-
-
ltraschallStrömungsmeßgerät
-
Es ist ein Ultraschall-Strömungsmeßgerät bekannt, das ein Paar Ultraschall-Wandler
aufweist, die einander gegenüber und versetzt in bezug auf die Strömungsrichtung
angeordnet sind, um die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids zu erfassen, In Fig.
1 ist ein derartiges bekanntes Strömungsmeßgerät gezeigt, bei dem zwei Ultraschall-Wandler
3 und 4 einander gegenüber an einem Rohr 1 angebracht sind, durch das das hinsichtlich
seiner Strömungsgeschwindigkeit zu messende Fluid strömt, Die Ultraschall-Wandler
3 und 4 setzen ein elektrisches Signal in eine Ultraschallwelle um, die durch das
Fluid 2 gesendet wird und dann wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Die Ultraschall-Wandler 3 und 4 arbeiten abwechselnd in der Weise, daß, wenn ein
Wandler die Ultraschallwelle aussendet, der andere Wandler dieselbe empfängt und
umgekehrt. Die Laufzeit für die Ultraschallwel.le, um vom Ultraschall-Wandler 3
zum Ultraschall-Wandler 4 in Richtung des Pfeiles A -zu gelangen, ist verschieden
von der Laufzeit, die die Ultraschallwelle vom Wandler 4 zum Wandler 3 in Richtung
des Pfeiles B benötigt, weil die Geschwindigkeit V des Fluids 2 unterschiedlich
auf die Ultraschallwelle in den beiden Laufrichtungen einwirkt. Die Strömungsgeschwindigeit
V kann auf der Basis der Differenz der Laufzeiten in den beiden Richtungen ermittelt
werden.
-
Um die Laufzeit-Differenz zu erfassen, ist bereits ein Verfahren bekannt,
das als Sing-AroundMethode bezeichnet wird und in der offengelegten japanischen
Gebrauchsmusteranmeldung 25 837/79 beschrieben ist. Ferner ist
bekannt,
eine Anordnung zur Erfassung der Laufzeit-Differenz zu benutzen, die nach der Time-Locked-Loop-Methode
arbeitet und beispielsweise in der Zeitschrift "Fuji Electrical Journal", Vol. 48,
Nr. 2, 1975 auf den Seiten 29 bis 38 beschrieben ist. Bei der Anordnung nach der
Sing-Around-Methode wird eine Art Oszillatoranordnung verwendet, in der eine Rückkopplung
über den Ausbrei tungspfad der Ultraschallwelle gebildet it. Auf der Basis der Oszillatorfrequenz
werden die verschiedenen Lauf~ zeiten erfaßt, um die Laufzeitdifferenz zu ermitteln.
-
Im einzelnen wird bei der Anordnung nach Fig. 1 ein Impulsgenerator
eingesetzt, um den Ultraschall-Wandlern elektrische Impulse zuzuführen, damit diese
Ultraschallwellen aussenden; auf der Empfangsseite ist ein astabiler Multivibrator
vorhanden, der auf die elektrischen Impulse des empfangenden Ultraschall-Wandlers
anspricht, wodurch ein Sing-Around-Pfad gebildet ist. Auf diese Weise wird ein Zug
von Impulsen mit einer festen Periode gewonnen.
-
Diese feste Periode oder Sing-Around-Periode entspricht im; wesentlichen
einer Zeit, die die Ultraschallwelle benötigt, um sich zwischen den Ultraschall-Wan.dlern
3 und 4 auszubreiten.. Daher läßt sich durch Zählen der Impulse die Frequenz ermitteln
und damit die Laufzeit der Ultraschallwellen zwischen dem sendenden und empfangenden
Ultraschall-;landlern ermitteln, woraus sich die Strömungsgeschwindigkeit errechnen
läßt, wenn die sendenden und empfangenden Wandler ihre Funktion jeweils austauschen..
-
Da in diesem Fall indessen der Zug von Impulsen, die im wesentlichen
eine der Ausbreitungszeit der Ultraschall-Impulse entsprechende Periode haben, gezählt-wird,
benötigt die Sing-Around-Methode eine relativ lange Meßzeit, so daß der jeweilige
Wechsel in der Sende- und Empfangsfunktion der Ultraschall-Wandler eine relativ
lange Zeit dauern muß.
-
Bei einer Anordnung nach der Time-Locked-Loop-Methode vertauschen
sendender und empfangender Ultraschall-Wandler ihre Funktion mit einer kurzen Periode,
die nur etwas länger als die Zeit ist, die die Ultraschallwelle vom sendenden zum
empfangenden Ultraschall-Wandler läuft.
