DE3440873A1

DE3440873A1 - Method for ultrasound flow measurement, and a circuit arrangement for carrying out the method

Info

Publication number: DE3440873A1
Application number: DE19843440873
Authority: DE
Inventors: Yukio Dipl.-Ing. Sagamihara Kanagawa Nakagawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1983-11-17
Filing date: 1984-11-08
Publication date: 1985-05-30
Also published as: JPS60107524A; JPH0527047B2

Abstract

In the case of the method according to the invention, the flow of a medium is determined with the aid of a difference frequency DELTA f = f1 - f2. In this case, the frequency f1 is inversely proportional to the delay time of an ultrasound wave in the flow direction of the medium between two points. The frequency f2 is inversely proportional to the delay time of an ultrasound wave in the opposite direction to the flow direction, between the same points. In addition, a difference frequency DELTA f0 = f01 - f02, when the medium is stationary, is determined in advance and is stored, the frequencies f01 and f02 corresponding to the frequencies f1 and f2 when the medium is stationary. Zero compensation using the variable DELTA f0[(f1 + f2)/(f01 + f02)] is carried out for every measurement, with the aid of the difference frequency DELTA f0 and the values f1, f2, f01, f02. <IMAGE>

Description

Verfahren zur Ultraschall-Durchflußmessung und Schal-Procedure for ultrasonic flow measurement and switching

tungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschall-Durchflußmessung, bei dem der Durchfluß eines Mediums mit Hilfe einer Differenzfrequenz ß f = fl - f2 bestimmt wird, wobei die Frequenz fl umgekehrt proportional der Laufzeit einer Ultraschallwelle in Strömungsrichtung des Mediums zwischen zwei Punkten ist und wobei die Frequenz f2 umgekehrt proportional zur Laufzeit einer Ultraschallwelle entgegengesetzt zur Strömungsrichtung zwischen denselben Punkten ist, wobei außerdem im Voraus bei stillstehendem Medium eine Differenzfrequenz fO = fOl - f02 bestimmt und abgespeichert wird, wobei die Frequenzen fOl und f02 den Frequenzen fl und f2 bei stillstehendem Medium entsprechen und wobei bei jeder Messung mit Hilfe der Differenzfrequenz tfO eine Nullpunktkompensation durchgeführt wird.processing arrangement for carrying out the method The invention relates to a method for ultrasonic flow measurement, in which the flow of a medium with the help of a difference frequency ß f = fl - f2 is determined, the frequency fl inversely proportional to the transit time of an ultrasonic wave in the direction of flow of the medium is between two points and where the frequency f2 is inversely proportional at the transit time of an ultrasonic wave opposite to the direction of flow between is the same points, and also a difference frequency in advance when the medium is at a standstill fO = fOl - f02 is determined and stored, the frequencies fOl and f02 correspond to the frequencies fl and f2 when the medium is at a standstill and where each Measurement with the aid of the difference frequency tfO carried out a zero point compensation will.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung des bekannten Prinzips einer Meßschaltung zur Erfassung der Laufzeit einer Ultraschallwelle nach dem time-locked-loop-Verfahren. In dieser Figur ist 1 eine Empfängerschaltung, 2 ein Zähler, 3 eine Meßschaltung zur Ermittlung einer Zeitdifferenz, 4 ein Oszillator, dessen Frequenz spannungsgesteuert ist (VCO), 5 ein Synchronsignal-Geber, 6 eine Sendeschaltung und 8a und 8b Ultraschall-Wandler.1 shows a block diagram to explain the known principle a measuring circuit for detecting the transit time of an ultrasonic wave according to the time-locked-loop method. In this figure, 1 is a receiver circuit, 2 is a counter, 3 is a measuring circuit to determine a time difference, 4 an oscillator, the frequency of which is voltage-controlled is (VCO), 5 a synchronizing signal transmitter, 6 a transmission circuit and 8a and 8b ultrasonic transducers.

Diese Schaltung arbeitet wie folgt: Der als Sender arbeitende Ultraschallwandler 8a, der von der Sendeschaltung 6 angesteuert wird, sendet Ultraschallwellen entlang der Durchflußrichtung in ein Meßmedium. Der als Empfänger betriebene Ultraschallwandler 8b empfängt die Ultraschallwellen und sendet ein Empfangssignal an die Empfangsschaltung 1. Dabei erzeugt der Synchronsignalgenerator 5 einen Startimpuls synchron mit den Ausgangsimpulsen des Oszillators 4 und startet die genannte Sendeschaltung 6 gleichzeitig mit dem Zähler 2.This circuit works as follows: The ultrasonic transducer working as a transmitter 8a, which is controlled by the transmission circuit 6, sends ultrasonic waves along the direction of flow in a measuring medium. Of the operated as a receiver Ultrasonic transducer 8b receives the ultrasonic waves and sends a reception signal to the receiving circuit 1. The synchronizing signal generator 5 generates a start pulse synchronously with the output pulses of the oscillator 4 and starts the said transmission circuit 6 at the same time as counter 2.

Der Zähler 2 zählt die vom Oszillator mit einer Frequenz f abgegebenen Impulse bis N und führt bei Erreichen des Zählerendstandes ein Signal zur Meßschaltung 3 für die Zeitdifferenz. N ist eine entsprechend gewählte ganze Zahl.The counter 2 counts the output from the oscillator at a frequency f Pulses up to N and sends a signal to the measuring circuit when the end of the counter is reached 3 for the time difference. N is an appropriately chosen integer.

