DE3039272A1

DE3039272A1 - Ultraschall-stroemungsmesser

Info

Publication number: DE3039272A1
Application number: DE19803039272
Authority: DE
Inventors: James E. Tyngsboro Mass. Bradshaw; Lawrence C. Waltham Mass. Lynnworth; James E. Brookline Mass. Matson; Norman E. Newburyport Mass. Pedersen
Original assignee: Panametrics LLC
Current assignee: Panametrics LLC
Priority date: 1979-10-19
Filing date: 1980-10-17
Publication date: 1981-05-07
Also published as: GB2061510A; CA1157935A; IT8068608A0; FR2472755A1; JPS5693013A; US4308754A

Description

Panametrics, Inc.
Waltham, MA o2154, V.St.A.

UItras chal1-S trömungsmes ser

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungsmesser und insbesondere eine Schaltungsanordnung zum genauen Bestimmen der Unterschiede in der Transit- oder Durchgangszeit einer Ultraschallwellenausbreitung stromauf und stromab in einem Fluid, das in einer Leitung strömt.

Eine Methode zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit von Fluids in einer Leitung mittels Ultraschallwellenwandlern besteht darin, zwei Wandler getrennt in der Strömungsrichtung anzuordnen und die Differenz in der Ausbreitungszeit der Ultraschallwellen zwischen diesen Wandlern in der Stromauf-Richtung und in der Stromab-Richtung zu ermitteln. Die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids wird dabei natürlich zur Schallgeschwindigkeit in der Stromab-Richtung addiert und von dieser in der Stromauf-Richtung

65-(086 402)-E

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subtrahiert. Eine wirksame Technik zur Durchführung dieser Messung wird als "Singaround"-Methode bezeichnet. Bei dieser Methode beginnt eine Ultraschallwelle an einem der Wandler und wird zum anderen Wandler beispielsweise in der Stromauf-Richtung übertragen. Nach Empfang dieser übertragenen Ultraschallwelle erzeugt der zweite Wandler ein elektrisches Signal, das wieder zum Triggern oder Auslösen der Ausbreitung einer Ultraschallwelle vom ersten Wandler verwendet wird. Dieser Prozeß wird wiederholt, und die Folgefrequenz der Ausgangssignale vom ersten Wandler entsprechen dann der Transitzeit der vom ersten Wandler zum zweiten Wandler verlaufenden Ultraschallwellen. Wenn die gleiche Technik bezüglich der sich in der entgegengesetzten Richtung ausbreitenden Ultraschallwellen verwendet wird, so liegen zwei Frequenzen vor, wobei die Differenz zwischen diesen Frequenzen ein Maß für die Differenz zwischen der Stromauf-Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle und der Stromab-Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist (vgl. hierzu US-PS'en 2 746 291, 3 237 453, 3 869 915 und 3 812 098).

Ein mit dieser Technik verknüpftes Problem liegt in der genauen Messung einer kleinen Frequenzdifferenz. Andere Probleme entstehen aus Nachhall- oder Echoeffekten in der Leitung oder im Fluid oder in den Ultraschallwandlern selbst, wodurch es noch schwieriger wird, ein genaues Maß für die Differenz der Frequenzen zu erhalten. Zusätzlich führt das Vorliegen von festem Material, wie beispielsweise Pufferstäben, zwischen den Wandlern und dem Fluid zu einer Ungenauigkeit bei der Korrektur der Frequenzdifferenz zur Fluidgeschwindigkeit.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Ultraschall-Strömungsmesser anzugeben, der die oben aufgezeigten Nachteile vermeidet und genaue Ergebnisse liefert.

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Diese Aufgabe wird bei einem Ultraschall-Strömungsmesser nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Erfindung wird eine Technik zum genauen Bestimmen der Differenz in der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in der Stromauf- und in der Stromab-Richtung verwendet, um genau die Strömungsgeschwindigkeit in einer Leitung zu ermitteln. Dabei liegen, wie in der "Singaround"-Näherung, zwei Wandler getrennt in der Strömungsrichtung entlang einer Leitung. Eine Ultraschallwelle wird am Stromauf-Wandler begonnen oder ausgelöst. Deren Empfang am anderen Wandler wird als Maß der Periode oder Transitzeit zwischen den beiden Wandlern in der Richtung der Anfangsausbreitung verwendet. Bei der Erfindung wird diese Transitzeit genau mittels eines relativ hochfrequenten Zeittaktes bestimmt, der eine Anzahl dieser Perioden mißt. Die Transitzeit für die in der entgegengesetzten (Stromauf-)Richtung übertragenen Wellen wird in ähnlicher Weise gemessen. Die Differenz in den Transitzeiten liefert dann ein äußerst genaues Maß der Strömungsgeschwindigkeit, wobei eine Kompensation für Material zwischen einem Wandler und dem strömenden Fluid sowie für Nachhall- und Klangeffekte innerhalb des Meßgerätes möglich ist.

Für typisch aufgebaute Ultraschall-Strömungsmesser mit reziproken Wandlern kann die Strömungsgeschwindigkeit V entlang der abgefragten Fluidstrecke P aus den zwischen den beiden Wandlern gemessenen Laufzeiten t.. und t₂ berechnet werden:

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t2 ~ t-1

2L L (ti+t₂ - 2t_w)²

mit L = axiale Projektion der Strecke im strömenden Fluid, und

t = Summe aller Nichtfluid-Strecken-Verzögerungen (beispielsweise Fenster vor den Wandlern, Kabelverzögerungen, elektronische Verzögerungen) .

