OI ist proportional der Differenz der beiden oben erwähnten Ströme I1 und I2.The output voltage of the time difference measuring device 12 is controlled either the one integrating arrangement 14a or 14b of the control arrangement via one further mode switch 15c supplied, for example also from electronic Switching elements can exist. The outputs of the integration arrangements 14a and 14b are connected to an additional operating switch 15d, which is also can consist of electronic switching elements and is used to control the output variable in each case one of the 'willow integration arrangements as a correction signal to the downstream one feed controllable power generator 13. The output voltages of both integrating arrangements. 14a and 14b of the control arrangement are also connected to an output circuit 16 of the Ultrasonic flow meter out, this circuit for example a differential amplifier can be used to measure one of the difference between the two output voltages the integration arrangement 14a and 14b corresponding measured variable. The difference the ZI between these two voltages represents the measurand and is the flow velocity or proportional to the flow; the difference OI is proportional the difference between the two currents I1 and I2 mentioned above.

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 3etriebsartumschalter 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 Ausgangsspannung El erzeugt, deren Verlauf über der Zeit im Diagramm E der Fig. 4 gezeigt ist.In one mode of operation, the output of the oscillator 6 is about the one mode switch 15a fed to the acoustic transducer 1a, which thereupon emits an acoustic signal, as shown in diagram B of FIG. This acoustic signal is received and converted into an electrical signal by the formed another acoustic Wandir Ib, as can be seen from the diagram C of FIG. This electrical signal is sent to the amplifier via the other mode switch 15b 9 supplied and detected there, in order then to the time difference measuring device 12 supplied to become; in this a time difference signal according to diagram G according to FIG. 4 generated. The delayed output signal of the delay element 7 (see diagram D of Fig. 4) starts the integrator, which thereupon the integrated output voltage El generated, the course of which is shown over time in diagram E of FIG.

Wenn diese Spannung El die Referenzspannung Eo über schreitet, erzeugt der Vergleicher t 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 wirdiber den witeren Betriebsartumschalter 15c der einen Integrationsanordnung 14a der Steueranordnung zugeführt, die außerdem mit einem Abtastsignal gemäß Diagramm H der Fig. 4 beaufschlagt Xt. 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.When this voltage El exceeds the reference voltage Eo, generated the comparator t has an output signal (see diagram F according to FIG. 4), that of the time difference measuring device 12 is supplied, so that this the time difference signal according to diagram G of Fig. 4 generated. This time difference signal is transmitted via the other operating mode switch 15c of the one integration arrangement 14a of the control arrangement, which also a scanning signal in accordance with diagram H of FIG. 4 is applied to Xt. The integration arrangement 14a then generates an output signal, the course of which over time in the diagram I of Figure 4 is reproduced; this output signal is due to the integration time determined, which in turn is predetermined by the scanning signal.

Das Ausgangssignal der Integrationsanordnung 14a ist als Korrekturspannung dem steuerbaren Stromerzeuger 13 über den zusätzlichen Betriebsartumschalter 15d zugeführt.The output signal of the integration arrangement 14a is a correction voltage the controllable power generator 13 via the additional mode switch 15d fed.

In der anderen Betriebsart führt der eine Betriebsartumschalter 15a die Ausgangsgröße des Oszillators 6 den anderen Wandler Ib zu, worauf dieser ein anderes akustisches Signal aussendet, das im Diagramm C der Fig. 4 gezeigt ist. Daraufhin empfängt der Wandler 1a das im Diagramm B der Fig. 4 gezeigte Signal. Der Integrator 8 erzeugt nun eine andere Ausgangsspannung 2, die im zweiten Teil des Diagramms E der Fig. 4 dargestellt ist. Die Ausgangsspannung des Vergleichers - siehe Diagramm F in Fig. 4 - ist nun in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung >2 erzeugt und der ZeLtdifferenz-Meßeinrichtung 12 zugeführt, so da3 ei anderes leitdifferenz-Signal entste¼t, wie es im zweiten Teil des Diagramms G der Fig. 7 gezeigt ist. Dieses Signal ist über den weiteren Betriebsartumschalter 15c der anderen lntegrationsanordnung 14b der Steueranordnung ztlgefunrt.In the other operating mode, one operating mode switch 15a operates the output of the oscillator 6 to the other transducer Ib, whereupon this one emits another acoustic signal, which is shown in diagram C of FIG. The converter 1a then receives the signal shown in diagram B of FIG. The integrator 8 now generates a different output voltage 2, which is in the second part of diagram E of FIG. 4 is shown. The output voltage of the comparator - see diagram F in Fig. 4 - is now a function of the output voltage > 2 generated and fed to the time difference measuring device 12, so that something else master difference signal, as shown in the second part of diagram G in FIG is shown. This signal is the other via the further mode switch 15c Integration arrangement 14b of the control arrangement.

