DE3542704A1 - Method and device for temperature-independent measurement of a mean flow rate of a fluid - Google Patents
Method and device for temperature-independent measurement of a mean flow rate of a fluidInfo
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Abstract
Description
Verfahren und Einrichtung zur temperaturunabhängigen Messung einerMethod and device for temperature-independent measurement of a
mittleren Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit Anwendungsgebiet und Zweck Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Einrichtung zur temperaturunabhängigen Messung einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw.mean flow velocity of a liquid area of application and Purpose The invention relates to a method and an apparatus for temperature-independent measurement of an average flow velocity of a Liquid according to the preamble of claim 1 or
des Anspruchs 3.of claim 3.
Solche Verfahren und Einrichtungen werden z.B. zur Durchflussmessung in Wärmezählern einer Heizungsanlage verwendet, da die Wärmeleistung einer Heizung bekanntlich proportional dem Volumendurchfluss des Heizwassers und dieser wiederum proportional der mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers ist.Such methods and devices are used, for example, for flow measurement Used in heat meters in a heating system, as the heat output of a heating system known to be proportional to the volume flow of the heating water and this in turn is proportional to the mean flow rate of the heating water.
Stand der Technik Verschiedene Ultraschall-Messverfahren sind bekannt, z.B. aus den VDI-Berichten Nr. 509, 1984, Seiten 39 bis 42, Ultraschall-Durchfluss-Sensor für die Wärmemengenmessung, v. Jene. Diese Verfahren ermitteln in der Regel die mittlere Strömungsgeschwindigkeit w des Heizungswassers mit Hilfe der Formel wobei c die Ultraschallgeschwindigkeit im Heizungswasser, L der räumliche Abstand zwischen zwei Ultraschallwandlern und at der Laufzeitunterschied zwischen einer stromabwärts und einer stromaufwärts gesendeten Ultraschallwelle ist.PRIOR ART Various ultrasonic measuring methods are known, for example from VDI reports no. 509, 1984, pages 39 to 42, ultrasonic flow sensor for heat quantity measurement, v. Those. These methods usually determine the mean flow velocity w of the heating water with the help of the formula where c is the ultrasonic speed in the heating water, L is the spatial distance between two ultrasonic transducers and at is the difference in transit time between an ultrasonic wave transmitted downstream and an upstream ultrasonic wave.
Da die Ultraschallgeschwindigkeit c temperaturabhängig ist, ist auch die unter Verwendung dieser Formel gefundene mittlere Strömungsgeschwindigkeit w temperaturabhängig.Since the ultrasonic speed c is temperature dependent, is also is the mean flow velocity w found using this formula temperature dependent.
Im bereits erwähnten Stand der Technik wird auf Seite 40 ein "Lamda-Locked-Loop"-Verfahren erwähnt, bei dem die Wellenlänge > der Ultraschallwelle für beide Senderichtungen konstant gehalten wird, sei es mit Hilfe einer Phasenregelung oder sei es durch Verwendung eines Durchflusssensors mit Interdigitalwandlern. Die letzten sind in der DE 31 20 541 Al beschrieben, wobei X = d COSd durch die Geometrie des relativ komplizierten Aufbaus der Interdigitalwandler und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit w durch die Formel w = 3 2 cosa gegeben sind.In the prior art already mentioned, a “lambda locked loop” method is used on page 40 mentioned in which the wavelength> of the ultrasonic wave for both transmission directions is kept constant, be it with the help of a phase control or be it through Use of a flow sensor with interdigital transducers. The last ones are in in DE 31 20 541 A1, where X = d COSd due to the geometry of relatively complicated structure of the interdigital transducer and the mean flow velocity w are given by the formula w = 3 2 cosa.
Eine ähnliche Formel, nämlich w = 2Ln hf, ergibt die in Acustica, Vol. 26 (1972), Seiten 284 bis 288, One path ultrasonic flowmeter using electroacoustic feedback, D. Assenza und M. Pappalardo, beschriebene Methode, in der eine Ultraschall-Messstrecke einen Verstärker rückkoppelt.A similar formula, namely w = 2Ln hf, gives the one in Acustica, Vol. 26 (1972), pages 284 to 288, One path ultrasonic flow meter using electroacoustic feedback, D. Assenza and M. Pappalardo, described method in which an ultrasonic measuring section feeds back an amplifier.
Die beiden letzten Formeln sind unabhängig von der Ultraschallgeschwindigkeit c und damit auch von der Temperatur -e des Heizungswassers; sie enthalten jedoch eine an sich unbekannte Konstante n.The last two formulas are independent of the ultrasonic speed c and thus also the temperature -e of the heating water; however, they contain an inherently unknown constant n.
Aufgabe und Lösung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Methode zu finden und eine Einrichtung zu verwirklichen, die es gestatten, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit, z.B. des Heizwassers einer Heizung, in relativ kurzer Zeit, mit hoher Genauigkeit, ohne grosse Stromaufnahme, da Batteriebetrieb möglich sein sollte, ohne Verwendung eines komplizierten Messstreckenaufbaus oder eines Regelkreises und unter Verwendung freiwählbarer Ultraschall-Sendefrequenzen temperaturunabhängig zu messen, ohne dass dabei eine an sich unbekannte Konstante n vorhanden ist.Object and solution The invention is based on the object of providing a To find a method and to implement an arrangement that would allow the middle Flow rate of a liquid, e.g. the heating water of a heating system, in a relatively short time, with high accuracy, without large power consumption, since battery operation should be possible without using a complicated measuring section structure or a control loop and using freely selectable ultrasonic transmission frequencies can be measured independently of temperature, without an inherently unknown constant n is present.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3 angegebenen Merkmale gelöst.The stated object is achieved according to the invention by the characteristics of claim 1 and claim 3 specified features solved.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.
Es zeigen: Fig. 1 einen Aufbau einer Messstrecke, Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Messeinrichtung, Fig. 3 Zeitdiagramme der in der Messeinrichtung verwendeten Signale, Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Zeitgebers und Fig. 5 eine Kennlinie des Quadrates der Amplitude der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses beim stromabwärtigen Senden in Funktion der Trägerkreisfrequenzen o.The figures show: FIG. 1 a structure of a measuring section, FIG. 2 a block diagram a measuring device, 3 timing diagrams in the measuring device signals used, FIG. 4 is a block diagram of a timer, and FIG. 5 is a Characteristic curve of the square of the amplitude of the total voltage of a transmit and a Received pulse when sending downstream as a function of the carrier circle frequencies O.
Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche Teile.The same reference numbers denote the same in all figures of the drawing Parts.
Beschreibung Die in der Fig. 1 dargestellte Messstrecke besteht aus einem einfachen und bekannten Messrohr 1 als Wellenleiter, das von einer Flüssigkeit, z.B. Heizungswasser, in Längsrichtung durchflossen wird. In der Darstellung der Fig. 1 strömt die Flüssigkeit oben links von oben nach unten in das Messrohr 1 hinein und oben rechts von unten nach oben hinaus. Die Längsrichtung des Messrohres 1 bildet die eigentliche Messstrecke. Zwei annähernd identische Ultraschallwandler USX und US2 sind stirnseitig, in einem räumlichen Abstand L voneinander, an den beiden Enden der Messstrecke, d.h. des Messrohres 1, angeordnet. Das Messrohr 1 besitzt einen Rohrinnenradius R.Description The measuring section shown in FIG. 1 consists of a simple and well-known measuring tube 1 as a waveguide, which is carried by a liquid, e.g. heating water, is flowed through in a longitudinal direction. In the representation of the 1, the liquid flows from top to bottom into the measuring tube 1 at the top left and at the top right from bottom to top. The longitudinal direction of the measuring tube 1 forms the actual measuring section. Two nearly identical ultrasonic transducers USX and US2 are at the front, at a spatial distance L from each other, at both ends the measuring section, i.e. the measuring tube 1. The measuring tube 1 has a Inner pipe radius R.
