DE3219788C2 - Durchflußmengenmeßeinrichtung für Fluide und Durchflußmengenmengenmeßeinrichtung zur Verwendung als Wärmemengenzähler - Google Patents
Durchflußmengenmeßeinrichtung für Fluide und Durchflußmengenmengenmeßeinrichtung zur Verwendung als WärmemengenzählerInfo
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Abstract
Zwei in axialer Richtung eines Strömungskanals gegeneinander versetzte Ultraschallwandler (W1, W2) werden als jeweils für eine Halbperiode eines Rechteckgenerators (G2) als Ultraschallsender/Ultraschallempfänger-Kombination alternierend in und gegen die Strömungsrichtung (r) betrieben. Das Ausgangssignal des jeweils als Empfänger wirksamen Ultraschallwandlers (W1 oder W2) ist zusammen mit dem Ausgangssignal des den als Sender wirksamen Ultraschallwandlers (W1 oder W2) speisenden Ultraschalloszillators den Vergleichseingängen (e1, e2) eines Phasenkomparators (K1) zugeführt. In einer Auswerteeinrichtung (A) wird nach Art einer Time-Division-Multiplikation unter der Wirkung eines Logikteils (L), der die Ausgangssignale (u3, u4) des Phasenkomparators (K1) und des Rechteckgenerators (G2) miteinander verknüpft, das Ausgangssignal einer Signalquelle (S) mit einem strömungsgeschwindigkeitsproportionalen Signal multipliziert. In einem Quantisierer (Q), der aus einem Integrator (I) und einer Grenzwertstufe (K2) besteht, wird ein Impulszug (u8) erzeugt, dessen Frequenz dem Produktsignal (u6) proportional ist. Der Impulszug (u8) wird in einem kumulierenden Zählwerk (Z) integriert. Dient als Signalquelle (S) eine Konstantspannungs- oder Konstantstromquelle, entspricht der Wert im Zählwerk (Z) der Durchflußmenge. Liefert die Signalquelle (S) dagegen ein der Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz ( θ ↓V- θ ↓R) proportionales Signal (u ↓ Δ ↓ θ), entspricht der Wert im Zählwerk (Z) der ........
Description
a) Der Zusatzgenerator (G 2) ist als Rechteckgenerator mit dem Tastverhältnis 1/2 und mit gegenüber der
is Frequenz des Ultraschalloszillators (G 1) niedrigerer Frequenz ausgebildet,
b) die Durchflußmengenmeßeinrichtung enthält eine Auswerteeinrichtung mit einer Signalquelle (S) mit
konstantem Ausgangssignal und mindestens einen vom Ausgangssignal des Phasenkomparators
gesteuerten Schalter \SX, Sl), über den die Signalquelle (S) einen Quantisierer (Q) speist, dem ausgangsseitig
ein als integrierende Anzeigeeinrichtung dienender kumulierender Impulszähler (Z) nachgeschaltet
ist,
c) die Auswerteeinrichtung (A) enthält einen aus zwei Exclusiv-ODER-Gattern (E 1, El) mit negiertem
Ausgangssignal bestehenden Logikteil (Z,),
d) im ersten Exclusiv-ODER-Gatter (£1) ist das Ausgangssignal (i/3) des Phasenkomparators (K X) mit
dem Ausgangssignal (i/8) des Quantisierers (Q) verknüpft,
e) im zweiten Exclusiv-ODER-Gatter (£2) ist das Ausgangssignal des ersten Exclusiv-ODER-Gatters
(£1) mit dem Ausgangssignal (u4) des Zusatzgenerators (G 2) verknüpft,
0 im einen Signalzustand des zweiten Exclusiv-ODER-Gatters (£2) ist das nichtinvertierte Ausgangssignal
(uAd) der Signalquelle (S), im anderen Signalzustand das invertierte Ausgangssignal (-Ujd) der
Signalquelle (S) an den Eingang des Quantisierers (G) geschaltet.
2. Durchflußmengenmeßeinrichtung nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet, dnß die Signalquelle (S)
einen nichtinvertierenden (a X) und einen invertierenden (a X) Ausgang aufweist, daß der nichtinvertierende
Ausgang (a X) über einen ersten steuerbaren Schalter (51) und der invertierende Ausgang (a I) über einen
zweiten steuerbaren Schalter (52) an den Eingang des Quantisierers (Q) angeschlossen ist, wobei zur Steuerung
des ersten Schalters (51) das Ausgangssignal (u 5) des zweiten Exclusiv-ODER-Gatters (£2) und zur
Steuerung des zweiten Schalters (52) das invertierte (N) Ausgangssignal (Ü5) dieses zweiten Exclusiv-ODER-Gatters
(£2) dient.
3. Durchfiußmengenm'ißeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
als Phasenkomparator (K X) ein Exclusiv-ODER-Gatter mit negiertem Ausgang dient.
4. Durchflußmengenmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als
Quantisierer (Q) ein Integrator (/) mit nachgeschalteter Grenzwertstufe (Kl) mit zwei Spannungsgrenzwerten
(gl, gl) dient.
5. Durchflußmengenmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Verwendung als Wärmemengenzähler,
wobei die Signalquelle als Meßglied für die Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz mindestens
eines Wärmetauschers ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Vorlauftemperatur
(dy) und der Rücklauftemperatur (<9Ä) je ein temperaturabhängiger Widerstand (R 1, Rl) vorgesehen
ist, von denen jeder durch eine Konstantstromquelle (IXJl) gespeist ist, und daß die Spannungsabfalle
an beiden Widerständen (R X, Rl) den Eingängen eines als Meßglied dienenden Differenzverstärkers
(V2) zugeführt sind.
Die Erfindung betrifft eine Durchflußmengenmeßeinrichtung für Fluide mit zwei in axialer Richtung eines
Strömungskanals um eine Meßstrecke gegeneinander versetzten UltraschaUwandlem, mit einem Ultraschalloszillator
zur Speisung der Ultraschallwandler, mit einem Phasenkomparator, dessen einem Vergleichseingang
das Ausgangssignal eines als Ultraschallempfänger dienenden Ultraschallwandlers und dessen zweitem Vergleichseingang
das Ausgangssignal des Ultraschalloszillators zugeführt sind, sowie mit einem Zusatzgenerator,
der eine Umschalteinrichtung speist, in deren erster Stellung der eine Ultraschallwandler zur Speisung als Ultraschallsender
an den Ultraschalloszillator und der andere Ultraschallwandler an den einen Vergleichseingang des
Phasenkomparators angeschlossen ist und in deren zweiter Stellung die Anschlüsse der beiden Ultraschallwandler
vertauscht sind.
Die Erfindung betrifft ferner eine Durchflußmengenmeßeinrichtung zur Verwendung als Wärmemengenzähler,
wobei die Signalquelle als Meßglied für die Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz mindestens eines
Wärmetauschers ausgebildet ist.
Eine Durchflußmengenmeßeinrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 40 03 252 bekannt.
Diese arbeitet mit zwei gegeneinander in axialer Richtung eines Strömungskanals versetzten UltraschaUwandlem,
die sowohl als Sender, als auch als Empfänger betrieben werden. Dabei ist jeder Ultraschall wandler mit je
einem Umschalter verbunden. In einer Stellung der beiden Umschalter ist der erste Ultraschallwandler mit
einem Ultraschalloszillator und der zweite Ultraschallwandler mit einem Eingang eines Phasenvergleichers verbunden.
Mit einem Schaltstellungswechsel der Umschalter werden diese Verbindungen umgekehrt. Der zweite
Eingang des Phasenvergleichers ist direkt mit dem Ultraschallsender verbunden. Die Umschalter werden von
einer nicht näher erläuterten Ansteuereinheit gesteuert Über den Aufbau der Phasenvergleichsschaltung sowie s
eine zur Ermittlung der gewünschten Durchflußmenge erforderliche Auswerteschaltung enthält die genannte
Patentschrift keinerlei Angaben.
Aus der US-PS 40 69 713 ist eine Durchflußmengenmeßeinrichtung bekannt, bei der zwei Ultraschallwandler
ebenfalls durch Umschalter wechselweise als Sender und Empfänger betrieben werden. Die Ultraschallerzeugung
erfolgt in einem Ausführungsbeispie! durch iwei getrennte, spannungssteuerbare Oszillatoren, die so geregelt
werd-ii, daß bei jeder Meßrichtung die Phasenabweichung zwischen Sende- und Empfangssignal Null ist.
Die Ermittlung der Durchflußgeschwindigkeit erfolgt dann durch Mischung der beiden so erzeugten Frequenzen
und Frequenzmessung bei den Mischprodukten. In einer weiteren Ausführungsform ist nur ein Ultraschalloszillator
vorgesehen. Durch zwei zusätzliche, spannungssteuerbare Oszillatoren wird eine mit dem Ultraschalloszillator
verbundene Verzögerungsschaltung so gesteuert, daß ihr Ausgangssignal zum Empfangssignal keine
Phasenabweichung aufweist. Die Ermittlung der Durchflußgeschwindigkeit erfolgt ebenfalls durch Mischung
der Ausgangsspannungen der beiden spannungssteuerbaren Oszillatoren und Frequenzmessung der entstandenen
Mischprodukte. Die in der genannten US-PS 40 69 713 beschriebenen Auswerteverfahren haben den Nachteil,
daß eine Vielzahl von Bauelementen, insbesondere zwei spannungssteuerbare Oszillatoren erforderlich
sind.
