DE3146477A1 - Schaltungsanordnung zur messung der geschwindigkeit von stroemenden medien - Google Patents

Description

• "Schaltungsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit von strömenden Medien In der Technik besteht oftmals das Bedürfnis, die Geschwindigkeit von strömenden Medien, wie z.B. Gasen, insbesondere Luft sowie Flässigkeiten genau zu erfassen und äe nach Uberschreiten oder Unterschreiten eines bestimmten vorgegebenen Wertes einen Steuerungs-, Regelungsvorgang und/oder ein Signal auszulösen.
• Im Untertagebetrieb sowie beim Tunnelbau kommt der sog.
• Bewetterung erhebliche Bedeutung zu. Hierunter werden Maßnahmen zur Zuführung von Frischluft und zur Abführung verbrauchter Luft verstanden. Um diese möglichst optimal sicherzustellen ist es zur Messung der verschiedenen Einflußgrössen bekannt, sog. Anemometer zu verwenden. Hierunter werden Geräte zur Messung der Windgeschwindigkeit, zur Bestimmung der mittleren Windgeschwindigkeit sowie zur Messung der Augenblickswerte der Windgeschwindigkeit verstanden. Diese Geräte ermöglichen jedoch nur eine unzureichende Messung der Windgeschwindigkeit, da sie Störgrößen, wie sie sich beispielsweise durch Temperatureinflüsse ergeben, nicht zu berücksichtigen vermögen, ganz abgesehen Davon, daß es sich um re lativ aufwendige mechanische Geräte handelt.
• Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfin dung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit von strömenden Medien9 insbe sondere von Gasen, zu schaffen 9 welche unter Vermeidung vorerwähnter Nachteile in einfacher Weise herzustellen und zu handhaben ist sowie zu Meßergebnissen von hoher Genauigkeit führt und Störgrößen weitgehend kompensiert.
• GemäB der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß einem ein sinusförmiges Signal erzeugenden Schall generator ein ÅrXalogschalter nachgeschaltet ist9 welcher von einem T£tm generator gesteuert ist und auf mindestens eine Meßstrecke bil dende Schallwandler sowie mit seinem Ausgang auf einen Ver stärker geschaltet ist und der bzwO den Meßstrecken eine Referenzstrecke, die sich in einem ruhenden Medium befindet, zuge ordnet ist, deren einer Schallwandler mit dem Schallgenerator und deren anderer Schallwandler mit einem Verstärker ver bunden ist, wobei den Verstärkern zwei Komparatoren nAchm geordnet sind, auf die jeweils beide Verstärker geschaltet sind9 von denen einer durch den Taktgenerator gesteuert ist und dessen Ausgang zu einer Anzeige geführt ist 9 während dem anderen Komparator ein Integrator nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit einer Anzeige und/oder einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer und/oder einem Schwellwertschalter in Verbindung steht. Physikalisch liegt der Geschwindigkeitsmessung eine Laufzeitmessung eines Schallstrahls zugrunde, wobei dessen Laufzeit in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des strömenden Mediums mehr oder weniger von der Laufzeit abweicht, die bei einem ruhenden Medium zu messen ist.
• Da es sich bei der Laufzeitänderung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des strömenden Mediums um eine nicht lineare Beziehung handelt, wird sowohl in Strömungsrichtung ds auch entgegengesetzt gemessen und daraus der arithmetische Mittelwert gebildet, um den resultierenden Fehler so klein wie möglich zu halten. Dieser liegt im Geschwindigkeitsbereich bis 10 m/s unter 1 o/oo und bis 30 m/s unter 1 %.
• Um die Beeinflussung des Meßergebnisses durch die Temperatur bzw. den zu kompensieren, wird die Temperatur in der Meßstreckenund/oder Referenzstrecke mittels einer Temperaturerfassung ermittelt, die über einen Korrekturwertbildner auf den Integrator geschaltet ist. Auf diese Weise wird der Temperatureinfluß kompensiert.
• Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind dem Integrator zwei Sample & Hold-Schaltungen nachgeordnet9 die vom Taktgenerator gesteuert und mit einem itte lwertbildner verbunden sind, dessen Ausgang an einer Anzeige Ododglo angeschlossen ist.
• Vorzugsweise erzeugt der Schallgenerator in Verbindung mit einem Ultraschallwandler einen Ultraschallstrahl, welcher sich sehr gut bündeln läßt und infolgedessen etwaige Störungen weniger ausgeprägt sind.
• Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind zwei meßstrecken vorgesehen9 so daß eine gleichzeitige gegeisinnige Messung möglich ist Da die Länge der Meßstrecke bzw Meßstrecken die max, erfaßbare Geschwindigkeit des strömenden Mediums bestimmt, finden eine gleichlange Meß- und Referenzstrecke bzwO gleichlange Meß- und Referenzstrecken Verwendung9 welche sowohl sehr kleine Geschwindigkeiten von beispielsweise kleiner als 091 m/s als auch relativ große Geschwindigkeiten von bis zu 30 m/s mit hoher Genauigkeit zu erfassen ermöglichen. Eine Meßbereichs umschaltung kann ggS. elektronisch mittels einer Bereichswahllogik erfolgen.
