DE2950902C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Empfangsschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Eine solche Schaltung ist aus der DE-AS 25 30 114 bekannt.

Die Laufzeitmessung von Schallsignalen stellt eine viel­ seitig anwendbare Meßmethode dar. Mit ihrer Hilfe lassen sich durch Bestimmung der Schallgeschwindigkeit Parameter des in der Schallstrecke befindlichen Mediums bestimmen; Durch Anwendung der Schallmitführungsmethode können Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums gemessen werden; Bei bekannter Schallgeschwindigkeit läßt sich über die Laufzeit die Streckenlänge bestimmen. Letztere Methode wird zur Entfernungsmessung von Schallwandlern gegenüber reflektierenden Flächen benutzt.

Will man bei dieser Methode die Meßgenauigkeit vergrößern, so muß die zeitliche Auflösung ver­ bessert werden. Laufzeitverschiebungen in der elektronischen Empfangs- und Auswertschaltung spielen dann eine erhebliche Rolle. Thermische und geometrische Veränderungen (z. B. an flexiblen Verbindungskabeln) führen zu Veränderungen der Übertragungsparameter einzelner Baugruppen bzw. Bauelemente der Schaltung, die zu einer Verän­ derung der Signallaufzeit führen. Unter diese Laufzeitfehler in der Schaltung kann die Meß­ genauigkeit jedoch nicht gedrückt werden. Es ist bekannt, Schaltungen der hier beschriebenen Art dadurch zu eichen, daß z. B. vor bzw. nach einer Messung ein einem typischen Empfangssignal nach­ gebildetes Referenzsignal am Eingang der Empfangs­ schaltung eingespeist wird. Man erhält dann ein Gleichspannungssignal, das nur die jeweiligen Zeitfehler in der elektronischen Schaltung berücksichtigt. Mit diesem Signal kann das Meßsignal korrigiert werden, entweder durch Addition zum Meßsignal auf rechnerischem Wege oder durch Nachregelung der Schaltungslaufzeit vermittels Stellgliedern. Diese Methode funktioniert allerdings nur unter der Voraussetzung, daß die Lauf­ zeit in der Schaltung während der Messung konstant bleibt. Außerdem ist diese Methode mit einigem Bedienungs­ aufwand verbunden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ständig einen von Laufzeitschwankungen der Schaltung freien Meßwert liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichnungsteiles des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Schaltung wird abwechselnd vom Meßsignal und vom Referenzsignal durchlaufen. Die Ausgangsgleichspannung nimmt also abwechselnd den Meßwert und einen vom Referenzsignal vorgegebenen Konstantwert an, wobei auch zeitlich kurzzeitige Laufzeitänderungen in der Schaltung beide Ausgangs­ werte gleichsinnig und um den gleichen Betrag verschieben. Die am Ausgang auftretende Wechselspannung entspricht in ihrer Amplitude folglich exakt der Differenz zwischen Meßwert und Referenzwert. Laufzeit­ schwankungen in der Schaltung ergeben lediglich eine Gleichspannungskomponente der Wechselspannung, die auf einfachem Wege ausgefiltert werden kann. Neben der hierdurch erzielbaren erheblichen Steigerung der Meßgenauigkeit ergibt sich der Vorteil, daß am Ausgang der Auswertschaltung unmittelbar eine Wechselspannung zur Verfügung steht, die besser weiterverarbeitet werden kann, da sie z. B. besser zur Fernüberwachung geeignet ist. Häufig sind die Schallwandler mit der Empfangsschaltung über längere Kabel verbunden, die durch Kapazitätsänderungen (z. B. bei Verbiegung) die Laufzeit ändern. Da die Kabelkapazität bei Ein­ speisung des Referenzsignales am Schaltungseingang mit berücksichtigt wird, lassen sich mit der Erfindung bauliche Probleme besser lösen.

Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Schaltung durch die Merkmale des Anspruchs 2 gekennzeichnet. Diese Schaltung zeichnet sich durch große konstruktive Ein­ fachheit aus, da sie die ohnehin vorhandenen Lücken zwischen den Schallsignalen benutzt. Die identische und zu den Empfangssignalen äquidistante Einspeisung des Referenz­ signales führt zu einer symmetrischen Ausgangswechsel­ spannung.

Schließlich ist die erfindungsgemäße Schaltung vorteil­ haft durch die Merkmale des Anspruchs 3 gekennzeichnet. Die erheblichen Schwierigkeiten bei zweikanaligen Schaltungen, in denen die beiden Kanäle unterschiedliche Laufzeitänderungen haben können, werden auf diese Weise elegant gelöst. Abwechselnd wird die Zeitdifferenz zwischen den Empfangssignalen der beiden Kanäle und zwischen den Referenzsignalen der beiden Kanäle ge­ messen. Die sich ergebende Ausgangswechselspannung ist also um die Laufzeitschwankungen beider Kanäle voll korrigiert.

In der Zeichnung ist die Erfindung am Beispiel einer Empfangsschaltung für ein Gerät zur Strömungs­ messung nach der Schallmitführungsmethode dargestellt, bei dem über die durchströmte Meßstrecke gleichzeitig von beiden Enden Schallbursts ausgesandt und anschlie­ ßend am gegenüberliegenden Ende empfangen werden.

Die dargestellte Schaltung besitzt zwei an Schallwandler 1 bzw. 1′ angeschlossene Kanäle, die abwechselnd in der Betriebsart "Senden" gleichzeitig auf beide Schall­ wandler Sendesignale geben und anschließend nach Um­ schalten auf die Betriebsart "Empfangen" von den Schall­ wandlern empfangene Signale verarbeiten.