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 Ausgangs&ro3e der anderen tntegrationsancrdnung 14b ist als Korrektursignal auch dem steuerbaren Stromerzeiger 13 über den zusätzlichen Betriebsartumschalter 15d zugeführt.This other integration arrangement 14b then generates the one in the diagram J of Fig. 4 generated signal due to a period of time determined by the sampling signal is specified according to diagram H of FIG. The starting point of the other integration arrangement 14b is a correction signal to the controllable current pointer 13 via the additional Mode switch 15d supplied.

Die von den Integrationsanordnungen 14a und 14b erzeugten Korrektursignale sid den oben erwähnten Strömen 11 und I2 proportional, so daß die Differenz beider Korrektursignale, die am Ausgang des Ausgangsschaltkreises 16 auftritt, im Hinblick auf den oben dargelegten Sachverhalt der Strömungsgeschwindigkeit und dem Durchfluß proportional ist.The correction signals generated by the integration arrangements 14a and 14b are proportional to the currents I1 and I2 mentioned above, so that the difference between the two Correction signals appearing at the output of the output circuit 16 with regard to on the above The fact of the flow velocity presented here and is proportional to the flow.

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 Rückkopplungsschleife des Gerätes ändern soll.The mode switching signal MS should have a period that more than twice as long as the times T1 or T2 of the acoustic signals are, since the signal MS indicates the operating mode of the closed feedback loop of the device should change.

Nimmt man unter Berücksichtigung eines Rohres mit kleinnem Durchmesser an, daß in Gleichung (7) z d # #d' ist und führt man für #d - #d' Q' ein, dann ergibt sich 1 . Eo = D/cos# + #' (11) 12 K C + V.sin# und damit 1 Eo = D/cos e +, (12) I2 K K C -V.sin# Aus den Gleichungen (11) und (12) folgt 11 - 12 = Eo . Sin# (1 + # .C.cos #) -2 .V (13) K . D D Der Durchfluß q des Strömungsmittels 4 ist gegeben durch und daher ist Aus Gleichung (15) läßt sich errechnen 6a =-# k + 3D 0.0027 q k D + D - 0.0034 e (16) in der q der Durchfluß, k ein Koeffizient, D der imere Durchmesser in Metern des Rohres 3, 1' die Differenz in os zwischen der zusätzlichen Laufzeit außerhalb des Strömungsmittels und der festen Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes und e der Winkel in Grad zwischen der Laufrichtung des akustischen Signals im Strömungsmittel und einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtungist; vorausgesetzt ist dabei, daß die Wassertemperatur 150C beträgt und daß die Schallgeschwindigkeit im Wasser 1466 m/s beträgt und daß e = 230 ist. Der dritte Ausdruck 0,0027 in Gleichung (16) gibt die Einflußgröße an, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung vor allem interessiert.If one assumes, taking into account a pipe with a small diameter, that zd # #d 'in equation (7) and introduces'Q' for #d - #d, then 1 results. Eo = D / cos # + # '(11) 12 KC + V.sin # and thus 1 Eo = D / cos e +, (12) I2 KKC -V.sin # from equations (11) and (12) follows 11 - 12 = Eo. Sin # (1 + # .C.cos #) -2 .V (13) K. DD The flow rate q of the fluid 4 is given by and therefore is Equation (15) can be used to calculate 6a = - # k + 3D 0.0027 qk D + D - 0.0034 e (16) in which q is the flow rate, k is a coefficient, D is the diameter in meters of the pipe 3, 1 'is the difference in os between the additional transit time outside the fluid and the fixed delay time of the delay element and e is the angle in degrees between the direction of travel of the acoustic signal in the fluid and a direction perpendicular to the direction of flow; It is assumed that the water temperature is 150C and that the speed of sound in the water is 1466 m / s and that e = 230. The third expression 0.0027 in equation (16) indicates the influencing variable which is of particular interest in the context of the present invention.