• Das bevorzugte Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Schaf tung stellt die Messung der Wettergeschwindigkeit im unter gingen Gruben- sowie Tunnelausbau darO Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an Hand der Zeichnung näher erläutert, welche die Schaltungsanordnung in einem Blockschaltbild zeigt.
• Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird von einer Messung der Wettergeschwindigkeit untertage ausgegangen.
• Mit 1 ist der Schallgenerator bezeichnet, der einen sinusförmigen Ultraschallstrahl erzeugt. Dem Schallgenerator 1 nachgeschaltet ist eine elektronische Richtungsumschaltung in Form eines Analogschalters 2, welcher von einem Taktgenerator 3 gesteuert ist. Der Taktschalter erzeugt ein rechteckförmiges Signal. Der Analogschalter 2 ist auf zwei Ultraschallwandler 4,5 geschaltet, welche die Meßstrecke 6 bilden. Der Ausgang des Analogschalters 2 steht mit dem Verstärker 7 in Verbindung.
• Der Meßstrecke 6 ist eine Referenzstrecke 8 zugeordnet, die von den beiden Ultraschallwandlern 9, 10 gebildet ist und sich in ruhender Luft befindet. Der Ultraschallwandler 9 ist mit dem Ultraschallgenerator 1 verbunden, während der Ultraschallwandler 10 an den Verstärker 11 angeschlossen ist.
• Den Verstärkern 7, 11 sind zwei Komparatoren 12, 13 nachgeordnet, auf die jeweils beide Verstärker 7,.11 geschaltet sind. Der Komparator 15 ist durch den Taktgenerator 3 gesteuert. Der Ausgang des Kompsrators ist auf eine Anzeige 14 od.dgl. geführt. Dem anderen Komparator 12 ist ein Integrator 15 nachgeschaltet 9 dem zwei Sample & Hold-Schaltungen 16, 17 nachgeordnet sindg die vom Taktgenerator 3 gesteuert sind. Die beiden Schaltungen 16, 17 stehen mit einem Mittelwertbildner 18 in Verbindung, dessen Ausgang an die Anzeige 149 den Spannungs-Frequenz-Umsetzer 19 sowie den Schwellwertschalter 20 angeschlossen sind.
• Die Temperatur in der Meßstrecke 6 und/oder der Referenzstrecke 8 wird ermittelt über die Temperaturerfassung 21 die über einen Korrekturwertbildner 22 auf den Integrator 15 geschaltet ist.
• Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung ist wie folgt: Zur Messung der Wettergeschwindigkeit untertage wird ein Ultraschallstrahl mittels des Schallgenerators 1 mit einer Frequenz von 40 kllz über die elektronische Richtungsumschaltung in Form eines Analogschalters auf den Ultraschallwandler 4 gegeben, welcher als Sender wirkt und den Ultraschallstrahl auf den Wandler 5 gibt, welcher als Empfänger wirksam ist. Der Abstand zwischen den Schallwandlern 4,5 ist genau,definiert und stellt die Meßstrecke dar.
• Eine Luftbewegung zwischen dem als Sender dienenden Wandler 4 und dem als Empfänger wirksam werdenden Wandler 5 bewirkt eine Änderung der Laufzeit des Schalls in der Meßstrecke 6 nach der Beziehung wobei Vw 2 Windgeschwindigbreit und v = Schallgeschwindigs keit ist.
• Da es sich hierbei um eine nicht lineare Beziehung zwischen der Wettergeschwindigkeit und der Schallaufzeit handelt, wird die Laufzeit des Schalls sowohl in Windrichtung als auch entgegengesetzt gemessen. Dies wird im dargestellen Ausfuhrungsbeispiel dadurch realisiert, daß - gesteuert durch den Daktgenerator 3 - die Sende- und Empfangs-Ultraschallwandler 4, 5 mittels des Analogschalters 2 zweipolig umgeschaltet werden.
• Die Referenzstrecke 8 wird nicht umgeschaltet, da diese sich in ruhender Luft befindet.
• Von den als Empfängern dienenden Schallwandlern 5 bzw. 4, 10 gelangen die Signale über Empfangsverstärker 7, 11 auf Komparatoren 12, 13, die das Sinussignal in Rachtecksignale umformen, damit die nachfolgende Verarbeitung mittels CMOS-Logik durchgeführt werden kann.
• Mit Hilfe einer Torschaltung im Komparator 12 werden die Zeiten erfaßt, zu denan die nunmehr rechteckförmigen Eingangssignale unterschiedliche Logikzustände aufweisen. Die se Zeiten entsprechen genau den Laufzeitdifferenzen der bei den Meßstrecken 6, 8.