-
Es wechselt sich demzufolge eine Meßzeit, in der die Ultraschall-Welle
sich in Vorwärtsrichtung in bezug auf die Strömungsrichtung des Fluids bewegt, und
eine Meßzeit1 in der eine umgekehrte Ausbreitung entgegen der Strömungsrichtung
erfolgt, in der kurzen Periode ab.
-
Bei einer Anordnung nach Fig, 1 ergeben sich Probleme hinsichtlich
der Meßgenauigkeit, wenn sowohl eine Anordnung nach der Sing-Around-Methode als
auch eine Einrichtung nach der Time-Locked- Loop-Methode angewendet wird, wenn das
Fluid nicht in einer Richtung parallel zur Achse beispielsweise eines Rohres strömt
oder wenn eine Abdrift in dem Fluid vorhanden ist, Ein Beispiel für eine Abdrift
ist in Fig. 1 durch den Pfeil V' gekennzeichnet; sie ergibt sich beispielsweise
dann, wenn das Rohr 1 an einer stromaufwärts bezüglich der Meßstell-e liegenden
Stelle gebogen ist. Daraus ergibt sich ein Fehler bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit.
-
Um dieses Problem zu beseitigen, ist bereits eine Anordnung bekannt,
wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Hier sind zwei Ultraschall-Wandler 3 und 4 auf derselben
Seite des Rohres 1 angebracht. Bei dieser Anordnung wird eine Laufzeit von Ultraschall-Impulsen
gemessen, die von der gegenüberliegenden Wand des Rohres 1 reflektiert sind. Bei
dieser Meßmethode sind die Wirkungen der Abdrift V' an den Stellen C und D des Laufweges
beseitigt und damit Meßfehler infolge der Drift vermieden. Eine solche Anordnung
ist in der japanischen Offenlegungsschrift 25 7750/76 beispielsweise beschrieben.
Im allgemeinen
führt das Auftreten einer Abdrift zu einerzick-zack-förmigen
Strömung oder einem spiralförmigen Wirbel, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Aus
diesem Grunde können die Auswirkungen der Abdrift Vt auf das Meßergebnis kaum vermieden
werden.
-
Es ist deshalb bereits bekannt, zwei Paare von akustischen Wandlern
zu benutzen, also vier akustische Wandler 11 bis 14 vorzusehen, wie dies in Fig.
4 gezeigt ist. Wird bei dieser Anordnung die Sing-Around-Methode angewendet, dann
werden zuerst Ultraschall-Impulse vom akustischen Wandler 11 zum akustischen Wandler
12 gesendet, um eine Sing-Around-Frequenz fA zu messen. Dann werden Ultraschall-Impulse
vom akustischen Wandler 13 zum Wandler 14 geschickt, um eine weitere Sing-Around-
Frequenz fgzu ermitteln.
-
Eine Frequenz f die durch diese Messungen gewonnen ist und durch die
Gleichung f1 = A + beschrieben ist, wird als eine Sing-Around-Frequenz benutzt,
wenn die Ultraschall-Impulse in Bezug auf die Strömungsrichtung.V des Fluids 2 in
Vorwärtsrichtung ausgesendet werden. Bei diesem Verfahren kreuzen die beiden Übertragungswege
für die Ultraschall-Impulse von dem Wandler 11 zum Wandler 12 und vom Wandler 13
zum Wandler 14 die Abdrift V' im wesentlichen an derselben Stelle. Daher kann davon
ausgegangen werden, daß die Frequenz f1 verhältnismäßig wenig durch die Abdrift
V'.beeinflußt ist. Zusätzlich werden die Sende- und Empfangsseiten jedes Paares
akustischer Wandler miteinander vertauscht. Mit den Ultraschall-Impulsen, die vom
Wandler 12 zum Wandler 11 laufen, läßt sich dann eine Sing-Around-Frequenz fC feststellen.
Aus der Ausbreitung der Ultraschall-Impulse vom Wandler 14 zum Wandler 13 ergibt
sich eine weitere Sing-Around-Frequenz
Eine Frequenz f2, die durch
folgende Gleichung beschreibbar ist: f2 = (fC + wird als eine Sing-Around-Frequenz
benutzt, wenn die Ultraschall-Impulse in Bezug auf die Strömungsrichtung V des Fluid
2 entgegengesetzt ausgesendet werden. Mit dieser Methode ist es möglich, die Laufzeit
der Ultraschallwellen frei von Einflüssen durch die Abdrift V' zu messen. Ferner
kann die Strömungsgeschwindigkeit V des Fluid 2 aus den Sing-Around-Frequenzen f1
und f2, die die Laufzeiten repräsentieren, ermittelt werden.
