DE3414988C2 - Ultraschall-Strömungsmesser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungsmesser mit einfachem Aufbau, welcher Strömungs- oder Durchsatzmengen mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu messen vermag. Der Strömungsmesser umfaßt einen Signalgenerator (20) zur Lieferung eines Synchronisiersignals zu einer Ultraschall-Laufstrecke (30) und eines Frequenzteil-Zeitsignals zu einer Strömungs-Recheneinheit (α), wobei letztere einen Zeitdifferenz-Detektor (40) zur Bestimmung einer Zeitdifferenz zwischen einem Empfangszeitsignal von der Ultraschall-Laufstrecke (30) und dem Frequenzteil-Zeitsignal vom Signalgenerator (20) und zur Abgabe eines Signals, das anzeigt, welches Signal vor dem anderen auftritt, eine sequentielle Näherungseinheit (50), die auf ein Ausgangssignal vom Zeitdifferenz-Detektor (40) zur Durchführung einer sequentiellen Näherungsberechnung anspricht und eine Strömungs-Rechenschaltung aufweist, die zur Berechnung der Strömungs- oder Durchsatzmenge eines Strömungsmittels auf ein Ausgangssignal von der sequentiellen Näherungseinheit (50) anspricht. Dieser Ultraschall-Strömungsmesser ist aufgrund seines einfachen Aufbaus kostensparend herzustellen.

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungsmesser nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Ultraschall-Strömungsmesser sind z. B. aus DE-OS 28 32 835 und US-PS 40 15 470 bekannt.

Ultraschall-Strömungsmesser weisen im allgemeinen zwei an gegenüberliegenden Wandflächen einer Rohrleitung, die von einem zu messenden Strömungsmittel durchströmt wird, angebrachte Ultraschallwandler auf, P¹ 45 die in Strömungsrichtung des Strömungsmittels zueinander versetzt sind. Die Zeit 71, in welcher sich eine von

^, den Ultraschailwandlern in Strömungsrichtung ausgestrahlte Ultraschallwelle ausbreitet, und die Zeit T₂, in

U welcher sich eine von den Ultraschallwandlern gegen die Strömungsrichtung ausgestrahlte Ultraschallwelle

ψ ausbreitet, sind voneinander verschieden, weil die Ultraschallgeschwindigkeiten im strömenden Strömungsmit-

fj tel aufgrund dessen Strömungsgeschwindigkeit offensichtlich Änderungen unterworfen sind. Diese Zeiten 71

(·> 50 und Ti lassen sich wie folgt ausdrucken:

|'^; T_x= U(C + Fvsin Θ), T₂ = 1/(C - Fvsm Θ) (1)

^s In obigen Gleichungen bedeuten: C = Schallwellenausbreitungsgeschwindigkeit im Strömungsmittel,

55 Fv = Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels, D = Innendurchmesser der Rohrleitung, Θ = Winkel,

Γ unter dem die Ultraschallwelle in die Rohrleitung hinein ausgestrahlt wird, und /= Abstand zwischen den

j , Ultraschallwandlern, vorgegeben durch / = D/cos Θ. Die Differenz zwischen den Reziprokwerten der Ultra-

< schall-Laufzeiten T], T₂ bestimmt sich durch:

L-. ⁶⁰ J 1_ _ C + Fy sin Θ _ C -Fy sin Θ ₌ 2 Fy sin Θ ₌ Fy sin 2 Θ _ΙΊλ

^r 7", T₂ I I I D

, In der Gleichung (2) ist die Schallgeschwindigkeit C in dem zu messenden Medium ausgeschaltet. Da der

ι 65 Innendurchmesser Oder Rohrleitung und der Einfallswinkel Θ konstant sind, kann die Strömungsgeschwindig-

'' keit Vdes Strömungsmittels ohne Beeinflussung durch die Schallgeschwindigkeit Cbestimmt werden, indem die

jv Differenz zwischen den Reziprokwerten der Ultraschall-Laufzeiten 71, T₂ ermittelt wird. Wenn die Strömungs-

ξ geschwindigkeit Fv des Strömungsmittels bestimmt worden ist, läßt sich die Strömungs- oder Durchsatzmenge

nach folgender Gleichung bestimmen:

Der Ultraschall-Strömungsmesser muß daher so ausgelegt sein, daß die Ultraschall-Laufzeiten T₁, T₂ bestimmt werden bzw. bestimmbar sind. Ultraschall-Strömungsmesser lassen sich grob in einen Pfeiftyp und einen Phasenregelschleifentypeinteilea

Im folgenden ist zunächst ein Ultraschall-Strom ungsmesser des Pfeiftyps mit den ihn begleitenden Problemen erläutert

Bei einem derartigen Strömungsmesser sind zwei Ultraschallwandler vorgesehen, die einander schräg gegenüberstehend an einer Rohrleitung angebracht sind, die von dem zu messenden Strömungsmittel durchströmt wird. Dabei werden Ultraschallwellen abwechselnd vom einen Ultraschallwar.dler zum anderen ausgesandt und umgekehrt Die Strömungsmenge oder -geschwindigkeit des Strömungsmittels kann aus der Differenz zwischen den Perioden abgeleitet werden, welche die Reziprokwerte der Ultraschall-Durchgangszeiten darstellen, d. h. von der Differenz zwischen den Schwingfrequenzen.

Ein Ultraschall-Strömungsmesser dieses Typs ist mit dem Mange! behaftet, daß beim Durchgang von Blasen oder Schmutzteilchen, welche die Ultraschallübertragung blockieren, zwischen den Ultraschallwandlern die Pfeifschwingung unterbrochen wird und damit keine Messung möglich ist. Die Frequenz der Pfeifschwingung läßt sich ausdrücken durch:

₄₎ D/cos Θ ^W

Unter der Voraussetzung, daß die Gleichung (4) gilt C = 1450 m/s, Fv = 1 cm/s, D =50 mm und Θ = 22°, beträgt die Differenz zwischen den Pfeifschwingfrequenzen, d. h. die Differenz Af zwischen der Pfeifschwingfrequenz f\ bei der Ultraschallwellenausbreitung durch das Strömungsmittel in dessen Strömungsrichtung und einer Pfeifschwingfrequenz f₂ bei der Ultraschallwellenausbreitung durch das Strömungsmittel entgegen dessen Strömungsrichtung, 0,14. Wenn die Auflösung dt:r Strömungsgeschwindigkeitsmessung 1 cm/s beträgt, entspricht die erforderliche Meßzeit (2/Δ/) =* 14 s oder mehr, da eine Meßzeit für die Ultraschallwellenausbreitung in Strömungsmittel-Strömungsrichtung und eine Meßzeit für Ultraschallwellenausbreitung in Gegenrichtung benötigt werden. Der Ultraschall-Strömungsmesser des Pfeiftyps besitzt daher ein mangelhaftes Ansprechverhaltcn.

Im folgenden sind der Ultraschall-Strömungsmesser des Phasenregelschleifentyps und die mit ihm zusammenhängenden Probleme kurz beschrieben.