Der Zeitdifferenz-Meßschaltung wird über die Empfangsschaltung 1 die Zeit Tl zugeführt, die die Ultraschallwelle benötigt hat, um vom sendenden Ultraschallwandler 8a durch das Meßmedium zum empfangenden Ultraschallwandler 8b zu gelangen. Ferner wird der Zeitdifferenz-Meßschaltung 3 die Zeit N/f zugeführt, die der Zähler 2 braucht, um die Impulse mit der Frequenz f bis N zu zählen. Die Zeitdifferenz-Meßschaltung 3 vergleicht also die Laufzeit T1 der Ultraschallwellen mit der Zeit N/f zum Hochzählen der Impulse und regelt die Frequenz des Oszillators 4 so, daß die Zeitdifferenz (Tl-N/f) einen vorgegebenen Wert, z.B. "O" annimmt. Die so erhaltene Frequenz wird mit fl bezeichnet, so daß man die Relation Tl=N/fl erhält, die auch umgeformt werden kann in fl=N/Tl. Damit kann man also aus der Ausgangsfrequenz fl des Oszillators 4 einen Wert erhalten, der N-mal so groß ist, wie der inverse Wert l/Tl der Laufzeit der Ultraschallwelle.The time difference measuring circuit is via the receiving circuit 1 the Time Tl supplied, which the ultrasonic wave has needed to get from the transmitting ultrasonic transducer 8a to pass through the measuring medium to the receiving ultrasonic transducer 8b. Further the time N / f is fed to the time difference measuring circuit 3, which the counter 2 needs, to count the pulses with the frequency f to N. The time difference measuring circuit 3 thus compares the transit time T1 of the ultrasonic waves with the time N / f for counting up of the pulses and controls the frequency of the oscillator 4 so that the time difference (Tl-N / f) takes a predetermined value such as "O". The frequency thus obtained becomes denoted by fl, so that one obtains the relation Tl = N / fl, which are also transformed can be in fl = N / Tl. So you can from the output frequency fl of the oscillator 4 get a value which is N times as large as the inverse value l / Tl of the running time the ultrasonic wave.

Wenn man umgekehrt den Ultraschallwandler 8b im Sendebetrieb verwendet, während der Ultraschallwandler 8a als Empfänger benutzt wird, läuft der Ultraschallimpuls in entgegengesetzter Richtung durch das Meßmedium und am Ausgang des Oszillators 4 erhält man eine Frequenz f2 ebenfalls in der oben beschriebenen Weise. Dann erhält man die Relation f2=N/T2, wenn man die Laufzeit für Ultraschallwellen mit T2 bezeichnet.Conversely, if the ultrasonic transducer 8b is used in transmission mode, while the ultrasonic transducer 8a is used as a receiver, the ultrasonic pulse runs in opposite direction through the medium to be measured and at the output of the oscillator 4 a frequency f2 is also obtained in the manner described above. Then get the relation f2 = N / T2, if one denotes the transit time for ultrasonic waves with T2.

Bekanntermaßen kann man folgende Gleichung aufstellen: ß f = fl - f2 = 2 N/LV (1) Dabei ist L der Abstand zwischen den beiden Ultraschallwandlern 8a und 8b und V ist die Durchflußgeschwindigkeit des Mediums.As is well known, the following equation can be set up: ß f = fl - f2 = 2 N / LV (1) where L is the distance between the two ultrasonic transducers 8a and 8b and V is the flow rate of the medium.

Sowohl L als auch N sind bekannt und daher erhält man die Durchflußgeschwindigkeit V des Mediums und daraus auch einen Wert für den Durchfluß selbst.Both L and N are known and hence the flow rate is obtained V of the medium and from this also a value for the flow rate itself.

Dieses Meßprinzip ist unter dem Namen "Durchflußmessung nach dem time-locked-loop-Verfahren" bekannt.This measuring principle is known under the name "flow measurement according to the time-locked-loop method" known.

Bei einer nach einem solchen Verfahren arbeitenden Ultraschall-Durchflußmeßeinrichtung ist es notwendig, wie auch bei anderen Meßinstrumenten vor dem Beginn des eigentlichen Eichens zuerst den Betrag für den "O"-Abgleich zu finden.In an ultrasonic flow meter operating according to such a method it is necessary, as with other measuring instruments, before starting the actual Eichens first to find the amount for the "O" adjustment.

Bei einem Durchflußwert "O" des Mediums erhält man nämlich in Vorwärtsrichtung eine Laufzeit T1 und in Rückwärtsrichtung eine Laufzeit T2. Theoretisch müßte in diesem Fall T1 = T2 sein. In der Praxis wird T1 jedoch wegen Ungleichheiten der Wellenform des Ultraschallimpulses und wegen Differenzen in der Verzögerungszeit der Meßschaltung nicht genau gleich T2.Namely, when the flow value of the medium is "O", one obtains in the forward direction a transit time T1 and in the reverse direction a transit time T2. Theoretically, in in this case T1 = T2. In practice, however, T1 becomes because of inequalities Waveform of the ultrasonic pulse and because of differences in delay time of the measuring circuit is not exactly equal to T2.