-
Bei der Anordnung nach Fig. 4 unter Anwendung der Sing-Around-Methode
werden indessen mehrere Sekunden zum Messen jeder der Sing-Around-Frequenen f bis
fD benötigt.
-
Falls sich die Abdrift V' während der Meßzeit ändert, wird die Wirkung
der Abdrift auf das Meßergebnis nicht aufgehoben. Dies wird anhand der Fig. 5 veranschaulicht,
in der eine Folge von Meßschritten zu Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit dargestellt
ist. Zunächst wird eine Sing-Around-Frequenz gewonnen, indem Ultraschall~ Impulse
sich vom akustischen Wandler 11 zum akustischen Wandler 12 ausbreiten; diese Frequenz
ist mit A bezeichnet.
-
Zu dem Zeitpunkt, zu dem beide Sing-Around-Frequenzen fA und B gewonnen
sind, ist die Sing-Around- Frequenz f1 ermittelt. Danach ist zu einem Zeitpunkt,
zu dem die Sing-Around-Frequenzen fC und D ermittelt sind, auch die Sing-Around-Frequenz
f2 in Rückwärtsrichtung gewonnen, Schließlich ist die Frequenz-Differenz zwischen
beiden, nämlich = = f1 - f2 ermittelt, die einer Zeitdifferenz zwischen der Laufzeit
der
Ultraschall-Welle in Vorwartsrichtung und der Laufzeit der Ultraschall-Welle in
Rückwärtsrichtung in bezug auf die Strömungsrichtung des Fluid 2 entspricht. Die
Strömungsgeschwindigkeit wird aufgrund der Laufzeit differenz errtchnet. Wie Fig.
5 zeigt, sind 5 bis 10 Sekunden erforderlich, um über die Ermittlung der Sing-Around-Frequenzen
A bis D die Frequenzdifferenz b f zu erhalten. Wenn sich während dieser Meßzeit
der Zustand der Abdrift V' ändert, kann der Einfluß der Abdrift auf das Meßergebnis
nicht beseitigt werden und der Meßfehler wird vergrößert.
-
Diesen Nachteil vermeidet ein anderes bekanntes Ultraschall-Strsmgsmeßgerat
(DE-OS 29 36 909), das ebenfalls mit zwei Paaren akustischer Wandler arbeitet, jedoch
zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit nicht nach dem Sing-Around-.Verfahren
arbeitet, sondern zweiLaufzeit-Meßeinrichtungen enthält, mit denen die Laufzeiten
unter Anwendung des Time-Locked-Loop-Verfahrens ermittelt werden.
-
Die Erfindung geht von diesem bekannten Ultraschall-Strömungsmeßgerät
aus und setzt sich die Aufgabe, unter Beibehaltung der Vorteile dieses bekannten
Gerätes ein Strömungsmeßgerät vorzuschlagen, das mit vergleichsweise geringem Aufwand
herstellbar ist.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Ultraschall-Strömungsmeßgerät erfindungsgemäß
entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgebaut.
-
Das erfindungsgemäße UltraschallStrömungsmeßgerät hat den Vorteil,
daß es verhältnismäßig einfach aufgebaut ist, weil die Laufzeit-Meßanordnung nur
aus einer einzigen Laufzeit-Meßeinrichtung besteht, die alle die Bau-
teile
und Schaltungsteile enthält die zur Erfassung der Laufzeit bzw. Bestimmung der Strömugsgeschwindigkeit
unter Anwendung des Time-Lockes-Loop-Verfahrens benötigt werden. In Abweichung von
dem bekannten Strömungsmeßgerät wird also nicht für jedes einzelne Paar einandergegenüberliegender
akustischer Wandler eine Laufzeit-Meßeinrichtung benötigt, sondern für mehrere,
vorzugsweise zwei Paare akustischer Wandler nur eine einzige Laufzeit-Meßeinrichtung.
Dies verringert den Herstellungsaufwand erheblich und trägt auch zur Erhöhung der
Funktionssicherheit bei, Dabei ist die Meßgenauigkeit im Hinblick auf Abdrift-Erscheinungen
in der Strömung durch die Schaltungsvereinfachung nicht nachteilig beeinflußt, Weitere
Vorteile des erfindungsgemäßen Ultraschall-Strömungsmeßgerätes ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
-
Zur Erläuterung der Erfindung sind in Fig. 6 ein Ausführungsbeispiei
des erfindungsgemäßen Strömungsmeßgerätes, in Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der
Verstärkeranordnung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 6, Jn Fig. 8 Diagramme zur
Erläuterung der Funktionsweise der Verstärkeranordnung nach Fig. 7 und in Fig. 9
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung gezeigt.