Fig. 1 veranschaulicht in Blockschaltbildform eine bisherige Anordnung eines solchen Ultraschall-Strömungsmessers. Die für die Messungen auf der Grundlage der Ultraschallwellenausbreitung in Strömungsrichtung und entgegengesetzt zu ihr verwendeten Teile sind mit jeweils gleichen Bezugsziffern zuzüglich eines angehängten kleinen Buchstabens a bzw. b bezeichnet und in paarige Schaltungen eingeschaltet.

Über Ultraschallwandler la, \b, die an der Außenfläche eines vom Strömungsmittel Fdurchströmten Rohrs T angebracht sind, werden Ultraschallwellen gleichzeitig mit Signalen von Oszillatoren 2a, 26 in das Strömungsmittel Fausgestrahlt. Die so ausgestrahlten Ultraschallwellen werden vom jeweils gegenüberstehenden Ultraschallwandler Ιό, la empfangen und dann als Empfangsimpulse amplitudenabhängig zu Verstärkern 3a, 3b geleitet, deren Verstärkungsgrad durch Steuersignale änderbar ist. Diese, den Verstärkern 3a, 3b zugeführten Impulse werden sodann Komparatoren 4a, 46 eingespeist, in denen die Amplituden mit vorgegebenen Schwellenwerten verglichen werden. Die Vergleichsergebnisse werden als Steuer-oder Regelsignale zu den Verstärkern 3a, 3b rückgekoppelt Die Verstärker 3a, 3b geben daher unabhängig von den Größen der Amplituden der Empfangsimpulse Ausgangsimpulse konstanter Amplituden zu Wellenformdetektoren 5a, 5b an. Gleichzeitig mit der Ultraschallaustrahlung werden Ausgangssignale von spannungsgesteuerten Oszillatoren 7a, 7b durch zugeordnete Zähler 8a bzw. Sb gezählt, die Impulse liefern, wenn die Zählstände manuell vorgegebene Zählstände oder -größen erreichen. Zeitdifferenz-Spannungswandler 6a, %b werden mit Ausgangsimpulsen der Wellenformdetektoren 5a, 5b und Ausgangsimpulsen der Zähler 8a, Sb beschickt, um Spannungsausgänge bzw. Ausgangsspannungen zu erzeugen, welche die Schwingfrequenzen der spannungsgesteuerten Oszillatoren 7a. Tb steuern, so daß die Zeitdifferenzen zwischen den von den Zählern 8a, Sb zu den Zeitdifferenz-Spannungswandlern 6a, 6b ausgegebenen Ausgangsimpulsen und den Ausgangsimpulsen von den Wellenformdetektoren 5a, 5b beseitigt bzw. ausgeschaltet werden. Die schwingenden Ausgangssignale von den spannungsgesteuerten Oszillatoren 7a, Tb werden zu einem Differential-Frequenzdetektor 9 geleitet, der ein Signal mit einer Frequenz entsprechend der Differenz zwischen den Schwingungsfrequenzen der Oszillatoren 7a, Tb z\x einem Frequenz/ Spannung-Wandler 10 liefert. Das an diesen Wandler 10 angelegte Signal wird in eine der Frennen7 proportionale umgesetzt, die einer Abtast-Halteschaltung 11 eingespeist wird. Ein Komparator 12 vergleicht die Ausgangssignale (Steuersignale) von den Komparatoren 4a, 4b mit einer Vorgabegröße einer Spannung, unmittelbar bevor diese eine Größe besitzt, bei welcher die gesamte Vorrichtung normal arbeitet, oder eine kleinere Größe aufweist, und beschickt die Abtast-Halteschaltung 11 mit einem Diskriminiersignal zur Bestimmung, ob das Ausgangssignal vom Frequenz/Spannung-Wandler 10 normal ist oder nicht. Wenn der Ultraschallempfang normal ist, liefert die Abtast-Halteschaltung 11 das Ausgangssignal des Wandlers 10 so wie es ist, und wenn der Ultraschall-Übertragungskoeffizient des zu messenden Strömungsmittels sich verkleinert, setzt die Abtast-Hal-

teschaltung 11 unmittelbar vor der Verkleinerung dieses Koeffizienten der Abgabe des normalen Ausgangssignals fort.

Bei diesem Phasenregelschleifensystem wird die Differenz zwischen den Schwingfrequenzen der beiden spannungsgesteuerten Oszillatoren 7a, Tb kleiner, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Strömungsmittels verringert. Wenn in einer Vorrichtung oder Anordnung mehrere Oszillatoren mit eng benachbarten Schwingfrequenzen vorhanden sind, sind die Stromversorgungskreise oder die durch elektromagnetische Ankopplung hervorgerufenen Schwingfrequenzen einer gegenseitigen Interferenz unterworfen, was eine Frequenzmitnahmeerscheinung zur Folge hat. Aufgrund dieser Erscheinung besitzt der Strömungsmessser eine Totzone in dem Bereich, in welchem die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels klein ist. Anders

ίο ausgedrückt: die Genauigkeit der Strömungsmessung ist im Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeiten mangelhaft.

Eine Lösung des oben angeschnittenen Problems erfordert, daß die Interferenz oder Störung zwischen den Oszillatoren beseitigt wird. Eine Auslegung oder Kapselung der Schaltung zur Beseitigung der gegenseitigen Interferenz würde sich jedoch im Hinblick auf die Größe und Kosten der dann erhaltenen Vorrichtung als schwierig erweisen.

Die Totzone kann variieren, weil der Grad der gegenseitigen Interferenz oder Störung aufgrund von Eigenschaftsverschlechterung der Bauteile einer Änderung unterworfen ist. Aus diesem Grund ist es dabei schwierig, die Meßgenauigkeit über einen langen Zeitraum hinweg konstantzuhalten. Ein anderes Problem besteht darin, daß die Zahl der erforderlichen Teile groß ist, die Kosten für die Vorrichtung entsprechend ansteigen und die Zuverlässigkeit abnimmt. Da die Schaltungsanordnung aus zahlreichen Analogschaltungen aufgebaut ist, ist sie für Drift anfällig. Neben den erwähnten Mängeln ist der Strömungsmesser auch mit Fehlern unter Einschwingbedingungen unmittelbar nach dem Einschalten der Stromversorgung oder bei plötzlichen Änderungen der Strömungsmenge behaftet, da die Schaltung eine bestimmte Ansprechzeit besitzt und insbesondere die beiden Schaltungen unterschiedliche Ansprechzeiten haben.

Die Erfindung bezweckt damit die Ausschaltung der bisher zu beobachtenden Probleme infolge der gegenseitigen Störung und die Schaffung einer Möglichkeit für die Messung der Ultraschall-Laufzeiten mil hoher Genauigkeit unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Strömungsmittels.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen höchst zuverlässigen Ultraschall-Strömungsmesser mit einfachem Digital-Schaltungsaufbau zu schaffen, der unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Strömungsmittels eine hohe Meßgenauigkeit und eine kurze Ansprechzeit besitzt, die auch über einen längeren Zeitraum hinweg erhalten bleiben.

Diese Aufgabe wird bei einem Ultraschall-Strömungsmesser nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 4.