Im Falle eines Rohres 3 mit einem inneren Durchmesser von 0,05 m ist 0,0027 ##'= 0,054##'. Dies zeigt, 0,05 daß eine Anderung der zusätzliche Laufzeit um 1 zu einem Meßfehler von etwa 5% führt.In the case of a pipe 3 with an inner diameter of 0.05 m 0.0027 ## '= 0.054 ##'. This shows 0.05 that there is a change in the additional running time by 1 leads to a measurement error of about 5%.

Deshalb ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 eine Anordnung akustischer Wandler gewählt, die einen Hilfswandler 1c und ein zusätzliches Prisma 2c enthält. Diese sind den akustischen Wandlern 1a und 1b und den Prismen 2a und 2b gemäß Fig. 1 zugeordnettum die zusätzliche Laufzeit außerhalb des Strömungsmittels zum Zwecke der Korrektur von Meßfehlern infolge von Temperaturänderungen zu ermitteln. Der Hilfswandler 1c mit dem Prisma 2c ist symmetrisch angeordnet und dem akustischen Wandler 1a mit dem Prisma 2a zugeordnet, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.Therefore, according to the embodiment of FIG. 5, there is an arrangement acoustic transducer selected, which has an auxiliary transducer 1c and an additional prism 2c contains. These are the acoustic transducers 1a and 1b and the prisms 2a and 2b 2b according to FIG. 1 assigned to the additional running time outside of the fluid for the purpose of correcting measurement errors due to temperature changes. The auxiliary transducer 1c with the prism 2c is arranged symmetrically and the acoustic one Transducer 1a associated with prism 2a, as shown in FIG.

Ein von dem akustischen Wandler 1a ausgesandter Ultraschall-Strahl bewegt sich entlang des Weges 20, um zu dem andern akustischen Wandler Ib zu gelangen.An ultrasonic beam emitted from the acoustic transducer 1a moves along the path 20 to get to the other acoustic transducer Ib.

Ein Teil des Ultraschall-Strahls ist dagegen an der inneren Oberfläche des Rohres 3 reflektiert und erreicht auf einem anderen Weg 21 den Hilfswandbr 1c über das Prisma 2c. Das Prisma 2c besteht aus demselben Material wie die Prismen 2a und 2b. Auf diese Weise kann die Laufzeit der akustischen Impulse in den Prismen 2a, 2b und in der Wandung des Rohres 3 ermittelt werden, weil eine weitere Laufzeit eines akustischen Signals von dem einen akustischen Wandler 1a zu dem Hilfswandler 1c erfaßt wird.On the other hand, part of the ultrasonic beam is on the inner surface of the pipe 3 is reflected and reaches the auxiliary wall 1c on a different path 21 via the prism 2c. The prism 2c is made of the same material as the prisms 2a and 2b. In this way, the travel time of the acoustic impulses in the prisms 2a, 2b and in the wall of the pipe 3 can be determined because a further running time an acoustic signal from the one acoustic transducer 1a to the auxiliary transducer 1c is detected.

Wie Fig. 6 zeigt, ist bei diesem Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ultraschall-Meßgerätes eine Schaltung verwendet, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist; diese in Fig. 3 dargestellte Schaltung ist noch zusätzlich durch eine Kompensationsanordnung 19 ergänzt, der ein Verstärker 22 zugeordnet ist. Da die Schaltung nach Fig. 6 ansonsten mit der nach Fig. 3 übereinstimmt, sind hier nur die im Zusammenhang mit der Erfindung interessierenden Teile der gesamten Schaltung wiedergegeben. Ein Ultraschall-Strahl vom Wandler 1a erreicht sowohl den anderen akustischen Wandler 7b als auch den Hilfswander 1c, wieaben bereits erwähnt.Wenn der akustische Wandler Ib ein akustischen Impuls empfängt, laufen Vorgänge ähnlich denen ab, wie sie bereits im Zusammenhang mit der Fig. 3 erläutert worden sind.As FIG. 6 shows, is in this embodiment of the invention Ultrasonic measuring device uses a circuit as shown in Fig. 3; this circuit shown in FIG. 3 is additionally provided with a compensation arrangement 19 added, to which an amplifier 22 is assigned. Since the circuit of FIG. 6 otherwise with that of Fig. 3 corresponds, here are only those in connection with the invention parts of the entire circuit of interest are reproduced. An ultrasonic beam from transducer 1a reaches both the other acoustic transducer 7b and the auxiliary transducer 1c, as already mentioned. If the acoustic transducer Ib is an acoustic pulse receives, processes run similar to those already in connection with 3 have been explained.