-
Bei der Anordnung nach Fig. 6 sind zwei Paare von akustischen Wandlern
11, 12 sowie 13, 14 vorhanden die Ultraschallwellen in das Fluid senden, das in
dem Rohr 1 mit einer Geschwindigkeit V strömt; insofern stimmt das Strömungsmeßgerät
nach Fig. 6 mit der Anordnung nach Fig. 4 überein, Abweichend von der Anordnung
nach der Fig. 4 sind bei dem Strömungsmeßgerät nach Fig.
-
6 die akustischen Wandler 11 und 14 auf einer Seite
der
Strömung angeordnet und miteinander verbunden, so daß sie in der unten näher dargestellten
Weise zusammenwirken können.
-
Wenn einer der akustischen Wandler 11 oder 14 Ultraschall~ Impulse
empfängt, wird ein elektrisches Impuls-Signal aus den Ultraschall-Impulsen gebildet,
in der Verstärkeranordnung 40 verstärkt und gleichzeitig den akustischen Wandlern
11 und 14 wieder zugeführt. Die akustischen Wandler setzen das elektrische Signal
wiederum in Ultraschall-Impulse um, die in das Fluid gesendet werden.
-
Die akustischen Wandler 12 und 13 empfangen dann diese Ultraschall-Impulse
und setzen sie in elektrische Signale um, die einer Laufzeit-Meßanordnung 20 zugeführt
werden, die nach dem Time-Locked-Loop-Verfahren arbeitet. Mit der Laufzeit-Meßanordnung
20, die aus einer einzigen Lauizeit-Meßeinrichtung besteht, wird die Betriebsart
der zwei akustischen Wandler 12 und 13 jeweils in einer Weise gewechselt, wie dies
weiter unten näher erläutert ist. Die akustischen Wandler 12 und 13 empfangen Ultraschall-Impulse,
die von den akustischen Wandlern 11 und 14 ausgesandt werden, wenn die Wandler 11
und 14 mit elektrischen Signalen von der Verstärkeranordnung 40 beaufschlagt sind.
Die Strömungsgeschwindigkeits messung wird mittels eines elektrischen Signals durchgeführt,
das von einem der akustischen Wandler 12 und 13 gebildet ist (beispielsweise vom
Wandler 12), der gegenüber dem Wandler (beispielsweise 14) angeordnet ist, der nicht
mit demjenigen akustischen Wandler (beispielsweise 11) der beiden Wandler 11 und
14 identisch ist, der die Ultraschall-Impulse aussendet.
-
Falls die Energie der Ultraschall-Impulse, die von einem der akustischen
Wandler 11 oder 14 auf derselben Seite
des Fluids 2 empfangen wird,
ausreichend groß ist, dann können die aus der Umformung gewonnenen elektrischen
Signale direkt dem anderen akustischen Wandler ohne Verstärkung über die Verstärkeranordnung
40 zugeführt werden.
-
Eine Ausführung der Verstärkeranordnung 40 nach Fig.
-
6 ist weiter unten im Zusammenhang mit er Fig. 7 beschrieben. Zunächst
soll der Aufbau unc die Wirkungsweise der Laufzeit-Meßeinrichtung 20 nach de Time-Locked-Loop-Verfahren
erklärt werden.
-
Ein Wechsel in der Betriebsart wird durch eine Betriebsartschalteinrichtung
109 bewirkt, die Betriebsartschaltsignale A und B über ein Gatter 106 einem Paar
von akustischen Wandlern zuführt, die jeweils einander gegenüber liegend angeordnet
sind, so daß die akustischen Wandler jedes Paares wechselnd als Sender und als Empfänger
wirken.
-
Eine Oszillatoranordnung 101 der Laufzeit-Meßeinrichtung weist zwei
spannungsgesteuerte Oszillatoren 111 und 112 sowie zwei Steuereinrichtungen 113
und 114 auf.
