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Durchflußmeßeinrichtung nach dem Ultraschallprinzip mit
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zwei Oszillatoren Die Erfindung betrifft eine Durchflußmeßeinrichtung
nach dem Ultraschallprinzip mit zwei Oszillatoren mit spannungsabhängiger Frequenz
und zwei jeweils als Sender oder Empfänger arbeitenden Ultraschallwandlern, die
mittels Umschalteinrichtungen unter Richtungswechsel der Ultraschallausbreitung
wahlweise mit der Frequenz des einen oder des anderen Oszillators beaufschlagbar
sind sowie mit einer Zählschaltung zur Abgabe eines Zählschlußsignals beim Erreichen
eines vorbestimmten Zählerstandes entsprechend den Frequenzen der Oszillatoren und
einer Steuereinrichtung zur Beeinflussung der Frequenzen der Oszillatoren zwecks
Aufrechterhaltung eines vorbestimmten Verhältnisses der Ausbreitungszeit der Ultraschallwellen
zwischen den Ultraschallwandlern zu der Zählzeit der Zählschaltung bis zum Erreichen
des vorbestimmten Zählerstandes.
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Bei einer bekannten Durchflußmeßeinrichtung dieser Art ist ein Regelkreis
zur Beeinflussung der Frequenz eines Oszillators mit spannungsabhängiger Frequenz
in solcher Weise vorgesehen, daß die zum Zählen einer Anzahl N von Impulsen des
Oszillators mit einer Frequenz f benötigte Zeit mit der Ausbreitungszeit von Ultraschallwellen
in einem Medium zusammenfällt. Synchron mit der Schwingung eines der Oszillatoren
wird der Ausgang der Zählschaltung an eine Differentialschaltung zur Erfassung der
Zeitdifferenz angelegt. In der Zwischenzeit wird auch das empfangene Ultraschallsignal
an die Differentialschaltung angelegt.
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Diese erzeugt ein Signal, das der-Zeitdifferenz entspricht und der
Regelkreis bringt die Zeitdifferenz auf den Wert Null.
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Bei einer bekannten Durchflußmeßeinrichtung gemäß der Fig.
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1 ist eine Oszillatorschaltung 10 mit zwei Oszillatoren 13 und 15
vorgesehen, welche die Eigenschaft besitzen, daß sich ihre Schwingungsfrequenz in
Übereinstimmung mit der angelegten Spannung ändert. Ein Schalter 25 dient zum Umschalten
zwischen dem Ausgangssignal 21 mit der Frequenz f1 des Oszillators 13 und dem Ausgangssignal
23 mit der Frequenz f2 des Oszillators 15. Das auf diese Weise gewonnene Ausgangssignal
29 der Oszillatorschaltung 10 wird einer Impulserzeugerschaltung 27 zugeführt. Diese
ist so beschaffen, daß sie ein mit dem Signal 29 synchrones Impulssignal 31 und
ferner ein Zählstartsignal 33 abgibt.
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Eine Treiberschaltung 35 gibt ein mit dem Impulssignal 31 übereinstimmendes
Treibersignal 37 zur Betätigung der Ultraschallwandler 41 und 43 ab.
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Ferner sind zwei Ultraschallwandler 41 und 43 vorgesehen, denen abwechselnd
mittels eines Schalters 45 das Treibersignal 37 zugeführt wird, wobei einer der
Ultraschallwandler als Sender wirkt und ein elektrisches Signal in ein akustisches
Signal 45 oder 47 umwandelt, während der andere Ultraschallwandler als Empfänger
arbeitet und das akustische Signal in ein elektrisches Signal umformt. Ein empfangenes
Signal wird mittels eines Schalters 51 einer Empfangsschaltung 55 zugeführt. Diese
gibt ein auf dem Empfangssignal 53 beruhendes Ultraschallerfassungssignal 57 an
eine Zeitdifferentialschaltung 59 ab.
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Eine durch das Zählstartsignal 33 angestoßene Zählschaltung 61 zählt
das von der Oszillatorschaltung 10 abgegebene Ausgangssignal 29. Erreicht der Zählerstand
der Zählschaltung 61 eine vorbestimmte Zahl N, so gibt die Zählschaltung ein Ausgangssignal
63 an die Zeitdifferentialschaltung 59 ab und wird dann zurückgestellt. Nun ermittelt
die Zeitdifferentialschaltung 59 die Zeitdifferenz zwischen den Signalen 57 und
63 und gibt ein Steuersignal 65 mit einer der Zeitdifferenz entsprechenden Spannung
ab. Dieses Steuersignal 65
wird mittels eines Schalters 67 dem Oszillator
13 oder dem Oszillator 15 der Oszillatorschaltung 10 zugeführt, um dadurch die Frequenzen
f1 oder 2 der Oszillatorschaltung zu steuern.