Die oben für die Strömungsgeschwindigkeit V angegebene Gleichung (1) ist eine Näherung, die anwendbar

2 2

ist, sofern V « c vorliegt. In Gasströmungen und in bestimmten Zweiphasen-Fluidströmungen, bei denen c klein ist (c liegt beispielsweise in der Größenordnung von m/s in Wasser, das Luftblasen in einer Konzentration von wenigen Volumenprozent enthält, wie durch H. Karplus ermittelt und von R.W.B. Stephens in dem Buch "Underwater Acoustics", S. 8, Wiley-Interscience (1970) berichtet wurde), ist es für die Machzahl V/c nicht ungewöhnlich, sich dem Wert 1 zu nähern. Wenn V nicht hinreichend klein im Vergleich mit c ist, wird ein genauerer Ausdruck benötigt, um richtig und exakt V in Beziehung mit den Zeiten t zu bringen.

In einer Ableitung beträgt die Stromab-Zeit:

L+(T_a+T_b) (c+V) + T_a + T_b * (2).

c+V '

_{a b}
C + V c+V

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für die Stromauf-Zeit gilt:

L L+(T_a+T_b) (C-V)

t₂ β + T_a + Tb = (3)

C-V C-V ^/

mit T = L'/c = Zeitverzögerung in nichtströmender Flüssiga

keit oder in Flüssigkeit, in der die Abfragewelle senkrecht zur Strömung verläuft, und

T, = L /c = Zeitverzögerung in Nichtfluid-(beispiels-

b m m j= zr

weise Metallfenster-)Teilen der Strecke. Es kann gezeigt werde**, daß

L-J

JLJL

ti t₂ L J[I₊C _(Ta + T_b)]2 - [Y. (T_a + T_b)]2\

tr. Γ. J

vorliegt, woraus die Strömungsgeschwindigkeit erhalten wird mit:

V=(Vt₁-IA₂) (L) £[1+L '/L +(Lm/Dic/Cn,) J 2-[(LVL)

Weiterhin kann die Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeiten c eingeführt werden mit:

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c = c + 5?£ ΛΤ, ^)

° dT

^dCm Am ti)

^cin ^uom ^T

cT

Abmessungsänderungen können in ähnlicher Weise berücksichtigt werden, da

L = L₀ (1+ΛΔΤ)

(8)

vorliegt, wobei cc der thermische Ausdehnungskoeffizient ist. Werte für dc/dT sind in der Literatur angegeben (vgl. beispielsweise das Buch von Mason: "Piezoelectric Crystals and Their Applications to Ultrasonics", S. 338, Van Nostrand, Princeton, N.J. (1950) und "Handbook of Chemistry") Werte für de /dT sind ebenfalls gegeben (vgl. Mason und Thurston: "Physical Acoustics", Band 14, Seiten 407 bis 525, Academic Press, N.Y. (1979)).

Die Strömungsgeschwindigkeit V kann in die flächengemittelte Strömungsgeschwindigkeit V umgesetzt werden, indem verwendet werden flächengemittelte Zellen oder Strecken, in denen V sehr nahe bei V liegt, eine Vielsehnen-Quadratur-Gewichtung, ein einfaches arithmetisches Mitteln von durchmesserversetzten Strecken, die so geneigt sind, daß ihre L-Werte die erforderliche Gewichtung liefern, oder der Einsatz eines theoretischen Meßfaktors K

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= V/V (beispielsweise für glatte Rohre: K = 0,750 für eine laminare Strömung, K ftJ 0,85 für eine ÜbergangsStrömung und K = 1/(1,119 - 0,011 log Re) für Re > 4000).

Wandler sind nicht immer reversibel oder reziprok. So gilt unter keiner Strömung (V = 0) t.. φ t„ bzw. t.. - t„ = At bei Null-Strömung. Dieses At scheint auf kleinen Differenzen in elektrischen Impedanzabschlüssen, Abmessungen oder anderen Differenzen zwischen Wandlern und möglichen anderen Faktoren zu beruhen. Wenn die Strömung auf Null verringert werden kann, dann kann Δ t gemessen werden, indem wirksam Sender- und Empfängerkabel ausgetauscht werden. Dies kann von Hand oder vorzugsweise elektrisch erfolgen, so daß sich V nicht während der Zeit ändert, in der die Kabel ausgetauscht werden. Diese Operation kann als "Kabel-Konfiguration-Schalten" bezeichnet werden und unterscheidet sich von der herkömmlichen Stromauf-Stromab-Vertauschung oder -Transposition. Indem geändert wird, welche Richtung stromauf und welche Richtung stromab ist, kann der Mittelwert von V und -V eine Versetzung bestimmen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Vergleich zwischen der Transitzeit zwischen Wandlern und der Periode eines Zyklus des Ausgangssignales eines spannungsgesteuerten oder -geführten Oszillators gemacht, wobei das sich ergebende Differenzsignal zum Steuern des spannungsgeführten Oszillators dient, bis nach wiederholten Ultraschal !Übertragungen die Frequenz des spannungsgeführten Oszillators derart eingestellt ist, daß dessen Periode gleich der doppelten Transitzeit der Ultraschallwellen ist.

In dieser Anordnung ist es das Ausgangssignal des spannungsgeführten Oszillators, das die Wiederholungsimpulse der Ultraschallwellen vom Wandler einleiten kann. Tatsächlich muß die Periode des spannungsgeführten Oszillators

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nicht gleich der doppelten Transitzeit zwischen den Wandlern sein, sondern kann stattdessen proportional zu dieser Zeit gemacht werden, so daß der spannungsgeführte Oszillator entweder bei einer höheren Frequenz arbeitet derart, daß seine Zyklusperiode ein genauer rationaler Bruchteil der Transitzeit zwischen den Wandlern ist, oder so daß dieser bei einer geringeren Frequenz betrieben wird derart, daß dessen Zyklusperiode ein genaues Vielfaches dieser Transitzeit ist. In dieser Technik ist es jedoch nicht die Frequenz, die gemessen wird, sondern vielmehr die abgelaufene Zeit einer Anzahl von Zyklen des Oszillators. Dies erfolgt durch Erzeugen einer Reihe von Taktimpulsen bei einer relativ hohen Impulsfrequenz, und zwar wenigstens eine Größenordnung höher als die Abfragefrequenz, und durch Messen der gesamten angesammelten Zahl dieser Taktimpulse über einer Anzahl N von Perioden des Oszillator-Ausgangssignales. Diese Technik verringert wesentlich den Fehler in der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit.