Darüberhinaus erzeugt der Hilfswandler 1c beim Empfang eines akustischen Impulses ein elektrisches Ausgangssignal, das dem Verstärker 22 zugeführt wird, um ein Impuls-Empfangssignal zu erzeugen. Dieses Empfangssignal wird der Kompensationsanordnung 19 zugeführt. Die Kompensationsanordnung 19 erfaßt eine Zeitdauer zwischen der Erzeugung des Signals UT des Taktgenerators 5 zur Aussendung eines akustischen Impulses durch den einen akustischen Wandler 1a und dem Entstehen des eben erwähnten Empfangssignals, also die Zeitdauer, die ein akustisches Signal vom Wandler 1a zum Hilfswandler 1c benötigt. In der Kompensationsanordnung 19 wird diese Zeitdauer in eine Spannung umgesetzt, die dem Verzögerungsglied 7' zugeführt ist. Das Verzögerungsglied 7' dient dazu, die Verzögerungszeit in Abhängigkeit von diesem Signal einzustellen. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßgerätes wird also eine Laufzeit akustischer Signale außerhalb des Strömungsmittels durch einen akustischen Hilfswandler erfaßt und die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes 7' in Abhängigkeit davon eingestellt, so daß ein Meßfehler in Abhängigkeit von Temperaturändenungen vermieden ist.In addition, the auxiliary transducer 1c generates an acoustic signal when it is received Pulse an electrical output signal which is fed to the amplifier 22, to generate a pulse reception signal. This received signal becomes the compensation arrangement 19 supplied. The compensation arrangement 19 detects a period of time between the Generation of the signal UT of the clock generator 5 to emit an acoustic pulse by the one acoustic transducer 1a and the creation of the received signal just mentioned, that is, the length of time that an acoustic signal is sent from the transducer 1a to the auxiliary transducer 1c needed. In the compensation arrangement 19, this period of time is converted into a voltage implemented, which is fed to the delay element 7 '. The delay element 7 ' is used to set the delay time depending on this signal. In this embodiment of the measuring device according to the invention, there is a running time acoustic signals outside the fluid by an auxiliary acoustic transducer detected and the delay time of the delay element 7 'as a function of it set so that a measurement error as a function of temperature changes is avoided is.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist erfindungsgemäß den akustischen Wandlemla und 1b ein Hilfswandler nicht zugeordnet, um die Verzögerungszeit zu verändern.In the embodiment according to FIG. 7, according to the invention, the acoustic Wandlemla and 1b an auxiliary converter not assigned to change the delay time.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 stimmt bezüglich der Bausteine 1 bis 16 mit dem nach Fig. 3 überein. Zusätzlich ist eine Addierschaltung 17 vorgesehen, um die Summe der Ausgangsspannungen der Integrationsanordnungen l4auid 14b zu bilden (diese Spannungen sind den Strömen I1 und I2 proportional). Die Ausgangsspannung der Addierschaltung ist einerAnordnung 18 zur Einstellung der Referenzspannung zugeführt und liegt auch an der Kompensationsanordnung 19' für das Verzögerungsglied.The exemplary embodiment according to FIG. 7 is correct with regard to the building blocks 1 to 16 correspond to that of FIG. 3. In addition, an adder circuit 17 is provided, in order to form the sum of the output voltages of the integration arrangements 14auid 14b (these voltages are proportional to the currents I1 and I2). The output voltage the adding circuit is fed to an arrangement 18 for setting the reference voltage and is also due to the compensation arrangement 19 'for the delay element.

