DE3121778A1 - Ultraschall-stroemungsmessgeraet - Google Patents

Ultraschall-stroemungsmessgeraet

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DE3121778A1
DE3121778A1 DE19813121778 DE3121778A DE3121778A1 DE 3121778 A1 DE3121778 A1 DE 3121778A1 DE 19813121778 DE19813121778 DE 19813121778 DE 3121778 A DE3121778 A DE 3121778A DE 3121778 A1 DE3121778 A1 DE 3121778A1
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flow
acoustic transducers
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acoustic
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DE19813121778
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Masaru Dipl.-Ing. Kono
Yukio Dipl.-Ing. Hino Tokyo Nakagawa
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters

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Description

  • 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

Claims (6)

  1. Patentansprüche Ultraschall-Strömungsmeßgerät mit a) mehreren Paaren einander gegenüberliegender akustischer Wandler, die al) akustische Signale in Flußrichtung der Strömung und entgegengesetzt dazu aussenden und von denen a2) abwechselnd jeweils ein Wandler als Sender und Empfänger dient, mit einer b) Laufzeit-Meßanordnung, die die Laufzeit zwischen den Paaren akustischer Wandler erfaßt und daraus eine Meßgröße zur Bestimmung der Strom.ungsgeschwin~ digkeit bildet, d a d u r c h g e k e ri n z e i c h n e t , daß c) die Laufzeit-Meßanordnung aus einer einzigen Laufzeit-Meßeinrichtung (20) besteht, d) die einzige Laufzeit-Meßeinrichtung (20) mit je weils auf einer Seite der Strömung angeordneten akustischen Wandler (12, 13) der mehreren Paare (11, 12; 13, 14) verbunden ist und e) die jeweils anderen auf der anderen Seite der Strömung liegenden akustischen Wandler (11, 14) der mehreren Paare (11, 12; 13, 14) miteinander verbunden sind (Fig. 6).
  2. 2. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1 mit einer Betriebs artschalteinrichtung in der Laufzeit-Meßeinrichtung zur Verbindung jeweils eines der einen akustischen Wandler mit einem elektrischen Impulsgenerator der Laufzeit-Meßeinrichtung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t f) die jeweils anderen akustischen Wandler (11, 14) über eine Verstärkeranordnung (40) miteinander verbunden sind (Fig. 6).
  3. 3. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß g) die Verstärkeranordnung (40) mit der Betriebsartschalteinrichtung (109) verbunden ist (Fig. 6).
  4. 4. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß h) die.Verstärkeranordnung (40) eingangsseitig eine Umschalteinrichtung (41) aufweist, über die h1) einer der anderen akustischen Wandler (11, 14) mit einem Eingang eines Leistungsverstär kers (44) und jeweils ein weiterer der anderen akustischen Wandler (14 oder 11) mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers (44) verbunden ist und i) die Umschalteinrichtung (41) von der Betriebsarteinrichtung (109) steuerbar ist (Fig. 6/7).
  5. 5. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß j) dem Leistungsverstärker (44) ein Vorverstärker (42) vorgeschaltet ist, dessen j1) Eingang über einen elektronischen Schalter (421) auf Masse legbar ist (Fig. 7).
  6. 6. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß k) der Steuereingang des elektronischen Schalters (421) mit dem Ausgang einer Verzögerungsstufe (45) verbunden ist, die k1) an die Betriebsartschalteinrichtung (109) angeschlossen ist (Fig. 6/7).
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