Wenn die Ansprechzeit unbedeutend ist, kann die Anzahl N der Perioden als eine geeignete, große feste ganze Zahl, beispielsweise 1024, gewählt werden, die zum Messen der Strömung zahlreicher Flüssigkeiten mit Schallgeschwindigkeiten zwischen 300 und 3000 m/s oder Gase mit Schallgeschwindigkeiten von beispielsweise 100 bis 1000 m/s vorteilhaft ist. Für ein rascheres Ansprechen wird ein kleiner Wert von N gewählt, beispielsweise 32, 64 oder 100. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem N zur Kompensation von Änderungen in der Schallgeschwindigkeit eingestellt wird, kompensiert die Erfindung die Schallgeschwindigkeit durch Synchronismus oder Gleichlauf und verwendet stattdessen N als ein Mittel zum Wählen oder Optimieren der Ansprechzeit und Auflösung.

Indem die Schaltungsanordnung in genau der gleichen Weise für in der entgegengesetzten Richtung in der Leitung

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ausgebreitete Wellen für die gleiche Anzahl N von Perioden des Oszillator-Ausgangssignales betrieben wird, wird eine zweite Anzahl von Impulsen erzeugt, die ein direktes Maß von N Transitzeiten in dieser Strömungsrichtung ist. Diese Differenz in der Anzahl der Zählerstände ist dann eine genaue Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung. Da jedoch, wie oben angedeutet wurde, die Frequenz der Erzeugung von Ultraschallwellen von den Wandlern in dieser Technik höher oder tiefer als die tatsächliche Transitzeit sein kann, ist es möglich, ausreichend lange Perioden einzustellen, so daß Nachhall- oder Echoeffekte in den falschen Zeitrahmen liegen, um irgendeine Verwirrung oder Störung bei der Bestimmung der Transitzeiten aufzuweisen.

Die Erfindung sieht also einen Ultraschall-Strömungsmesser zum Bestimmen der Fluid-Strömungsgeschwindigkeit in einer Leitung vor, wobei die Differenz in der Transitzeit zwischen Abfrage-Ultraschallimpulsen, die stromauf zwischen zwei Wandlern und stromab zwischen diesen übertragen sind, ermittelt wird. Ein Hochfrequenz-Taktimpuls, der für einen oder mehrere Zyklen einer Abfragung arbeitet, erlaubt eine genaue digitale Berechnung-

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische und teilweise aufgeschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers,

Fig. 2a den Verlauf von Signalen zur Erläute- und 2b rung des Betriebs des Strömungsmessers der Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung, die zusammen mit dem Strömungs-

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messer der Fig. 1 verwendbar ist,

Fig. 4 den Verlauf von Signalen zur Erläute- und 5 rung des Betriebs der Schaltungsanordnung der Fig. 3, und

Fig. 6 eine Gruppe von Signalen mit einem

alternativen Verlauf zum Betrieb des Strömungsmessers der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Strömungszelle mit Wandlern 4a und 4b, die mit Pufferstäben 3a und 3b gekoppelt sind, die in mit Gewinde versehenen Stutzen 2a und 2b angebracht sind, die mit einem Rohr 10 verschweißt sind. /Das Rohr 10 hat einen Innendurchmesser

2
D, eine Fläche A = ICD /4 und liefert eine axial projizierte Streckenlänge L zwischen benetzten Enden 5a und 5b der Pufferstäbe und eine Fluidstrecke P entlang geneigten Durchmessern. Das Fluid hat in Ruhe eine Schallgeschwindigkeit c und strömt mit einer Geschwindigkeit V, wenn entlang der Strecke P gemessen wird. In das Rohr 10 dringen auch dünne Stab-Wellenleiter ein, die mit Torsions-Betriebsart-Sensoren 6a und 6b verbunden sind. Der Sensor 6b ist in einer hermetisch abgeschlossenen Hülle 7 enthalten. Die Rohrwand-Durchführungen sind durch Kompressions-Fassungen 8 abgeschlossen, die von einem herkömmlichen Aufbau sind und nicht näher erläutert werden. Der Zweck der vorzugsweise vorhandenen Torsions-Sensoren ist das Erfassen der Fluiddichte und/oder -temperatur.

In den Fig. 2a und 2b sind verschiedene Zeitdiagramme gezeigt. Diejenigen in der Fig. 2a gehören zu den Stromauf-Ultraschall-Abfrage-Signalformen, während diejenigen in der Fig. 2b zur Stromab-Abfragung gehören. Die Zeitdiagramme zeigen die Abfrage-Impulsfrequenz, bei der Ultraschallwellen von den Wandlern 4a und 4b ausgesandt werden, sowie Taktimpulse, die zum Messen der Periode dieser Abfragesignale über mehrere Zyklen verwendet werden. In der Fig. 2a stellt *) Die Wandler sind über Kabel mit einer Strömungsmesser-Elektronik

14 verbunden. 130019/0734

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das Rechtecksignal einer Tonfrequenz f _Λ die Impulsfre-

a ι

quenz für eine Stromauf-Abfragung dar, deren Periode t₁ zu messen ist. Um eine hohe Genauigkeit zu erzielen, verwendet der Strömungsmesser eine Taktfrequenz f , die im ültraschallbereich liegt, d. h. f » f ₁. Die Anzahl der

C el I

während der Zeit t₁ gezählten Taktimpulse beträgt t₁f Hl· Um den Bruchteil-Fehler aufgrund der Ungewißheit + 1 zu verringern, kann f erhöht werden, oder der Zählerstand kann für eine längere Zeit als t.. ausgedehnt werden, beispielsweise für Nt., wobei N eine ganze Zahl größer als 1 und gewöhnlich viel größer als 1 ist. In dieser Darstellung gilt beispielsweise N = 2, so daß das Zählintervall T₁ = 2t₁ vorliegt. Wenn der gleiche Zähl-Multiplikator N in der Stromab-Abfragung verwendet wird, dann kann t₁ - t~ durch Zählen bei der f -Frequenz oder -Rate für Intervalle T₁ und T„ bestimmt werden.