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In der Fig. 2 ist die Anbringung der beiden Ultraschallwandler an
einer Rohrleitung für ein zu messendes Medium und zugleich die Ausbreitung der Ultraschallwellen
schräg zur Achse des Leitungskanals dargestellt. Die Ultraschallwandler 41 und 43
sind einander gegenüberliegend an einem Rohr 71 unter Zwischenschaltung je eines
Kunststoffkeiles 73 bzw. 77 angeordnet. Beispielsweise gelangen die Ultraschallwellen
von dem stromaufwärts gelegenen Ultraschallwandler 41 durch den Kunststoffkeil 73
und die Wandung des Rohres 71 in das Medium 75, dessen Durchflußmenge bestimmt werden
soll und dann durch die gegenüberliegende Wandung des Rohres 71 und den anderen
Kunststoffkeil 77 zu dem stromabwärts angeordneten Ultraschallwandler 43. Bei diesem
Vorgang beträgt die Zeit T1 der Ausbreitung der Ultraschallwelle 45 von dem Ultraschallwandler
41 zu dem Ultraschallwandler 43 D/cos 8 (i) T = D/cos e (1) 1 Cw + V sin e Im Unterschied
hierzu beträgt die Zeit T2 des entgegengerichteten Ultraschallsignals 47 des Ultraschallwandlers
43 zu dem Ultraschallwandler 41 T, = D/cos g (2) T - Ow - V sin Q 2 - Cw - V sin
{3 Hierin bedeutet D die lichte Weite des Rohres 71, Cw die Schallgeschwindigkeit
in dem ruhenden Medium, V die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 75 und Q stellt
den Einfallswinkel der in das Medium 75 eintretenden Ultraschallwellen dar. Hierbei
ist die für den Durchtritt der Ultraschallwellen durch die Keile 73 und 77 sowie
die Wandungen des Rohres 71 benötigte Zeit vernachlässigt.
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Die Messung der Durchflußmenge des Mediums 75 wird im folgenden anhand
der Figuren 1 und 2 erläutert. Das Meßprinzip wird nur kurz beschrieben, weil die
Anwendung der phasenstarren Regelung bereits bekannt ist. Zunächst werden die Schalter
25, 75, 51 und 67 in die mit a bezeichnete Schaltstellung gebracht, um gleichsinnig
mit der Strömungsrichtung zu messen. In diesem Fall ist die Zeit T1 der Ausbreitung
der Ultraschallwellen 45 durch die vorstehend angegebene Gleichung (1) in Übereinstimmung
mit dem Ausgangssignal 29 der Oszillatorschaltung 10 mit der Frequenz f1 gegeben.
Die Zeit T bis zum Erreichen des Zählerstandes N der Zählschaltung 61 wird durch
N/f1 ausgedrückt. Ein phasenstarrer Regelkreis bewirkt eine Rückkopplungssteuerung
der Oszillatorfrequenz f1 des Oszillators 13 derart, daß ein vorbestimmtes Verhältnis
der Zeit T zu der Ausbreitungszeit T1 aufrechterhalten wird. In diesem Fall wird
die Rückkopplung so bemessen, daß die Zeit T auf den Wert der Ausbreitungszeit T1
gebracht wird.
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Im stabilen Zustand gilt die Bedingung N/F1 = T1, und es wird die
folgende Beziehung herbeigeführt: N (Cw + V sin 8) (3) fl = D/cos e Nun werden die
Schalter 25, 45, 51 und 67 in die Schaltstellung b gebracht, um eine Messung gegensinnig
zu der Strömungsrichtung durchzuführen. In diesem Fall wird der phasenstarre Regelkreis
mit dem Oszillator 15 so stabilisiert, daß die vorbestimmte Beziehung zwischen der
Zeit T2 der Ausbreitungszeit der Ultraschallwellen 47 entsprechend der Gleichung
(2) aufrechterhalten wird und der Zählerstand der Zählschaltung 63 den vorbestimmten
Wert N erreicht. Durch die Regelung wird die Zeit T2 in Übereinstimmung mit der
Zeit T gebracht. Daher beträgt die Frequenz f2 des Oszillators
15
N (Cw - V sin 8) (4) f2 = D/cos e Für die Differenz 4 = f1 - f2 zwischen den beiden
Schwingungsfrequenzen gilt die folgende Gleichung 2N sine N sin 2 e = D/cosE V =
D V (5) Bei konstantem Eintrittswinkel e ist somit die Frequenzdifferenz f eine
reine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit V. Diese kann also aus der Frequenzdifferenz
Af berechnet werden. Auch die Durchflußmenge des Mediums 75 läßt sich auf diese
Weise messen.