Üblicherweise wird daher nach folgendem Verfahren vorgegangen: Man erhält zunächst # T = T1 - T2 und berechnet eine dem Wert # T entsprechende Frequenzdifferenz AfO. Unter Verwendung von # fO wird für den bei der Messung erhaltenen Wert ß f eine Fehlerkompensation (Null-Punktkompensation) durchgeführt. Wenn sich jedoch die Temperatur des Mediums ändert, so ändert sich auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit für die Ultraschallwellen.The following procedure is therefore usually used: Man first receives # T = T1 - T2 and calculates a frequency difference corresponding to the value # T AfO. Using # f0, ß f an error compensation (zero point compensation) is carried out. However, if If the temperature of the medium changes, the speed of propagation also changes for the ultrasonic waves.

Entsprechend weist also Afû eine Temperaturabhängigkeit auf, so daß die ursprünglich erhaltene Fehlerkompensation (Null-Punktkompensation) durch tfO manchmal unbefriedigend ist. Dies wird im folgenden formelmäßig erläutert.Accordingly, Afû has a temperature dependency, so that the originally obtained error compensation (zero point compensation) by tfO is sometimes unsatisfactory. This is explained in the following in the form of a formula.

Wenn man die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen im Medium mit C1 und die Länge der Übertragungsstrecke mit L bezeichnet und die Durchflußgeschwindigkeit des Mediums "O" ist, muß die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Vorwärtsrichtung ebenso wie die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Rückwärtsrichtung TO sein.If you consider the speed of propagation of the ultrasonic waves in the Medium with C1 and the length of the transmission path with L and the flow rate of the medium is "O", the propagation speed in the forward direction must also be like the speed of propagation in the backward direction TO.

Aus den obengenannten Gründen wird jedoch eine Zeit überlagert, so daß man (TO+ # T) erhält.However, for the above reasons, a time is superimposed so that one obtains (TO + # T).

In diesem Fall werden daher die Größen fOl und f02 wie folgt definiert: fOl = N/TO, f02 = N/(TO+ tT) Man erhält also auch folgende Gleichung: AfO = (fOl-fO2) = N/TO - N (TO+AT) = N/(L/Cl) - N/ [(L/Cl) +T)) Daraus ergibt sich, wenn L/Cl»T ist: A fO = N/(L/C1) - N/(L/C1) [1- ß T/(L/C1)] = AT/L x C1 (2) Wie man aus Gleichung 2 sieht, weisen bekannte Ultraschall-Durchflußmesser den Nachteil aufs daß der Betrag des Null-Punktabgleichs tfO sich mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit C1 der Ultraschallwellen ändert. C1 ändert sich mit der Temperatur des Mediums. Auch wenn man zunächst einen O-Punktabgleich vornimmt, wird dieser unbefriedigend, wenn man ihn ohne Kompensation in der ursprünglichen Größe beibehält und die Temperatur des Mediums sich nachfolgend ändert. Dies ergibt stets einen Meßfehler.In this case, therefore, the quantities fOl and f02 are defined as follows: fOl = N / TO, f02 = N / (TO + tT) The following equation is obtained: AfO = (fOl-fO2) = N / TO - N (TO + AT) = N / (L / Cl) - N / [(L / Cl) + T)) This results in, if L / Cl »T: A fO = N / (L / C1) - N / (L / C1) [1- ß T / (L / C1)] = AT / L x C1 (2) As As can be seen from equation 2, known ultrasonic flowmeters have the disadvantage that the amount of the zero-point adjustment tf0 varies with the speed of propagation C1 of the ultrasonic waves changes. C1 changes with the temperature of the medium. Even if you first carry out an O-point comparison, it will be unsatisfactory, if you keep it in the original size without compensation and the temperature of the medium subsequently changes. This always results in a measurement error.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und einen Ultraschall-Durchflußmesser so auszuführen, daß auch dann der Nullabgleich erhalten bleibt, wenn die Temperatur des Mediums von der Temperatur, bei der der Nullabgleich durchgeführt wurde, abweicht, so daß daraus kein Fehler resultiert.The object of the invention is therefore to address the disadvantages of the Avoid the state of the art and design an ultrasonic flow meter so that the zero balance is retained even if the temperature of the medium deviates from the temperature at which the zero adjustment was carried out, so that this does not result in an error.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Nullpunkt-Kompensation zusätzlich zur Differenzfrequenz AfO auch die Werte fl, f2, fOl, f02 verwendet werden, wobei die Nullpunkt-Kompensation mit einem Wert II fOlI(fl+f2) / (fOl+fO2)] erfolgt.According to the invention, this object is achieved in that for zero point compensation In addition to the difference frequency AfO, the values fl, f2, fOl, f02 are also used, where the zero point compensation takes place with a value II fOlI (fl + f2) / (fOl + fO2)].