Wie bei Strömungsmessern üblich ist, kann die Strömungsgeschwindigkeit V im allgemeinen nicht genau gemessen werden, indem lediglich Δt = t₁ - t₉ gemessen

wird, da V proportional zu c At ist. Bei der vorliegenden Erfindung kann c aus P und den Laufzeiten im Fluid bestimmt werden. Für zahlreiche Gase und einige Flüssigkeiten kann c auch aus der Temperatur des Fluids ermittelt werden. Wie durch die Gleichung (5) angezeigt wird, kann c eliminiert werden, indem V aus geeignet korrigierten Zeit-Kehrwerten berechnet wird, wenn L und L¹ im Ver-

gleich mit L relativ klein sind.

Durch Wählen eines großen Wertes für N wird die Ungewißheit von + 1 in den gemessenen Zählerständen unbedeutend gemacht. Die zur Durchführung derartiger Messungen erforderliche Zeit ist wiederum N(t.. + t„) oder ein Vielfaches dieser Zeit, wenn mehr als ein Paar von Abfragungen stromauf und stromab gemittelt werden. Wenn eine

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gegebene Zeit zugewiesen ist, um V zu bestimmen, was bei dynamischen Strömungsbetrachtungen und einer entsprechend kurzen Ansprechzeit der Fall sein kann, gibt es verschiedene Wege, daß die dem einzigen Takt-Ticken der Frequenz f zugeordnete Unsicherheit von + 1 verringert werden kann. Diese Wege umfassen: Verwendung eines Taktes höher als f , Verwendung von zwei Takten etwas unterschiedlicher Frequenzen f ₁ und f „ in einer Nonius-Betriebsart oder Verwendung lediglich eines Taktes, der jedoch mit einer Analog-Interpolationsschaltung ergänzt ist.

Die Analog-Interpolationsschaltung arbeitet wie folgt. Wenn ein Zeitintervall t. zwischen einem Start- und einem Stop-Ereignis bei t bzw. bei t zu messen ist, folgt im allgemeinen t einem der Takt-Ticken um einen Bruchteil einer Taktperiode t , und t geht einem späteren Takt-Ticken um t vor. Die ganze Anzahl des Takt-Tickens ist so die nächste ganze Zahl des Tickens

kleiner als f '(t. ) = f (t - t ). Pie "fehlende" Zeit, c-1 c q ρ

die zu der ganzen Anzahl des Tickens multipliziert mit der Taktperiode addiert werden sollte, kann erhalten werden, indem eine Stromquelle verwendet wird, die einen Kondensator zwischen t und dem ersten gezählten Takt-Ticken auflädt und dann freigegeben wird, um ein Laden zwischen dem letzten gezählten Ticken und t zurückzuerlangen. Wenn die Lade-Frequenz oder -Rate auf ein Volt je Taktperiode, d. h. f V/s, eingestellt wird, dann kann die Spannung V auf dem Kondensator als Maß der "fehlenden" Zeit genommen werden. V kann mit einem Digital-Voltmeter gelesen und zu der aus der gesamten Anzahl des Takt-Tickens erhaltenen Zeit addiert werden, um ein besseres Maß von t* zu erhalten, als der Takt allein erzielen könnte.

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Zusätzlich zu dieser Technik des Bestimmens der Zyklusperioden t. und t₂ durch deren Messen mit einem hochfrequenten Takt für verschiedene Zyklen kann eine verbesserte Genauigkeit erzielt werden, indem optimale Impuls-Folgefrequenzen (prf) für eine Abfragung gewählt werden.

In einigen Fällen, in denen die Abfragungsstrecke lang ist (£ 1m), kann es vorteilhaft sein, öfters als die Kehrwerte der Laufzeiten t.. und t abzufragen. In einer herkömmlichen "Singaround"-Vorrichtung tritt dies ein, wenn die gesuchte Ansprechzeit t kleiner als die Summe der Laufzeiten ist. Jedoch sind in den meisten Fällen die Laufzeiten viel kürzer als die geforderte Ansprechzeit. Daher sind die herkömmlichen "Singaround"-Frequenzen gewöhnlich ausreichend hoch. In einigen Fällen können diese Frequenzen jedoch für eine optimale Genauigkeit zu hoch sein. Wenn die Wandler-Abkling- oder Fluid-Strecken-Nachhall-Effekte langer als t₁ dauern, um 40 dB unter das empfangene Signal abzufallen, kann gezeigt werden, daß mittels prf = 1/t. eine Unsicherheit in der Ankunftszeit eines Impulses von ca. 1 % der Periode des Abfrageimpulses erhalten wird. D. h., wenn 1 MHz-Impulse verwendet werden, kann die Zeit in unsicherer Weise einige ns betragen. Während einige akustische Einrichtungen benutzt werden, um Wandler-Abkling- oder Fluid-Strecken-Nachhall-Effekte möglichst klein zu machen, können derartige Einrichtungen nicht vollständig angemessen sein. Die mit der Erfindung mögliche Abhilfe liegt im Dividieren des Kehrwertes der Transitzeit durch eine ausreichend große ganze Zahl M, so daß das sich ergebende prf eine Zeitdauer aufweist, die länger als die Zeit für Abklingoder Nachhall-Effekte ist, um auf einen annehmbaren kleinen Bruchteil des empfangenen Signales abzufallen, d. h. beispielsweise herab auf 40, 50 oder 60 dB. Es kann erwartet werden, daß M im Bereich zwischen 2 und 100 liegt.