Die Strörnungsgeschwindigkeit w(r) der Flüssigkeit im Messrohr 1 ist eine Funktion der Radiuskoordinate r des Messrohres 1. In der Fig. 1 wurde das Vorhandensein eines parabolförmigen Strömungsprofils angenormen und dargestellt. Die gesuchte mittlere Strömungsgeschwindigkeit w der Flüssigkeit entspricht dem Integral Die in der Fig. 2 dargestellte Messeinrichtung besteht aus einem Sinusgenerator 2 mit niederohmigem Ausgang, einem Tastkontakt 3, einem zweipoligen Umschalter 4, der aus einem ersten und einem zweiten einpoligen Umschalter 4a bzw. 4b besteht, einer Messstrecke, die symbolisch durch ihre Länge L dargestellt ist, zwei Ultraschallwand- lern US1 und US2, einem Addierer 5, einem Amplitudendetektor 6, einer Abtast/Halte-Schaltung 7, einem Zeitgeber 9, einem Analog/Digital-Wandler 11, drei Widerständen Rl, R2 und R3 sowie einem Rechner 12.The flow velocity w (r) of the liquid in the measuring tube 1 is a function of the radius coordinate r of the measuring tube 1. In FIG. 1, the presence of a parabolic flow profile was assumed and shown. The sought mean flow velocity w of the liquid corresponds to the integral The measuring device shown in Fig. 2 consists of a sinusoidal generator 2 with a low-resistance output, a push button contact 3, a two-pole changeover switch 4, which consists of a first and a second single-pole changeover switch 4a and 4b, a measuring section symbolically represented by its length L. is shown, two ultrasonic transducers US1 and US2, an adder 5, an amplitude detector 6, a sample / hold circuit 7, a timer 9, an analog / digital converter 11, three resistors R1, R2 and R3 and a computer 12 .
Die Abtast/Halte-Schaltung 7 ist eine bekannte, handelsübliche "Sample/Hold-circuit". Die Frequenz des Sinusgenerators 2, dessen Ausgangswiderstand z.B. gleich Null ist, ist programmierbar, so dass er zeitlich nacheinander verschiedene Werte einer Trägerfrequenz f erzeugt. Jeder einpolige Umschalter 4a und 4b besteht z.B. aus einem Arbeits- und einem Ruhekontakt. Der Tastkontakt 3 ist z.B. ein Arbeitskontakt. Alle Arbeits- und Ruhekontakte sind z.B. bekannte und handelsübliche CMOS-Analogschalter vom Typ MC 14066B der Firma Motorola Semiconductors, Phoenix, Arizona, die in derem Datenbuch "the european cmos selection" beschrieben sind. Es gilt die Annahme, dass der geschlossene Tastkontakt 3 und der Widerstand R3 einen gleichen Widerstandswert besitzen. Je ein erster Pol der beiden Ultraschallwandler US1 und US2 liegt direkt an Masse, während der andere zweite Pol jeweils z.B. über einen 200 Ohm-Widerstand R1 bzw.The sample / hold circuit 7 is a known, commercially available "sample / hold circuit". The frequency of the sine generator 2, the output resistance of which is e.g. equal to zero, is programmable so that it can display different values of a carrier frequency one after the other f generated. Each single-pole changeover switch 4a and 4b consists, for example, of a working and a normally closed contact. The push button contact 3 is e.g. a normally open contact. All labor and normally closed contacts are e.g. known and commercially available CMOS analog switches of the type MC 14066B from Motorola Semiconductors, Phoenix, Arizona, in their data book "the european cmos selection" are described. It is assumed that the closed Push button contact 3 and resistor R3 have the same resistance value. Ever a first pole of the two ultrasonic transducers US1 and US2 is directly connected to ground, while the other second pole, e.g. via a 200 ohm resistor R1 or
R2 mit der Masse verbunden ist. Der Amplitudendektor 6 ist ein bekannter und beliebiger Amplitudendemodulator, z.B. ein Umhüllenden-Detektor, ein "Peak Follower" oder ein Gleichrichter, der von einem Integrator zwecks Bildung des Flächenintegrals gefolgt ist. Der Rechner 12 ist z.B. ein Mikrocomputer.R2 is connected to the ground. The amplitude detector 6 is a known one and any amplitude demodulator, e.g. an envelope detector, a "peak follower" or a rectifier, which is used by an integrator for the purpose of forming the area integral followed. The computer 12 is, for example, a microcomputer.
Der einpolige Ausgang des Sinusgenerators 2 ist auf den Eingangspol des Tastkontaktes 3 und auf einen ersten Eingang des Addierers 5 geführt. Der Ausgangspol des Tastkontaktes 3 ist über den Arbeitskontakt des ersten einpoligen Umschalters 4a mit dem nicht direkt an Masse liegenden zweiten Pol des ersten Ultraschallwandlers USl und über den Ruhekontakt des zweiten einpoligen Umschalters 4b mit dem nicht direkt an Masse liegenden zweiten Pol des zweiten Ultraschallwandlers US2 verbunden. Ein zweiter Eingang des Addierers 5 ist seinerseits über den Ruhekontakt des ersten einpoligen Umschalters 4a auf den zweiten Pol des ersten Ultraschallwandlers US1, über den Arbeitskontakt des zweiten einpoligen Umschalters 4b auf den zweiten Pol des zweiten Ultraschallwandlers US2 und über den Widerstand R3 auf Masse geführt. Der einpolige Ausgang des Addierers 5 speist den Eingang des Amplitudendetektors 6, dessen einpoliger Ausgang seinerseits mit dem Dateneingang der Abtast-Halte-Schaltung 7 verbunden ist. Der einpolige Analogeingang des Analog/Digital-Wandlers 11 ist auf den Ausgang der Abtast/Halte-Schaltung 7 geführt. Der Zeitgeber 9 besitzt einen Starteingang 13 und vier Ausgänge 14 bis 17. Der Starteingang 13 ist mit einem Startausgang 20 des Rechners 12 verbunden, dessen Datenbus-Eingang 21 seinerseits vom Digitalausgang des Analog/Digital-Wandlers 11 gespeist ist. Der Senderichtungsumschalt-Steuerausgang 14 des Zeitgebers 9 ist auf den Steuereingang des Sinusgenerators 2 und auf den Steuereingang des zweipoligen Umschalters 4 geführt, sein Tastausgang 15 auf den Steuereingang des Tastkontaktes 3, sein Rückstellausgang 16 auf den Rückstelleingang des Amplitudendetektors 6 und sein Abtast-Steuerausgang 17 auf den Steuereingang der Abtast/Halte-Schaltung 7.The single pole output of the sine wave generator 2 is on the input pole of the push button contact 3 and to a first input of the adder 5. The output pole of the push button contact 3 is via the normally open contact of the first single-pole changeover switch 4a with the second pole of the first ultrasonic transducer that is not directly connected to ground USl and via the break contact of the second single-pole changeover switch 4b with the not connected directly to ground second pole of the second ultrasonic transducer US2. A second input of the adder 5 is in turn via the break contact of the first single-pole changeover switch 4a on the second pole of the first ultrasonic transducer US1, via the normally open contact of the second single-pole changeover switch 4b to the second pole of the second ultrasonic transducer US2 and connected to ground via resistor R3. The single-pole output of the adder 5 feeds the Input of the amplitude detector 6, whose unipolar output is in turn connected to the data input of the sample-and-hold circuit 7 is connected. The single-pole analog input of the analog / digital converter 11 is to the output of the sample / hold circuit 7. The timer 9 has one Start input 13 and four outputs 14 to 17. The start input 13 has a start output 20 of the computer 12 connected, the data bus input 21 in turn from the digital output of the analog / digital converter 11 is fed. The transmit direction switching control output 14 of the timer 9 is on the control input of the sine generator 2 and on the Control input of the two-pole switch 4 out, its key output 15 to the Control input of push button contact 3, its reset output 16 to the reset input of the amplitude detector 6 and its sampling control output 17 to the control input the sample / hold circuit 7.