Zu diesem Zweck ist ein Empfangsumschalter vorgesehen. In der Betriebsart Empfang schaltet dieser die Schall­ wandler 1 bzw. 1′ auf die Eingänge von Empfangsver­ stärkern 2 bzw. 2′. In der Betriebsart Senden schaltet er den Ausgang eines Sendeverstärkers 3 parallel auf die Schallwandler 1 und 1′.

Die dargestellte Anordnung wird zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines zwischen den Schall­ wandlern 1 und 1′ strömenden Mediums verwendet. Die Strömungskomponente in Richtung der Verbindungslinie zwischen den Schallwandlern ergibt für das in der einen Richtung laufende Signal eine Verzögerung und für das andere Signal eine Beschleunigung um den­ selben Betrag. Die Laufzeitdifferenz zwischen den Signalen entspricht also im wesentlichen dem doppelten Wert der Strömungsgeschwindigkeit. Im vorliegenden Beispiel werden als Schallsignale Bursts (burst = Schwingungsgruppe) verwendet, deren Laufzeitdifferenz durch Phasenvergleich ermittelt wird. Die Ausgänge der Sendeverstärker 2, 2′ werden daher den Eingängen eines Phasendetektors zugeführt, auf dessen Ausgangsleitung 4 ein der Phasendifferenz entsprechendes Gleichspannungs­ signal erzeugt wird.

In den Eingangsleitungen 5 bzw. 5′ zwischen den Schall­ wandlern 1 bzw. 1′ und dem Empfangsumschalter, in den vom empfangenen Signal durchlaufenen Baugruppen des Empfangsumschalters und in den anschließenden Signalwegen der Empfangssignale bis einschließlich des Phasendetektors können in den beiden Empfangs­ kanälen Laufzeitveränderungen z. B. durch geometrische Änderungen und durch thermische Veränderungen auf­ treten. Diese Laufzeitveränderungen, die z. B. in beiden Empfangskanälen gegensinnig verlaufen können, begrenzen die nutzbare Zeitauflösung bekannter Schaltungen dieser Art. Erfindungsgemäß werden die Auswirkungen dieser Laufzeitschwankungen auf das Aus­ gangssignal auf der Ausgangsleitung 4 wie folgt eliminiert:

Ein Referenzumschalter gibt die Sendefrequenz eines Oszillators abwechselnd über eine Sendeleitung 6 auf den Eingang des Sendeverstärkers 3 und über eine Referenzleitung 7 auf Abschwäch- bzw. Koppelglieder 8, 8′, die an die Eingangsleitungen 5 bzw. 5′ gekoppelt sind. Referenzumschalter und Empfangsumschalter sind derart betrieben, daß das Referenzsignal in den Lücken zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal in der Betriebsart Empfang des Empfangsumschalters einge­ speist werden, und zwar in der Burstlänge identisch zum Empfangskanal und äquidistant zu den Empfangs­ signalen. Die Referenzsigale sind derart gleichzeitig eingekoppelt, daß sie am Phasendetektor die Phasendifferenz null ergeben. Treten Laufzeitveränderungen in den beiden Empfangs­ kanälen bzw. in den Empfangsleitungen 5 auf, so be­ einflussen diese die Referenzsignale in gleicher Weise wie die Empfangssignale. Das Ausgangssignal am Phasen­ detektor verschiebt sich also für beide Werte in gleicher Richtung. Die sich ergebende symmetrische Wechselspannung auf der Ausgangsleitung 4 ist also, abgesehen von Gleichspannungskomponenten, um die Lauf­ zeitschwankungen in der Empfangsschaltung und im Phasendetektor vollständig korrigiert.

Ein Programmwerk beherrscht den Referenzschalter und steuert diesen in seine beiden Betriebsarten. Ferner werden über eine Steuerleitung 9 die Empfangsverstärker 2 bzw. 2′ während der Betriebsart Senden des Empfangs­ umschalters inaktiviert, um durch eine Über­ lastung während des Sendens auftretende Störungen zu verhindern. Eine Ausblendeleitung 10 steuert den Phasendetektor frequenz- und phasenstarr zu der Umschaltfrequenz derart, daß von den ausge­ werteten Empfangsbursts nur bestimmte, von Ein- bzw. Ausschwingverzerrungen der Schallwandler 1 bzw. 1′ nicht beeinflußte Teile (vorzugsweise der mittlere Teil) ausgewertet werden.

Claims (3)

1. An Schallwandler angeschlossene Empfangsschaltung für die Laufzeitmessung von Schallsignalen mit Auswertschaltung zur Erzeugung eines laufzeitabhängign Gleichspannungssignales, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (5, 5′) der Empfangsschaltung (2, 2′) in konstanter zeitlicher Folge abwechselnd mit dem Signal des Schallwandlers (1, 1′) und einem Referenzsignal (7) beaufschlagt wird, das einem Schallsignal konstanter Laufzeit entspricht.

2. Schaltung nach Anspruch 1 für den Empfang diskreter Schallsignale, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal identisch und äquidistant zum Empfangssignal in den Empfangspausen eingespeist wird.

3. Empfangsschaltung nach Anspruch 2 zur Strömungs­ messung nach der Schallmitführungsmethode mit zwei Empfangskanälen, die gleichzeitig gegenläufig über eine Meßstrecke geschickte Signalbursts empfangen, deren Laufzeitdifferenz in der Auswertschaltung be­ stimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenz­ bursts in den Pausen zwischen Sendung und Empfang gleichzeitig dem Eingang beider Empfangskanäle zu­ geführt werden.