Die Anordnung 18 zur Endstellung der Referenzspannung ändert ihre Ausgangsspannung, das ist die Referenzspannung für den Vergleicher10, so daß die Ausgangsspannung der Addierschaltung 17 geich der Ausgangsspannung der Referenzspannungsquelle 11 wird. Durch die genannten Baueinheiten kann die Summe der Ausgangsspannungen der Integrationsanordnungen 14a und 14b konstant und unabhängig von Änderungen der Schallgeschwindigkeit im Strömungsmittel 4 gehalten werden; infolgedessen ist auch die Summe der Ströme I1 und I2 konstant gehalten, so daß eine Korrektur von Meßfehlern aufgrund von Änderungen des Brechungswinkels an der Grenzfläche zwischen der Wand des Rohres 3 und dem Strömungsmittel 4 eintritt. Da die Anordnung deiakustischen Wandler 1a und ib in der üblichen Weise erfolgt, ist eine Umgestaltung von ihnen nicht erforderlich.The arrangement 18 for the end position of the reference voltage changes its Output voltage, this is the reference voltage for the comparator10, so that the The output voltage of the adding circuit 17 is equal to the output voltage of the reference voltage source 11 will. Through the said Building units can be the sum of the output voltages of the integration arrangements 14a and 14b constant and independent of changes in the The speed of sound in the fluid 4 are maintained; as a result is also the sum of the currents I1 and I2 kept constant, so that a correction of measurement errors due to changes in the angle of refraction at the interface between the wall of the tube 3 and the fluid 4 enters. Since the arrangement is deacoustic Converters 1a and ib done in the usual way is a redesign of them not mandatory.

Wenn beim Betrieb des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7 die Verzdgerungszeit rd' nicht gleich der Laufzeit r d in den Prismen 2a und 2b sowie im Rohr 3 ist, aber der Unterschied zwischen ihnen relativ klein ist, dann gelten im wesentlichen die leichuxgen(8)und(91 und man kann folgende Beziehungen (17) und (18) aufstellen: Da die Ausgangsspannung der Addierschaltung 17 der Summe der Ströme Ii und I2 proportional ist, erzeugt die Addierschaltung 17 die Summe der Ströme I1 + 12> weshalb sich folgende Gleichung formulieren läßt: Diese Gleichung zeigt an, daß der Wert von I1 + I2 nur von der Schallgeschwindigkeit im Strömungsmittel bei dessen Stillstand abhängig ist. Auf der anderen Seite kann der Wert I1 + I2 vom Ausgang der Addierschaltung 17 abgenommen werden. In den Gleichungen (19) sind K, D, 10 und cos G Konstanten. Die Kompensationsanordnung 19' für das Verzögerungsglied hat daher einen ersten Schaltkreis, um die Schallgeschwindigkeit C gemäß Gleichung (19) zu errechnen. Der erste Schaltkreis ist daher mit Mitteln versehen, um die Werte der Konstanten K, D, Io und cos g festzulegen; er ist mit der Ausgangsgröße der Addierschaltung 17 beaufschlagt, um diese Rechnung gemäß Gleichung (19) durchzuführen. Da die Schallgeschwindigkeit C im Strömungsmittel 4 durch den ersten Schaltungskreis ermittelt wird, kann die Temperatur des Strömungsmittels 4 gegeben sein und daher auch die Schallgeschwindigkeit in den Prismen 2a und 2b sowie im Rohr 3 unter der Voraussetzung, daß ihre Temperatur durch die Temperatur des Strömungsmittels bestimmt ist.If the delay time rd 'is not equal to the running time rd in the prisms 2a and 2b as well as in the tube 3 when operating the embodiment according to FIG. 7, but the difference between them is relatively small, then essentially the values (8) and ( 91 and one can establish the following relationships (17) and (18): Since the output voltage of the adder circuit 17 is proportional to the sum of the currents Ii and I2, the adder circuit 17 generates the sum of the currents I1 + 12> which is why the following equation can be formulated: This equation indicates that the value of I1 + I2 depends only on the speed of sound in the fluid when it is at a standstill. On the other hand, the value I1 + I2 can be taken from the output of the adder circuit 17. In the equations (19), K, D, 10 and cos G are constants. The compensation arrangement 19 'for the delay element therefore has a first circuit in order to calculate the speed of sound C according to equation (19). The first circuit is therefore provided with means for setting the values of the constants K, D, Io and cos g; the output variable of the adding circuit 17 is applied to it in order to carry out this calculation according to equation (19). Since the speed of sound C in the fluid 4 is determined by the first circuit, the temperature of the fluid 4 can be given and therefore also the speed of sound in the prisms 2a and 2b and in the tube 3, provided that their temperature is determined by the temperature of the fluid is.

Da die Materialien der Prismen 2a und 2b sowie des Rohres 3 bekannt sind (beispielsweise Kunststoff oder Eisen), ist die Beziehung zwischen der Temperatur und der Schallgeschwindigkeit in ihnen ebenfalls bekannt.Since the materials of the prisms 2a and 2b and the tube 3 are known (e.g. plastic or iron) is the relationship between temperature and the speed of sound in them is also known.