Aus der DE-OS 25 47 892 ist eine Verrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit bekannt, bei der
zwei Ultraschallwandler ebenfalls wechselweise als Sender und als Empfänger eingesetzt werden. Dabei wird
durch einen Taktgeber ein Eingangstor geöffnet, so daß Zählimpulse eines Signalgenerators über einen Zähler
gezählt und das Zählergebnis in einem Schieberegister abgespeichert wird. Gleichzeitig wird durch den Taktgeber
für kurze Zeit ein Ausgangstor geöffnet, über das Signale eines Ultraschalloszillators einem der Ultraschallwandler
zugeführt werden. Sobald derauf Empfang geschaltete Ultraschallwandler die Ultraschallsignale
empfängt, schließt er wieder das Eingangstor. Derselbe Ablauf erfolgt anschließend in der entgegengesetzten
Richtung. Sobald das Schieberegister gefüllt ist, erfolgt eine Rechenoperation, mit der die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit
ermittelt wird. Während des Rechenvorgangs werden anfallende Zählimpulse nicht verarbeitet.
Auch dieses Auswerteverfahren ist sehr aufwendig und liefert wegen der intermittierenden Auswertung
keine kontinuierlichen Meßwerte.
Eine Durchflußmengenmeßeinrichtung ist ferner aus der DE-AS 27 24 661 bekannt. Hierbei werden die beiden
in axialer Richtung eines Strömungskanals gegeneinander versetzten Ultraschallwandler jeweils simultan
für eine erste Zeitspanne als Ultraschallsender benutzt. Während dieser ersten Zeitspanne werden beide Ultraschallwandler
mit einem übereinstimmenden Sinuswellenpaket gespeist. Die Dauer dieser ersten Zeitspanne
ist so bemessen, daß sie kürzer ist als die Laufzeit der Sinuswellenpakete zwischen beiden Ultraschallwandlern.
Anschließend werden die Ultraschallwandler als Ultraschallempfänger für das einlaufende Sinuswellenpaket
genutzt. Hierbei wird für eine zweite Zeitspanne der Mittelteil der nach Passieren der Meßstrecke bei den Ultraschallwandiern
einlaufenden Sinuswellenpakete, die nun - da das in Strömungsrichtung wandernde Sinuswellenpaket
gegenüber dem in Gegenströmungsrichtung wandernden Sinuswellenpaket eine geringere Laufzeit
aufweist - eine der Strömungsgeschwindigkeit proportionale Phasenverschiebung gegeneinander aufweisen,
ausgewertet. Diese Phasenverschiebung wird in einem Phasenkomparator in einen Impuls umgesetzt,
dessen Breite der Laufzeitdifferenz proportional ist. Durch einen Zusatzoszillator werden die beschriebenen
Sende-Empfangszyklen repetitiv gesteuert. Der ausgangsseitige Impuls des Phasenkomparator dient nach
Fig. 6 der DE-AS 27 24 661 zur Steuerung eines Schalters, der das Ausgangssignal einer Signalquelle, die als
Konstantstromquelle oder Konstantspannungsquelle ausgebildet sein kann, an den Eingang eines Quantisierers
steuersignalkonform anschaltet. Der als Analogfrequenzwandler dienende Quantisierer setzt das Eingangssignal
des Quantisierers in einen Impulszug um, dessen Frequenz proportional zur Größe des Eingangssignals
ist. Der Quantisierer speist eine als Impulszähler ausgebildete integrierende Anzeigeeinrichtung, deren Zählrate
proportional zur Laufzeitdifferenz von je zwei in entgegengesetzter Richtung laufenden Sinuswellenpaketen
und damit zur Strömungsgeschwindigkeit ist. Die Signalquelle, der steuerbare Schalter und der Quantisierer
bilden eine Auswerteeinrichtung, in der das Ausgangssignal des Phasenkomparators in eine für die nachgeschaltete
Anzeigeeinrichtung verwertbare Form umgesetzt wird. Wird die Signalquelle so ausgebildet, daß ihr Ausgangssignal
proportional zur Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz mindestens eines Wärmetauschers ist, dann
wirkt der steuerbare Schalter als eine Art Time-Division-Multiplizierer zur Produktbildung eines strömungsgeschwindigkeitsproportionalen
Signals und eines der Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdiflerenz proportionalen
Signals, so daß die als Impulszähler ausgebildete integrierende Anzeigeeinrichtung in diesem Fall die durch den
mindestens einen Wärmetauscher verbrauchte Wärmeenergie anzeigt. Diese Strömungsgeschwindigkeit 15 verlangt
eine aufwendige und sehr präzise zeitliche Steuerung zur Bildung des der Strömungsgeschwindigkeit
proportionalen Ausgangssignals des Phasenkomparators.