Die Bestimmung der Durchflußgeschwindigkeit V kann dann nach der Gleichung V = (L/2N) x ( ß f- tfO) x [ (fl+f2) / (fOl+f02)) erfolgen, wobei L die Länge der Meßstrecke und N eine Konstante ist.The determination of the flow rate V can then according to the equation V = (L / 2N) x (ß f- tfO) x [(fl + f2) / (fOl + f02)), where L is the length of the Measuring distance and N is a constant.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann einfach mit einer Schaltungsanordnung realisiert werden, mit zwei an einer Meßstrecke liegenden Ultraschallwandlern, von denen über Umschalter abwechselnd der eine an eine Sendeschaltung und der andere an eine Empfangsschaltung angeschlossen ist und umgekehrt, wobei ein spannungsgesteuerter Oszillator vorgesehen ist, dessen Ausgang mit einem Zähler, mit einer Rechenschaltung mit Speicher und mit einem die Sendestufe startenden Synchronsignalgenerator verbunden ist, wobei der Zähler und die Empfangsschaltung jeweils mit den Eingängen einer Zeitdifferenz-Meßschaltung verbunden sind, wobei der Ausgang der Zeitdifferenzschaltung mit dem Steuereingang des Oszillators verbunden ist, wobei ein zweiter spannungsgesteuerter Oszillator vorgesehen ist, wobei die Ausgänge beider Oszillatoren über einen Umschalter abhängig von der Senderichtung abwechselnd mit dem Synchronsignalgenerator und über einen vom Synchronsignalgenerator gesteuerterten Startschalter mit dem Zähler verbindbar sind, wobei die Ausgänge beider Oszillatoren ferner direkt mit der Rechenschaltung mit Speicher verbunden sind, wobei die Steuereingänge beider Oszillatoren über je einen Abtastschalter mit der Zeitdifferenz-Meßschaltung verbunden sind und wobei jeder Abtastschalter geschlossen wird, nachdem der zugehörige Oszillator über den Umschalter an die Sendestufe gelegt worden ist und die Zeitdifferenzmeßschaltung die Zeitdifferenz zwischen den Ausgangssignalen der Empfangsschaltung und des Zählers gemessen hat.The method according to the invention can be implemented simply with a circuit arrangement can be realized with two ultrasonic transducers located on a measuring section, from which alternately one to a transmission circuit and the other via switch is connected to a receiving circuit and vice versa, with a voltage controlled Oscillator is provided, the output of which with a counter, with a computing circuit connected to memory and to a synchronizing signal generator starting the transmission stage is, the counter and the receiving circuit each with the inputs of a Time difference measuring circuit are connected, the output of the time difference circuit is connected to the control input of the oscillator, with a second voltage-controlled Oscillator is provided, the outputs of both oscillators via a switch depending on the direction of transmission, alternating with the sync signal generator and via a start switch controlled by the synchronizing signal generator can be connected to the counter are, the outputs of both oscillators also directly to the computing circuit are connected to memory, the control inputs of both oscillators via each a sampling switch are connected to the time difference measuring circuit and wherein each sampling switch is closed after the associated oscillator via the Changeover switch has been placed on the transmission stage and the time difference measuring circuit the time difference between the output signals the receiving circuit and the meter has measured.

Im folgenden wird zunächst das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.The method according to the invention is first explained in more detail below.

Folgende Gleichungen sind allgemein bekannt: T1 = L/(C+V) (3) T2 = L/(C-V) (4) Dabei ist V die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, T1 die Laufzeit der Ultraschallwellen in Strömungsrichtung über die Entfernung L im Medium, T2 die Laufzeit der Ultraschallwellen entgegen der Strömungsrichtung des Mediums und C die Ausbreitungsgeschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit) im Medium. Die folgenden Gleichungen basieren auf dem Prinzip des time-locked-loop-Verfahrens: fl = N/T1 = N/L(C+V) f2 = N/T2 = N/L(C-V) Damit ergibt sich: fl + f2 = N/ [ L/(C+V)] + N / t L/(C-V)) = (2N/L) x C (5) Aus der Gleichung 5 erhält man die Schallgeschwindigkeit C. Nach Gleichung 1 kann man die Durchflußgeschwindigkeit V des Mediums mit folgender Gleichung bestimmen: V = (L/2N) x f (6) Im folgenden wird die gemessene Frequenz in Vorwärtsrichtung bei der Durchflußmenge (Durchflußgeschwindigkeit) "O" mit fOl bezeichnet, die gemessene Frequenz in Rückwärtsrichtung mit f02, die Differenz zwischen diesen Frequenzen mit t fO und die Schallgeschwindigkeit mit C1.The following equations are well known: T1 = L / (C + V) (3) T2 = L / (C-V) (4) where V is the flow velocity of the medium, T1 the transit time of the ultrasonic waves in the direction of flow over the distance L in the medium, T2 the Travel time of the ultrasonic waves against the direction of flow of the medium and C the speed of propagation (speed of sound) in the medium. The following Equations are based on the principle of the time-locked-loop method: fl = N / T1 = N / L (C + V) f2 = N / T2 = N / L (C-V) This gives: fl + f2 = N / [L / (C + V)] + N / t L / (C-V)) = (2N / L) x C (5) Equation 5 gives the speed of sound C. According to equation 1, the flow rate V of the medium can be calculated as follows Find the equation: V = (L / 2N) x f (6) The following is the measured Frequency in the forward direction at the flow rate (flow rate) "O" with fOl, the measured frequency in the reverse direction with f02, the difference between these frequencies with t fO and the speed of sound with C1.