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Bei der beschriebenen Durchflußmeßeinrichtung ist die Messung nur
in einem solchen Bereich wirksam, in dem eine Änderung des Eintrittswinkels 8 vernachlässigbar
ist. Zum Beispiel gilt dies aber nicht, wenn sich die Temperatur des Mediums 75
erheblich ändert und der Einfluß einer Änderung des Eintrittswinkels 8 wird noch
in dem Maß stärker, wie sich der Durchmesser D des Rohres 71 verringert, was zu
einem beträchtlichen Meßfehler führt.
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In diesem Zusammenhang liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Durchflußmeßeinrichtung zu schaffen, deren Meßergebnis unabhängig von einer Temperaturänderung
ist und zwar auch dann, wenn der Durchmesser der Rohrleitung klein ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Einrichtung
zur Veränderung der vorbestimmten Zahl der Zählschaltung in Übereinstimmung mit
der Summe der Frequenzen der beiden Oszillatoren vorgesehen ist, um hierdurch die
Summe der Frequenzen in einem vorbestimmten Bereich
zur Konvergenz
zu bringen. Im Rahmen der Erfindung kann die erwähnte Einrichtung eine mit den Frequenzen
beider Oszillatoren beaufschlagte zentrale Prozessoreinheit und eine von deren Ausgangsgröße
beeinflußte Steuereinrichtung vorgesehen sein, die ein Steuersignal zur Einstellung
der vorbestimmten Zahl N der Zählschaltung abgibt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 3 und 4 näher erläutert.
Die Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer Durchflußmeßeinrichtung nach dem Ultraschallprinzip
entsprechend der Erfindung.
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Die Fig. 4 ist ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Betriebes der
Meßeinrichtung gemäß der Fig. 3.
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Zunächst wird das Prinzip der Erfindung anhand der folgenden Formeln
erklärt. Mit dem -Wert C5 für die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen
in den beiden Keilen 73 und 74 sowie den Wandungsteilen des Rohres 71 wird der Einfallswinkel
O in der zuvor abgeleiteten Gleichung (5) durch den Winkel tp in dem Keil wie folgt
ersetzt sin vP /C5 = sin 8/C Hieraus wird die folgende Beziehung abgeleitet Cw sin
8 = Cs sin + (6) Mit den Gleichungen (3) und (4) erhält man fl + 2 2N Cw (7) 2 =
D/cos 9 Die Gleichung (7) wird wie folgt umgeformt Cw f1 + = D/cos e ' N (8)
Ebenso
wird aus den Cleichungen (6) und (7) die folgende Gleichung (9) abgeleitet (f1 +
f2) sin? 2 = 2 Cs V (9) Den Gleichungen (8) und (9) ist zu entnehmen, daß die Frequenzdifferenz
ß f als reine Funktion der Fließgeschwindigkeit V ausgedrückt wird unter der Voraussetzung,
daß die Summe der Frequenzen f1 + f2 durch geeignete Änderung des eingestellten
Wertes N der Zählschaltung 61 aufrechterhalten wird. Es ist daher möglich, die Fließgeschwindigkeit
V durch Messung der Frequenzdifferenz a auf in solcher Weise zu messen, daß eine
Änderung des Einfallswinkels e kompensiert wird. Anhand der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels der Erfindung wird dies verdeutlicht.
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Die Ausführungsform gemäß der Fig. 3 unterscheidet sich von der bekannten
Einrichtung gemäß der Fig. 1 insbesondere durch eine zusätzliche zentrale Prozessoreinheit
81 (CPU) und eine Steuereinrichtung 85 zur Veränderung des in der Zählschaltung
61 eingestellten Wertes N aufgrund eines von der Prozessoreinheit 81 abgegebenen
Steuersignals 83. In Fig. 3 sind im übrigen für die mit Fig. 1 übereinstimmenden
Schaltungsteile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Im folgenden wird die Betriebsweise mit Kompensation unter zusätzlicher
Heranziehung des Flußdiagramms der Fig. 4 erläutert. Dabei wird der Wert N in der
Zählschaltung 61 zunächst als Anfangswert entsprechend einer von der Prozessoreinheit
81 mittels des Steuersignals 83 gegebenen Anweisung eingestellt. Der Wert fO, der
entsprechend der zuvor angegebenen Cleichung (8) die Summe der Frequenzen fl und
f2 repräsentiert, wird in Übereinstimmung mit den durch die Durchflußmeßeinrichtung
gegebenen Konstanten und anderer üblicherweise gegebener Konstanten eingestellt
(Block 101).