Aus der DE-OS 28 28 937, insbesondere Anspruch 2, ist ferner eine Strömungsgeschwindigkeitsmeßeinrichtung
bekannt, bei der zwei in axialer Richtung des Strömungskanals gegeneinander versetzte Uitraschallwandler
alternierend jeweils als Ultraschallsender bzw. Ultraschallempfänger betrieben werden. Hierbei werden
alternierend die beiden Ultraschallwandler als Sender mit einer ersten Ultraschallfrequenz und einer zweiten,
unterschiedlichen Ultraschallfrequenz gespeist. Zur Erzeugung dieser beiden Frequenzen dienen spannungsgesteuerte
Oszillatoren mit einer zugehörigen Phasenregelschleife (PLL), wobei die Frequenzen derart geregelt
werden, daß sich am jeweiligen Ultraschallempfänger eine auf das betreffende Ultraschallsendesignal bezogene
konstante Phasenlage des Ultraschallempfangssignals einstellt, so daß aus der Differenz der beiden Frequenzen
die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Strömungskanal ermittelbar ist. Da die beiden differenten Ultraschallfrequenzen
nacheinander gesendet werden, müssen im Moment der Auswertung zwei diesen Frequenzen
proportionale Signale zur Verfugung stehen, was deren Speicherung verlangt. Dies macht einen beträchtlichen
technischen Aufwand erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsgeschwindigkeitsmeßeinrichtung der eingangs
genannten Art so auszugestalten, daß außer einem Quantisierer nur einfache Gatterfunktionen erforderlich
sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Damit wird periodisch für jede Halbperiode des Zusatzgenerators ein Schwingungswellenpaket in Strömungsrichtung
und in der anschließenden Halbperiode gegen die Strömungsrichtung des Fluids zwischen den Ultraschallwandlern
übertragen. Während jeder Halbperiode wird durch den Phasenkomparator die entsprechend
der Strömungsgeschwindigkeit gegenüber der Laufzeit in einem nichtströmendem Fluid entweder vergrößerte
oder verkleinerte Laufzeit der Ultraschallwellen gegenüber dem Ausgangssignal des Ultraschalloszillators
erfaßt. In der Auswerteeinrichtung können unter zeitlicher Steuerung durch das Ausgangssignal des Zusatzgenerators
die der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Laufzeitunterschiede der in und gegen die
Strömungsrichtung wandernden Ultraschallwellenpakete relativ zum Ausgangssignal des Ultraschalloszillators
weiterverarbeitet werden. Die der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Laufzeitunterschiede der Ultraschallwellenpakete
in Strömungsrichtung und gegen die Strömungsrichtung werden somit durch eine vergleichsweise
aufwandsarme Schaltung ermittelt. Das durch den Logikteil bewirkte Anschalten des nichtinvertierten
bzw. invertierten Ausgangssignals der Signalquelle an den Eingang des Quantisierers führt dazu, daß an
dessen Eingang ein rechteckformiges Wechselspannungssignal entsteht, dessen Integral über eine Periode des
Zusatzoszillators proportional zum Produkt aus einerseits der Größe des Signals der Signalquelle und andererseits
der Laufzettdifferenz der Ultraschallwellen gegen Strömungsrichtung und in Strömungsrichtung, die ihrerseits
proportional der Strömungsgeschwindigkeit ist, entspricht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Signalquelle einen nichtinvertierenden
und einen invertierenden Ausgang aufweist, daß der nichtinvertierende Ausgang über einen ersten steuerbaren
Schalter und der invertierende Ausgang über einen zweiten steuerbaren Schalter an den Eingang des Quantisierers
angeschlossen ist, wobei zur Steuerung des ersten Schalters das Ausgangssignal des zweiten Exclusiv-ODER-Gatters
und zur Steuerung des zweiten Schalters das invertierte Ausgangssignal dieses zweiten Exclusiv-ODER-Gatters
dient. Damit wird in besonders aufwandsarmer Weise das Eingangssignal des Quantisierers
gewonnen.
Als Phasenkomparator kann ein Exclusiv-ODER-Gatter mit negiertem Ausgang dienen. Dies stellt eine
besonders elegante und kostengünstige Realisierung eines Phasenkomparators dar.
Als Quantisierer kann ein Integrator mit nachgeschalteter Grenzwertstufe mit zwei Spannungsgrenzwerten dienen. Immer dann, wenn das Ausgangssignal des Integrators einen der Spannungsgrenzwerte der Grenzwertstufe erreicht, kippt dessen Ausgangssignal in den anderen von zwei möglichen Zuständen.
Als Quantisierer kann ein Integrator mit nachgeschalteter Grenzwertstufe mit zwei Spannungsgrenzwerten dienen. Immer dann, wenn das Ausgangssignal des Integrators einen der Spannungsgrenzwerte der Grenzwertstufe erreicht, kippt dessen Ausgangssignal in den anderen von zwei möglichen Zuständen.
Am Ausgang des Quantisierers entsteht somit ein rechteckförmiger Impulszug, dessen Impulse in einem integrierenden
Zählwerk aufaddiert werden. Der Stand des Zählwerks stellt ein Maß für die im Strömungskanal
geflossene Menge des Fluids dar.