Ferner wird angenommen, daß sich die Schallgeschwindigkeit aufgrund einer Temperaturänderung des Mediums während der Durchfluß-Messung von C auf C1 ändert. In diesem Fall kann die Durchflußgeschwindigkeit fehlerfrei gemessen werden, wenn man den folgenden Nullpunktabgleich durchführt, der den Einfluß der Änderung der Schallgeschwindigkeit auf 8 f in obiger Gleichung (6) berücksichtigt. Man erhält: V = L/2N (8f- a f0) [(fl+f2) / (f01+f02)] (7) Zur Kompensation des Einflusses des Nullpunkts in Gleichung 6 muß folgende Berechnung durchgeführt werden: V = L/2N ( ß f - t fO) (8) Dabei ist Af die Differenz zwischen den Frequenzen fl und f2 zum Zeitpunkt der Durchflußgeschwindigkeitsmessung, und # t0 ist die Differenz zwischen den Frequenzen fOl und f02, wenn der Durchfluß "O" ist.It is also assumed that the speed of sound is due to a temperature change of the medium during the flow measurement from C to C1 changes. In this case the flow rate can be measured without errors, when carrying out the following zero point adjustment, the influence of the change the speed of sound to 8 f is taken into account in equation (6) above. You get: V = L / 2N (8f- a f0) [(fl + f2) / (f01 + f02)] (7) To compensate for the influence of the The following calculation must be carried out at the zero point in equation 6: V = L / 2N (ß f - t fO) (8) where Af is the difference between the frequencies fl and f2 zum Time of flow rate measurement, and # t0 is the difference between the frequencies fOl and f02 when the flow is "O".

Die Durchflußgeschwindigkeit sei V1, wenn die Schallgeschwindigkeit C1 ist bei einer Temperatur von tl und die Durchflußgeschwindigkeit sei V2 wenn die Schallgeschwindigkeit C2 ist bei einer Temperatur von t2. In diesem Fall ergeben sich V1 und V2 jeweils durch die folgenden Gleichungen, die auf der Gleichung 8 beruhen: V 1 = (L/2N) x ( fl- tfOl) (9) V 2 = (L/2N) x ( f2- #f02) (10) Dabei sind 8 # f01, ß f02 durch folgende Gleichungen gegeben, die jeweils auf der Gleichung 2 basieren: Afol = (#T/L) x C1 (11) AfO2 = (# T/L) x C2 (12) Dabei läßt sich AfO2 in der Gleichung 12 auch durch folgende Gleichung ausdrücken, die auf der Gleichung 5 beruht: AfO2 = (#T/L) x C2 = Q\T/L) x (L/ZN) x (f12+f22) (13) Im folgenden werden mit fll bzw. f21 die Frequenzen zum Zeitpunkt der Durchflußgeschwindigkeitsmessung bei einer Temperatur tl (Schallgeschwindigkeit Cl) bezeichnet, mit fOll, f021 die Frequenzen, wenn die Durchflußgeschwindigkeit bei einer solchen Temperatur und Schallgeschwindigkeit "O" ist; f12, f22 sind die Frequenzen zum Zeitpunkt der Durchflußtemperaturmessung bei einer Temperatur t2 (Schallgeschwindigkeit C2); f012, fO22 sind die Frequenzen, wenn bei einer solchen Temperatur und Schallgeschwindigkeit die Durchflußgeschwindigkeit "O" ist. Wenn man die Frequenzen fOll, f021 bei der Durchflußgeschwindigkeit "O" und einer Temperatur tl in die Gleichung 5 einsetzt, erhält man folgende Gleichung: L / 2N = C1 / (fOll + f021) (14) Dementsprechend kann die Gleichung 13 wie folgt umgeformt werden: # f02 = tT/L) x [Cl/(fOll+f02)]x (f12+f22) (15) Die Gleichung 15 kann, wie nachfolgend angegeben, ebenfalls durch Einsetzen der Gleichung 11 in die Gleichung 15 umgeformt werden.Let the flow rate be V1 if the speed of sound C1 is at a temperature of tl and the flow rate is V2 if the speed of sound C2 is at a temperature of t2. In this case surrender V1 and V2 are each represented by the following equations based on Equation 8 are based on: V 1 = (L / 2N) x (fl- tfOl) (9) V 2 = (L / 2N) x (f2- # f02) (10) Here, 8 # f01, ß f02 are given by the following equations each based on based on equation 2: Afol = (# T / L) x C1 (11) AfO2 = (# T / L) x C2 (12) where AfO2 in Equation 12 can also be expressed by the following equation, which is based on equation 5: AfO2 = (# T / L) x C2 = Q \ T / L) x (L / ZN) x (f12 + f22) (13) In the following, the frequencies at the time of the flow rate measurement are given by fll or f21 at a temperature tl (speed of sound Cl), with fOll, f021 die Frequencies when the flow rate at such a temperature and speed of sound "O" is; f12, f22 are the frequencies at the time of the flow temperature measurement at a temperature t2 (speed of sound C2); f012, fO22 are the frequencies if at such a temperature and speed of sound the flow rate "O" is. If you use the frequencies fOll, f021 at the flow rate "O" and a temperature tl is used in equation 5, the following equation is obtained: L / 2N = C1 / (fOll + f021) (14) Accordingly, the equation 13 can be transformed as follows: # f02 = tT / L) x [Cl / (fOll + f02)] x (f12 + f22) (15) The Equation 15, as given below, can also be substituted by equation 11 can be converted into equation 15.