Der erfindungsgemäße Ultraschall-Strömungsmesser bietet die folgenden Vorteile:

1. Da das Problem der gegenseitigen Interferenz bzw. Störung aufgrund zweier herkömmlicherweise vorgesehener spannungsgesteuerten Oszillatoren ausgeschaltet ist, kann eine Ultraschall-Ausbreitungsbzw. -Laufzeit 7"mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Da keine Analogschaltung vorhanden ist, ist der Strömungsmesser frei von Drift, und er kann mit hohem Zuverlässigkeits- bzw. Betriebssicherheitsgrad arbeiten.

2. Die Zahl der Korrekturhäufigkeiten oder -vorgänge (vgl. Fig. 4b) liegt im Bereich von 10 bis 20; vorausgesetzt, daß die für einen einzigen Korrekturvorgang benötigte Zeit 1 ms beträgt, liegt die Gesamtkorrekturzeit im Bereich von 10—20ms. Da die Ultraschall-Laufzeit Tim unmittelbar vorhergehenden Meßzyklus einer angenäherten Größe entspricht, kann die Korrekturzeit verkürzt werden, so daß der Ultraschall-Strömungsmesser schneller anzusprechen vermag.

3. Aufgrund des einfachen Schaltungsaufbaus ist der vorliegende Ultraschall-Strömungsmesser kostengünstiger herstellbar und im Betrieb zuverlässiger als die bisherigen Ultraschall-Strömungsmesser.

4. Die Aufstellung oder Vorgabe einer Frequenzteilzeit für die Frequenzteiler wird durch das Steuersignal N gesteuert. Die Frequenzteilzeit kann daher ziemlich einfach geändert werden, wobei ein weiter Frequenzteilbereich realisierbar ist.

5. Aufgrund des Empfangssignal-Detektors mit Selbstlernfunktionen kann der Ultraschall-Strömungsmesser durch die Bedienungsperson ohne Schwierigkeit an seine jeweiligen Einbaubedingungen angepaßt werden. Die Einstellung oder Anpassung kann höchst genau und zuverlässig durchgeführt werden. Die Steuerschaltung und die sequentielle Näherungseinheit können — wie in Fig. 7 in strichpunktierter Linie angedeutet — aus einem einzigen Mikroprozessor bestehen. Hierdurch werden eine Vergrößerung der Bauteile des Strömungsmessers vermieden und mit einer kleineren Bauteilzahl eine verbesserte Meßgenauigkeit erzielt, woraus sich ein günstigeres Kosten/Leistungsverhältnis ergibt, was einen großen industriellen Nutzeffekt bedeutet.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bisherigen Ultraschall-Strömungsmessers mit einer Phasenregelschleife bzw. phasenstarren Regelschleife,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ultraschall-Strömungsmessers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 ein Schaltbild eines Zeitdifferenz-Spannungsdetektors beim Ultraschall-Strömungsmessers gemäß Fig. 2,

Fig. 4 ein Fließdiagramm für die Arbeitsweise des Ultraschall-Strömungsmessers gemäß Fig. 2 (Fig. 4a) und ein Zeitsteuerdiagramm des Betriebs bzw. der Arbeitsweise einer sequentiellen Näherungseinheit,
Fig. 5 und 6 Blockschaltbilder von Ultraschall-Strömungsmessern gemäß anderen Ausführungsformen der

Erfindung,

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Ultraschall-Strömungsmessers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 und 9 Blockschaltbilder einer beim UltraschallStrömungsmesser gemäß Fig. 7 vorgesehenen Steuerschaltung zur Veranschaulichung verschiedener Betriebsarten und

Fig. 10 ein Fließdiagramm der Arbeitsweise bzw. des Betriebs des Ultraschall-Strömungsmessers gemäß Fig. 7.

Fig. I ist eingangs bereits erläutert worden.

Fig 2 veranschaulicht eine Ausführungsform des vorliegenden Ultraschall-Strömungsmessers, der im wesentlichen eine Wandlerschaltung 20 als Signalgenerator, eine Ultraschall-Ausbreitungs- oder -Laufstrecke 30 und eine Strömungsmengen-Recheneinheit α aus einem Zeitdifferenzdetektor 40, einer sequentiellen Näherungseinheit 50 und einer Strömungsmengen-Rechenschaltung 100 umfaßt.

Die Wandlerschaltung 20 wird mit Steuersignalen N, W (Digitalsignale "1" und "0") von der sequentiellen Näherungseinheit 50 in der Strömungsmengen-Recheneinheit α sowie einem Startsignal B aus Taktimpulsen mit einer beispielsweise eine Schwingperiode übersteigenden Periode beschickt, und sie liefert ein Synchronisiersignal A zur Ultraschall-Laufstrecke 30 und ein Frequenzteil-Zeitsigna! Ts (noch näher zu beschreiben) zum Zeitdifferenzdetektor 40. Die Wandlerschaltung 20 umfaßt einen Synthesizer (Normalfrequenzgenerator) 21, der mit dem digitalen Steuersignal VVbeschickt wird, um ein Signal mit einem Frequenzgang /( = a + bw, mit a und b = Konstanten) zu liefern, eine Synchronisierstufe 22, die mit der Ausgangsfrequenz /"vom Synthesizer 21 und dem Startsignal B zum Synchronisieren der Ausgangsfrequenz /und des Startsignals B beschickt wird und ein Synchronisiersignal A zur Ultraschall-Laufstrecke 30 liefert, sowie einen Frequenzteiler 24, der mit einem Impulssignal bzw. Signalimpuls D, synchron mit dem Synchronisiersignal A, und dem Steuersignal N von der sequentiellen Näherungseinheit 50 beschickt wird, um das Impulssignal D nach Maßgabe des Steuersignals N einer Frequenzteilung zu unterwerfen, und das Frequenzteil-Zeitsignal Ts zum Zeitpunkt der Beendigung der Frequenzteilung zu liefern.

Die Ultraschall-Laufstrecke 30 umfaßt ein Rohr bzw. eine Rohrleitung 31, das bzw. die von einem zu messenden Strömungsmittel F mit einer Strömungsgeschwindigkeit Fvdurchströmt wird, an der Rohrleitung 31 montierte Ultraschallwandler 32, 33 zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen durch das Strömungsmittel F hindurch, ein Schaltelement 34 zum Umschalten der Ultraschallwandler 32 und 33 zwischen Sende- und Empfangsbetriebsart, einen Sender oder Geber 35, der mit dem Synchronisiersignal A von der Wandlerschaltung 20 über eine Eingangsklemme 36 gespeist wird, um das verstärkte Synchronisiersignal A überf das Schaltelement 34 zum Ultraschallwandler 32 oder 33 auszugeben, und einen Empfänger 37, der mit einem pulsierenden Signal Vgespeist wird, das vom Ultraschallwandler 32 oder 33 über das Schaltelement 34 abgenommen worden ist, um das empfangene Signal V zu verstärken, das empfangene Signal V mit einem vorgegebenen Schwellenwert zu vergleichen und ein resultierendes Empfangszeitsignal Tv über eine Ausgangsklemme 38 zum Zeitdifferenzdetektor 40 auszugeben. Die Ultraschall-Laufstrecke 30 ist keineswegs auf die dargestellte Anordnung beschränkt. Beispielsweise kann das Schaltelement weggelassen werden, wenn ausschließlich zugeordnete Ultraschallsender und -empfänger in Kombination damit vorgesehen werden.