Eine Durchflußmengenmeßeinrichtung zur Verwendung als Wärmemengenzähler, wobei - entsprechend der
DE-AS 27 24 661 - die Signaiqueile als Meßglied für die Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz mindestens
eines Wärmetauschers ausgebildet ist, besteht darin, daß zur Erfassung der Vorlauftemperatur und der Rücklauftemperatur
je ein temperaturabhängiger Widerstand vorgesehen ist, von denen jeder durch eine Konstantstromquelle
gespeist ist, und daß die Spannungsabfälle an beiden Widerständen den Eingängen eines als Meßglied
dienenden Differenzverstärkers zugeführt sind. Da das unter der Wirkung des Logikteils an den Eingang
des Quantisierers geschaltete Ausgangssignal der Signalquelle nunmehr nicht mehr konstant ist, sondern in
Abhängigkeit von der Vörlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz eines Wärmetauschers variiert, stellt nunmehr das
Eingangssignal des Quantisierers - integriert über eine Periode des Zusatzoszillators - das Produkt aus einerseits
einer in Form der Laufzeitdifferenz in und gegen die Strömungsrichtung strömungsgeschwindigkeitsproportionalen
Größe und andererseits einer der Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz proportionalen Größe
dar.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren 1 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der als Wärmemengenzähler modifizierten Durchflußmengenmeßeinrichtung, Fig. 2-9 die Zeitabhängigkeit von Signalverläufen an wesentlichen Punkten des in Fig. 1 dargestellten Wärmemengenzählers.
Fig. 1 ein Blockschaltbild der als Wärmemengenzähler modifizierten Durchflußmengenmeßeinrichtung, Fig. 2-9 die Zeitabhängigkeit von Signalverläufen an wesentlichen Punkten des in Fig. 1 dargestellten Wärmemengenzählers.
In dem schematisch dargestellten Strömungskanal 1 strömt ein als Wärmeträger eines Heizungssystems dienendes
Fluid in der durch den Pfeil r bezeichneten Strömungsrichtung. In diesem Strömungskanal sind in
axialer Richtung gegeneinander versetzt die beiden Ultraschallwandler Wl und Wl angeordnet. Die zwischen
diesen Ultraschallwandlern W1 und Wl liegende Strecke stellt die Meßstrecke dar, die alternierend von Ultraschallwellenpaketen
in Strömungsrichtung und Gegenströmungsrichtung durchlaufen wird. Zur alternierenden
Speisung der beiden Ultraschallwandler Wl und Wl dient ein Ultraschalloszillator G1, der Rechtecksignale
mit der Frequenz/1 und der Periode Terzeugt. Diese Rechtecksignale weisen vorzugsweise ein Tastverhältnis
von 1 /2 auf. Das Ausgangssignal u 1 dieses Ultraschalloszillators G1 ist in F i g. 2 dargestellt. Dieses Ausgangssignal
u 1 wird über den Verstärker Vl alternierend in die jeweils als Sender dienenden Ultraschallwandler W1
und Wl eingespeist.
Diese alternierende Einspeisung wird über eine Umschalteinrichtung U erreicht, die von einem Zusatzoszillator
C 2 gesteuert ist. Der Zusatzgenerator G 2 ist als Rechteckgenerator mit dem Tastverhältnis 1 /2 ausgebildet
und emittiert ein Rechtecksignal u4 mit der Frequenz/ 2 und der Periode T0. Die Frequenz/ 2 des Zusatzgenerators G 2 ist niedriger als die Frequenz/1 des Ultraschalloszillators, wobei vorzugsweise die Frequenz/ 1 des
Ultraschalloszillators G1 ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz/ 2 des Zusatzgenerators G 2 darstellt. Das
Ausgangssignal u 4 des Zusatzgenerators G 2 ist in F i g. 5 veranschaulicht. In dem den F i g. 2 und 5 zugrundeliegenden Beispiel ist die Periode T0 des vom Zusatzgenerator 2 stammenden Ausgangssignals uA sechsmal so lang s
wie die Periode Γ des vom Ultraschalloszillator stammenden Ausgangssignals u\.