Die Fig. 3 enthält acht Zeitdiagramme 3A, 3B, ..., 3H. Die Zeitdiagramme 3A, 3B und 3F bis 3H stellen verschiedene binäre Steuersignale dar, die alle nur die beiden Logikwerte "1" und "0" annehmen können.Fig. 3 contains eight timing diagrams 3A, 3B, ..., 3H. The timing diagrams 3A, 3B, and 3F through 3H illustrate various binary control signals, all only can assume the two logic values "1" and "0".
Die Zeitdiagramme 3C bis 3E dagegen besitzen Analogwerte.The timing diagrams 3C to 3E, on the other hand, have analog values.
Im Detail stellen die verschiedenen Zeitdiagramme folgende Signale dar: 3A Steuersignal zum Umschalten von einem Wert der Trägerfrequenz auf den anderen und zum Umschalten der Senderichtung der beiden Ultraschallwandler US1 und US2, 3B :Tastsignal zum Steuern des Tastkontaktes 3 der Messeinrichtung, 3C :Amplitude der Generatorspannung, 3D Amplituden der Empfangsspannung der beiden Ultraschallwandler US1 und US2, 3E :Amplituden der Summenspannung der Sende- und Empfangsspannung der beiden Ultraschallwandler US1 und US2, 3F :Impulsfolge als Hilfssignal zur Erzeugung der Zeitdiagramme 3G und 3H, 3G :Impulsfolge zur Rückstellung des Amplitudendetektors 6 und 3H :Abtastimpulse für die Abtast/Halte-Schaltung 7.In detail, the various timing diagrams provide the following signals FIG. 3A control signal for switching from one value of the carrier frequency to the other and to switch the transmission direction of the two ultrasonic transducers US1 and US2, 3B: key signal for controlling the key contact 3 of the measuring device, 3C: amplitude the generator voltage, 3D amplitudes of the received voltage of the two ultrasonic transducers US1 and US2, 3E: Amplitudes of the total voltage of the transmit and receive voltage of the two ultrasonic transducers US1 and US2, 3F: Pulse sequence as an auxiliary signal for generation of the timing diagrams 3G and 3H, 3G: pulse train for resetting the amplitude detector 6 and 3H: sampling pulses for the sample / hold circuit 7.
Die acht Zeitdiagramme 3A bis 3H sind für eine Dauer tl dargestellt, während der die Ultraschallwandler US1 und US2 mit einem einzigen Wert der Trägerfrequenz f senden. Während den zeitlich nachfolgenden Zeitperioden t2, t3, ..., mit t2 = t3 = ..., senden sie jeweils mit einem anderen Wert der Trägerfrequenz f. Das durch das Zeitdiagramm 3A dargestellte Steuersignal hat eine Periode gleich tl = t2 = t3=..The eight timing diagrams 3A to 3H are shown for a duration tl, while the ultrasonic transducers US1 and US2 with a single value of the carrier frequency send f. During the subsequent time periods t2, t3, ..., with t2 = t3 = ..., they each transmit with a different value of the carrier frequency f the control signal shown in timing diagram 3A has a period equal to t1 = t2 = t3 = ..
und seine Impulsdauer beträgt tal/2, d.h. sein "duty cycle" ist gleich 50 %. Die positiv- und die negativgehenden Flanken des im Zeitdiagramm 3A dargestellten Steuersignals erzeugen Tastimpulse der Dauer T1 die das im Zeitdiagramm 3B dargestellte Tastsignal bilden und zeitlich einer trägerfrequenten Sendespannung entsprechen, deren Amplitude im Zeitdiagramm 3C dargestellt ist. Die im Zeitdiagramm 3D dargestellten Empfangsspannung ist um eine Laufzeit tL gegenüber der Sendespannung zeitverzögert. Der Sendeimpuls und der zugehörige Empfangsimpuls überlappen sich jeweils zeitlich während einer Ueberlappungszeit tGs so dass die Amplituden der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses jeweils aus drei Bereichen besteht: Vor der Ueberlappungszeit tG, d.h. während der Dauer t ist nur die Amplitude des Sendeimpulses vorhanden, während der Ueberlappungszeit tG die Amplitude der Summe des Sende- und des Empfangsimpulses und nach der Ueberlappungszeit tG nur mehr die Amplitude des Empfangsimpulses. Die Amplituden dieser drei Bereiche sind für jeden Sendeimpuls aus dem Zeitdiagramm 3E ersichtlich, wobei in der Fig. 3 angenommen wurde, dass die Phasendifferenz zwischen dem Träger des Sendeimpulses und dem Träger des Empfangsimpulses Null ist, so dass die Amplituden des Sende- und des Empfangssignals sich jeweils während der Ueberlappungszeit tG arithmetisch addieren. Ist die Amplitude des Sendeimpulses z.B. A und diejenige der Empfangsimpulses z.B. BD, so sind in diesem Fall während einer Impulsdauer die Amplituden der Summenspannung gleich A während tL, gleich A + BD während tG und gleich BD nach tG Das im Zeitdiagramm 3F dargestellte Hilfssignal besitzt die gleiche Impulsfrequenz und die gleiche zeitliche Impulslage wie das im Zeitdiagramm 3B dargestellte Tastsignal, nur seine Impulsdauer T2 ist kürzer und zwar so gewählt, dass tL T2 L 1 d. h. seine negativgehenden Flanken fallen zeitlich immer in eine Ueberlappungszeit tG der Sende- und Empfangsimpulse. Jede seiner negativgehenden Flanken erzeugt einen sehr kurzen Rückstellimpuls der Dauer2. Diese kurzen Rückstellimpulse sind im Zeitdiagramm 3G dargestellt. Ausserdem erzeugen diese negativgehenden Flanken noch nach einer jeweiligen Verzögerungszeit tV Abtastimpulse der Dauer T3' die im Zeitdiagramm 3H dargestellt sind.and its pulse duration is tal / 2, i.e. its "duty cycle" is the same 50%. The positive and negative going edges of the illustrated in timing diagram 3A Control signals generate pulse pulses of duration T1 which are shown in the timing diagram 3B Form key signal and correspond in time to a carrier-frequency transmission voltage, the amplitude of which is shown in the timing diagram 3C. Those shown in the timing diagram 3D Received voltage is delayed by a transit time tL compared to the transmit voltage. The transmit pulse and the associated receive pulse each overlap in time during an overlap time tGs so that the amplitudes of the total voltage of a Transmit and receive pulses each consist of three areas: Before the overlap time tG, i.e. during the duration t only the amplitude of the transmission pulse is available, during the overlap time tG the amplitude of the sum of the transmitted and received pulses and after the overlap time tG only the amplitude of the received pulse. the The amplitudes of these three ranges are shown in the timing diagram for each transmission pulse 3E can be seen, where it was assumed in FIG. 3 that the phase difference between the carrier of the transmitted pulse and the carrier of the received pulse is zero, so that the The amplitudes of the transmitted and received signals vary during the overlap time Add tG arithmetically. If the amplitude of the transmission pulse is e.g. A and that of the received pulse e.g. BD, in this case the Amplitudes of the sum voltage equal to A during tL, equal to A + BD during tG and equals BD to tG The auxiliary signal shown in timing diagram 3F has the same Pulse frequency and the same timing as that shown in timing diagram 3B Key signal, only its pulse duration T2 is shorter and chosen so that tL T2 L 1 d. H. its negative-going edges always fall in an overlap time tG of the transmit and receive pulses. Each of its negative going edges creates one very short reset pulse of duration 2. These short reset pulses are in the timing diagram 3G shown. In addition, these negative-going edges still generate after one respective delay time tV sampling pulses of duration T3 'those in time diagram 3H are shown.