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Pig. 3 zeigt in einem Blockschaltbild eine geeignete Schaltungsanordnung für die in Fig. 1 angedeutete Strömungsmesser-Elektronik. In der Fig. 3 speist ein spannungsgeführter Oszillator (VCO) 20 sein Ausgangssignal zu einem Dividierer 22, wobei das dividierte Ausgangssignal vom Oszillator 20 gleichzeitig zu einem Konfxguratxonsschalter 24 und zu einem monostabilen Multivibrator oder Monoflop 26 sowie zu einem Eingang eines Phasendetektors 28 gespeist wird. Das Ausgangssignal vom Monoflop 26 wird über einen Multiplexer 30 zu einem von zwei Verstärkern 34 und 36 gespeist. Der Ausgang des Verstärkers 34 ist mit dem Stromauf-Wandler 4a gekoppelt, und der Ausgang des Verstärkers 36 ist an den Stromab-Wandler 4b angeschlossen. Der Ausgang des Monoflops 26 ist auch mit einem Verzögerungsglied 38 verbunden, dessen Ausgang an einen automatischen Verstärkungsfaktor-Steuerverstärker 40 in einem Empfänger 41 und an einen Vergleichs-Nulldurchgangs-Detektor 44 angeschlossen ist. Die Eingangssignale in den automatischen Verstärkungsfaktor-Steuerverstärker 40 werden entweder von einem mit dem Ausgang des Wandlers 4a gekoppelten Verstärker 46 oder einem mit dem Ausgang des Wandlers 4b gekoppelten Verstärker 48 erhalten. Das Ausgangssignal des Nulldurchgangs-Detektors 44 wird als Eingangssignal in den Phasendetektor 28 eingespeist. Das Ausgangssignal des Monoflops 26 wird als Rücksetzsignal zum Phasendetektor 28 gespeist.

Der Ausgang des Phasendetektors 28 ist über einen Differenz-Integrierer 50 mit einem Multiplexer 52 am Steuereingang des spannungsgeführten Oszillators 20 gekoppelt. Der Multiplexer 52 erfüllt eine Schaltfunktion, um einen von zwei Kondensatoren 56 und 58 mit dem Steuereingang des spannungsgeführtsn Oszillators 20 zu koppeln.

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Ein relativ hochfrequenter (10 MHz) Taktgeber 60 ist über ein Logikglied 62 mit entweder einem Stromauf-24-Bit-Zähler 66 oder einem Stromab-24-Bit-Zähler 68 gekoppelt. Die Ausgangssignale von den Zählern 66 und 68 sind über eine Pufferstufe 70 mit einem (nicht gezeigten) Rechner gekoppelt.

Der Betrieb der Schaltung der Fig. 3 wird im folgenden anhand der Zeitdiagramme der Fig. 4 und 5 näher erläutert. Im Betrieb erzeugt der spannungsgeführte Oszillator 20 ein in Fig. 4 gezeigtes Ausgangssignal, in dem die abfallende Flanke des Signales nach dem Durchgang durch den Dividierer 22 (für den an dieser anfänglichen Stelle angenommen wird, daß er einen Divisor mit dem Wert 1 besitzt) das Monoflop 26 ansteuert oder auslöst, das den Übertragungsimpuls erzeugt. Die gleiche Signalflanke liefert ein Signal zu einer Flipflopschaltung FF₁ und FF», indem diese im Phasendetektor 28 rückgesetzt wird. Der Übertragungsimpuls wird zum Multiplexer 30 geschickt, der abhängig davon, welches Steuersignal er vom Konfigurationsschälter 24 empfängt, dieses Signal vom Monoflop 26 zum Verstärker 34 leitet, um einen Ultraschallimpuls vom Wandler 4a zu beginnen, oder der in einer anderen Betriebsart den gleichen Impuls durch den Verstärker 36 zum Wandler 4b schickt, um einen Ultraschallimpuls in der entgegengesetzten Richtung einzuleiten. Der Konfxgurationsschalter 24 arbeitet, damit der Zustand der gesamten Schaltung geändert wird, um zu arbeiten in einer Betriebsart zur Bestimmung der Zeitperiode t.. für Stromauf Abfragungen oder in der anderen Betriebsart zum Bestimmen der Zeitdauer t„ für Stromab-Abfragungen. Die Größe, durch die der Dividierer 22 das Ausgangssignal vom spannungsgeführten Oszillator 20 teilt, legt die Anzahl von Zyklen N fest, für die die Transitzeit gemessen wird. Somit schaltet der Konfigurationsschalter 24 zurück und vorwärts zwischen stromauf und stromab, indem alle N Zyklen vom spannungsgeführteji^Qszillator 20 gezählt werden.

Der Betrieb der gesamten Schaltung der Fig. 3 dient zur Steuerung des spannungsgeführten Oszillators derart, daß dieser bei einer Frequenz arbeitet, die gleich 1/2 der Systemfrequenz ist, wobei die Systemfrequenz eine Frequenz ist, deren Periode gleich der Laufzeit eines Ultraschallimpulses von einem Wandler zum anderen ist. Grundsätzlich erfolgt dies durch Erfassen der Nulldurchgänge der empfangenen Impulse im Nulldurchgangs-Detektor 44 und durch deren Einspeisen in ein Flipflop FF „ im Phasendetektor 28, wobei dieser Phasendetektor 28 ermittelt, welche Flanke von der ansteigenden Flanke des Ausgangssignales des Flipflops FF., oder der ansteigenden Flanke der empfangenen Frequenz des Ausgangssignales des Flipflops FF₂ zuerst ankommt. Dieser Phasendetektor 28 liefert dann einen Ausgangsimpuls, dessen Breite die Differenz in der Ankunftszeit der beiden Flanken entweder zum Plus- oder Minus-Eingang des Differenz-Integrierers 50 ist. Es ist das Ausgangssignal dieses Differenz-Integrierers 50, das über den Multiplexer 52 eingespeist ist, das das die Frequenz steuernde Eingangssignal in den spannungsgeführten Oszillator 20 darstellt.