-
Steuerspannungen, die sich in Abhängigkeit von einem erfaßten Ausgangssignal
S einer Zeitdifferenz-Erfassungseinrichtung 108 ändern, sind von den Steuereinrichtungen
den Oszillatoren 111 und 112 zugeführt, wodurch sich die Frequenzen der Oszillatoren
ändern. Die Steuereinrichtungen 113 und 114 sind ihrerseits durch die Betriebsartschaltsignale
A und B von der Betriebsartschalteinrichtung 109 gesteuert, damit in einer Betriebsart
nur eine der Steuereinrichtungen wirksam ist, um das Ausgangssignal S der Zeitdifferenz-Erfassungseinrichtung
108 aufzunehmen und zu verarbeiten. Eiri synchronisierender Impulsgenerator 102,
der das Ausgangssignal jedes der beiden Oszillatoren 111 und 112 aufnimmt, die von
den
Steuereinrichtungen ihrerseits gesteuert sind, erzeugt Synchroniserilr.pulse
im Synchronismus mit dem Ausgangssignal der Oszillatoren. Ein Zähler 103 nimmt die
Ausgang signale des Oszillators 111 oder 112 auf und beginnt seine Zählung in Abhängigkeit
von einem Synchronisierimpuls des synchronisierenden Impulsgenerators 102; der Zahler
103 erzeugt ein Zählende-Signal, wenn sein Zählerstand eine vorgegebene Zahl.N erreicht
hat, die in Abhängigkeit vom Durchmesser usw. des Rohres 1 gewählt ist. Auf das
Zählende-Signal erzeugt ein Verzögerungsglied 104 ein Verzögerungssignal Vs nach
einem vorgegebenen Zeitablauf. Das Verzögerungssignal Vs wird der Zeitdifferenz-Erfassungseinrichtung
108 zugeführt, die daraufhin die Zeitdifferenz zwischen diesem Verzögerungssignal
Vs und einem TriggerSignal Z erfaßt, das von einer Empfangsschaltung 107 ausgeht,
was später noch erläutert wird.
-
Das synchronisierende Signal des synchronisierenden Impulsgenerators
ist einem elektrischen Impulsgenerator 105 zugeführt, damit ein elektrisches Signal
auf der Basis des Synchronisiersignales erzeugt wird. Das elektrische Signal wird
über das Gatter 106 entweder dem akustischen Wandler 12 oder dem akustischen Wandler
13 zugeführt. Der jeweilige akustische Wandler sendet eine Ultraschall-Welle in
das Fluid 2. Die Ultraschall-Welle breitet sich entlang eines Weges im Fluid 2 aus
und wird durch den gegenüberliegenden anderen akustischen Wandler empfangen, von
dem es wiederum in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Dieses elektrische Signal
wird schließlich wieder der Empfangsschaltung 107 zugeführt, und zwar über das Gatter
106. Die Empfangsschaltung 107 erzeugt das TriggerSignal Z entsprechend dem gewonnenen
elektrischen Signal
Das Trigger-Signal Z wird der Zeitdifferenz-Erfassungseinrichtung
108 zugeführt, um die Zeitdifferenz zwischen dem Trigger-Signal Z und dem Verzögerungssignal
Vs zu erfassen.
-
In der Zeitdifferenz-Erfassungseinrichtung 108 ist ein NAND-Glied
enthalten, dem das Trigger-Signal Z und .das Verzögerungssignal Vs zugeführt werden;
von dem NAND-Glied wird ein Kondensator über eine Diode aus einer Konstant-Stromquelle
aufgeladen und die veitdi-fferenz zwischen dem Trigger-Signal Z und dem Verzögerungssignal
Vs in Form einer Spannungsdif2erenz zwischen der Ladungsspannung und einer Bezugsspannung
festgestellt. Auf diese Welse wird das Ausgangssignal S gewonnen, das der Oszillator
Anordnung 101 zugeführt wird, um die Steuereinrichtungen 113 und 114 in der bereits
oben beschriebenen Weise zu steuern.
-
Im Betrieb des dargestellten Strömungsmeßgerätes wird durch das Betriebsartschaltsignal
A der Betriebsartschalteinrichtung 109 der akustische Wandler 13 als Sender betrieben.
In der Oszillator-Anordnung 101 verbindet dasselbe Signal A den Oszillator' 111
mit dem synchronisierenden Impulsgenerator 102 und dem Zähler 103. Durch das Betriebsartschaltsignal
A wird außerdem das Gattr,e 106 so beeinflußt, daß das Ausgangssignal vom elektrischen
Impulsgeber 105 zum akustischen Wandler 13 und das umgesetzte elektrische Signal
des akustischen Wandlers 12 zur Empfangsschaltung 107 gelangen.kann.
-
Wenn unter diesen Umständen das Verzögerungssignal Vs.