Durch die vom Zusatzgenerator G 2 gesteuerte Umschalteinrichtung U ist jeweils für eine erste Halbperiode
To/2 das im Verstärker Vl verstärkte Ausgangssignal ul des Ultraschalloszillators an den Ultraschallwandler
W1 gelegt, wobei während dieser Zeitspanne der Ultraschallwandler Wl als Ultraschallempfänger für die vom
Ultraschallsender Wl emittierten Ultraschallsignale dient. Dabei ist das Ausgangssignal des Ultraschallwandlers Wl während dieser ersten Halbperiode über die eingezeichnete Stellung der Umschalteinrichtung t/und
einen Verstärker Vl dem Eingang el eines Phasenkomparator^ Kl zugeführt. Dieses am Eingang el anstehende Signal u 2 ist in F i g. 3 dargestellt. Während der anschließenden Halbperiode zwischen To/2 und T0 werden in der zweiten Stellung der Umschalteinrichtung die Funktionen der Ultraschallwandler Wl und Wl vertauscht. In diesem Fall wird nunmehr der Ultraschallwandler Wl mit dem im Verstärker Vl verstärkten Aus-
gangssignal u 1 des Ultraschalloszillators G1 gespeist, während der Ultraschallwandler W1 als Ultraschallempfanger dient und sein Ausgangssignal über die Umschalteinrichtung t/und den Verstärker Vl dem ersten
Vergleichseingang e 1 des Phasenkomparator K1 zugeführt ist. Dem zweiten Vergleichseingang e 2 des Phasenkomparator ATl ist das Ausgangssignal t/1 des Ultraschalloszillators Gl zugeführt. Eine besonders einfache
und kostengünstige Ausführung dieses Phasenkomparators stellt ein Exclusiv-ODER-Gatter mit invertiertem
Ausgangssignal dar. Das Ausgangssignal «3 des Phasenkomparators K1 ist in Fig. 4 dargestellt. Während der
ersten Halbperiode T0Il der Ausgangsspannung u 4 des Zusatzgenerators G 2 wandert das vom Ultraschallwandler W1 emittierte Ultraschallwellenpaket gegen die Strömungsrichtung. In diesem Fall entsteht am Ausgang
des Phasenkomparators Kl die aus sechs Impulsen der Breite tg bestehende Impulsserie in Fig. 4. In der
anschließenden zweiten Halbperiode zwischen To/2 und T0, in der die Ultraschallwellenpakete in Strömungsrichtung des Fluids wandern, entsteht die die anschließenden sechs Impulse der Breite t, umfassende Impulsserie in Fig. 4. Dabei ist vorausgesetzt, daß sich die Strömungsgeschwindigkeit in der betrachteten Periode der
Dauer T0 nicht ändert. Es ist darüber hinaus zum Verständnis des in F i g. 4 dargestellten Bildes riarauf hinzuweisen, daß vorangehend bei ruhendem Fluid, also der Strömungsgeschwindigkeit 0, zwischen den Signalen υ 1 und
u 2 eine Phasenverschiebung von 774 eingestellt wurde, so daß für diesen Fall das Ausgangssignal u 3 des Phasenkomparator ein Tastverhältnis 1/2 aufweist. Dieses Tastverhältnis von 1/2 beim Signal «3 ändert sich nun je
nach Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit zu größeren oder kleineren Werten, wobei die Differenz 1,-tg proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ν ist.
Das Ausgangssignal u3 des Phasenkomparators K1 sowie das Ausgangssignal κ 4 des Zusatzgenerators G 2 ist
einer in Fi g. 1 gestrichelt umrandeten Auswerteeinrichtung A zugeführt, die eine Signalquelle S, einen Logikteil Z., im Gegentakt betriebene steuerbare Schalter Sl und Sl sowie einen Quantisierer Q umfaßt. Das
rechteckförmige Ausgangssignal u 8 der Auswerteeinrichtung ist einer als kumulierendes Zählwerk ausgebildeten integrierenden Anzeigeeinrichtung Z zugeführt. Diese Anzeigeeinrichtung Z liefert - je nach Ausbildung
der Signalquelle S - entweder die durch den Strömungskanal geflossene Durchflußmenge des Fluids bzw. die
von dem mindestens einen Wärmetauscher verbrauchte Wärmemenge.
Der Logikteil L der Auswerteeinrichtung A umfaßt zwei Exclusiv-ODER-Gatter El und El mit negiertem
Ausgang, wobei dem ersten Exclusiv-ODER-Gatter E1 das Ausgangssignal a3 des Phasenkomparators K1 und
das Ausgangssignal u8 des Quantisierers zugeführt ist. Das Ausgangssignal des ersten Exclusiv-ODER-Gatters
E1 sowie das Ausgangssignal υ 4 des Zusatzgenerators G 2 wird im zweiten Exclusiv-ODER-Gatter E 2 verarbeitet. Das in Fi g. 6 dargestellte Ausgangssignal uS des zweiten Exclusiv-ODER-Gatters El dient zur Steuerung
des ersten steuerbaren Schalters S1 und nach Invertierung im Invertierglied N zur Steuerung des zweiten steuerbaren Schalters 52, die dadurch im Gegentakt betrieben werden.
Die Signalquelle S dient in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Ermittlung eines der
Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz an mindestens einem Wärmetauscher proportionalen Signals uAd.