Die Strömungs-Recheneinheit α umfaßt — wie erwähnt — den Zeitdifferenzdetektor 40 zur Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen dem Empfangszeitsignal Tv von der Ultraschall-Laufstrecke 30 und dem Frequenzteil-Zeitsignal T₅ von der Wandlerschaltung 20 und zur Abgabe eines Ausgangssignals P, das anzeigt, welches Signal vor dem anderen auftritt, weiterhin die sequentielle Näherungseinheit 50, die mit dem Ausgangssignal P zur Durchführung einer sequentiellen Näherungsberechnung gespeist wird, und die Strömungsmengen- oder Strömungs-Rechenschaltung 100, die auf ein Ausgangssignal T₂ von der Einheit 50 zur Berechnung der Strömungsoder Durchsatzmenge des Strömungsmittels durch das Rohr 31 anspricht.

Fig. 3 veranschaulicht in einem Schaltbild eine spezielle Schaltungsanordnung für den Zeitdifferenzdetektor 40. Der Detektor 40 umfaßt gemäß Fig. 3 NANDGlieder 41, 42 sowie Flipflops 43, 44. Dem NAND-Glied 41 wird das Empfangszeitsignal Tv, ein Rücksetzsignal R und ein invertiertes Ausgangssignal von einer Ausgangsklemme Q des Flipflops 44 eingespeist, während dem NAND-Glied 42 das Frequenzteil-Zeitsignal Ts, das Rücksetzsignal R und ein invertiertes Ausgangssignal von einer Ausgangsklemme Q des Flipflops 43 aufgeprägt werden. Das NAND-Glied 41 gibt ein Ausgangssignal an eine Setzklemme (S) 43e des Flipflops 43 ab, und das NAND-Glied 42 liefert ein Ausgangssignal zu einer Setzklemme (S)44h des Flipflops 44. Das Rücksetzsignal R wird, außer an die NAND-Glieder 41 und 42, an die Rücksetzklemmen (R) 43i 44g der Flipflops 43 bzw. 44 angelegt. Das Flipflop 43 liefert an seiner Ausgangsklemme Q ein Ausgangssignal P. Der Zeitdifferenzdetektor 40 mit diesem Aufbau kann mittels des Rücksetzsignals R initialisiert werden, und das Ausgangssignal P kann mittels der Reihenfolge bestimmt werden, in welcher das Empfangszeitsignal 7Vund das Frequenzteil-Zeitsignal 7s ansteigen. Insbesondere vergleicht der Detektor 40 die Ultraschall-Laufzeit Tmh dem im Synthesizer 21 und im Frequenzteiler 24 der Wandlerschaltung 20 erzeugten oder bestimmten Intervall einer Zeit K/f.

Die sequentielle oder Sequenz-Näherungseinheit 50 besteht aus einem Sequenzregler 51 und einer Rechenschaitung 52 zur Abnahme des Ausgangssignals Pvom Detektor 40 und zur Abgabe von Steuer- oder Regelstgnalen N, Wund des (nach einem noch zu beschreibenden Rechenprozeß) berechneten Ausgangssignal Tz. Die Rechenschaltung 100 berechnet die Strömungsmenge Qf auf der Grundlage des berechneten Ausgang«-signals Tz von der sequentiellen Näherungseinheit 50 nach Gleichung (3).

Die Arbeitsweise des Ultraschall-Strömungsmessers gemäß Fig. 2 ist im folgenden anhand des Fließdiagramms nach Flg. 4a und des Zeitsteuerdiagramms gemäß Fig. 4b beschrieben. Bei der Anordnung nach Fig. 2 sei angenommen, daß das Schaltelement 34 anfänglich so eingestellt ist, daß die Ultraschallwellen vom Ultraschallwandler 32 zum Wandler 33 in Strömungsrichtung des Strömungsmittels F ausgestrahlt werden. Das Empfangszeitsignal ist mit 7Vi bezeichnet und zur Vereinfachung der Erläuterung mit konstanter Größe voraus-

gesetzt. Die (noch näher zu beschreibende) Ultraschall-Laufzeit T; als berechnetes Ausgangssignal 7> von der Einheit 50 abgegeben, läßt sich nach folgender Gleichung berechnen:

T= NZF= N/(a + bW) (5)

In den Diagrammen von Fig. 4a und Fig. 4b gilt folgendes:

1. Das Steuersignal A/ist größer als das Steuersignal Wm der sequentiellen Näherungseinheit 50. Beispielsweise betragen die Anfangsgrößen der Steuersignale N und IV(IOOO) bzw. (0000), und diese Signale werden der Wandlerschaltung 20 eingegeben.

2. In der Wandlerschaltung 20 liefert der mit dem Steuersignal IV(OOOO) gespeiste Synthesizer 21 ein Signal mit der Frequenzcharakteristik /) =a (weil W=O gilt) zur Synchronisierstufe 22. Letztere spricht auf das Startsignal B und das Frequenzcharakteristiksignal f\ an, um ein Synchronisiersignal A\ (die angehängten Ziffern "1,2,..." stehen für die Zahl der Häufigkeit der erfolgten Messungen) zur Ultraschall-Laufstrecke 30 zu liefern und außerdem das Impulssignal oder den Signalimpuls D zum Frequenzteiler 24 auszugeben. Letzterer spricht auf das Impulssignal D und das Steuersignal AZ(IOOO) unter Lieferung des Frequenzteil-Zeitsignais Ts\ (N\lf\)z\xmZeildifferenzdetektor40an.

3. Das Synchronisiersignal A wird als Empfangszeitsignal TVi über die Ultraschall-Laufstrecke 30 zum Zeitdifferenzdetektor 40 geliefert.

4. Der Zeitdifferenzdetektor 40 vergleicht das Empfangszeitsignal TVi mit dem Frequenzteil-Zeitsignal Ts\. im Zeitsteuerdiagramm gemäß Fig. 4b sei nun angenommen, daß das Ausgangssignal P des Detektors 40 zum Zeitpunkt TV > Ts eine Größe von 1 und zum Zeitpunkt TV < Ts eine Größe 0 besitzt. Wenn daher das Steuersignal A/die Größe (1000) und das Steuersignal IVdie Größe (0000) besitzen, so gilt Tv > Ts, als Ergebnis des Vergleichers im Zeitdifferenzdetektor 40 und somit P=I. Das Ausgangssignal P wird sodann der sequentiellen Näherungseinheit 50 zur Ansteuerung des Sequenzreglers 51 geliefert, um damit die Größe des Steuersignals A/von (1000) auf (1100) zu erhöhen. Die Einheit 50 speist das neue Steuersignal A/ der Wandlerschaltung 20 ein. Die Einheit 50 ändert die Größen der Steuersignale A/ und IVin Abhängigkeit vom Vorzeichen (positiv oder negativ) des Ausdrucks "b" der Ausgangsfrequenz f = a + b Wvom Synthesizer 21 in der Wandlerschaltung 20.
Im Fall von Tv > Ts(P= 1):

a) [b > O]: In der Größe des Steuersignals N ist die Größe der vorher gesetzten oder vorgegebenen Bit-Stellen festgelegt, und die Größe der niederwertigen Bit-Stellen wird erhöht. In der Größe des Steuersignals W werden (erst nachdem die Größen der gesetzten Bit-Stellen sämtlich festgelegt sind, was auch für die folgenden Bedingungen gilt) die Größe der vorher gesetzten Bit-Stellen verkleinert und die Größe der niederwertigen Bit-Stellen erhöht.
b) [b < O]: In jeder der Größen der Steuersignale A/ und W werden die Größe der vorher gesetzten