Wenn sich die Breite des Phasendetektor-Ausgangsimpulses dem Wert Null nähert, nähert sich die VCO-Frequenz einer Hälfte der Systemfrequenz, und die Schaltung wird mit der VCO-Ausgangsfrequenz verriegelt, die der Systemfrequenz folgt. Da der Phasendetektor immer zu der gleichen Zeit rückgesetzt wird, in der die abfallenden Flanken der übertragenen und empfangenen Frequenzen erzeugt werden, erfaßt er immer die Phase der folgenden zwei Flanken, die der 50 %-Tastverhältnispunkt der übertragungsfrequenz und der Nulldurchgang des erfaßten Ausgangssignales des empfangenen Impulses sind. Dies gewährleistet, daß die gesamte Schaltung nicht auf Harmonische entweder der Empfangsoder der Sendefrequenzen verriegelt ist und daß jede Ab-

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fragung der Strömung eine Korrekturinformation liefert. Dieses Merkmal bedingt ein sehr rasches Verfolgen der Systemfrequenz (die Änderungen mit Änderungen in der Strömungsgeschwindigkeit umfaßt), und ermöglicht es, daß Frequenzen mit einem nicht 50 % betragenden Tastverhältnis phasenerfaßt werden.

Die auf diese Weise arbeitende Schaltung vernachlässigt gewöhnlich Wandler-Klangsignale, da das Tastverhältnis von 50 % die Hälfte der Impuls-Folgefrequenz im Vergleich mit einem herkömmlichen "Singaround" liefert. Dies bedeutet, daß die Zeit zwischen einem Senden genau das Doppelte der Laufzeit beträgt, wodurch die doppelte Zeit ermöglicht wird, damit der Klang-Effekt abfällt.

Um die Effekte von Dreifach- oder Mehrfach-Transit-Reflexionen der Ultraschallwellen oder unüblich lange Abkling-Zeiten (beispielsweise in Pufferstäben) auszulöschen, kann die Schaltung so aufgebaut sein, daß eine Zahl M gesendeter Ultraschallimpulse übersprungen wird, damit ausreichend Zeit für Mehrfachübergänge zum Ausschwingen verbleibt, während der spannungsgeführte Oszillator bei genau der halben Systemfrequenz gehalten wird. Dies erfolgt mittels des Dividierers 22 für eine relativ hohe Anzahl M von Zyklen. Nachdem so die 5O %-Tastverhältnis-Flanke der Sendefrequenz und die empfangene Flanke der empfangenen Frequenz verglichen wurden, wird ein anderer Sendeimpuls zum Wandler nicht eingeleitet, und somit werden die Flipflops FF. und FF„ nicht rückgesetzt, bis M Zyklen vorüber sind. Dies ist erlaubt, da der Phasendetektor lediglich auf die zwei folgenden Flanken einwirkt, die dem.Rucksetζimpuls folgen (vgl. Fig. 5).

Für längere Ultraschallstreckenlängen nimmt die Zeit zwischen erfaßten Impulsen zu, und eine Speicherung der

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korrigierten VCO-Eingangsspannungen wird angewiesen. Dies erfolgt durch den Differenz-Integrierer 50, der Feldeffekt-Transistorschalter einer sehr hohen Impedanz verwendet, um das Kondensator-Streuen niedrig zu halten. Die Speicherkondensatoren 56 und 58 werden alternativ in die Schaltung geschaltet, abhängig davon, ob die Meßbetriebsart stromauf oder stromab ist, wie dies weiter unten näher erläutert werden wird.

Mit gesteigerten Leitungsdurchmessern werden die Effekte von Reflexionen und Klingeln klein genug aufgrund Strahlstreudämpfungen oder langen Zeiten, so daß ein Betrieb in der Überspring-Betriebsart nicht erforderlich ist. Nach Empfang des Ultraschallsignales (Null-Durchgang) wird unmittelbar ein neues Senden eingeleitet. Zu dieser Zeit wird ein Zähler fortgeschaltet, so daß eine Summe von N Inkrementen verwendet wird, um N Abtastwerte der Laufzeit anzusammeln, während beim PLL-Fortschalten ein Zähler bei jedem Empfang für N Inkremente 2 N Abtastwerte (die doppelte Zeit für gleiche Laufzeiten) der Laufzeit liefert (PLL = Phasenregelkreis). Die Anzahl N wird erfüllt, indem ein fest unterteiltes Ausgangssignal des Dividierers 22 gewählt wird. Durch direktes Teilen der VCO-Frequenz liefern die regelmäßige Betriebsart und die Überspring-Betriebsart nicht die gleiche Anzahl von Laufzeiten für einen gegebenen Divisor.