Es gilt dabei die Bedingung: T2 + tV + T 3 tL + tG Ist diese Bedingung erfüllt, dann liegen die Abtastimpulse des Zeitdiagramms 3H zeitlich innerhalb der Ueberlappungszeit tG.The following condition applies: T2 + tV + T 3 tL + tG If this condition is present fulfilled, then the sampling pulses of the timing diagram 3H are temporally within the Overlap time tG.
Der in der Fig. 4 dargestellte Zeitgeber 9 besteht aus einem astabilen Multivibrator 22, einem ersten und zweiten monostabilen Multivibrator 23 bzw. 24 zur jeweiligen Erzeugung von Impulsen der Dauer einem ersten Oder-Gatter 25, einem dritten monostabilen Multivibrator 26 zur Erzeugung von Impulsen der Dauer T2 einem vierten monostabilen Multivibrator 27 zur Erzeugung von Impulsen der DauerG, einem fünften monostabilen Multivibrator 29 zur jeweiligen Erzeugung von Verzögerungszeit-Impulsen der Dauer tv und einem sechsten monostabilen Multivibrator 32 zur jeweiligen Erzeugung von Abtastinpulsen der Dauer W3. Der Eingang des zweiten monostabilen Multivibrators 24 ist symbolisch mit einem schwarzen Dreieck gekennzeichnet, was bedeutet, dass dieser Eingang durch negativgehende Flanken getriggert ist, während die Eingänge aller anderen monostabilen Multivibratoren symbolisch mit je einem weissen Dreieck gekennzeichnet sind, da diese Eingänge durch positivgehende Flanken getriggert sind.The timer 9 shown in FIG. 4 consists of an astable one Multivibrator 22, first and second monostable multivibrators 23 and 24, respectively for the respective generation of pulses of duration a first OR gate 25, a third monostable multivibrator 26 for generating pulses of duration T2 one fourth monostable multivibrator 27 for generating pulses of duration G, a fifth monostable multivibrator 29 for the respective generation of delay time pulses of duration tv and a sixth monostable multivibrator 32 for respective generation of scanning pulses of duration W3. The input of the second monostable Multivibrators 24 is symbolically marked with a black triangle, what means that this input is triggered by negative-going edges while the inputs of all other monostable multivibrators symbolically with one each are marked with a white triangle, as these inputs have positive-going edges are triggered.
Der Starteingang 13 des Zeitgebers 9 ist auf den Speiseeingang des astabilen Multivibrators 22 geführt, dessen Ausgang mit dem Senderichtungsumschalt-Steuerausgang 14 des Zeitgebers 9 und jeweils mit dem Eingang des ersten und des zweiten monostabilen Multivibrators 23 und 24 verbunden ist. Die Q-Ausgänge der beiden monostabilen Multivibratoren 23 und 24 sind auf je einen Eingang des ersten Oder-Gatters 25 geführt, dessen Ausgang mit dem Tastausgang 15 des Zeitgebers 9 und mit dein Eingang des dritten monostabilen Multivibrators 26 verbunden ist. Der Q-Ausgang des dritten nionostabilen Multivibrators 26 ist auf den Eingang des vierten und den Eingang des fünften onostabilen Multivibrators 27 und 29 geführt. Der Q-Ausgang des monostabilen Multivibrators 27 bildet den Rückstellausgang 16 des Zeitgebers 9. Der Q-Ausgang des fünften monostabilen Multivibrators 29 ist auf den Eingang des sechsten ronostabilen Multivibrators 32 geführt, dessen Q-Ausgang mit dem Abtast-Steuerausgang 17 des Zeitgebers 9 verbunden ist.The start input 13 of the timer 9 is on the feed input of the guided astable multivibrator 22, the output of which with the transmission direction switching control output 14 of the timer 9 and each to the input of the first and the second monostable Multivibrators 23 and 24 is connected. The Q outputs of the two monostable multivibrators 23 and 24 are each led to an input of the first OR gate 25, its output with the key output 15 of the timer 9 and with your input of the third monostable Multivibrator 26 is connected. The Q output of the third nionostable multivibrator 26 is to the input of the fourth and the input of the fifth onostable multivibrator 27 and 29 performed. The Q output of the monostable multivibrator 27 forms the reset output 16 of the timer 9. The Q output of the fifth monostable multivibrator 29 is to the input of the sixth ronostable multivibrator 32, the Q output of which is connected to the sampling control output 17 of the timer 9.
Die Funktion des Zeitgebers 9 kann auch durch den Rechner 12 selber übernommen werden, der entsprechend programmiert ist, so dass in diesem Fall der Zeitgeber 9 überflüssig ist und weggelassen werden kann.The function of the timer 9 can also be performed by the computer 12 itself which is programmed accordingly, so that in this case the Timer 9 is superfluous and can be omitted.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die beschriebene Messeinrichtung keine schnellen Komparatoren benötigt, die viel Strom verbrauchen, so dass die Messeinrichtung eine geringe Stromaufnahme besitzt und mittels Batterien gespeist werden kann.It should be pointed out that the measuring device described is not a requires fast comparators that consume a lot of power, so the measuring device has a low power consumption and can be powered by batteries.
Die in der Fig. 5 dargestellte Kennlinie des Quadrates der Amplitude der Sunimenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses bei stromabwärtigen Senden ist eine Kosinus-Funktion der Trägerkreisfrequenzen X und besitzt eine Periode a.The characteristic curve of the square of the amplitude shown in FIG. 5 the sunimens voltage of a transmit and a receive pulse downstream Sending is a cosine function of the carrier circle frequencies X and has a period a.
