DE3146477C2 - Schaltungsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit von strömenden Medien - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit von strömenden MedienInfo
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Abstract
Es besteht oftmals das Bedürfnis, die Geschwindigkeit von strömenden Medien, wie z.B. Gasen, insbesondere Luft, sowie Flüssigkeiten genau zu erfassen und je nach Überschreiten oder Unterschreiten eines bestimmten vorgegebenen Wertes einen Steuerungs-, Regelungsvorgang und/oder ein Signal auszulösen. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß einem ein sinusförmiges Signal erzeugenden Schallgenerator (1) ein Analogschalter (2) nachgeschaltet ist, welcher von einem Taktgenerator (3) gesteuert ist und auf mindestens eine Meßstrecke (6) bildende Schallwandler (4, 5) sowie mit seinem Ausgang auf einen Verstärker (7) geschaltet ist, und der bzw. den Meßstrecken (6) eine Referenzstrecke (8), die sich in einem ruhenden Medium befindet, zugeordnet ist, deren einer Schallwandler (9) mit dem Schallgenerator (1) und deren anderer Schallwandler (10) mit einem Verstärker (11) verbunden ist, wobei den Verstärkern (7, 11) zwei Komparatoren (12, 13) nachgeordnet sind, auf die jeweils beide Verstärker (7, 11) geschaltet sind, von denen einer (13) durch den Taktgenerator (3) gesteuert ist, dessen Ausgang zu einer Anzeige (14) geführt ist, während dem anderen Kompensator (12) ein Integrator (15) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit der Anzeige (14) und/oder einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer (19) und/oder einem Schwellwertschalter (20) o.dgl. in Verbindung steht.
Description
50
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit von strömenden Medien,
insbesondere zur Messung der Wettergeschwindigkeit im untertänigen Graben- sowie Tunnelausbau, wobei einem
ein sinusförmiges Signal erzeugenden Schallgenerator ein Analogschalter nachgeschaltet ist, welcher von einem
Taktgenerator gesteuert ist und auf mindestens eine Meßstrecke bildende Schallwandler geschaltet ist und die mindestens
eine Meßstrecke mit einem Verstärker verbunden ist, dem ein Mittelwertbildner nachgeschaltet ist, dessen
Ausgang mit einer Anzeige verbunden ist.
Im Untertagebetrieb sowie beim Tunnelbau kommt der sogenannten Bewetterung erhebliche Bedeutung zu.
Hierunter werden Maßnahmen zur Zuführung von Frischluft und zur Abfuhrung verbrauchter Luft verstanden. Um
diese möglichst optimal sicherzustellen, ist es zur Messung der verschiedenen Einflußgrößen bekannt, sogenannte
Anemometer zu verwenden. Hierunter werden Geräte zur Messung der Windgeschwindigkeit, zur Bestimmung
der mittleren Windgeschwindigkeit sowie zur Messung der A.ugenblickswerte 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 relativ aufwendige
mechanische Geräte handelt
Durch die DE-OS 2943810 ist eine Schaltungsanordnung
zur Messung der Geschwindigkeit von strömenden Medien der eingangs genannten Art bekannt
Von diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art zu schaffen, welche in ihrem Aufbau vergleichsweise einfach ist und zu Meßergebnissen
von hoher Genauigkeit führt, insbesondere bei höheren Windgeschwindigkeiten in Untertage- und
Tunnelbetrieben.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Meßstredce eine Referenzstrecke, die sich in einem rahenden
Medium befindet, zugeordnet ist, deren einer Schallwandler mit dem Schallgenerator und deren anderer
Schallwandler mit einem weiteren Verstärker verbunden ist, wobei den Verstärkern je ein Komparator nachgeordnet
ist ,auf die jeweils beide Verstärker geschaltet sind, von denen der eine Komparator, der mit dem weiteren Verstärker
verbunden ist, durch den Taktgenerator gesteuert ist, der Ausgang des einen Komparator zu der Anzeige
geführt ist, während dem anderen Komparator ein Integrator nachgeschaltet ist, dem zwei Abtast- und Halteschaltungen
nachgeordnet sind, die vom Taktgenerator gesteuert und mit dem Mittelwertbildner verbunden sind,
dessen Ausgang an die Anzeige und/oder einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer
und/oder einen Schwellwertschalter angeschlossen ist.