• Mittels einiger logischer Verknüpfungen wird immer nur das Laufzeitdifferenzsignal zur Verarbeitung weitergegeben, wel ches bei den negativen Nulldurchgängen der Eingangssignale antetehen.
• -Die Richtungserkennung über den Komparator 13 erfolgt mitteils eines speziell beschalteten Flip-Flop, welches iü der Lage ist zu erkennen, welches Eingangssignal zuerst den negativen Nulldurchgang hat. Dies ergibt eine eindeutige Aussage über das Vorzeichen der Laufzeitdifferenz. Die Richtungserkennung wird,. Jedoch bei nur einer Meßrichtung durchgeführt um zu verhindern, daß bei Umkehr der Meßrichtung fälsch licherweise eine Änderung der Richtung erkannt wird.
• Die Laufzeiten der Differenzsignale werden-benutzt,um mit Hilfe eines Miller-Integrators 15 eine zeitproportionale Spannung zu erzeugen, indem während der Zeit, in der das Laufzeitdifferenzsignal 11111 ist, über Analogschalter der Integrator 15 mit einer definierten Eingangsspannung beaufschlagt wird.
• Um die Beeinflussung des Meßergebnisses durch die Temperatur in der Meßstrecke 6 sowie der Referenzstrecke 8 zu kompensieren, wird im Meßkanal über den Temperaturerfasse1die Temperatur ermittelt, wobei die Eingangsspannung des Integrators 15 in Abhängigkeit vom Temperaturwert über den Eorrekturwertbildner 22 so geändert wird, daß der Temperatureinfluß kompensiert wird.
• Der Spannungswert des Integrators 5 wird - deßrichtungsabhängig - in den beiden Sample- & Hold-Schaltungen 16, 17 bis zur nächsten Messung festgehalten. Aus beiden Spannungswerten wird das arithmetische Mittel über den Mittelwertbildner 18 gebildet und als Endresultat zur Anzeige 14 gebracht.
• Eine weitere Meßwertverarbeitung des Ausgangssignals erfolgt, indem der Meßwert über einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer 19 in eine spannungsproportionale Frequenz von 5 15 Hz zu Ubertragungazwecken umgewandelt wird Ferner kann eine Grenzwerterfassung mit Alarmgabe über den Schwellwertschalter 20 bei zu großen oder zu kleinen Luftgeschwindigkeiten erfolgen.
• Die Erfindung ist auf das dargestel2e und beschriebene Ausführungsbeispiel zur Messung der Geschwindigkeit der Wetter untertage nicht beschränkt, sondern kann vielmehr ganz allgemein zur Messung der Geschwindigkeit von strömenden Medien angewandt werden.
• L e e r s e i t e

Claims (7)

1. P A T E N T A N S P R Ü C H E : W Schaltungsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit von strömenden Medien, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß einem ein sinusförmiges Signal erzeugenden Schallgenerator (1) ein Analogschalter (2) nachgeschaltet ist, welcher von einem Taktgenerator (3) gesteuert ist und auf mindert uns eine Meßstrecke (6) bildende Schaliwandler (495) sowie mit seinem Ausgang auf einen Verstärker (7) geschaltet ist 9 und der bzw den Meßstrecken (6) eine Referensstrecke (8)9 die sich in einem ruhenden Medium befindet, zugeordnet ist9 deren einer Schallwandler (9) mit dem Schallgenerator (1) und deren anderer Schallwandler (10) mit einem Verstärer (11) verbunden ist9 wobei den Verstärkern (7,11) zwei Komparatoren (12,13) nachgeordnet sind, auf die jeweils beide Ver stärker (7911) geschaltet sind9 von denen einer (13) durch den Taktgenerator (3) gesteuert ist, dessen Ausgang zu einer Anzeige (14) geführt ist, während dem anderen Romparator (12) ein Integrator (15) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit der Anzeige (14) und/oder einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer (19) und/oder einem Schwellwertschalter (20) od.dgl. in Verbindung steht.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Meßstrecke (6) und/oder der bzw. den Referenzstrecken (8) mittels einer Temperaturerfassung (21) ermittelt wird, die über einen Korrekturbildner (22) auf den Integrator (15) geschaltet ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator (15) zwei Sample- & Hold-Schaltungen (16,17) nachgeordnet sind, die vom Taktgenerator (3) gesteuert und mit einem Mittelwertbildner (18) verbunden sind, dessen Ausgang an eine Anzeige (14,19,20) od.dgl. angeschlossen ist.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallgenerator (1) in Verbindung mit einem Ultraschallwandler einen Ultraschallstrahl erzeugt.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Meßstrecken (6) vorgesehen sind.
6. 6o Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der vorher gehenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Länge der Meß strecke (6) bzw. der Meßstrecken sowie der Referenzstrecke (8) gleich ist.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder einem der vor hergehenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Meßbereiche umschaltung vorhanden ist, 8O Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder einem der vor hergehenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß diese zu Messung der Wettergeschwindigkeit untertage odOdg10 dient0