Funktionsbeschreibung Die beiden Ultraschallwandler USl und US2 arbeiten als Dickenschwinger. Die mittlere Frequenz zum ihres Frequenzspektrums ist z.B. bei einer Dicke von 2 mm annähernd 950 kHz und die Bandbreite ihres Frequenzspektrums z.B. + 30 kHz. Die beiden Ultraschallwandler US1 und US2 arbeiten zeitlich abwechselnd und im Gegentakt als Sender und Empfänger trägerfrequenter Ultraschall impulse der Dauer t1, wobei der eine Ultraschallwandler jeweils die vom anderen Ultraschallwandler gesendeten trägerfrequenten Impulse empfängt. Der räumliche Abstand L zwischen den beiden Ultraschallwandlern USl und US2, in Längsrichtung der Messstrecke gemessen, und die Impulsdauer tl werden in Zusammenhang mit der Ultraschallgeschwindigkeit c so gewählt, dass, wie bereits erwähnt, ein von einem Ultraschallwandler gesendeter Impuls durch die Messstrecke nur um so viel verzögert wird, dass er den dazugehörigen,vom anderen Ultraschallwandler empfangenen Impuls zeitlich während einer Ueberlappungszeit tG überlappt.Functional description The two ultrasonic transducers US1 and US2 work as a thick swinger. The mean frequency for your frequency spectrum is e.g. at a thickness of 2 mm approximately 950 kHz and the bandwidth of its frequency spectrum e.g. + 30 kHz. The two ultrasonic transducers US1 and US2 work alternately and in push-pull mode as transmitter and receiver of carrier-frequency ultrasonic impulses Duration t1, with one ultrasonic transducer each time that of the other ultrasonic transducer receives transmitted carrier-frequency pulses. The spatial distance L between the two ultrasonic transducers USl and US2, measured in the longitudinal direction of the measuring section, and the pulse duration tl are related to the ultrasonic speed c chosen so that, as already mentioned, a sent by an ultrasonic transducer Impulse is only delayed by the measuring section by so much that it does the corresponding, from other ultrasonic transducer received pulse temporally during an overlap time tG overlaps.
Es wird während zeitlich aufeinanderfolgenden Zeitperioden tl, t2, t ... mit unterschiedlichen Werten der Trägerfrequenz f gesendet, wobei diese Werte im Durchlassfrequenzbereich 920 kHz bis 980 kHz des Frequenzspektrums der Ultraschallwandler USl und US2 liegen. Es gilt wie bereits erwähnt: t1 = t2 = t3 = .... Der Sinusgenerator 2 erzeugt ein Dauersignal, dessen Frequenz während den Zeitperioden tl, t2, t3, ... jeweils den entsprechenden Wert der Trägerfrequenz f besitzt.During consecutive time periods tl, t2, t ... sent with different values of the carrier frequency f, these values in the pass frequency range 920 kHz to 980 kHz of the frequency spectrum of the ultrasonic transducers USl and US2 lie. As already mentioned, the following applies: t1 = t2 = t3 = .... The sine generator 2 generates a continuous signal, the frequency of which during the time periods tl, t2, t3, ... each has the corresponding value of the carrier frequency f.
Dieses Dauersignal wird mit Hilfe des Tastkontaktes 3 moduliert. Das UmsSchalten des programmierbaren Sinusgenerators 2 von einem Wert der Frequenz f auf den anderen erfolgt mit Hilfe des im Zeitdiagramm 3A der Fig. 3 dargestellten Steuersignals, dessen Perioden tl = t2 = t3 = ... im Sinusgenerator 2 z.B. gezählt werden, damit der Zählwert anschliessend den Wert der Frequenz f des Sinusgenerators 2 auf einen anderen Wert umschaltet. Dieses Steuersignal wird im Zeitgeber 9 erzeugt und erreicht gemäss Fig. 2 über den Senderichtungsumschalt- Steuerausgang 14 sowohl den Steuereingang des Sinusgenerators 2 als auch den Steuereingang des zweipoligen Umschalters 4. Der letzte wird dadurch mit einer Periode tal/2 = t2/2 =t3/2 = ... umgeschaltet, so dass er beim Logikwert "0" des Steuersignals die in der Fig. 2 dargestellte Stellung einnimmt, bei der der zweite Ultraschallwandler US2 als Sender arbeitet und Ultraschallwellen z.B. stromaufwärts gesendet werden. Beim Logikwert "1" des Steuersignals nimmt dagegen der zweipolige Umschalter 4 die andere Stellung ein, bei der der erste Ultraschallwander USl als Sender arbeitet und Ultraschallwellen stromabwärts gesendet werden. Mit anderen Worten: In der Darstellung der Fig. 3 wird während der ersten Hälfte des Zeitbereichs t1 stromabwärts und während der zweiten Hälfte stromaufwärts gesendet. Es wird für jeden Wert der Trägerfrequenz f nur je ein einziger trägerfrequenter Impuls stromabwärts und je ein einziger trägerfrequenter Impuls stromaufwärts gesendet, d.h. der erste Impuls des im Zeitdiagramm 3B der Fig. 3 dargestellten Tastsignals entspricht der einen Senderichtung, nämlich der stromabwärtigen Richtung, und der zweite Impuls der anderen Senderichtung, also der stromaufwärtigen Richtung. Dieses Tastsignal wird ebenfalls im Zeitgeber 9 erzeugt und erreicht über dessen Tastausgang 15 den Steuereingang des Tastkontaktes 3 (Fig. 2).This continuous signal is modulated with the aid of the push button contact 3. That Switching the programmable sine wave generator 2 from a value of the frequency f the other is done with the aid of that shown in the timing diagram 3A of FIG Control signal whose periods tl = t2 = t3 = ... are counted in the sine generator 2, for example so that the count value then corresponds to the value of the frequency f of the sine wave generator 2 switches to another value. This control signal is generated in the timer 9 and achieved according to Fig. 2 via the transmission direction switchover Control output 14 both the control input of the sine generator 2 and the control input of the two-pole changeover switch 4. The last is thereby with a period tal / 2 = t2 / 2 = t3 / 2 = ... switched over, so that when the logic value "0" of the control signal occurs, the in 2 assumes the position shown in which the second ultrasonic transducer US2 works as a transmitter and ultrasonic waves are sent e.g. upstream. When the logic value "1" of the control signal, however, the two-pole changeover switch 4 takes the Another position in which the first ultrasonic transducer USl works as a transmitter and ultrasonic waves are sent downstream. In other words: in the presentation of FIG. 3 becomes downstream during the first half of the time range t1 and during the second half sent upstream. It will be for each value of the carrier frequency f only a single carrier-frequency pulse downstream and a single carrier-frequency pulse Pulse sent upstream, i.e. the first pulse of the in timing diagram 3B of FIG Fig. 3 represented key signal corresponds to the one transmission direction, namely the downstream direction, and the second pulse of the other transmission direction, that is the upstream direction. This key signal is also generated in the timer 9 and reaches the control input of the pushbutton contact 3 via its pushbutton output 15 (Fig. 2).