Da die Abmessungen der Prismen 2a und 2b sowie die Dicke des Rohres 3 ebenfalls bekannt sind, ist die Länge des Laufweges des akustischen Impulses ebenfalls bekannt. Aus diesem Grunde weist die Kompensationsanordnung 19' einen zweiten Schaltungskreis auf, um die Temperatur der Prismen und des Rohres in bezug auf die Ausgangsgröße des ersten Schaltungskreises, die die Schallgeschwindigkeit C angibt, zu berücksichtigen und um aus dieser Temperatur die Schallgeschwindigkeit in den Prismen und in der Wandung des Rohres zu berechnen; anschließend wird die Laufzeit der akustischen Impulse in den Prismen und in der Wandung des Rohres aus dieser Schallgeschwindigkeit und aus der Länge des Laufweges darin errechnet. Die Ausgangsgröße der Kompensationsanordnung, die die Laufzeit in den Prismen und in der Wandung des Rohres angibt und die mit der Ausgangsgröße des zweiten Schaltungskreises identisch ist, wird dem Verzögerungsglied 7' zugeführt. Auf das Ausgangssignal der Kompensationsanordnung 19' erfolgt eine Korrektur der Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes 7'.As the dimensions of the prisms 2a and 2b, as well as the thickness of the tube 3 are also known, the length of the path of travel of the acoustic pulse is also known. For this reason, the compensation arrangement 19 'has a second circuit to the temperature of the prisms and the tube in relation to the output size of the first circuit indicating the speed of sound C to be taken into account and from this temperature the speed of sound in the prisms and in the Calculate the wall of the pipe; then the running time of the acoustic Impulses in the prisms and in the wall of the pipe from this speed of sound and calculated from the length of the path in it. The output variable of the compensation arrangement, which indicates the running time in the prisms and in the wall of the tube and which with the output of the second circuit is identical is, is fed to the delay element 7 '. To the output signal of the compensation arrangement 19 'there is a correction of the delay time of the delay element 7'.

Bei einer Abänderung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 7 wird die Kompensationsanordnung 19' mit der Ausgangsgröße der Anordnung 18 zur Einstellung der Referenzspannung beaufschlagt. Bei dieser Abwandlung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 7 erfolgt die Kompensation von Temperaturänderungen, indem die Temperatur des Strömungsmittels über die Ausgangsspannung dieser Anordnung 18 erfaßt wird, da diese Ausgangsspannung proportional dem Reziprokwert der Laufzeit der akustischen Impulse im Strömungsmittel ist.In a modification of the embodiment of FIG. 7, the Compensation arrangement 19 'with the output variable of the arrangement 18 for adjustment applied to the reference voltage. In this modification of the embodiment 7, the compensation of temperature changes takes place by changing the temperature of the fluid is detected via the output voltage of this arrangement 18, since this output voltage is proportional to the reciprocal of the running time of the acoustic Momentum in the fluid.

Dies bedeutet, daß die Ausgangsspannung der Anordnung 18 zur Einstellung der Referenzspannung der Kompensationsanordnung 19' zugeführt wird, so daß ebenfalls wieder eine korrigierte Verzögerungszeit mittels des Verzögerungsgliedes 7' erreicht ist.This means that the output voltage of the arrangement 18 for adjustment the reference voltage of the compensation arrangement 19 'is supplied, so that also a corrected delay time is achieved again by means of the delay element 7 ' is.

Daß die Ausgangsspannung der Anordnung 18 zur Einstellung der Referenzspannung die Laufzeit der akustischen Impulse im Strömungsmittel 4 angibt, ist auf folgenden Sachverhalt zurückzuführen: Die Ausgangsgröße 11 + I2 der Addierschaltung 17 ist durch Gleichung (19) gegeben. Die Ausgangsspannung der Anordnung 18 zur Einstellung der Referenzspannung Ist eine veränderbare Referenzspannung, um die Summe der Ströme 11 + 12 konstant und unabhängig von Temperaturänderungen zu halten; sie ist daher proportional der Schallgeschwindigkeit C im Strömungsmittel bei dessen Stillstand, d. h. sie ist proportional der Temperatur des Strömungsmittels. Daher läßt sich durch Beaufschlagung der Kompensationsanordnung 19 mit der Ausgangsgröße der Anordnung 18 zur Einstellung der Referenzspannung eine Kompensation von Meßfehlern infolge von Temperaturänderungen erreichen.That the output voltage of the arrangement 18 for setting the reference voltage indicating the transit time of the acoustic pulses in the fluid 4 is based on the following Facts attributable to: The output variable 11 + I2 of the adder 17 is given by equation (19). The output voltage of the arrangement 18 for adjustment the reference voltage Is a variable reference voltage to the sum of the currents Keep 11 + 12 constant and independent of temperature changes; it is therefore proportional to the speed of sound C in the fluid when it is at a standstill, d. H. it is proportional to the temperature of the fluid. Therefore can by applying the compensation arrangement 19 to the output size of the arrangement 18 for setting the reference voltage, a compensation for measurement errors as a result from Achieve temperature changes.