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Der zuvor im Zusammenhang mit der Fig. 1 erläuterte Vorgang wird unter
der Bedingung durchgeführt, daß die Zahl N in der Zählschaltung eingestellt ist.
Insbesondere werden alle Schalter 25, 45, 51 und 67 in die Schaltstellung a gebracht,
um die phasenstarre Regelung so zu stabilisieren, daß die Frequenz f1 des Oszillators
13 bestimmt werden kann.
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Dann werden die Schalter 25, 45, 51 und 67 in die Schaltstellung b
gebracht, um die phasenstarre Regelung zur Bestimmung der Frequenz f2 des Oszillators
15 zu stabilisieren, und die so erhaltenen Frequenzen werden gespeichert (Block
103). Nach der Berechnung der Summe der Frequenzen + + f2 der so erhaltenen Frequenzen
f1 und f2 wird die Differenz X = f0 - (f1 + f2) zwischen der Summe der Frequenzen
und der in dem Block 101 gespeicherten Frequenz f0 berechnet (Block 105). Dann wird
eine Beurteilung durchgeführt, ob der absolute Wert Ixl geringer als ein gewünschter
Wert W ist (Block 107). Der Wert W wird unter der Annahme eingestellt, daß eine
Änderung des Wertes X auch dann vernachlässigbar ist, wenn der Wert N um die Zahl
1 geändert wird. Falls das Ergebnis der in dem Block 107 durchgeführten Beurteilung
negativ ist, wird der inverse Wert des Wertes X in dem Block 109 beurteilt. Ists
diese Differenz positiv, wird die Zahl 1 von dem ursprünglich eingestellten Wert
N abgezogen (Block 111). Nimmt die Differenz X einen negativen Wert an, wird die
Zahl 1 zu dem Anfangswert N hinzugefügt (Block 113).
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Insbesondere stellt die Prozessoreinheit 81 unter Beachtung des jeweils
erreichten Grades von Konvergenz der Summe der Frequenzen das Steuersignal 83 bereit,
um die Steuereinrichtung 85 zur Abgabe eines Signals 87 zur Einstellung des Wertes
N zu veranlassen und hierdurch die eingestellte Zahl der Zählschaltung 61 zu vergrößern
oder zu verringern. Anschließend kehrt der Prozeß nach dem Ablauf einer vorbestimmten
Zeit (weniger als eine Sekunde), die zur Stabilisierung der Systeme des phasenstarren
Regelskreises (115) benötigt wird, zu dem Block 103 zurück. Die Vorgänge innerhalb
des
Regelkreises werden wiederholt, bis die Summe der Frequenzen bei f0 konvergiert
und das Ergebnis der Beurteilung in dem Block 107 positiv wird, so daß der Prozeß
innerhalb des Regelkreises zum Stillstand kommt. Der Meßvorgang mit Kompensation
ist damit beendet.
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Eine Kompensation des Temperatureinflusses wird dadurch erreicht,
daß die in der Zählschaltung eingestellte Zahl N aufgrund einer Änderung des Eintrittswinkels
e der Ultraschallwellen in das Medium und einer durch die Temperatur oder einen
ähnlichen Faktor bedingten Änderung der Schallgeschwindigkeit Cw verändert wird
(vgl. Gleichung 8). Wenn man die Temperaturkompensation in dieser Weise durchführt,
kann der Ausdruck (f1 + f2) sin 9/2 Csals konstant betrachtet werden, weil die Summe
der Frequenzen fi + konstant ist. Die Differenz a f = f1 - f2 wird daher als primäre
Funktion der Fließgeschwindigkeit V ausgedrückt.
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Daher wird zur Betriebsart für die Messung umgeschaltet, bei der durch
die Prozessoreinheit 81 die in dem Block 103 gespeicherte Differenz Q f zwischen
den Frequenzen f1 und 2 bestimmt wird, um die Berechnung der Durchflußmenge (Block
201) zu berechnen.
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Die Vorgänge zur Durchführung der Kompensation in den zuvor erwähnten
Blöcken 101 bis 105 wird vor der Messung der Durchflußmenge durchgeführt. Falls
es jedoch erwünscht ist, kann die Kompensation sogar während der Messung durchgeführt
werden, und zwar durch eine Unterbrechung.
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Vorstehend ist beschrieben worden, daß gemäß der Erfindung ein Ultraschalldurchflußmesser
geschaffen worden ist, der die DurchfluBmenge genau zu messen vermag durch Kompensation
jeglichen auf einer Temperaturänderung des zu messenden Mediums und anderer Teile
beruhenden Fehlers.
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4 Figuren 2 Ansprüche
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