BitStelle festgelegt und die Größe der niederwertigen Bit-Stellen erhöht.
Im Fall von TV < T_S(P = 0):

a) [b > O]: In der Größe des Steuersignals A/ werden die Größe der vorher gesetzten Bit-Stellen verkleinert und die Größe der niederwertigen BitStellen erhöht. In der Größe des Steuersignals W werden die Größe der vorher gesetzten Bit-Stellen festgelegt und die Größe der niederwertigen BitStellen erhöht oder vergrößert.

b) [b > O]: Bei allen Größen der Steuersignale A/ und W werden die Größe der vorher gesetzten Bit-Stellen verkleinert und die Größe der niederwertigen Bit-Stellen erhöht.

Fig. 4a veranschaulicht den Fall, in welchem b > 0 gilt.

5. Die mit dem Steuersignal A/(l 100) und dem Steuersignal IV(OOOO) gespeiste Wandlerschaltung 20 liefert

ein Frequenzteil-Zeitsignal Ts₂ und ein Synchronisiersignal A, die auf die Größe der Steuersignale gestützt sind. Gemäß dem Diagramm von Fig. 4b liefert der Zeitdifferenzdetektor 40 ein Ausgangssignal P = 0, weil Tv ι < Tv ι gilt. Die sequentielle Näherungseinheit 50 steuert daher den Sequenzregler 51 zur Änderung der Größe des Steuersignals N von (1100) auf (1000) auf (1010) an und gibt die (entsprechende Größe zur

Wandlerschaltung 20 aus.

6. Ein Frequenzteil-Zeitsignal T₅₃ auf der Grundlage der Steuersignale AZ(IOlO) und IV(OOOO) wird von der Wandlerschaltung 20 zum Zeitdifferenzdetektor 40 ausgegeben, in welchem Ts 3 und TV1 verglichen werden. Da Tv < T>3 gilt, entspricht das Ausgangssignal P = I, und die Größe des Steuersignals A/ wird von (1010) auf (1011) erhöht.

7. Ein Frequenzteil-Zeitsignal T54 auf der Grundlage der Steuersignale AZ(IOl 1) und W(OOOO) wird von der Wandlerschaltung 20 zum Zeitdifferenzdetektor 40 geliefert, in welchem Ts 4 und Tv 1 verglichen werden. Da Tv 1 > Γ54 gilt, entspricht das Ausgangssignal P = 1, und die Größe des Steuersignals A/wird zu (1011) festgelegt, während die Größe der niederwertigen Bit-Stellen, d. h. das Steuersignal W, von (0000) auf (1000) erhöht wird.

8. Ein Frequenzteil-Zeitsignal T_Ss auf der Grundlage des Steuersignals IV(IOOO) (das Steuersignal N ist in der folgenden Beschreibung nicht mehr berücksichtigt, weil es auf (1011) festgelegt worden ist) wird von der Wandlerschaltung 20 abgegeben. Da im Zeitdifferenzdetektor 40 TV1 < T_s 5 gilt, entspricht das Ausgangssignal P=O, und die Größe des Steuersignals Wwird von (1000) auf (1100) erhöht
9. Der Vorgang wird auf gleiche Weise fortgesetzt, wobei ersichtlicherweise ein Frequenzteil-Zeitsignal Tsg, das sich schließlich dem Empfangszeitsignal Tv 1 annähert, ausgegeben wird, wenn die Steuersignale A/ und IVdie Größen (1011) bzw. (1011) besitzen. Die Rechenschaltung 52 in der sequentiellen Näherungseinheit 50 berechnet daher nach Gleichung (5) eine Ultraschall-Laufzeit Ti, wenn sich die Ultraschallwelle in Richtung der Strömungsmittelströmung ausbreitet, auf der Grundlage der Steuersignale N und VK und das

Ergebnis der Berechnung wird als berechnetes Ausgangssignal Tz zur Strömungs-Rechenschaltung 100' ausgegeben.

10. Danach wird das Schaltelement 34 in der UltraschallLaufstrecke 30 umgeschaltet, um eine Ultraschallwelle vom Ultraschallwandler 33 zum Wandler 32 entgegen der Strömungsrichtung des Strömungsmittels F im Rohr 31 auszustrahlen. Die Ultraschall-Laufzeit T₂ wird auf dieselbe Weise bestimmt, wie die Laufzeit Γι auf vorher beschriebene Weise bestimmt worden ist. Die so bestimmte Größe wird zur Strömungs-Rechenschaltung 100 ausgegeben.

Die Laufzeiten Ti und T₂ werden somit entsprechend den vorstehend beschriebenen Schritten 1. bis 10. bestimmt. Auf der Grundlage der so bestimmten Ultraschall-Laufzeiten 7Ί, T₂ berechnet die Strömungs-Rechenschaltung 100 die Strömungs- oder Durchsatzmenge Qrdes Strömungsmittels Fnach Gleichung (3).

Die für die Messung benötigte Zeit kann durch Aufstellung von Zyklen bzw. Takten zur abwechselnden Bestimmung der Laufzeiten Ti und T₂ verkürzt werden. Da die Näherungsgrößen der Steuersignale N und Win den vorhergehenden Zyklen bekannt sind, kann die Zahl der folgenden Zyklen oder Takte verkleinert werden. Obgleich das berechnete Ausgangssignal Tz von der sequentiellen Näherungseinheit 50 als die Ultraschall-Laufzeiten Ti und T₂ darstellend angegeben worden ist, können die Steuersignale N und W, so wie sie sind, ausgegeben werden, damit die Strömungs-Rechenschaltung 100 die Laufzeiten Γι und T₂ bestimmen kann, oder die sequentielle Näherungseinheit 50 kann (wahlweise) in sich die Funktion der Strömungs-Rechenschaltung 100 beinhalten. Die Einheit 50 und die Schaltung 100 können aus einem einzigen Mikrorechner oder jeweils getrennten Mikrorechnern bestehen. Die Wandlerschaltung 20 kann ebenfalls aus einem Mikrorechner aufgebaut sein.

Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen in Blockschaltbildform Ultraschall-Strömungsmesser gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung.