Wie oben erläutert wurde, dient das Ausgangssignal des Dividierers 22 zum Kippen ^des Konfigurationsschalters 24, der die gesamte Schaltung von einer Stromauf-Zählart zu einer Stromab-Zählart ändert. Das Ausgangssignal des Konfigurationsschalters 24 ist in einer Betriebsart als ein gerader Pfeil und in der zweiten Betriebsart als ein Pfeil mit einem kleinen Kreis angedeutet. Durch die ganze

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Schaltung gilt diese Vereinbarung, so daß die Konfiguration der Multiplexer 30 und 52 sowie diejenige des Logikgliedes 62 und das Auftasten der Verstärker 46 und 48 alle als durch den Kipp-Ausgangsimpuls des Konfigurationsschalters 24 gesteuert dargestellt sind. Das Ausgangssignal des Konfigurationsschalters 24, das am Logikglied 62 liegt, arbeitet, um den Oszillator-Taktgeber 60 weg vom Stromauf-24-Bit-Zähler 66 zum Stromab-24-Bit-Zähler 68 aufzutasten. Die Zahlen in diesen Zählern können dann durch einen Rechner benutzt werden, um die Geschwindigkeit V der Strömung zu berechnen. Durch Schalten des Multiplexers 52 schaltet der Konfigurationsschalter 24 den am Ausgang vom Differenz-Integrierer 50 benutzten Kondensator und erlaubt daher, daß eine Folge von Kondensatoren (jeder der Kondensatoren 56 und 58 ist tatsächlich ein Kondensatorpaar) die Steuerspannung für den Stromauf-Betrieb hält, und die andere Folge von Kondensatoren 58 wird verwendet, um die Steuerspannung für den Stromab-Betrieb zu halten.

Alle dem Ein- und Ausschalten dieser Kondensatoren zugeordneten Fehler und der anschließende Bedarf einer Anzahl von Zyklen zum erneuten Aufladen der Kondensatoren auf den richtigen Wert werden vermieden, indem lediglich der Oszillator-Taktgeber 60 zu den Zählern für eine bestimmte Anzahl von Zählerständen am Ende einer Anzahl von Zyklen des spannungs ge führten Oszillators aufgetastet wird. Irgendeine Anzahl von Zyklen von Übertragungen kann durch diese Zähler tatsächlich vernachlässigt werden, und der Rechner dividiert lediglich durch die Anzahl von Zyklen, die tatsächlich verwendet sind, um die Zähler aufzutasten. Eine derartige Methode erlaubt es, daß die Schaltung richtig ihre Betriebsfrequenz einstellt, bevor die Zähler verwendet werden.

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Eine andere Näherung für ein Ändern der Folgefrequenz von derjenigen eines herkömmlichen Singaround-Systems ist in der Fig. 6 gezeigt. In der Fig. 6 ist eine Doppelneigung-Näherung dargestellt, die eine herkömmliche Doppelneigungsschaltung verwendet. Wenn beispielsweise in dem Zeitpunkt, in dem ein erster Abfrageimpuls beginnt, eine Konstantstromquelle I₁ einen Kondensator mit der Geschwindigkeit V₁ Volt/Zeiteinheit auflädt, dann lädt sich der anfänglich ungeladene Kondensator auf, bis die Ultraschallwellen vom Abfrageimpuls beim zweiten Wandler zur Zeit t₁ empfangen werden. Anstelle jedoch unmittelbar einem anderen Abfrageimpuls wie in den herkömmlichen Singaround-Systemen zu beginnen, wird der zweite Impuls nicht gestartet, bis der Kondensator vollständig durch eine zweite Konstantstromquelle I„ entladen wurde, die in der entgegengesetzten Richtung mit der Geschwindigkeit oder Rate V„ arbeitet.Wenn V„ = -V₁ vorliegt, so dauert es gerade so lang zum Entladen des Kondensators wie zu dessen Laden. Wenn der Kondensator vollständig auf Null entladen ist, dann wird nur der zweite Abfrageimpuls begonnen. In dieser Anordnung ist dann die Folgefrequenz um einen Faktor 2 verringert. Durch Einstellen des Doppelneigungsverhältnisses V₂ZV₁ kann die Folgefrequenz auf irgendeinen geeigneten Wert herabgesetzt werden. Derartige Verringerungen liegen insbesondere im Bereich von 1:20. Spezielle Ausführungen für die Doppelneigungsschaltung sind nicht erforderlich.

Die gleiche Technik kann auch zum Beginnen oder Starten von Abfrageimpulsen bei einer Frequenz höher als das übliche "Singaround" benutzt werden. Wenn die Entladegeschwindigkeit oder -rate V_ gleich -2V₁ wie in Fig. 6 eingestellt ist und die Abfrageimpulse begonnen werden, wannimmer ein Impuls am Wandler empfangen wird, und zusätzlich, wannimmer der Kondensator C₁ auf Null entladen wurde, dann ist die Impulsfolgefrequenz doppelt so rasch wie die Systemfrequenz. 130019/0734

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Claims

Ansprüche

1. Ultraschall-Strömungsmesser zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Leitung,

gekennzeichnet durch

- einen ersten Wandler (4a), der auf der Leitung (1) befestigt ist, um Ultraschallwellen in das Fluid abhängig von eingespeisten elektrischen Signalen abzugeben und um elektrische Ausgangssignale abhängig von Ultraschallwellen zu erzeugen, die vom Fluid empfangen sind,

- einen zweiten Wandler (4b), der auf der Leitung (1) an einer vom ersten Wandler (4a) verschobenen Stelle in einer Richtung parallel zur Strömung des Fluids in der Leitung (1) angebracht ist und Ultraschallwellen in das Fluid abhängig von angelegten elektrischen Signalen abgibt sowie elektrische Ausgangssignale abhängig von Ultraschallwellen erzeugt, die vom Fluid empfangen sind,

- einen mit dem ersten und dem zweiten Wandler (4a, 4b) gekoppelten Signalgenerator (34, 36), der auf Eingangssignale anspricht, um dort elektrische Signale einzuspeisen,

- einen mit jedem der Wandler (4a, 4b) gekoppelten Signalsensor (41), der durch die Wandler (4a, 4b) abhängig von empfangenen Ultraschallwellen erzeugte elektrische Signale empfängt und Eingangssignale in den Signalgenerator

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(34, 36) abhängig von den empfangenen Signalen speist,

- eine Zeitsteuerschaltung zum Messen der Zeitdauer der Periode zwischen Übertragungen vom Signalgenerator (34, 36),

- eine Steuereinrichtung zum Betreiben des Strömungsmessers in einer Betriebsart mit Ultraschallwellen, die vom ersten Wandler (4a) zum zweiten Wandler (4b) übertragen sind, und in einer zweiten Betriebsart vom zweiten Wandler (4b) zum ersten Wandler (4a), und

- eine Differenzeinrichtung zum Bestimmen der Differenz zwischen der gemessenen Zeitdauer in der ersten Betriebsart und in der zweiten Betriebsart, wobei diese Differenz ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids liefert.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Zeitsteuerschaltung eine Quelle von Taktimpulsen bei einer Frequenz aufweist, die durch eine Zeitdauer wenigstens eine Größenordnung kleiner als die Periode zwischen Übertragungen von den Wandlern (4a, 4b) charakterisiert ist.