# f02 = tfOl x [(f12+f22) / (f011+f02)] (16) Die Gleichung 16 gibt die Relation zwischen dem Betrag t fOl für die Nullpunktkompensation bei einer Temperatur tl und dem Betrag # f02 für die Nullpunktkompensation bei einer Temperatur t2 an. Entsprechend kann die Gleichung 11 wie folgt umgeformt werden: V2 = L/2MN x[#f2-#f01] x [(f12xf22) / (fOll+f02)i (17) Dabei erhält man, wie oben beschrieben, f2 aus den Frequenzen f12, f22 zum Zeitpunkt der Durchflußgeschwindigkeitsmessung bei einer Temperatur t2 (Schallgeschwindigkeit C2). Dagegen erhält man die Größen ß fOl (= # fOll- # fO21), # fOll, # fO21 aus den Frequenzen # fell, # fO21, wenn die Durchflußgeschwindigkeit bei einer Temperatur tl (Schallgeschwindigkeit Cl) "O" ist. Entsprechend ergeben sich die Frequenzen f01 und f02 bei einer Durchflußgeschwindigkeit "0" und einer Schallgeschwindigkeit C1. Die Differenz der beiden Frequenzen fOl und f02 ist # fO und die Frequenzen zum Zeitpunkt der Durchflußgeschwindigkeitsmessung bei einer Schallgeschwindigkeit C sind, wie vorher beschrieben, fl und f2. Die Gleichung 17 kann in die unten angegebene allgemeine Gleichung umgeformt werden: V = (L/2N) x (# f- # f0) x [(fl+f2) / (fOl+fO2)] (18) Diese Gleichung ist identisch der Gleichung 7 und damit wird deutlich, daß die Kompensation der Schallgeschwindigkeit zum Nullabgleich entsprechend der Gleichung 7 bzw. Gleichung 18 durchgeführt werden kann.# f02 = tfOl x [(f12 + f22) / (f011 + f02)] (16) Equation 16 gives the relation between the amount t fOl for the zero point compensation at a temperature tl and the amount # f02 for the zero point compensation at a temperature t2. Equation 11 can be transformed accordingly as follows: V2 = L / 2MN x [# f2- # f01] x [(f12xf22) / (fOll + f02) i (17) Here, as described above, f2 is obtained from the Frequencies f12, f22 at the time of the flow rate measurement at a Temperature t2 (speed of sound C2). On the other hand, one obtains the quantities ß fOl (= # fOll- # fO21), # fOll, # fO21 from the frequencies # fell, # fO21, if the flow rate at a temperature tl (speed of sound Cl) is "O". Surrender accordingly the frequencies f01 and f02 at a flow rate "0" and a Speed of sound C1. The difference between the two frequencies fOl and f02 is # fO and the frequencies at the time of the flow rate measurement at a The speed of sound C is, as previously described, fl and f2. Equation 17 can be transformed into the general equation given below: V = (L / 2N) x (# f- # f0) x [(fl + f2) / (fOl + fO2)] (18) This equation is identical the equation 7 and thus it becomes clear that the compensation of the speed of sound for zeroing according to equation 7 or equation 18 can.

Aus den Gleichungen 11 und 12 kann die folgende Gleichung gebildet werden: AfO2 = # fOl x (C2/C1) (19) Entsprechend kann die Gleichung 10 wie folgt umgeformt werden: V 2 = (L/2N) x [f2-fOl x (C2/Cl)) (20) Aufgrund der Gleichung 5 erhält man C1 und C2.From Equations 11 and 12, the following equation can be formed be: AfO2 = # fOl x (C2 / C1) (19) Correspondingly, equation 10 can be as follows can be transformed: V 2 = (L / 2N) x [f2-fOl x (C2 / Cl)) (20) Based on the equation 5 one obtains C1 and C2.

Cl = (L/2N) x (fOll+fO21) C2 = (L/2N) x (f12+f22) (21) Wenn man die Gleichung 21 in die Gleichung 20 einsetzt, so gelangt man ebenfalls zur Gleichung 17. Die Gleichung 18 erhält man, indem man diese Gleichung auf den allgemeinen Fall umformt. Man kann also die Gleichung 18 auch aus den Gleichungen für die Schallgeschwindigkeiten C1 und C2 entwickeln.Cl = (L / 2N) x (fOll + fO21) C2 = (L / 2N) x (f12 + f22) (21) If you have the Inserting equation 21 into equation 20, one also arrives at equation 17. Equation 18 is obtained by applying this equation to the general case reshaped. So you can get equation 18 from the equations for the speed of sound Develop C1 and C2.

Der Gedanke der Erfindung liegt darin, daß vorweg fOl, f02 und 8 fO gemessen und abgespeichert werden, wenn die Durchflußgeschwindigkeit "O" ist. Eine Berechnung wird entsprechend der Gleichung 7 durchgeführt unter Benutzung von fl, f2 und Af, die zum Zeitpunkt der Durchflußgeschwindigkeitsmessung gemessen werden, so daß man durch einwandfreien Nullabgleich fehlerfreie Meßwerte bekommt.The idea of the invention is that in advance fOl, f02 and 8 fO can be measured and saved when the flow rate is "O". One Calculation is carried out according to equation 7 using fl, f2 and Af, which are measured at the time of the flow rate measurement, so that by correct zero adjustment one can obtain error-free measured values receives.

Ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Fig. 2 dargestellt. Diese Figur zeigt ein Blockdiagramm einer Anordnung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet. In dieser Figur sind die mit Fig. 1 übereinstimmenden Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Zusätzlich zu den bei der Anordnung nach Fig. 1 vorhandenen Elementen sind ein Rechner 9 mit einem Speicher (z.B. ein Mikrocomputer), zwei Abtastschalter Sla und Slb, Umschalter S2a, S2b, S4a, S4b, ein Synchron-Start-Schalter S3 und ein Taster SW vorgesehen.An embodiment of an arrangement for implementing the invention The method is illustrated below with reference to FIG. 2. This figure shows a Block diagram of an arrangement which operates according to the method according to the invention. In this figure, the elements corresponding to FIG. 1 are the same Provided with reference numerals. In addition to those present in the arrangement according to FIG Elements are a computer 9 with a memory (e.g. a microcomputer), two scanning switches Sla and Slb, changeover switches S2a, S2b, S4a, S4b, a synchronous start switch S3 and a SW button provided.