Der Ultraschall-Strömungsmesser gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 2 dadurch, daß er einen Detektor für ein abnormales Signal bzw. einen Abnormalsignal-Detektor 200 enthält und ein Startsignal E von der sequentiellen Näherungseinheit 50 zu einer Synchronisierstufe 22 geliefert wird. (Das Startsignal £ kann ersichtlicherweise auf die in Fig. 2 gezeigte Weise abgegeben werden). Der Detektor 200 gemäß Fig. 5 überwacht den Zeitunterschied bzw. die Zeitdifferenz zwischen einem von der Synchronisierstufe 22 abgegebenen Signal D und einem von der Ultraschall-Laufstrecke 30 gelieferten Empfangszeitsignal Tv; er stellt fest, wenn die Zeitdifferenz eine vorgegebene Zeit übersteigt, um damit ein von der Laufstrecke 30 geleifertes normales oder abnormales Empfangszeitsignal Tv zu erfassen, und er liefert ein Diskriminiersignal U zur sequentiellen Näherungseinheit 50 (das Diskriminiersignal U kann auf die durch die gestrichelte Linie angedeutete Weise zu einem Zeitdifferenzdetektor 40 geliefert werden). Der Abnormalsignal-Detektor 200 läßt sich ohne weiteres aus an sich bekannten Schaltungseinheiten aufbauen.

Mit der Anordnung gemäß Fig. 5 können etwaige abnormale Meßwerte oder -größen beseitigt werden, die unter dem Einfluß von im Strömungsmittel eingeschlossenen Schmutzteilchen. (Luft-)Blasen und anderen Fremdkörpern erzeugt werden.

Der Ultraschall-Strömungsmesser gemäß Fig. 6 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 2 bezüglich des Aufbaus einer Wandlerschaltung. Genauer gesagt: ein Synthesizer (Normalfrequenzgenerator) 21' gemäß Fig. 6, welcher dem Synthesizer 21 nach Fig. 2 entspricht, besteht aus einem Digital/Analog- bzw. D/A-Wandler 21'a und einem spannungsgesteuerten Oszillator 2Yb. Wenn bei dieser Anordnung of/6w nicht konstant wird (d. h. wenn eine Ausgangsfrequenz /und ein Steuersignal Wnicht linear sind), kann ein gestrichelt eingezeichneter Zähler 26 für die Selbsteichung der Ausgangsfrequenz / und/oder des Steuersignals W vorgesehen sein. Die Frequenz, mit welcher der Zähler 26 die Selbsteichung (automatische Eichung) vornimmt, braucht nicht hoch zu sein. Beispielsweise kann die Meßzeit alle 10 s um 100 ms unterbrochen werden, um das Steuersignal W für die Messung der Ausgangsfrequenz / konstant zu halten. Durch dieses Vorgehen werden die Messungen nicht ungünstig beeinflußt.

Bei den Schaltungsanordnungen der Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 bis 6 sowie weiteren Ausführungsformen wird das Empfangszeitsignal Ty im Empfänger 37 erhalten. Das Empfangszeitsignal Ty wird im Empfänger 37 durch vorherige manuelle Vorgabe eines Schwellenwerts für das Empfangssignal Kauf der Grundlage von Bedingungen, wie Rohrdurchmesser und zu messendes Strömungsmittel, und Erfassen oder Abfgreifen des Empfangszeitsignals Tv auf der Grundlage des Empfangssignals V zu dem Zeitpunkt, zu dem es den Schwellenwert übersteigt, erzeugt Diese manuelle Vorgabe oder Aufstellung des Schwellenwerts stellt jedoch im Hinblick auf die Betriebsleistung nicht die günstigste Möglichkeit dar, weil damit Änderungen der Meßbedingungen nicht schnell berücksichtigt werden können.

Zur Lösung der genannten Probleme wird erfindungsgemäß ein Ultraschall—Strömungsmesser zur Verfügung gestellt, der einen Empfangssignal-Detektor mit "Selbstlernfähigkeit" anstelle der Fähigkeit für die Erzeugung des Empfangszeitsignals T_v im Empfänger 37 gemäß Fig. 2 enthält. Dieser spezielle Ultraschall-Strömungsmesser besitzt höhere Meßgenauigkeit und Zuverlässigkeit als die Ausführungsformen nach den Fig. 2 bis 6.

Im folgenden ist anhand der Fig. 7 bis 10 ein UltraschallStrömungsmesser gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Der in Fig. 7 dargestellte Ultraschall-Strömungsmesser unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 2 dadurch, daß er eine Ultraschall-Laufstrecke 30' und einen zwischen letztere und einen Zeitdifferenzdetektor 40 geschalteten Empfangssignal-Detektor 60 aufweist Die Laufstrecke 30' unterscheidet sich von der Laufstrecke 30 gemäß Fig. 2 nur dadurch, daß sie keine Fähigkeit oder Funktion zum Vergleichen des Empfangssignals V mit dem Schwellenwert im Empfänger 37 in der Ultraschall-Laufstrecke 30 gemäß Fig. 2 besitzt. Die UltraschallLaufstrecke 30' liefert demzufolge ein Empfangssignal V. Im folgenden ist nur der Empfangssignal-Detektor 60 I im einzelnen beschrieben. I

Der Detektor 60 enthält einen Komparator 61 zum Vergleichen des von der Laufstrecke 30' empfangenen Empfangssignals V mit einem Triggerpegel und zur Lieferung eines Empfangszeitsignals Tv als Ergebnis des Vergleichs zum Zeitdifferenzdetektor 40 sowie zu einem Zähler 62. Ein durch Zählen des Empfangszeitsignals Tv im Zähler 62 erhaltener Zählstand bzw. eine Zählgröße M wird zu einer Bezugswert-SelbsteinsteUeinrichtung (im folgenden auch als "Steuerschaltung" bezeichnet) 63 nut Selbstlernfähigkeit geliefert Der Empfangssignal-Detektor 60 enthält außerdem einen D/A-Wandler 64, über den ein Ausgangssignal von der Steuerschaltung 63 zum Komparator 61 geliefert wird.

Die Funktion bzw. Wirkungsweise des Empfangsignal-Detektors 60 ist im folgenden anhand der Flg. 8 bis 10 erläutert Flg. 8 veranschaulicht in Blockschaltbildform eine erste Selbstlernfähigkeit der Steuerschaltung 63 zum Selbstlernen und Aufstellen oder vorgeben einer Bezugsgröße. Flg. 9 veranschaulicht in Blockschaltbildform eine Meßbetriebsart zum Messen der Strömungsmenge oder -geschwindigkeit eines Strömungsmittels auf der Grundlage der mittels der ersten Selbstlernfähigkeit aufgestellten Bezugsgröße. Fig. 10 veranschaulicht in einem Fließdiagramm die Gesamtarbeitsweise des Empfangssignal-Detektors 60. In Flg. 10 gibt der Abschnitt unter der Linie D—D die Arbeitsweise der Steuerschaltung 63 an, wobei der mit der strichpunktierten Linie (I)

umrissene Bereich eine erste Selbstlernfähigkeit, der durch die doppeltstrichpunktierte Linie umrissene Bereich eine Meßbetriebsart und der durch die dreifach strichpunktierte Linie (III) begrenzte Bereich eine zweite Selbstiernfähigkeit angeben.