3. Strömungsmesser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Zeitdauer über einer Periode von N Übertragungen gemessen wird, wobei N größer als 1 ist.

4. Strömungsmesser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Zeitdauer über einer Periode von N Übertragungen gemessen wird, wobei N größer als 1 ist, und

- daß den N Übertragungen unmittelbar mehrere Übertragungen vorangehen, die nicht direkt für diese Messung verwendet sind.-

5. Strömungsmesser nach Anspruch 1,

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dadurch gekennzeichnet,

- daß der Signalgenerator Ultraschallwellen bei einer
Impulsfrequenz umgekehrt proportional zu der Zeit
sendet, die benötigt wird, damit die Ultraschallwellen vom Sende-Wandler (4a) zum Empfangs-Wandler (4b)
laufen.

6. Strömungsmesser nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Impulsfrequenz eine Folgeperiode aufweist, die ein Bruchteil der erforderlichen Zeit ist.

7. Strömungsmesser nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Impulsfrequenz eine Folgeperiode aufweist, die ein Mehrfaches der erforderlichen Zeit ist.

8. Ultraschall-Strömungsmesser zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Leitung,

gekennzeichnet durch

- einen ersten Wandler (4a), der auf der Leitung (1) befestigt ist, um Ultraschallwellen in das Fluid abhängig von angelegten elektrischen Signalen zu senden, und um elektrische Ausgangssignale abhängig von Ultraschallwellen zu erzeugen, die vom Fluid empfangen sind,

- einen zweiten Wandler (4b), der auf der Leitung an einer vom ersten Wandler (4a) in einer Richtung parallel zur Strömung des Fluids in der Leitung (1) versetzten Stelle befestigt ist und Ultraschallwellen in das Fluid abhängig von angelegten elektrischen Signalen sendet sowie
elektrische Ausgangssignale abhängig von Ultraschallwellen erzeugt, die vom Fluid empfangen sind,

- einen mit dem ersten und dem zweiten Wandler (4a, 4b)
gekoppelten Signalgenerator (34, 36), um dort elektrische Signale anzulegen, wobei der Signalgenerator einen

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frequenzgeführten Oszillator (20) aufweist, dessen Ausgangssignal den Ausgangs-Folgezyklus der an den ersten und den zweiten Wandler (4a, 4b) gelegten Signale steuert, um eine übertragung von ultraschallwellen einzuleiten,

einen zwischen jedem der Wandler (4a, 4b) und einem Steuereingang für den frequenzgesteuerten Oszillator (20) gekoppelten Signalsensor, der durch die Wandler (4a, 4b) abhängig von empfangenen Ultraschallwellen erzeugte elektrische Signale empfängt und diese Signale zum Oszillator (20) koppelt, um die Frequenz des Oszillators (20) so zu steuern, daß die Ausgangs-Zyklusperiode des Oszillators (20) proportional zu der Zeit ist, die für eine vom einen Wandler (4a) ausgesandte·Ultraschallwelle benötigt wird, um zum anderen Wandler (4b) zu laufen,

eine Zeitsteuerschaltung zum Bestimmen der Zeit für wenigstens einen Zyklus des Oszillators (20), der auf Ultraschallwellen anspricht, die durch das Fluid in der Strömungsrichtung übertragen sind, und zum Bestimmen der Zeit wenigstens eines Zyklus des Oszillators (20), der auf Ultraschallwellen anspricht, die in das Fluid in einer zur Strömung entgegengesetzten Richtung übertragen sind,

wobei die Zeitsteuerschaltung eine Taktimpulsquelle aufweist, die bei einer Frequenz wenigstens eine Größenordnung höher als die Frequenz des frequenzgesteuerten Oszillators (20) arbeitet, und wobei die Zeitsteuerschaltung die Anzahl der Zeitsteuerimpulse, die während wenigstens eines Zyklus des Betriebs des frequenzgesteuerten Oszillators (20) erzeugt sind, als Mittel zum Messen der Zeit des Zyklus bestimmt, und

eine Differenzeinrichtung zum Bestimmen der Differenz zwischen der gemessenen Zeit für diesen Zyklus, während die Ultraschallwellen in der Strömungsrichtung übertragen sind,

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und der Zeit, die für diesen Zyklus benötigt wird, wenn die Ultraschallwellen entgegengesetzt zur Strömungsrichtung übertragen sind, wobei die Differenz die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids anzeigt.

9. Strömungsmesser nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Zeitsteuerschaltung die Gesamtzeit für mehrere Zyklen für Ultraschallwellen in jeder Richtung bestimmt.

10. Strömungsmesser nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der Signalgenerator derart angeordnet ist, daß die am ersten und am zweiten Wandler (4a, 4b) liegenden Signale lediglich ein Bruchteil der Ausgangsfrequenz des Oszillators (20) sind.

11. Strömungsmesser nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Frequenz des Oszillators (20) derart eingestellt ist, daß seine Periode die Hälfte der Zeit beträgt, die benötigt wird, damit eine Ultraschallwelle vom einen Wandler (4a) zum anderen Wandler (4b) läuft.

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