Physikalisch liegt der Geschwindigkeitsmessung eine Laufzeitmessungeines Schallstrahls zugrunde, wobei dessen
Laufzeit in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des strömenden Mediums mehr oder weniger von der Laufzeit
abweicht, die bei einem rahenden 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 als 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 % und bis 30 m/s unter 1 %.
Um die Beeinflussung des Meßergebnisses durch die Temperatur zu kompensieren, ist die Temperatur in der
Meßstrecke und/oder der Referenzstrecke mittels einer Temperaturerfassung ermittelbar, die über einen Korrekturwertbildner
auf den Integrator geschaltet ist. Auf diese Weise wird der Temperatureinfluß kompensiert.
Vorzugsweise erzeugt der Schallgenerator in Verbindung mit einem Ultraschallwandler einen Ultraschallstrahl,
welcher sich sehr gut bündeln läßt und infolgedessen etwaige Störungen weniger ausgeprägt sind.
Da die Länge der Meßstrecke bzw. Meßstrecken die max. erfaßbare Geschwindigkeit des strömenden Mediums
bestimmt, finden eine gleichlange Meß- und Referenzstrecke Verwendung, welche sowohl sehr kleine Geschwindigkeiten
von beispielsweise kleiner als 0,1 m/s als auch relativ große Geschwindigkeiten von bis zu 30 m/s
mit hoher Genauigkeit zu erfassen ermöglichen. Eine
Meßbereichsumschaltung kann ggf. elektronisch mittels
einer Bereichswahllogik erfolgen.
Ein AusführungsbeispieÜ der Erfindung ist an Hand der
Zeichnung näher erläutert, welche die Schaltungsanordnung in einem Blockschaltbild zeigt
Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel v/ird von einer
Messung der Wettergeschwindigkeit unterUige ausgegangen.
Mit 1 ist der Schallgenerator bezeichnet, der einen
sinusförmigen Ultraschallstrahl erzeugt Dem Schallgenerator 1 nachgeschaltet ist eine elektronische Kichtungsumschaltung 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.
De' Meßstrecke 6 ist eine Referenzstrecke 8 zugeordnet, die von den beiden Ultraschallwandlem 9,10 gebildet
ist und sich in ruhender Luft befindet. Der Ultraschallwandler 9 ist mit dem Ultraschallgenerator 1 verbunden,
während der Ultraschallwandler XO 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 13 ist durch den Taktgenerator 3 gesteuert Der Ausgang des !Comparators ist
auf eine Anzeige 14 od. dgl. geführt Dem anderen Komparator 12 ist ein Integrator 15 nachgeschaltet, dem zwei
Abtast- und Halteschaltungen 16,17 nachgeordnet sind, die vom Taktgenerator 3 gesteuert sind. Die beiden Schaltungen 16,17 stehen mit einem Mittelwertbildner 18 in
Verbindung, dessen Ausgang an die Anzeige 14, 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 Wettereeschwindigkeit untertage wird
ein Ultraschallstrahl mittels des Schallgenerators 1 mit einer Frequenz von 40 kHz 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 Luflbewegung 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
/, = —P wobei v. = Windgeschwindigkeit und
v, +r.·. Vj= SchaUgeschwindigkeit 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 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel dadurch realisiert, daß -
gesteuert durch den Taktgenerator 3 - die Sende- und Empfangs-UltraschaDwandler 4, 5 mittels des Analogschalters 2 zweipolig umgeschaltet werden. Die Referenzstrecke 8 wird nicht umgeschaltet, da diese sich in ruhen-
der Luft befindet
Von den als Empfängern dienenden Schallwandlern S
bzw. 4,10 gelangen die Signale über Empfängsverstärker
7, 11 auf Komparatoren 12, 13, die das Sinussignal in Rechtecksignale umformen, damit die nachfolgende Ver
arbeitung mittels CMOS-Logik durchgeführt werden
kann.
Mit Hilfe einer Torschaltung im Komparator 12 werden die Zeiten erfaßt, zu denen die nunmehr rechteckförmigen Eingangssignale unterschiedliche Logikzustände auf-
weisen. Diese Zeiten entsprechen genau den Laufzeitdifferenzea der beiden Meßstrecken 6, 8.
Mittels einiger logischer Verknüpfungen wird immer nur das Laufzeitdifferenzsignal zur Verarbeitung weitergegeben, welches bei den negativen Nulldurchgängen der
Die Richtungserkennung über den Komparator 13 erfolgt mittels eines speziell beschalteten Flip-Flop, welches
in der Lage ist zu erkennen, welches Eingangssignal zuerst den negativen Nulldurchgang hat. Dies ergibt eine eindeu
tige Aussage über das Vorzeichen der Laufzettdifferenz.