Die Größe des Bezugs-Triggerpegelsignals /(im folgenden als "Bezugspegelsignal 10" bezeichnet) wird durch eine Anzahl von Triggerpegeln (im folgenden auch als "vorbestimmte Pegelsignale" bezeichnet) A —/„ bestimmt Die erste Selbstlernfähigkeit oder -funktion mißt das Empfangssignal V mehrfach mit I\ = Konstante, mißt außerdem das Empfangssignal V mehrfach mit /2= Konstante und mißt zudem das Empfangssignal V auf dieselbe Weise für die konstanten vorbestimmten Pegelsignale /3, /4, /5,... /„, verarbeitet statistisch die Meßdaten zu Bestimmung des Bezugspegelsignals 10 und einer Bezugsgröße (auch als "Bezugszählung" bezeichnet) Mo, die als Bezugswert für die Bestimmung des durch den Zähler 62 gezählten Zählstands dienen soll. Anstatt die Messung mit konstanten vorbestimmten Pegelsignalen l\, h, ■■■ I_n vorzun;hmen, sollten diese vorbestimmten Pegelsignale (Vorgabepegelsignale) zur Erzielung der oben genannten Ergebnisse fortlaufend variiert werden.

Die Arbeitsweise ist nachstehend anhand der Fig. 8 und 10 näher beschrieben. Die Steuerschaltung 63 (1) gemäß FIg. 8 befindet sich in einer Betriebsart zur Bestimmung des Bezugspegelsignals Io und der Bezugszählung Mo. Die Steuerschaltung 63 (1) enthält einen Vorgabepegelsignalgenerator 631, einen statistischen Prozessor 632 und eine Speichereinheit 633 zur Speicherung des Bezugspegelsignals Io und der Bezugszählung Mo, durch den statistischen Prozessor 632 bestimmt. In Flg. 9 befindet sich die Steuerschaltung in einer Betriebsart zur Ausgabe des Empfangszeitsignals Tv auf der Grundlage des Bezugspegelsignals Io und der Bezugszählung Mo, die bereits bestimmt worden sind; die Steuerschaltung ist dabei mit 63(2) bezeichnet. Die Steuerschaltung 63(2) enthält die Speichereinheit 633 zur Speicherung des Bezugspegelsignals Io und der Bezugszählung Mo sowie eine Vergleichsfunktion bzw. einen Komparator 634 zum Vergleichen der Bezugszählung Mo von der Speichereinheit 633 mit einer Zählung bzw. einem Zählstand Mvom Zähler 62.

Erste Selbstlernfunktion (vgl. Fig. 8 und 10):

1. In einem Schritt a wird die Stromzufuhr eingeschaltet, und in einem Schritt b wird ein Empfangssignal V von der Ultraschall-Laufstrecke 30 zum Komparator 61 geliefert.

2. Das vorbestimmte bzw. Vorgabepegelsignal A einer digitalen Größe wird vom Vorgabepegelsignal-Generator 631 in der Steuerschaltung 63 (1) zum D/A-Wandler 64 ausgegben, der das Digitalsignal in ein Analogsignal umwandelt, das in einem Schritt /zum Komparator geliefert wird.

3. Der Komparator 61 vergleicht das Empfangssignal V mit dem Vorgabepegelsignal I], wobei eine Vergleichsgröße yf'V'steht dabei für die Operation der ersten Selbstlernfunktion) zum Zähler 62 geleitet wird. Der Zähler 62 gibt in einem Schritt cden Zählstand Mzur Steuerschaltung 63 (1) aus.
4. Die Steuerschaltung 63(1) bestätigt, ob die Wellenformen für das Vorgabepegelsignal h mit einer vorgegebenen Häufigkeit gezählt worden sind. Es sei nun angenommen, daß Zählgröße M], Mi,... Mn vorliegen (die Symbole 1, 2 ··· η stehen für die Zählhäufigkeit). M] ist die in einem einzigen Zählvorgang erhaltene Zählung (Zählstand. M2 steht für die Zählung zweier Zählvorgänge. M_n entspricht der Zählung von η Zählvorgängen). Wenn die vorbestimmte Zahl der Zählvorgänge gleich 20 ist, bestätigt die Steuerschaltung 63(1), das M\ + M2 + ... M_n = 20. Der Bestätigungsvorgang kann z. B. mittels einer Zählfolgeeinheit zum Zählen von Größen entsprechend den jeweiligen Zählgrößen oder Zählständen und Beendigung ihres

Betriebs aufgrund eines Überlaufs, wenn die Summe der Zählungen eine vorbestimmte Größe (im vorliegenden Fall 20) erreicht hat, erfolgen. Der gleiche Prozeß kann durch einen Mikrorechner durchgeführt werden. Wenn die vorbestimmte Zahl der Meßvorgänge erreicht ist, ändert sich das Vorgabepegelsignal von I] auf /2, und die Messungen werden im Schritt d erneut durchgeführt. Die zu diesem Zeitpunkt erhaltenen Größen (Zählstände) werden durch den statistischen Prozessor 632 statistisch verarbeitet.

5. Die Steuerschaltung bestätigt im Schritt e, daß Wellenformen für alle Vorgabepegelsignale A — /,, mit einer vorbestimmten oder vorgeschriebenen Häufigkeit gezählt worden sind.

6. Nach Beendigung des ersten Selbstlernvorgangs werden im Schritt g das Bezugspegelsignal Io und die Bezugszählung Mo aus den bisher statistisch verarbeiteten Daten ausgewählt. Beispielsweise sei angenommen, daß die größte Zählzahl Mi = 5 für das Vorgabepegelsignal I₁, die größte Zählzahl M2 = 6 für das Vorgabepegelsignal /2, die größte Zählzahl Mj = 10 für das Vorgabepegelsignal /3 und die größte Zählzahl Mm=5 für das Vorgabepegelsignal I_n betragen und daß die größte Zählzahl Mj = 10 für das Vorgabepegelsignal /3 von allen Zahlen die größte ist. Die Selbstlernfunktion wählt nun /3 als Bezugspegelsignal Io und /V/3 als Bezugszählung MoundspeichertdieseGrößenoderWerteals/o = h,Mo = MjinderSpeichereinheiieSS.

Meßbetriebsart (vgL Rg. 9 und 10):

Eine Messung wird bei den ausgewählten Bezugswerten oder -größen eingeleitet

1. Das in der Speichereinheit 633 gespeicherte Bezugspegelsignal Io (=/₃) wird über den D/A-Wandler 64 zum Komparator 61 geleitet und in diesem in einem Schritt h mit dem Empfangssignal V verglichen.

2. Das Ergebnis des im Komparator 61 vorgenommenen Vergleichs (d h. Vergleichsergebnis zum Zeitpunkt der Messungseinleitung entspricht dem Empfangszeitsignal 7Vgemäß Rg. 2) wird zum Zeitdifferenzdetektor 40 und zum Zähler 62 ausgegeben. Sofern zu diesem Zeitpunkt der Zählstand Mim Zähler 62 gleich 3 ist, gilt im Schritt /M = Mo, weil die Bezugszählung Mo mit M₃=3 gewählt ist, und ein von der Steuerschaltung 63(2) zum Zeitdifferenzdetektor 40 ausgegebenes Diskriminiersignal U besitzt daher eine normale Größe (z. B. t/= 1).