Zunächst wird der Taster SW in die gestrichelt eingezeichnete Position gebracht und es werden die Größen fOl, f02, t fO bei der Durchflußgeschwindigkeit "O" gemessen. Die Ergebnisse werden im Speicher 9 der Rechenschaltung (Mikrocomputer) abgespeichert. Dabei arbeitet die Schaltung wie nachfolgend erklärt: Wenn die Umschalter S4a, S4b in die mit durchgezogener Linie dargestellte Position gebracht werden, schließt auch der Kontakt S2a, während der Kontakt S2b öffnet. Zu einem bestimmten Zeitpunkt veranlaßt der Synchronsignalgenerator 5 die Sendeschaltung 6 zur Aussendung eines Sendeimpulses und schließt den Startkontakt S3.First, the button SW is in the position shown in dashed lines and there are the quantities fOl, f02, t fO at the flow rate "O" measured. The results are stored in memory 9 of the arithmetic circuit (microcomputer) saved. The circuit works as follows: When the changeover switch S4a, S4b are brought into the position shown with a solid line, the contact S2a also closes, while the contact S2b opens. To a certain one At this point in time, the synchronizing signal generator 5 causes the transmission circuit 6 to transmit of a transmission pulse and closes the start contact S3.

Der Ultraschallwandler 8a im Sendebetrieb sendet daher einen Ultraschall-Impuls und der Ultraschallwandler 8b empfängt diesen Ultraschallimpuls. Dabei erzeugt die Empfangsschaltung 1 ein Empfangssignal, das einer Zeitdifferenz-Meßschaltung 3 zugeführt wird.The ultrasonic transducer 8a in transmission mode therefore sends an ultrasonic pulse and the ultrasonic transducer 8b receives this ultrasonic pulse. The Receiving circuit 1 a received signal which is fed to a time difference measuring circuit 3 will.

Währenddessen zählt der Zähler 2 die Ausgangs impulse des Oszillators 4 bis N hoch. Wenn der Zähler bei diesem Zählerstand angelangt ist, sendet er ein entsprechendes Signal zur Zeitdifferenz-Meßeinheit 3 und gibt damit eine Information über das Beenden des Hochzählens ab.Meanwhile, the counter 2 counts the output pulses from the oscillator 4 to N high. When the counter has reached this count, it sends in corresponding signal to the time difference measuring unit 3 and thus provides information about ending the counting up.

Die Zeitdifferenz-Meßschaltung 3 vergleicht die von der Ultraschallwelle benötigte Laufzeit, die von der Empfangsschaltung 1 abgegeben wird, mit der Zeit, die zum Hochzählen benötigt ist und die vom Zähler 2 stammt.The time difference measuring circuit 3 compares that from the ultrasonic wave required running time, which is delivered by the receiving circuit 1, with the time, which is required for counting up and which comes from counter 2.

Anschließend wird der Abtastkontakt Sla geschlossen, die Frequenz des Oszillators 4 wird so geregelt, daß am Differenzausgang der Zeitdifferenz-Meßschaltung "O" ansteht und der geregelte Frequenzwert fOl wird gemessen und dann im Speicher des Rechners 9 (z.B. Mikrocomputers) abgespeichert.Then the sensing contact Sla is closed, the frequency of the oscillator 4 is controlled so that at the difference output of the time difference measuring circuit "O" is present and the regulated frequency value fOl is measured and then stored in the memory of the computer 9 (e.g. microcomputer).

Anschließend werden die Umschalter S4a, S4b von der mit durchgezogener Linie in die mit gestrichelter Linie eingezeichnete Position gebracht und-der Kontakt S2a wird geöffnet, während der Kontakt S2b geschlossen wird. Schließlich sendet der Synchronsignalgenerator 5 einen Sendeimpuls und schließt den Startkontakt S3.Then the changeover switches S4a, S4b of the with solid Line brought into the position shown with a dashed line and - the contact S2a is opened while contact S2b is closed. Finally sends the synchronizing signal generator 5 sends a pulse and closes the start contact S3.

Der vorher als Empfänger betriebene Ultraschallwandler 8b arbeitet nun also im Sendebetrieb und der vorher als Sender betriebene Ultraschallwandler 8a arbeitet nunmehr als Empfänger. Dabei wird die Laufrichtung der Ultraschallwelle umgekehrt. Nunmehr schließt in der nächsten Abtastperiode der Abtastkontakt Slb, die Frequenz des Oszillators 4b wird so geregelt, daß die Ausgangsspannung der Zeitdifferenz-Meßschaltung 3 einen vorgegebenen Wert einnimmt, z.B. "O" und die geregelte Frequenz f02 wird gemessen und dem Speicher der Rechenschaltung 9 zugeführt. Die Rechenschaltung 9 berechnet tfO aus den beiden so zugeführten Frequenzen fOl, f02 und speichert diese ebenfalls im Speicher.The ultrasonic transducer 8b previously operated as a receiver works So now in transmission mode and the ultrasonic transducer previously operated as a transmitter 8a is now working as a receiver. The direction of travel of the ultrasonic wave is thereby determined vice versa. Now, in the next sampling period, the sampling contact Slb closes, the frequency of the oscillator 4b is controlled so that the output voltage of the time difference measuring circuit 3 assumes a predetermined value, e.g. "O" and the regulated frequency f02 is measured and fed to the memory of the computing circuit 9. The computing circuit 9 calculates tfO from the two frequencies fOl, f02 supplied in this way and stores it these also in memory.