Seine Impulsdauer ist T1 und seine Impulsperiode t1/2. Durch das Oeffnen und Schliessen des Tastkontaktes 3 im Rhytmus des Tastsignals erreichen trägerfrequente Sendeimpulse, je nach augenblicklicher Stellung des zweipoligen Umschalters 4, entweder den ersten oder den zweiten Ultraschallwandler USl bzw. US2. Die Amplituden der gesendeten trägerfrequenten Impulse sind aus dem Zeitdiagramm 3C der Fig. 3 und die Amplituden der dazugehörigen und um die Laufzeit tL verzögerten empfangenen trägerfrequenten Impulse aus dem Zeitdiagramm 3D der Fig. 3 ersichtlich. Die Amplituden der Summenspannung beider Impulsarten ist im Zeitdiagramm 3E der Fig. 3 dargestellt. Dieses besteht aus Impulsen, die je aus den drei bereits erwähnten Zeitbereichen tL, tG und >tG bestehen, die unterschiedliche Amplitudenwerte besitzen. Die Summenspannung wird mit Hilfe des Addierers 5 und ihre Amplituden anschliessend mit Hilfe des Amplitudendetektors 6 ermittelt. Der Amplitudendetektor 6 wird jeweils vor der Ermittlung einer neuen Amplitude mit Hilfe der im Zeitdiagramm 3G der Fig. 3 dargestellten sehr kurzen Rückstellimpulse der Dauer T auf Null zurückgestellt. Diese Rückstellimpulse werden in Zeitgeber 9 erzeugt und über dessen Rückstellausgang 16 dem Rückstelleingang des Amplitudendetektors 6 zugeführt.Its pulse duration is T1 and its pulse period is t1 / 2. By opening and closing of the touch contact 3 in the rhythm of the touch signal reach carrier frequencies Transmission pulses, depending on the current position of the two-pole changeover switch 4, either the first or the second ultrasonic transducer US1 or US2. The amplitudes of the transmitted carrier-frequency pulses are from the timing diagram 3C of FIGS. 3 and the amplitudes of the associated received and delayed by the transit time tL Carrier-frequency pulses can be seen from the time diagram 3D in FIG. 3. The amplitudes the total voltage of both types of pulses is shown in timing diagram 3E in FIG. This consists of impulses, each from the three time ranges already mentioned tL, tG and> tG exist, which have different amplitude values. The total voltage with the aid of the adder 5 and then its amplitudes with the aid of the amplitude detector 6 determined. The amplitude detector 6 is in each case before the determination of a new Amplitude with the aid of the very short ones shown in the timing diagram 3G in FIG. 3 Reset pulses of duration T on Reset to zero. These reset pulses are generated in timer 9 and via its reset output 16 to the reset input of the amplitude detector 6 is supplied.
Nachfolgend werden folgende Bezeichnungen verwendet: Augenblickswert der am Ultraschallwandler anstehenden Generatorausgangsspannung, A die zu à gehörende Sendeamplitude, BD Augenblickswert der am Ultraschallwandler anstehenden Eupfängerspannung beim stromabwärtigen Senden (D bedeutet "Downwards"), BD die zu BD gehörende E'npfangsaiiiplitude, BU Augenblickswert der am Ultraschallwandler anstehenden Empfängerspannung beim stromaufwärtigen Senden (U bedeutet "Upwards") und BU die zu BU gehörende Empfangsamplitude.The following terms are used below: Instantaneous value the generator output voltage present at the ultrasonic transducer, A the associated with à Transmit amplitude, BD Instantaneous value of the receiver voltage present at the ultrasonic transducer in the case of downstream transmission (D means "downwards"), BD the receiving amplitude belonging to BD, BU Instantaneous value of the receiver voltage present at the ultrasonic transducer at upstream sending (U means "Upwards") and BU the reception amplitude belonging to BU.
Für die Empfangsamplituden gilt die Annahme, dass BD = BU = B.For the reception amplitudes, the assumption applies that BD = BU = B.
Es gelten die Gleichungen: A = A ei = B ej# (t = B . ej# (t +c-w ), wobei: die Trägerkreisfrequenz 2#f, t die Zeit, die gesuchte mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit und c = c(# ) die temperaturabhängige Ultraschallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit darstellen.The following equations apply: A = A ei = B ej # (t = B. Ej # (t + c-w), where: the carrier angular frequency 2 # f, t the time, the sought mean flow velocity the liquid and c = c (#) the temperature-dependent ultrasonic speed represent in the liquid.
Während jeder Ueberlappungszeit tG, also zweimal pro Wert der Trägerfrequenz f, wird am Ausgang des Addierers 5 entweder die Summenspannung à + BD oder die Summenspannung A + BU des gesendeten und des zugehörigen empfangenen Impulses erzeugt. In der Fig. 3 wurde angenommen, dass während des ersten Sendeimpulses innerhalb eines der Zeitbereiche tl, t2, t ... die Summenspannung r+ §'D und während des zweiten Impulses A und BU am Ausgang des Addierers 5 ansteht.During each overlap time tG, i.e. twice per value of the carrier frequency f, at the output of the adder 5 either the sum voltage à + BD or the sum voltage A + BU of the transmitted and the associated received pulse generated. In Fig. 3 it was assumed that during the first transmission pulse within one of the time ranges tl, t2, t ... the total voltage r + §'D and A and BU during the second pulse is present at the output of the adder 5.
Der Amplitudendetektor 6 ermittelt dann anschliessend während jeder Ueberlappungszeit tG die Amplitudenwerte dieser Summenspannungen |A + BD| bzw. |A + BU|.The amplitude detector 6 then determines during each Overlap time tG the amplitude values of these total voltages | A + BD | or | A + BU |.
Wenn mit dem Index * eine konjugiert komplexe Grösse dargestellt wird, dann gilt beim stromabwärtigen Sender: * |A + BD|² =(A+ BD)(A + BD) , mit: j# t j# (t + L ) (A + BD) =Ae + B e C+W und (A+ * = Ae -jw t + B e~jU (t +c+L Diese Gleichungen ergeben zusammen: |A + BD|² = A² + A . B . (ej#c + w/L + ej#c + w/L) + B² = A2 + 2A B e cos [# L / (c+w)]+B2 (I).If a conjugate complex quantity is represented with the index *, then applies to the downstream transmitter: * | A + BD | ² = (A + BD) (A + BD), with: j # t j # (t + L) (A + BD) = Ae + B e C + W and (A + * = Ae -jw t + B e ~ jU (t + c + L These equations together result in: | A + BD | ² = A² + A. B. (ej # c + w / L + ej # c + w / L) + B² = A2 + 2A B e cos [# L / (c + w)] + B2 (I).
Auf die gleiche Weise wird für das stromaufwärtige Senden folgende Gleichung ermittelt: |A + Bu|² = A2 + 2A B cos L L / (c-w)] + B2. (11).In the same way, for the upstream transmission, the following Equation determined: | A + Bu | ² = A2 + 2A B cos L L / (c-w)] + B2. (11).
Die beiden Gleichungen (I) und (II) stellen in Funktion der Trägerkreisfrequenz - = 27if Kosinus-Funktionen dar, die unterschiedliche Perioden besitzen. Die durch die Gleichung (I) dargestellte erste Kosinus-Funktion |A + BD|² ist in der Fig. 5 dargestellt. Ihr Mittelwert, d.h. ihre Gleichspannungs-Komponente, ist gleich A2 + B², ihre Wechselspannungs-Amplitude gleich 2A B, ihre Periode # gleich 2# (c+w) / L und ihr Anfangswert gleich (A + B)2. Die niedrigste Trägerkreisfrequenz bei der die erste Kosinus-Funktion I+I2 D einen vorgegebenen konstanten Pegelwert M2 besitzt, ist mit #1 = 2#f1 bezeichnet (siehe Fig. 5). Die niedrigste Trägerkreisfrequenz bei der die zweite Kosinus-Funktion A + BU|² den gleichen Pegelwert M2 besitzt, wird dagegen mit #2 = 2#f2 bezeichnet. Die drittniedrigste Trägerkreisfrequenz bei der die erste Kosinus-Funktion |A + BD|² wieder einen Pegelwert M2 besitzt, ist mit #3 = 2#f3 bezeichnet (siehe Fig. 5), d.h.The two equations (I) and (II) represent a function of the carrier angular frequency - = 27if represent cosine functions that have different periods. By the first cosine function | A + BD | ² shown in equation (I) is shown in FIG. 5 shown. Their mean value, i.e. their DC voltage component, is the same A2 + B², its alternating voltage amplitude is 2A B, its period # equals 2 # (c + w) / L and its initial value equals (A + B) 2. The lowest carrier angular frequency in which the first cosine function I + I2 D has a predetermined constant level value M2 is denoted by # 1 = 2 # f1 (see Fig. 5). The lowest carrier angular frequency in which the second cosine function A + BU | ² has the same level value M2, on the other hand is denoted by # 2 = 2 # f2. The third lowest carrier angular frequency at which the first cosine function | A + BD | ² again has a level value M2 denoted by # 3 = 2 # f3 (see Fig. 5), i.e.