Wie oben dargelegt, wird also gemäß der Erfindung die Laufzeit außerhalb des Strömungsmittels kompensiert, um genaue Messungen der Strömungsgeschwindigkeit und des Durchflusses auch in den Fällen zu erreichen, wo Temperaturänderungen auftreten; das Ultraschall-Meßgerät gemäß der Erfindung ist daher besonders gut zum Einsatz in Rohren mit kleinem Durchmesser geeignet.As stated above, according to the invention, the running time is outside of the fluid is compensated to provide accurate measurements of the flow rate and to achieve the flow rate even in cases where temperature changes occur; the ultrasonic measuring device according to the invention is therefore particularly useful suitable in pipes with a small diameter.

Die Erfindung läßt sich nicht nur bei einem Ultraschall-Meßgerät gemäß den Figuren 2 und 3 anwenden, sondern auch bei Ultraschall-Meßgeräten in TLL-Technik. In diesem Falle ist die elektrische Größe, die die Laufzeit der akustischen Impulse im Strömungsmittel angibt, eine Frequenz.The invention can be applied not only to an ultrasonic measuring device according to Figures 2 and 3 apply, but also with ultrasonic measuring devices in TLL technology. In this case, the electrical quantity is the duration of the acoustic impulses indicates a frequency in the fluid.

7 Figuren 16 Ansprüche 7 figures 16 claims

Claims

Claims Ultrasonic measuring device for determining the flow velocity or the amount of fluid with at least two acoustic transducers, which are diagonally opposite each other with respect to the flow and are controlled in this way are that they alternately respond to an electrical signal and an ultrasonic signal Send and receive in the direction of flow and opposite to it, and with a an evaluation arrangement containing a delay element, in which from the difference of Reciprocal values of the transit times of the ultrasonic signals in the direction of flow and in the opposite direction corresponding measurement signals one of the flow velocity or the amount proportional measured variable is generated, that to detect the transit time of the ultrasonic signals outside of the fluid An auxiliary acoustic transducer is adjacent to at least one of the acoustic transducers (ia) (ic) is arranged, which reacts to a received ultrasonic signal, an electrical Auxiliary signal is generated and that the evaluation arrangement has a compensation arrangement (19, 22) is assigned, the input side with the auxiliary converter (Ic) and the output side is connected to the delay element (7 ').

2. Ultrasonic measuring device according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the evaluation arrangement (5 to 16) has a compensation device (17,18) is assigned, which corresponds to the reciprocal values of the transit times Measurement signals is applied and the evaluation arrangement (5 to 16) controls in such a way that that the sum of the measurement signals corresponding to the reciprocal values remains constant.

3. Ultrasonic measuring device according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the evaluation arrangement is preceded by a compensation device is the one corresponding to the reciprocal of the running time in one direction Measurement signal is applied and controls the evaluation arrangement in such a way that this Measuring signal remains constant.

4. Ultrasonic measuring device according to one of the preceding claims a time difference measuring device, which at its one input with from the received acoustic signals and electrical signals obtained at their other input applied with electrical pulses obtained by means of the delay element is, d 8 d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that in the evaluation arrangement in Depending on the output signals of the time difference measuring device (12) Integration measurement signals (I, J) are generated which are the reciprocal of the transit times correspond to the acoustic signals in the two running directions, and that in the Evaluation arrangement formed the measured variable from the difference between the measured signals (1, J) will.