Zu diesem Zweck ist im Vorlauf ein thermisch gekoppelter temperaturempfindlicher Widersland R1 und im
Rücklauf des mindestens einen Wärmetauscher ein temperaturempfindlicher Widerstand R 2 angeordnet. Die
beiden temperaturempfindlichen Widerstände R1 und R1 werden von jeweils einer Konstantstromquelle /1
bzw. / 2 gespeist. Die an diesen beiden Widerständen Λ1 und Λ 2 auftretenden Spannungsabfälle sind den Differenzeingängen eines Differenzverstärkers V3 zugeführt, der am Ausgang a 1 ein der Vörlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz A d = dv-dR proportionales Ausgangssignal UA d liefert. Am Ausgang a I des Differenzverstärker
V3 wird eben dieses Ausgangssignal mit umgekehrten Vorzeichen als -uA d zur Verfügung gestellt. In dieser
Ausführungsform wird die in Fig. 1 dargestellte Durchflußmengenmeßeinrichtung als Wärmemengenzähler
betrieben, d. h., daß das von der integrierenden Anzeigeeinrichtung Zgelieferte Ergebnis der Wärmemenge entspricht, die von dem mindestens einen Wärmetauscher verbraucht wurde.
Für den Betrieb als reine Durchflußmeßeinrichtung ist die Signalquelle S derart zu modifizieren, daß sie an
ihren Ausgängen ein bezüglich der Amplitude konstantes Gleichspannungs- bzw. Gleichstromsignal in nichtinvertierter und invertierter Form liefert.
Das am nichtinvertierenden Ausgang al des Differenzverstärker F3_auftretende Ausgangssignal uAd ist
über den ersten steuerbaren Schalter S1, das am invertierenden Ausgang a I dieses Differenzverstärker auftretende Ausgangssignal -uA δ über den steuerbaren Schalter Sl dem Eingang des Quantisierers Q zugeführt. Das
durch die im Gegentakt betriebenen Schalter S1 und S1 zustandekommende Eingangssignal für den Quantisierer Q ist mit u6 bezeichnet und in Fig. 7 dargestellt.
dung eines Operationsverstärkers V4 aufgebauten Integrator / zugeführt. Zu diesem Zweck ist das Ausgangs-
i| signal des Operationsverstärkers V4 über einen Kondensator C an den invertierenden Eingang, der auch mit
I dem Widerstand R 3 verbunden ist, zurückgeführt, wohingegen der nichtinvertierende Eingang des Operations-
% Verstärkers V4 mit dem Bezugspotential verbunden ist. Das in Fig. 8 dargestellte Ausgangssignal ul des Inte-
I 5 grators / ist dem Eingang einer Grenzwertstufe Kl zugeführt, die die beiden Spannungsgrenzwerte gl als
I oberen Grenzwert und gl als unteren Grenzwert aufweist. Das Ausgangssignal ul bewegt sich somit zwischen
[5 diesen beiden Spannungsgrenzwerten g\ und gl, wobei jeweils bei Erreichen eines dieser Spannungsgrenz-
% werte das Ausgangssignal u8 der Grenzwertstufe Kl in den jeweils anderen Signalzustand von zwei möglichen
■ Signalzuständen fällt. Dies ist in Fig. 9 dargestellt. Durch jeden Impuls des Ausgangssignals u8 erfolgt eine
$ ίο Weiterschaltung der als kumuliertes Zählwerk ausgebildeten integrierenden Anzeigevorrichtung Z.
p Der Integrator /arbeitet nach dem Kondensator-Umladeverfahren. Dies soll im folgenden anhand der nach-
I stehenden mathematischen Betrachtung veranschaulicht werden. Zu diesem Zweck wird auf F i g. 7 Bezug
T genommen. Hierbei wird die Aufwärtsintegrationsphase (F i g. 8) des Integrators /in der ersten mit T0 endenden
Periode des rechteckförmigen Ausgangssignals «4 (Fig. 5) des Zusatzgenerators Gl betrachtet. Die Integration
£ 15 des Eingangssignals u6 des Integrators / in der ersten Zeitspanne T0 ergibt sich als Summation über die
"; Spannungszeitfiächen dieses Signais als
',> ul = \u6dt = -^r {[(T/2-tt) · (-Ad) + tg- Ad] ■ η +[(Τ/2-t,) ■ Ad + t, ■ (-Ad)] ■ n)
':,
= — AdO1-1,) - Ic0 ■ Ad ■ v.
: T0
T 25 Hierin bedeutet:
k Proportionalitätskonstante zwischen der Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz A d und den dieser Größe
proportionalen Ausgangsspannungen uAδ und -uAd des Differenzverstärkers V3,
! T0 Periode der Ausgangsspannung u 4 des Zusatzgenerators G1,
! T0 Periode der Ausgangsspannung u 4 des Zusatzgenerators G1,
I 30 T12 Halbperiode der Ausgangsspannung u 1 des Ultraschallgenerators G1,
I tg Impulsbreite des Ausgangssignals «3 des Phasenkomparators K1 während der ersten Halbperiode der Aus-
]| gangsspannung u4 des Zusatzgenerators Gl bis zum Ende der ersten Halbperiode Tq/2,
'Jl i/ Impulsbreite des Ausgangssignals u3 des Phasenkomparators Kl während der anschließenden HaIb-
P periode des Ausgangssignals u4 des Zusatzgenerators Gl zwischen Tq/2 und T0,
35 n Zahl der in eine Halbperiode 7"0/2 fallenden Impulse der Ausgangsspannung u3 des Phasenkomparators
'\l
Λ 1.