w3 = #1 + n = w + 2# (c+w) / L oder 1 - 1 f3 = fl + (c+w) / L oder #f3,1 = f3 - f1 = (c+w) / L (III).w3 = # 1 + n = w + 2 # (c + w) / L or 1 - 1 f3 = fl + (c + w) / L or # f3,1 = f3 - f1 = (c + w) / L (III).
Mit anderen Worten: Beim stromabwärtigen Senden besitzen die Amplituden |A+ BD |der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses bei den Trägerkreisfrequenzen W, und #3 bzw. bei den Trägerfrequenzen f1 und f3 einen Pegelwert M. Desgleichen besitzen beim stromaufwärtigen Senden die Amplituden r+ der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses bei der Trägerkreisfrequenz tt2 bzw. bei der Trägerfrequenz f2 ebenfalls den Pegelwert M.In other words, when transmitting downstream, the amplitudes have | A + BD | the total voltage of a transmit and a receive pulse at the carrier circle frequencies W, and # 3 or a level value M at the carrier frequencies f1 and f3. The same have the amplitudes r + of the sum voltage of one when transmitting upstream Transmit and receive pulses at the carrier circle frequency tt2 or at the carrier frequency f2 also the level value M.
Wie bereits erwähnt, liegen die im Zeitdiagramm 3H der Fig. 3 dargestellten Abtastimpulse der Dauer T3 zeitlich alle in den Ueberlappungszeiten tG, so dass die Abtast/Halte-Schaltung 7 die Amplitudenwerte A + BD| bzw. A + BUl der jeweiligen Summenspannungen abwechselnd einmal pro Ueberlappungszeit tG abtastet und als Analogwerte speichert. Die gespeicherten analogen Abtastwerte stellen einen Auswerteparameter dar, der aus den gesendeten und den zugehörigen empfangenen Impulsen für jeden Wert der Trägerfrequenz f und für beide Senderichtungen ermittelt wird. Diese Abtastimpulse werden im Zeitgeber 9 erzeugt und erreichen über desse ersten Abtast-Steuerausgang 17 den Steuereingang der Abtast/Halte-Schaltung 7 (Fig. 2). Der Analog/Digital-Wandler 11 wandelt die gespeicherten analogen Abtastwerte anschliessend um in je einen Digitalwert, um diese dann anschliessend dem Speicher des Rechners 12 zuzuführen, wo sie dann unter geeigneten Adressen abgespeichert werden.As already mentioned, those shown in the timing diagram 3H in FIG. 3 are located Sampling pulses of duration T3 temporally all in the overlap times tG, so that the sample / hold circuit 7 the amplitude values A + BD | or A + BUl of the respective Total voltages alternately sampled once per overlap time tG and as analog values saves. The stored analog sampled values represent an evaluation parameter represents that of the transmitted and the associated received pulses for each value the carrier frequency f and is determined for both transmission directions. These sampling pulses are generated in the timer 9 and reach its first sampling control output 17 the control input of the sample / hold circuit 7 (Fig. 2). The analog / digital converter 11 then converts the stored analog sampled values into a digital value each, in order to then supply them to the memory of the computer 12, where they then be saved at suitable addresses.
Mit anderen Worten: Für jeden Wert der Trägerfrequenz f werden zeitlich nacheinander und in der angegebenen Reihenfolge je ein diskreter digitalisierter Abtastwert der Amplituden |A+BD|und |A + BU |im Speicher des Rechners 12 gespeichert, so dass für beide Senderichtungen je eine Funktion des Auswerteparameters in Abhängigkeit von der Trägerfrequenz f gespeichert ist. Da dieses Abspeichern für eine Vielzahl Werte der Trägerfrequenz f erfolgt, ergeben die Quadrate der digitalisierten Abtastwerte der Amplitudenwerte |A + BD| und |A + BU| der Summenspannungen beim stromabwärtigen und und beim stromaufwärtigen Senden in Funktion der Trägerkreisfrequenz bzw. der Trägerfrequenz f je eine Vielzahl diskreter Kennlinienpunkte und damit je einen treppenförmigen Kosinus-Verlauf, der vom Rechner 12, z.B. mit Hilfe eines bekannten statistischen Verfahrens, in je eine zugehörige kontinuierlich-analoge Kosinus-Funktion umgewandelt wird, die durch die Gleichung (I) bzw. (II) dargestellt ist. Der Rechner 12 ermittelt anschliessend die niedrigsten Trägerfrequenzen fl und f bei denen die beiden Kosinus-Funktionen |A + BD|2 und |A + BU|2 einen dem Rechner 12 vorgegebenen Pegelwert M2 besitzen, sowie die drittniedrigste Trägerfrequenz f3, bei der die erste, dem stromabwärtigen Senden zugehörige Kosinus-Funktion |A + BD|2 ebenfalls diesen Pegelwert M2 besitzt.In other words: for each value of the carrier frequency f are temporal one after the other and in the specified order, one discrete digitized each Sampling of the amplitudes | A + BD | and | A + BU | stored in the memory of the computer 12, so that a function of the evaluation parameter is dependent on each of the two transmission directions is stored by the carrier frequency f. Since this saving for a multitude Values of the carrier frequency f, result in the squares of the digitized sample values of the amplitude values | A + BD | and | A + BU | of the total voltages at the downstream and and for upstream transmission as a function of the carrier angular frequency or the Carrier frequency f each has a large number of discrete characteristic points and thus one each step-shaped cosine curve which the computer 12, e.g. with the help of a known statistical method, each with an associated continuously analog cosine function which is represented by equations (I) and (II), respectively. The computer 12 then determines the lowest carrier frequencies fl and f at which the two cosine functions | A + BD | 2 and | A + BU | 2 are given to the computer 12 Have level value M2, as well as the third lowest carrier frequency f3 at which the first cosine function | A + BD | 2 associated with the downstream transmission as well has this level value M2.