5. Ultrasonic measuring device for determining the flow velocity or the amount of fluid with at least two acoustic transducers, which are diagonally opposite each other with respect to the flow and are controlled in this way are that they alternately respond to an electrical signal and an ultrasonic signal Send and receive in the direction of flow and opposite to it, and with a an evaluation arrangement containing a delay element, in which from the difference of Reciprocal values of the transit times of the ultrasonic signals in the direction of flow and in the opposite direction corresponding measurement signals one of the flow velocity or the lot proportional measured variable is generated with a time difference measuring device which at its one input with electrical obtained from the received acoustic signals Signals and at their other input with obtained by means of the delay element electrical impulses are applied, which are noticeable t that in the evaluation arrangement as a function of the output signals of the time difference measuring device (12) by integrating measurement signals (I, J) are generated which correspond to the reciprocal of the The running times of the acoustic signals in the two running directions correspond to that the measured variable is formed in the evaluation arrangement from the difference between the measured signals (I, J) is that the time difference measuring device (12) with its output with the input a control arrangement (14) is connected, which at its output one of the output signal the time difference measuring device (12) generates dependent voltage, and that the control arrangement (14a, 14b) the compensation arrangement (19 ') is connected downstream.

6. Ultrasonic measuring device according to claim 4, d a d ur c h g e k e n n z e i c h n e t that in the evaluation arrangement as a function of the output signals the time difference measuring device (12) generated by integration of signals (I, J) which is the reciprocal of the transit times of the acoustic signals in the two The running directions correspond to that in the evaluation arrangement from the difference between the measurement signals (i, J) the measured variable is formed that the time difference measuring device (12) with its other input is connected to the output of the comparator (10) and that the control arrangement (14) at its output one of the output signal of the time difference measuring device (12) feeds dependent current (I1) into the integrator (8).

7. Ultrasonic measuring device according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the time difference measuring device (12) with its other input is connected to the output of the comparator (10) and that the control arrangement (14) at its output one of the output signal of the time difference measuring device (12) feeds dependent current (I1) into the integrator (8).

8. Ultrasonic measuring device according to claim 6, d a d ur c h g e k e n n z e i c h n e t that the compensation device has an arrangement (18) for adjustment contains the reference voltage between the reference voltage source (11) and the comparator (10), and that in the compensation device of the arrangement (18) for setting the reference voltage, a device (17) for detecting the the reciprocal values of the transit times corresponding.Meßsignale is arranged upstream.

9. Ultrasonic measuring device according to claim 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the compensation device has an arrangement (18) for adjustment contains the reference voltage between the reference voltage source (11) and the comparator (10) and that in the compensation device of the arrangement (18) for setting the reference voltage, a device (17) for detecting the the reciprocal values of the transit times corresponding measurement signals is arranged upstream.

8 or 10.Ultrasonic measuring device according to claim / 9, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n et that the compensation arrangement (19 ') to the device (17) for acquiring the measurement signals corresponding to the reciprocal values of the transit times connected.

8 or 11. Ultrasonic measuring device according to claim / 9, d a d u r c h g e k e n n n n z e i c h n e t that the compensation arrangement to the arrangement (18) is connected to set the reference voltage.

12. Ultrasonic measuring device according to one of claims 6 to 11, d a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that the control arrangement has at least one integration arrangement (14), which is supplied with the output signals of the time difference measuring device (12) that the integration arrangement (14) is followed by a power generator (13), which is controlled by the output of the integrating arrangement (14) and that the device (17) for recording the values corresponding to the reciprocal values of the transit times Measurement signals connected to the at least one integration arrangement (14a, 14b) is.

13. Ultrasonic measuring device according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that the delay element (7) is a clock (5) is upstream and that the clock (5) is also connected to an oscillator (6) is, which in turn is connected to the acoustic transducer (1a, 1b).

14.Ultraschall measuring device according to one of claims 4 to 13, d a d u It is noted that the control arrangement has two integration arrangements (14a, 14b) contains that centrally controlled operating mode switch (15a, 15b, 15c, 15d) are present between the oscillator (6) and dedicustic Transducers (la, 1b)> between the acoustic transducers (t, 1b) and the time difference measuring device (12), between the time difference measuring device (12) and the control arrangement and arranged between the integration arrangements (14a, 14b) and the power generator (13) are and that at the outputs of the two integration arrangements (14a, 14b) an adder circuit (17) as a device for recording the reciprocal values of the transit times Measurement signals is connected.

15. Ultrasonic measuring device according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that the evaluation arrangement has a differential amplifier (t6), in which the difference between the measurement signals (I, J) is formed.

16. Ultrasonic measuring device according to claims 14 or 15, d a d u r c h it is noted that the differential amplifier (16) is connected to the integration arrangements (14a, 14b) is connected.