-
von dem Verzögerungsglied 104 nach einer vorgegebenen Zeit erzeugt
wird, dann beendet das NAND-Glied in der Zeitdiffernz-Erfassungseinrichtung 1 08
ihr Ausgangssignal, so daß der Kondensator entladen wird. Wenn danach die Ultraschall-Welle
den akustischen Wandler erreicht
und das umgesetzte Trigger-Signal
Z abgegeben wird, erzeugt das N.4ND-Glied in der Zeitdifferenz-Erfassungseinrichtung
108 auf das eingehende, um gesetzte elektrische Signal hin wiederum ein Ausgangssignal,
um die Entladung des Kondensators zu beenden. Eine Spannungsdifferenz, die sich
aus dem Vergleich der Ladungsspannung am Kondensatcr zum Zeitpunkt der Beendigung
der Ladung des Kondensators und einer Bezugsspannung ergibt, ist der Oszillator-Anordnung
101 als ein der Zeitdifferenz entsprechendes Ausgangssignal S zugeführt. Demzufolge
wird die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 111 durch die Steuereinrichtung
113 beeinflußt, die nicht der Steuerung durch das Betriebsartschaltsignal A ausgesetzt
ist. Durch mehrmalige Wieaerholung dieses Vorgangs wird schließlich eine der Zeitdifferenz
entsprechende Spannung 5 erzeugt, die den Wert Null hat. Auf diese Weise ist schließlich
die Laufzeit Ta in Vorwärtsrichtung in Bezug auf die Strömungsrichtung erfaßt und
in eine Oszillator-Frequenz FA umgesetzt.
-
Die Messung der Laufzeit in Vorwärtsrichtung ist damit beendet.
-
Danach wird der akustische Wandler 12 als Sender infolge des Betriebsartschaltsignals
B betrieben. Zur gleichen Zeit wird in der Oszillator-Anordnung 101 auf das Betriebsartschaltsignal
B der spannungsgesteuerte Oszillator 112 mit dem synchronisierenden Impulsgenerator
102 und dem Zähler 103 verbunden. Auch das Gatter 106 wird durch dasselbe Betriebsartschaltsignal
B so gesteuert, daß das Ausgangssignal vom elektrischen Impulsgenerator 105 zum
akustischen Wandler 12 und zur selben Zeit das umgesetzte elektrische Signal vom
akustischen Wandler 13 zur Empfangsschaltung 107 gelangen kann. Auf die gleiche
Weise, wie oben erläutert, wird dann die Laufzeit Tb in RückwGrtsrichtung ermittelt
und in eine Oszillatorfrequenz FB des spannungsgesteuerten Oszillators 112
umgesetzt;
die Messung der Laufzeit in iicwärtsrictung ist damit beendet.
-
Die Ausgangssignale der spannungsgesteuerten Oszillatoren 111 und
112 werden einem Schaltkreis 115 zur Erfassung der Frequenzdifferenz zugeführt,
in dem eine Frequenz differenz AF = FA - FB zwischen den Oszillatorfrequenzen ermittelt
wird, um eine Meßgröße zu gewinnen, die der Strömungsgeschwindigkeit entspricht.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschall-ßgerät werden die Betriebsartschaltsignale
A und B der Betriebsartschalteinrichtung 109 in der Laufzeit-Meßeinrichtung 20 auch
der Verstärkeranordnung 40 zugeführt. Die Ultraschall-Weile, die von einem der akustischen
Wandler 11 oder 14 empfangen wird, wird von diesen in ein elektrisches Signal umgesetzt,
das in der Verstärkeranordnung 40 verstärkt und zu dem akustischen Wandler auf der
anderen Seite der Strömung zurückgeführt wird. Die Verstärkeranordnung arbeitet
nur-während der Zeit, in der tatsächlich ein elektrisches Signal vorhanden ist,
um Beeinflussungen des Meßergebnisses in den Pausen durch Geräusche zu vermeiden.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel einer Verstarkeranordnung 40 nach Fig.