I Im Fall des in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels wird somit am Ausgang des Integrators /das in F i g. 8
I dargestellte Signal ul erzeugt, das proportional zur Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz A δ und proportional
ig 40 zur Strömungsgeschwindigkeit ν ist. Wird die Signalquelle 5 für eine reine Durchflußmengenmessung als
§ Konstantspannungs- bzw. Konstantstromquelle ausgestaltet, so daß das der Größe A δ entsprechende Signal
ίΐ ebenfalls eine Konstante darstellt, ist das Ausgangssignal ul ausschließlich proportional der Strömungs-
i| geschwindigkeit ν des Fluids im Strömungskanal.
fe ln der Grenzwertstufe Kl wird das Ausgangssignal ul in einen Rechteckimpulszug u8 umgesetzt, dessen
45 Frequenz dem Wert des Integrals proportional ist und der das Ausgangssignal des Quantisierers Q darstellt. Da
das Ausgangssignal u 8 auch dem einen Eingang des ersten Exclusiv-ODER-Gatters £1 zugeführt ist, bewirkt
jeder Signalwechsel von u8 einen Wechsel der Integrationsrichtung für das Ausgangssignal ul des Integrators /,
da über den Logikteil L eine entsprechende Änderung des Tastverhältnisses des die Schalter 51 und Sl taktenden
Signals υ 5 erzeugt wird. Im Fall des in der F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels eines Wärmemengen-50
Zählers ist die Frequenz des einen Impulszug darstellenden Ausgangssignals z/8 der Grenzwertstufe K1 proportional
der momentanen Wärmeleistung. Durch Integration der Impulse des Impulszuges in der integrierenden
Anzeigeeinrichtung Z wird somit die während der mit der Betriebsdauer zusammenfallenden Integraticnsdaucr
verbrauchte Wärmemenge erhalten. Wird die Signalquelle SaIs Konstantspannungs- bzw. Konstantstromquelle
ausgebildet, ist die Frequenz des als Impulszug ausgebildeten Ausgangssignals u 8 proportional zur Strömungs-55
geschwindigkeit v, so daß in der integrierenden Anzeigeeinrichtung Z die über die Betriebsdauer insgesamt verbrauchte
Durchflußmenge des Fluids ermittelt wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Durchflußmengenmeßeinrichtung für Fluide mit zwei in axialer Richtung eines Strömungskanals um
eine Meßstrecke gegeneinander versetzten UltraschaUwandlem (Wl, W2), mit einem Ultraschalloszillator
(G 1) zur Speisung der Ultraschallwandler (WX, Wl), mit einem Phasenkomparator (K X), dessen einem
Vergleichseingang (e X) das Ausgangssignal eines als Ultraschallempfänger dienenden Ultraschallwandlers
und dessen zweitem Vergleichseingang (el) das Ausgangssignal (u X) des Uitraschalloszillators (C 1) zugeführt
sind, sowie mit einem Zusatzgenerator (Gl), der eine Umschalteinrichtung (U) speist, in deren erster
Stellung der eine Ultraschallwandler (Wl) zur Speisung als Ultraschallsender an den Ultraschalloszillator
ίο (G 1) und der andere Ultraschallwandler (Wl) an den einen Vergleichseingang (e X) des Phasenkomparator
(A" 1) angeschlossen ist und in deren zweiter Stellung die Anschlüsse der beiden Ultraschallwandler (WX,
Wl) vertauscht sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19823219788 DE3219788C2 (de) | 1982-05-25 | 1982-05-25 | Durchflußmengenmeßeinrichtung für Fluide und Durchflußmengenmengenmeßeinrichtung zur Verwendung als Wärmemengenzähler |
| JP9222483A JPS58214813A (ja) | 1982-05-25 | 1983-05-25 | 流量測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19823219788 DE3219788C2 (de) | 1982-05-25 | 1982-05-25 | Durchflußmengenmeßeinrichtung für Fluide und Durchflußmengenmengenmeßeinrichtung zur Verwendung als Wärmemengenzähler |
Publications (2)
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| DE3219788A1 DE3219788A1 (de) | 1983-12-01 |
| DE3219788C2 true DE3219788C2 (de) | 1985-02-28 |
Family
ID=6164538
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19823219788 Expired DE3219788C2 (de) | 1982-05-25 | 1982-05-25 | Durchflußmengenmeßeinrichtung für Fluide und Durchflußmengenmengenmeßeinrichtung zur Verwendung als Wärmemengenzähler |
Country Status (2)
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|---|---|
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| DE (1) | DE3219788C2 (de) |
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1982
- 1982-05-25 DE DE19823219788 patent/DE3219788C2/de not_active Expired
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1983
- 1983-05-25 JP JP9222483A patent/JPS58214813A/ja active Pending
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