3. Wenn das Empfangssignal V variiert und als Ergebnis M = 2 erhalten wird, so gilt M φ Mo, wobei in einem Schritt /ein eine Abnormalität (z. B. LJ = 0) angebendes Diskriminiersignal i/von der Steuerschaltung 63 zum Zeitdifferenzdetektor 40 ausgegeben wird.

4. Der Zeitdifferenzdetektor 40 bestätigt, ob die Vergleichgröße oder das Empfangszeitsignal Tv normal ist oder nicht Im positiven Fall wird die Zeitpriorität zwischen dem Empfangszeitsignal 7Vund dem Frequenzteil-Zeitsignal Ts geprüft, und das Ergebis wird als Ausgangssignal P zur sequentiellen Näherungseinheit geleitet Im negativen Fall wird das Empfangszeitsignal 7V (oder das Ergebnis der Berechnung) zurückgewiesen.

20 Zweite Selbstlernfähigkeit bzw. -funktion:

Die in Rg. 10 mit der dreifachen strichpunktierten Linie (III) umrissene zweite Selbstlernfähigkeit bzw. -funktion dient zur erneuten Feststellung, ob das Bezugspegelsignal Io und die Bezugszählung Mo, durch die erste Selbstlernfunktion vorgegeben, zutreffen sind oder nicht. Die zweite Selbstlernfunktion umfaßt ein erstes Verfahren zur Bestätigung des Verhältnisses von normalen zu abnormalen Signalen in konstanten Zeitabständen in einem Schritt k, ein zweites Verfahren zur Bestätigung des Verhältnisses von normalen zu abnormalen Signalen anhand des Diskriminiersignals LJ im Schritt k, ein drittes Verfahren in Form einer Kombination aus erstem und zweitem Verfahren im Schritt k, ein viertes Verfahren zum zwangsweisen Ändern des Bezugspegelsignals Io und der Bezugszählung Mo, die augenblicklich vorgegeben sind, und zum Diskriminieren der äugenblicklich vorgegebenen Werte oder Größen auf der Grundlage der geänderten Werte oder Größen sowie ein fünftes Verfahren als Kombination aus erstem bis viertem Verfahren in einem Schritt /.

Während der Empfangssignal-Detektor 60 in Flg. 6 als außerhalb der Ultraschall-Laufstrecke 30' angeordnet dargestellt ist, kann die Funktion dieses Detektors 60 im Empfänger enthalten sein, so daß das Empfangszeitsignal Tv von der Ausgangsklemme 38 der Ultraschall Laufstrecke 30 gemäß Fig. 2 abnehmbar ist.

Der Empfangssignal-Detektor 60 gemäß Fig. 7 kann wie folgt abgewandelt, werden:

Die Zählung M vom Zähler 62 kann dadurch konstant gehalten werden, daß die Steuerschaltung 63 im Empfangssignal-Detektor 60 für die Steuerung bzw. Einstellung der Verstärkung des Empfängers 37 in der UltraschallLaufstrecke 30 aktiviert wird. Die Zählung M kann dadurch konstant gehalten bzw. eingestellt werden, daß das Empfangssignal V mit einer in einem Komparator vorgegebenen Bezugsgröße verglichen und das Vergleichsergebnis zur Ansteuerung der Steuerschaltung 63 über ein Flipflop herangezogen wird. Das Diskriminiersignal LJ kann auf die in Fig. 5 gezeigte Weise zur sequentiellen Näherungseinheit 50 ausgegeben werden.

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche

1. Ultraschall-Strömungsmesser, mit

a) einer Rohrleitung (31) zum Hindurchleiten eines zu messenden Strömungsmittels (F)

5 b) einer Ultraschaü-Ausbreitungs- oder -Laufstrecke (30) aus an der Rohrleitung (31) montierten

Ultraschallwandlern (32, 33) zum Aussenden und Empfangen einer Ultraschallwelle durch das die Rohrleitung (31) durchströmende Strömungsmittel,

c) einem Signalgenerator (20) zur Erzeugung eines Synchronisiersignals für die Ansteuerung der Ultraschallwandler (13,14) und

io d) einer Strömungsmengen-Recheneinheit (α) zur Berechnung einer Strömungs- oder Durchsatzmenge

des Strömungsmittels in Abhängigkeit von einem Empfangssignal von der Ultraschall-Laufstrecke (30), dadurch gekennzeichnet,

e) daß der Signalgenerator (20) eine auf ein Steuersignal von der Strömungs-Recheneinheit (α) ansprechende Wandlerschaltung zur Lieferung des Synchronisiersignals und eines mit diesem synchronen

15 Frequenzteil-Zeitsignals aufweist und

f) daß die Strömungs-Recheneinheit (α) einen Zeitdifferenz-Detektor (40), der mit dem Frequenzteil-Zeitsignal vom Signalgenerator (20) und dem Empfangszeitsignal von der Ultraschall-Laufstrecke gespeist wird, um eine Zeitdifferenz zwischen den beiden eingepeisten Signalen zu bestimmen oder festzustellen, und eine auf ein Ausgangssignal vom Zeitdifferenz-Detektor (40) ansprechende sequen-

20 tielle Währungseinheit (50) zur Lieferung des Steuersignals, um das Frequenzteil-Zeitsignal dem Empfangszeitsignal in sequentieller Annäherung nähern zu lassen, umfaßt

2. Ultraschall-Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Wandlerschaltung zugeführte Steuersignal aus einem Signal zur Steuerung der Übertragungszeit des Synchronisiersignals und einem weiteren Signal zur Steuerung des Frequenzteil-Zeitsignals besteht.

25

3. Ultraschall-Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Ultraschall-Laufstrecke (30) oder zwischen diese und den Zeitdifferenz-Detektor (40) ein Empfangssignal-Detektor zur Lieferung des Empfangszeitsignals über diesen EmpfangssignalDetektor zum Zeitdifferenz-Detektor (40) eingeschaltet ist.

4. Ultraschall-Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangssignal-Detek-

30 tor einen Komparator zum Vergleichen des Empfangssignals mit einem Bezugspegelsignal und zur Lieferung eines Meßsignals, einen Zähler zur Ausgabe eines vom Meßsignal abhängigen Zählstands und eine Bezugsgrößen-Selbstvorgabeeinheit mit einer Selbstlernfähigkeit oder -funktion zur Einstellung oder Vorgabe einer Bezugszählung zwecks Bestimmung, ob die Zählung normal oder abnormal ist, und zur Einstellung des zum Komparator ausgegebenen Bezugspegelsignals auf Größen, die an die Umgebung des

25 Strömungsmittels und die Einbaubedingungen der Ultraschallwandler der Vorgabegrößen umfaßt, wobei

die Bezugsgrößen-Selbstvorgabeeinheit ein Signal abgibt, das ein Ergebnis der Bestimmung, ob die Zählung normal oder abnormal ist, wiedergibt.