6, wie es in Fig. 7 wiedergegeben ist, wird die vom entweder akustischen Wander
11 oder 14 empfangene Ultraschall-Welle in ein elektrisches Signal umgesetzt, das
über eine Umschalteinrichtung 41 geführt ist. Zu dieser Zeit empfängt die Umschalteinrichtung
41 auch das Betriebsartschaltsignal A oder B, Dadurch wird ein Paar von Umschaltern
S1 und S2 betätigt, wodurch die elektrischen Signale der akustischen Wandler 11
oder 14 zu einem Vorverstärker 42 mit einem logischen Glied gelangen können. Der
Vorverstärker 42 enthält einen
üblichen Verstärker, der eingangsseitig
mit einem elektronischen Schalter 421 versehen ist In dem Vorverstärker 42 wird
das elektrische Signal verstärkt und einem Filter 43 zugeführt. Der von einem FeldeffektTransistor
421 gebildete elektronische Schalter wird über einen Inverter 423 von einer Verzögerungsstufe
45 derart gesteuert, daß während des jeweiligen Zeitraums ohne eingehendes elektrisches
Signal von dem elektronischen Schalter 421 der Eingang des Verstärkers 422 an Masse
gelegt wird, wodurch verhindert wird, daß dort eine Verstärkung von unerwünschten
Geräuschen eintritt.
-
Danach wird das verstärkte elektrische Signal nach Ausfilterung unerwünschter
Komponenten mittels des Filters 43 wieder der Umschalteinrichtung 41 über einen
Leistungsverstärker 44 zugeführt. Das elektrische Signal wird nun demjenigen der
akustischen Wandler 11 oder 14 zugeführt, der die Ultraschall-Welle gerade nicht
empfangen hatte; dies wird durch entsprechende Betätigung des Schalters S2 durch
das Betriebsartschaltsignal A oder B erreicht.
-
Die Verzögerul;gsstufe 45 enthält in Kaskade eine Verzögerungseinheit
451 und einen monostabilen Multivibrator 452. Es wird eine Laufzeit für eine Ultraschall-Welle,
beispielsweise ausgesendet vom akustischen Wandler 12 und beispielsweise empfangen
vom akustischen Wandler 11, auf der Basis des Durchmessers des Rohres 1 vorgegeben.
-
Die Verzögerungseinheit 451 wird so eingestellt, daß ihre Verzögerungszeit
etwa dieser vorgegebenen Laufzeit entspricht. Ein Ausgangssignal MS eines Umformers
46 wird um die vorgegebene Laufzeit durch die Verzögerungseinheit 451 verzögert
und dann dem monostabilen Multivibrator 452 zugeführt. Der monostabile Multivibrator
452 wird durch das Ausgangssignal der Verzögerungseinheit 451 so gesteuert, daß
er ein logisches H-Signal während
einer Zeitdauer erzeugt, die
etwa der Zeit entspricht, in der beispielsweise der akustische Wandler 11 das empfangene
Signal abgibt. Dieses logische Signal des monostabilen Multivibrators 452 wird dem
Steuereingang des elektronischen Schalters 421 über den Inverter 423 geführt. Daraufhin
wird der Schalter 421 also nach der Verzögerungszeit der Verzögerungseinheit 451
,die zu dem Zeitpunkt beginnt, an dem der akustische Wandler 12 beispielsweise mit
dem Aussenden der Ultraschall-Welle unter der Steuerung des Betriebsartschaltsignals
A oder B beginnt - geöffnet, so daß der Verstärker 422 während der Zeit arbeitet,
während der der akustische Wandler 11 die Ultraschall-Welle empfängt; dies ist die
Zeit, während der der akustische Wandler ein elektrisches Signal an den Verstärker
422 abgibt.
-
Das Betriebsartschaltsignal A bzw. B hat solch eine Rechteckform,
daß es ein logisches H-Potential aufweist, wenn das Betriebsartschaltsignal A auftritt
und ein logisches L-Potential annimmt, wenn das Betriebsartschaltsignal B vorhanden
ist. Infolge Steuerung der Umschalteinrichtung 41 durch die Betrie'ssartschaltsignale
A bzw. B der eben angegebenen Gestalt werden die Schalter S1 und S2 abwechselnd
auf die Kontakte a bzw. b in Abhängigkeit von dem Potential der Signale A und B
geschaltet.
-
Falls die Betriebsartschaltsignale direkt auf die Umschalt einrichtung
45 gegeben würden, würde die Verzögerungsstufe 45 nur auf die ansteigende oder abfallende
Flanke der Rechtecksignale ansprechen, so daß dann der- Verstärker 422 nur arbeiten
würde, wenn die Ultraschall-Welle sich zwischen den akustischen Wandlern eines der
Paare von akustischen Wandlern ausbreitet. Um dieses Problem zu vermeiden, sind
die Betriebsartschaltsignale A und B mit Rechteckform dem Umformer 46 zugeführt,
wo sie derart umgeformt werden, daß der Verstärker 4.52 während der Zeiten mit logischem
H- und L-Potential arbeitet.