Diesselben Schritte werden bei fließendem Medium durchgeführt und fl, f2 und t f werden im Speicher abgespeichert. Die Rechenschaltung 9 berechnet die Durchflußgeschwindigkeit des Mediums nach einer auf Gleichung 7 beruhenden Berechnung und bestimmt somit den Durchfluß des Mediums.The same steps are carried out with the medium flowing and fl, f2 and t f are stored in memory. The computing circuit 9 calculates the flow rate of the medium according to a calculation based on equation 7 and thus determines the flow of the medium.

Wie beschrieben, ist mit der vorliegenden Erfindung gewährleistet, daß bei einem Ultraschall-Durchflußmesser zum Zeitpunkt der Messung der Durchflußgeschwindigkeit des Mediums ein vollständiger Nullabgleich vorgenommen wird. Dies gilt auch dann, wenn das Medium eine Temperatur annimmt, die sich von der Temperatur beim ursprünglichen Nullabgleich unterscheidet. Damit wird der Meßfehler im Ergebnis der Durchflußmessung durch den Nullabgleich eliminiert.As described, it is ensured with the present invention that in the case of an ultrasonic flow meter at the time of measuring the flow rate a complete zero adjustment is carried out on the medium. This also applies if when the medium assumes a temperature that is different from the temperature at the original Zero adjustment differentiates. Thus, the measurement error becomes in the result of the flow measurement eliminated by the zero adjustment.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen: Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer bekannten Ultraschalldurchflußmessung nach dem time-locked-loop-system.Brief Description of the Drawings: Figure 1 shows a block diagram of a known ultrasonic flow measurement according to the time-locked-loop-system.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.Fig. 2 shows an embodiment of the invention.

3 Patentansprüche 2 Figuren Liste der Bezugszeichen 1 Empfangsschaltung 2 Zähler 3 Zeitdifferenz-Meßschaltung 4 Oszillator mit spannungsgesteuerter Frequenz (VCO) 5 Synchronsignalgenerator 6 Sendeschaltung 8a) Ultraschallwandler 8b) 9 Rechenschaltung mit Speicher - Leerseite -3 claims 2 figures List of reference signs 1 receiving circuit 2 counter 3 time difference measuring circuit 4 oscillator with voltage controlled Frequency (VCO) 5 synchronizing signal generator 6 transmission circuit 8a) ultrasonic transducer 8b) 9 computing circuit with memory - blank page -

Claims

Claims 1. A method for ultrasonic flow measurement at which the flow of a medium with the help of a difference frequency A f = fl - f2 is determined, the frequency fl being inversely proportional to the transit time of a ultrasonic wave in the direction of flow of the medium between two points and where is the frequency f2 inversely proportional to the transit time of an ultrasonic wave opposite to Direction of flow is between the same points, also being in advance at standstill Medium a difference frequency 8 fO = fOl - f02 is determined and stored, where the frequencies fOl and f02 correspond to the frequencies fl and f2 when the medium is at a standstill correspond and with each measurement using the difference frequency AfO a Zero point compensation is carried out, characterized in that for zero point compensation in addition to the difference frequency t fO, the values fl, f2, fOl, f02 are also used the zero point compensation with a value AfO [(fl + f2) / (f01 + f02)] he follows.

2. A method for ultrasonic flow measurement according to claim 1, characterized characterized in that the determination of the flow rate V according to the equation V = (L / 2N) x (n f- nfO) x [(fl + f2) / (fol + f02) J, where L is the length of the measuring section and N is a constant.

3. Circuit arrangement for performing a method according to claim 1 or 2 with two ultrasonic transducers (8a, 8b), of which via switch (S4a, S4b) alternately one to one Transmission circuit and the other is connected to a receiving circuit (1) and vice versa, wherein a voltage-controlled oscillator (4a) is provided, the output of which with a Counter (2), with a computing circuit (9) with memory and with a transmission stage (6) starting synchronous signal generator (5) is connected that the counter (2) and the receiving circuit (1) each with the inputs of a time difference measuring circuit (3) are connected and that the output of the time difference measuring circuit (3) with the Control input of the oscillator (4a) is connected, characterized in that a second voltage-controlled oscillator (4b) is provided that the outputs of both Oscillators (4a, 4b) via a switch (S2a, S2b) depending on the direction of transmission alternately with the synchronizing signal generator (5) and one from the synchronizing signal generator (5) controlled start switch (S3) can be connected to the counter (2) that the outputs both oscillators (4a, 4b) also directly to the computing circuit with memory are connected, the control inputs of both oscillators each via a sampling switch (Sla, Slb) are connected to the time difference measuring circuit (3), each sampling switch (Sla, Slb) is closed after the associated oscillator (4a, 4b) via the Changeover switch (S2a, S2b) has been placed on the transmission stage (6) and the time difference measuring circuit (3) the time difference between the output signals of the receiving circuit (1) and of the counter (2) has measured.