Die Richtungserkennung wird jedoch bei nur einer Meßrichtung durchgeführt um zu verhindern, daß bei Umkehr
der Meßrichtung fälschlicherweise 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 „1" ist, über Analogschalter der Integrator 15 mit einer definierten Eingangsspan-
nung 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
Temperaturerfasser 21 die Temperatur ermittelt, wobei
die Eingangsspannung des Integrators 15 in Abhängigkeit
vom Temperaturwert über den Korrekturwertbildner 22
so geändert wird, daß der Temperatureinfluß kompensiert
wird.
tungsabbängig - in den beiden Abtast- und Halteschaltungen 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.
so Eine weitere Meßwertverarbeitung des Ausgangssignals erfolgt, indem der Meßwert über einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer 19 in eine spannungsproportionale
Frequenz von 5... 15 Hz zu Übertragungszwecken umgewandelt wird. Ferner karm eine Grerrzwerterfassung mit
Alarmgabe über den Schwellwertschalter 20 bei zu großen oder zu kleinen Luftgeschwindigkeiten erfolgen.
Die Erfindung ist auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel zur Messung der Geschwindigkeit
der Wetter untertage nicht beschränkt, sondern kann viel
mehr ganz allgemein zur Messung der Geschwindigkeit
von strömenden Medien angewandt werden.
Claims (4)
1. Schaltungsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit
von strömenden Medien, insbesondere s zur Messung der Wettergeschwindigkeit im untertägigen
Graben- sowie Tunnelausbau, wobei einem ein sinusförmiges Signal erzeugenden Schallgenerator ein
Analogschalter nachgeschaltet ist, welcher von einem Taktgenerator gesteuert ist und auf mindestens eine ι ο
Meßstrecke bildende Schallwandler geschaltet ist und die mindestens eine Meßstrecke mit einem Verstärker
verbunden ist, dem ein Mittelwertbildner nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit einer Anzeige verbunden
ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrecke (6) eine Referenzstrecke (8), die sich in einem
ruhenden Medium befindet, zugeordnet isi4 deren eimer Schallwandler (9) mit dem Schallgenerator (1)
und deren anderer Schallwandler (10) mit einem weiteren Verstärker (H) verbunden ist, wobei den Verstarkem
(7,11) je ein Komparator (12,13) nachgeordnet ist, auf die jeweils beide Verstärker (7,11) geschaltet
sind, von denen der eine Komparator (13), der mit dem weiteren Verstärker (11) verbunden ist, durch
den Taktgenerator (3) gesteuert ist, der Ausgang des einen Komparator (13) zu der Anzeige (14) geführt
ist, während dem anderen Komparator (12) ein Integrator (15) nachgeschaltet ist, dem zwei Abtast- und
Halteschaltungen (16, 17) nachgeordnet sind, die vonm Taktgenerator (3) gesteuert und mit dem Mittel- Μ
wertbildner (18) verbunden sind, dessen Ausgang an die Anzeige (14) und/oder einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer
(19) und/oder einen Schwellwertschalter (20) angeschlossen ist
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Meßstrecke
(6) und/oder der Referenzstrecke (8) mittels einer Temperaturerfassung (21) ermittelbar ist, die
über einen Korrekturbildner (22) auf den Integrator (15) geschaltet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallgenerator (1)
in Verbindung mit einem Ultraschallwandler einen Ultraschallstrahl erzeugt
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge der Meßstrecke (6) sowie der Referenzstrecke (8) gleich ist.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| DE19813146477 DE3146477C2 (de) | 1981-11-24 | 1981-11-24 | Schaltungsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit von strömenden Medien |
| DE19833317588 DE3317588A1 (de) | 1981-11-24 | 1983-05-14 | Schaltungsanordnung zur messung der geschwindigkeit von stroemenden medien |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19813146477 DE3146477C2 (de) | 1981-11-24 | 1981-11-24 | Schaltungsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit von strömenden Medien |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE3146477C2 true DE3146477C2 (de) | 1983-12-08 |
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ID=6147044
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19813146477 Expired DE3146477C2 (de) | 1981-11-24 | 1981-11-24 | Schaltungsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit von strömenden Medien |
Country Status (1)
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| DE (1) | DE3146477C2 (de) |
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- 1981-11-24 DE DE19813146477 patent/DE3146477C2/de not_active Expired
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Also Published As
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