-
Der Umformer 46 kann mit einem Paar von monostabilen Multivibratoren
ausgerüstet sein, die ein logisches Signal für eine Zeitdauer kürzer als die Zeit
der Rechteckwelle der Betriebsartschaltsignale A bzw. B aufweisen. Die Betriebsartschaltsignale
A oder B sind dann über einen Inverter einem der beiden monostabilen Multivibratoren
zugeführt. Die Multivibratoren erzeugen dann abwechselnd, Signale mit Rechteckform,
die ein logisches H-Potential über eine angemessene Zeitdauer während der Zeiten
des H- und L-Potentials der Betriebsartschaltsignale A und B aufweisen. Werden diese
Signale über ein ODER-Glied geführt, dann wird sein Steuersignal MS gewonnen, das
eine solche Form hat, daß die Verzögerungsstufe 45 sowohl bei L-Potential -als auch
bei H-Potential der Betriebsartschaltsignale A und B arbeiten kann.
-
Wenn einer Verstärkeranordnung 40 ein elektrisches Signal M mit einem
Verlauf nach Fig. 8 als Ergebnis der Umsetzung einer empfangenen Ultraschall-Welle
zugeführt und in dem Verstärker 422 verstärkt wird, dann ergibt sich ein Impulszug
N ar Ausgang des Leistungsverstärkers 44, da der Verstärker 422 eine Begrenzerwirkung
hat. Der oben bereits erwähnte elektronische Schalter 421 wird durch ein Signal
K der Verzögerungsstufe 45 gesteuert, um den Verstärker 422 ein Arbeiten während
der Zeit zu ermöglichen, in der das elektrische Signal mit dem Verlauf M von dem
Verstärker 422 empfangen wird.
-
Ein etwas anderer Aufbau der Verstärkeranordnung 40-ist in der Fig.
9 gezeigt, Bei dieser Verstärkeranordnung wird die Wirkungszeit des Verstärkers
422 dadurch gesteuert, daß das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers benutzt
wird,
das- aus einen Impulszug N besteht, wie er in Fig.
-
8 gezeigt ist. Der Aufbau einer solchen Verstärkeranordnung unterscheidet
sich von dem in der Fig. 7 dargestellten nur hinsichtlich des Aufbaus der Verzögerungsstufe
45.
-
Hier enthält nämlich die Verzögerungsstufe 45 eine bistabile Kippstufe
454, die ein logisches Signal auf das verzögerte Ausgangssignal einer Verzögi; rüngseinheit
453 erzeugt, die in derselben Weise arbeitet, wie es im Zusammenhang mit der Beschreibung
der Fig. 7 erläutert worden ist. Ein Ausgangssignal eines Zahlers 455 steuert die
bistabile Kippstufe derart, daß sie ein Ausganges~ signal mit logischem L-Potential
erzeugt, Der Zähler 455 zählt die Impulse N des Leistungsverstärkers 44 und beaufschlagt
die bistabile Kippstufe 455 mit einem Signal, wenn der Zählerstand einen geeigneten
vorgewählten Wert erreicht hat. Demzufolge ist der Vorverstärker 42 bei diesem Ausführungsbeispiel
so gesteuert, daß er nur während der Zeit arbeitet, in der ein elektrisches Signal
tatsächlich vom akustischen Wandler abgegeben wird.
-
Die obigen Ausführungen zeigen, daß mit der vorliegenden Erfindung
ein Ultraschall-Strömungsmeßgerät vorgeschlagen wird, das mit verhältnismäßig wenig
Koten herstellbar und frei von Meßf'ehlerl-l infolge einer nbdrj.ft in der zu messenden
Strömung ist, indem mehrere Paare von akustischen Wandlern nur mit einer einzigen
erhältnismäßig komplizierten und daher teuren Laufzeit-Meßeinrichtung verbunden
sind. Jedesmal, wenn ein Paar von akustischen Wandlern wirksam ist, wird die Strömungsgeschwindigkeit
durch Messung der Laufzeiten entweder in oder entgegen der Richtung der Strömung
gemessen und ein Durchschnittswert ermittelt. Daher können Meßfehler wegen einer
Abdrift im Vergleich zu bekannten einschlägigen Strömungsmeßgeräten beträchtlich
verringert werden. Außerdem werden die Meßergebnisse nur während der Ausdung der
Ultra-
schall-liellen erfaßt, so daß das Meßergebnis durch ein
gutes Signal-Gräusch-Verhältnis gekennzeichnet ist.
-
6 Ansprüche 9 Figuren
Leerseite