Für # = #1 = 2#f1 bzw. z =w2 = 2#f2 ergeben die Gleichungen (I) bzw. (II) die Geichungen: M2 =|A + BD|2 =A2 + 2 A B cos [;lL / (c+w)] + B2 bzw.For # = # 1 = 2 # f1 or z = w2 = 2 # f2 the equations (I) and (II) the equations: M2 = | A + BD | 2 = A2 + 2 A B cos [; lL / (c + w)] + B2 or
M2 =| A + i2 = A2 + 2 A B cos [#2L)2L /(c-w)] +B2 oder: cos [#1. L / <c+wJ = (M2 - A2 - B2) / 2-A B = P bzw.M2 = | A + i2 = A2 + 2 A B cos [# 2L) 2L / (c-w)] + B2 or: cos [# 1. L. / <c + wJ = (M2 - A2 - B2) / 2-A B = P or
cos [X2 L / (c-w)j = (M2 - A2 - B2) / 2 AB = P oder: 1 L / (c+w) = arc cos P = K bzw.cos [X2 L / (c-w) j = (M2 - A2 - B2) / 2 AB = P or: 1 L / (c + w) = arc cos P = K resp.
#2. L / (c-w) = arc cos P = K.# 2. L / (c-w) = arc cos P = K.
Die beiden letzten Gleichungen ergeben zusammen: wobei m eine Konstante ist. The last two equations add up to: where m is a constant.
Die mittlere Stömungsgeschwindigkeit w der Flüssigkeit ist somit gemäss der Gleichung (VI) unabhängig von der temperaturabhängigen Ultraschallgeschwindigkeit c und damit auch selber unabhängig von der Temperatur 6. Sie ist dagegen abhängig von der vorläufig unbekannten Konstanten m. Diese wird mit Hilfe der Gleichungen (III) und (IV) ermittelt, da: Die Gleichungen (VI) und (VII) ergeben zusammen: Nachdem der Rechner 12 die Frequenzen fl, f2 und f3 ermittelt hat, berechnet er mit Hilfe des ihm vorgegebenen Abstandswertes L der beiden Ultraschallwandler USl und US2 zeitlich nacheinander: fl'2 = fl - f2' = f3 - f1 und Es ist bei dieser Gelgenheit darauf hinzuweisen, dass die Messstrecke einen symmetrischen Vierpol darstellt, der praktisch nur ein Verzögerungsglied ist.According to equation (VI), the mean flow velocity w of the liquid is therefore independent of the temperature-dependent ultrasonic velocity c and therefore also independent of the temperature 6. It is, however, dependent on the temporarily unknown constant m. This is calculated with the aid of equations (III) and (IV) determined because: The equations (VI) and (VII) together result in: After the computer 12 has determined the frequencies fl, f2 and f3, it calculates with the aid of the predetermined distance value L of the two ultrasonic transducers US1 and US2 in chronological order: fl'2 = fl-f2 '= f3-f1 and On this occasion it should be pointed out that the measuring section represents a symmetrical quadrupole that is practically just a delay element.
Die beschriebene Methode gestattet es den Einfluss vorhandener Echos zu eliminieren und in relativ kurzer Zeit und unter Verwendung eines normalen und nicht komplizierten Aufbaus der Messstrecke die mittlere Strömungsgeschwindigkeit w mit hoher Genauigkeit temperaturunabhängig zu ermitteln. Die Ultraschall-Sendefrequenz, d. h. die Trägerfrequenzen f, sind innerhalb der Bandbreite des Frequenzspektrums der Ultraschallwandler USl und US2 frei wählbar. Ein Regelkreis wird nicht benötigt.The method described allows the influence of existing echoes to eliminate and in a relatively short time and using a normal and not complicated structure of the measuring section the middle one Flow velocity w can be determined with high accuracy regardless of temperature. The ultrasonic transmission frequency, d. H. the carrier frequencies f are within the bandwidth of the frequency spectrum the ultrasonic transducers USl and US2 can be freely selected. A control loop is not required.
Der in der Fig. 4 dargestellte Zeitgeber 9 erzeugt die in den Zeitdiagrammen 3A, 3B und 3F bis 3H der Fig. 3 dargestellten Signale. Der astabile Multivibrator 22 beginnt zu schwingen, sobald an seinem Speiseeingang über den Starteingang 13 des Zeitgebers 9 vom Rechner 12 eine Spannung angelegt wird. Die Periode seines Ausgangssignals, das im Zeitdiagramm 3A der Fig. 3 dargestellt ist, ist tl = t2 = t3 =....The timer 9 shown in FIG. 4 generates the time diagrams 3A, 3B and 3F to 3H of FIG. 3. The astable multivibrator 22 begins to oscillate as soon as it reaches its feed input via start input 13 of the timer 9 from the computer 12 a voltage is applied. The period of his The output signal, which is shown in the timing diagram 3A of FIG. 3, is t1 = t2 = t3 = ....
Jede seiner positivgehenden Flanken erzeugt mit Hilfe des ersten monostabilen Multivibrators 23 einen Impuls der Dauer fl und jede seiner negativgehenden Flanken mit Hilfe des zweiten monostabilen Multivibrators 24 einen Impuls ebenfalls der Dauer Tl. Der erste Oder-Gatter 25 addiert beide Impulsarten zeitseriell, so dass die im Zeitdiagramm 3B der Fig. 3 dargestellte Impulsfolge des Tastsignals entsteht. Jede negativgehende Flanke dieses Tastsignals erzeugt mit Hilfe des dritten monostabilen Multivibrators 26 je einen Impuls der Dauer zur der im Zeitdiagramm 3F der Fig. 3 wiedergeben ist.Each of its positive going edges is generated with the help of the first monostable Multivibrator 23 a pulse of duration fl and each of its negative-going edges with the help of the second monostable multivibrator 24 a pulse also the Duration Tl. The first OR gate 25 adds both types of pulses in a time series, so that the pulse sequence of the key signal shown in the timing diagram 3B of FIG. 3 arises. Each negative-going edge of this key signal is generated with the aid of the third monostable Multivibrators 26 each have a pulse of the duration in the time diagram 3F of FIG. 3 is reproduced.
Jede negativgehende Flanke dieser Impulse der Dauer T2 erzeugt mit Hilfe des vierten monostabilen Multivibrators 27 je einen kurzen Rückstellimpuls der Dauer t und erzeugt so die im Zeitdiagramm 3G der Fig. 3 dargestellte Rückstell-Impulsfolge.Each negative-going edge of these pulses of duration T2 is also generated With the help of the fourth monostable multivibrator 27, a short reset pulse each time of duration t and thus generates the reset pulse sequence shown in the timing diagram 3G in FIG. 3.
Jede negativgehende Flanke der Impulse der Dauer 172 erzeugt ausserdem noch mit Hilfe des fünften monostabilen Multivibrators 29 je eine Verzögerungszeit tv, nach deren Ablauf je eine positivgehende Flanke am Eingang des sechsten monostabilen Multivibrators 32 erscheint, der nun jeweils einen Abtastimpuls der Dauer T3 erzeugt.Each negative going edge of the pulse of duration 172 also generates still with the aid of the fifth monostable multivibrator 29 a delay time each tv, after which a positive-going edge at the input of the sixth monostable Multivibrator 32 appears, which now generates a sampling pulse of duration T3.
Diese Abtastimpulse sind im Zeitdiagramm 3H der Fig. 3 dargestellt.These sampling pulses are shown in the timing diagram 3H of FIG.
Claims (3)
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| WO2014079733A1 (en) * | 2012-11-26 | 2014-05-30 | Endress+Hauser Flowtec Ag | Field device, in particular ultrasonic flow rate measuring device |
| US10145714B2 (en) | 2012-11-26 | 2018-12-04 | Endress + Hauser Flowtec Ag | Ultrasonic flow measuring device having a downstream resistance network for improved zero point stability |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3542704C2 (en) | 1987-11-26 |
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