DE3542704C2

DE3542704C2 -

Info

Publication number: DE3542704C2
Application number: DE19853542704
Authority: DE
Inventors: Claudio Dipl.-El.Ing. Eth Cham Ch Meisser
Original assignee: LGZ Landis and Gyr Zug AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG
Priority date: 1985-11-12
Filing date: 1985-12-03
Publication date: 1987-11-26
Also published as: DE3542704A1

Description

Area of application and purpose

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. des Anspruchs 3.The invention relates to a method and to a device for temperature-independent measurement of an average flow rate a liquid according to the preamble of claim 1 or 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 facilities are known for. B. for flow measurement used in heat meters of a heating system because the heat output a heater known to be proportional to the volume flow of the Heating water and this in turn proportional to the average flow rate of the heating water.

State of the art

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. Jena. Diese Verfahren ermitteln in der Regel die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Heizungswassers mit Hilfe der FormelVarious ultrasonic measuring methods are known, e.g. B. from the VDI Reports No. 509, 1984, pages 39 to 42, ultrasonic flow Sensor for heat quantity measurement, v. Jena. Identify these procedures usually the mean flow velocity of the heating water using the formula

wobei c die Ultraschallgeschwindigkeit im Heizungswasser, L der räumliche Abstand zwischen zwei Ultraschallwandlern und Δ t der Laufzeitunterschied zwischen einer stromabwärts und einer stromaufwärts gesendeten Ultraschallwelle ist. Da die Ultraschallgeschwindigkeit c temperaturabhängig ist, ist auch die unter Verwendung dieser Formel gefundene mittlere Strömungsgeschwindigkeit temperaturabhängig.in whichc the ultrasound speed in the heating water,L the spatial distance between two Ultrasonic transducers andΔ t the runtime difference between one downstream and an upstream ultrasonic wave. Because the ultrasound speedc is temperature-dependent, too the mean flow rate 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 λ 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 A1 beschrieben, wobei λ = d · cos α durch die Geometrie des relativ komplizierten Aufbaus der Interdigitalwandler und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit durch die FormelIn the already mentioned prior art, a "Lamda Locked Loop "method mentioned where the wavelengthλ the Ultrasonic wave is kept constant for both transmission directions, be it with the help of a phase control or be it by using a Flow sensor with interdigital transducers. The last ones are in the DE 31 20 541 A1 described, whereinλ =d · Cosα through the geometry the relatively complicated structure of the interdigital converter and the average flow velocity through the formula

gegeben sind.given are.

Eine ähnliche Formel, nämlichA similar formula, namely

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.results in Acustica, Vol. 26 (1972), pages 284 to 288, one path ultrasonic flowmeter using electroacoustic feedback, D. Assenza and M. Pappalardo, described method in which an ultrasonic measuring section Amplifier feedback.

Die beiden letzten Formeln sind unabhängig von der Ultraschallgeschwindigkeit c und damit auch von der Temperatur δ 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 of the temperature δ of the heating water; however, they contain an unknown constant n.

Task and solution

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.The invention has for its object to find a method and to implement a device that allow the average flow rate of a liquid, for. B. the heating water of a heater, in a relatively short time, with high accuracy, without large current consumption, since battery operation should be possible, without using a complicated measuring path structure or a control circuit and using freely selectable ultrasonic transmission frequencies to measure temperature-independent, without doing so unknown constant n is present.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3 angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved by means of the in the mark of claim 1 and claim 3 specified features.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigtAn embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below. It shows

Fig. 1 einen Aufbau einer Meßstrecke, Fig. 1 shows a construction of a measuring section,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Meßeinrichtung, Fig. 2 is a block diagram of a measuring device,

Fig. 3 Zeitdiagramme der in der Meßrichtung verwendeten Signale, Fig. 3 time diagrams of the signals used in the measurement direction,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Zeitgebers und Fig. 4 is a block diagram of a timer and

Fig. 5 eine Kennlinie des Quadrates der Amplitude der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses beim stromabwärtigen Senden in Funktion der Trägerkreisfrequenzen ω . Fig. 5 is a characteristic curve of the square of ω of the amplitude of the sum voltage of a transmission and a reception pulse at the downstream transmission in function of the carrier angular frequencies.

Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Fig. der Zeichnung gleiche Teile.Like reference numerals denote in all the figures. The drawing, like parts.

description

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 US 1 und US 2 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. The measuring section shown in Fig. 1 consists of a simple and known measuring tube 1 as a waveguide, which from a liquid, for. B. heating water is flowed through in the longitudinal direction. In the illustration of FIG. 1, the liquid flows into the measuring tube 1 at the top left from the top down and out from the bottom at the top right. The longitudinal direction of the measuring tube 1 forms the actual measuring section. Two approximately identical ultrasonic transducers US 1 and US 2 are arranged at the end, at a spatial distance L from one another, at the two ends of the measuring section, ie the measuring tube 1 . The measuring tube 1 has an inner tube radius R.

Die Strömungsgeschwindigkeit 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 angenommen und dargestellt. Die gesuchte mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit entspricht dem IntegralThe flow ratew (r) the liquid in the measuring tube1 is a function of the radius coordinater of the measuring tube1. In theFig. 1 became the presence of a parabolic flow profile adopted and presented. The searched average flow velocity the liquid corresponds to the 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 4 a bzw. 4 b besteht, einer Meßstrecke, die symbolisch durch ihre Länge L dargestellt ist, zwei Ultraschallwandlern US 1 und US 2, einem Addierer 5, einem Amplitudendetektor 6, einer Abtast/Halte-Schaltung 7, einem Zeitgeber 9, einem Analog/Digital- Wandler 11, drei Widerständen R 1, und R 2 und R 3 sowie einem Rechner 12. The measuring device shown in Fig. 2 consists of a sine generator 2 with a low-impedance output, a touch contact 3, a two-pole switch 4, which consists of a first and a second single-pole switch 4 a and 4 b , a measuring section, which is symbolic by their Length L is shown, two ultrasonic transducers US 1 and US 2, an adder 5, an amplitude detector 6, a sample / hold circuit 7, a timer 9, an analog / digital converter 11, three resistors R 1, and R 2 and R 3 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 4 a und 4 b 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. Es gilt die Annahme, daß der geschlossene Tastkontakt 3 und der Widerstand R 3 einen gleichen Widerstandswert besitzen. Je ein erster Pol der beiden Ultraschallwandler US 1 und US 2 liegt direkt an Masse, während der andere zweite Pol jeweils z. B. über einen 200-Ohm-Widerstand R 1 bzw. R 2 mit der Masse verbunden ist. Der Amplitudendetektor 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.The sample / hold circuit 7 is a known, commercially available "sample / hold circuit". The frequency of the sine generator 2, the output resistance z. B. is equal to zero, is programmable so that it successively generates different values of a carrier frequency f in time . Each single-pole switch 4 a and 4 b consists, for. B. from a work and a break contact. The touch contact 3 is z. B. a work contact. All work and rest contacts are e.g. B. known and commercially available CMOS analog switches. The assumption is that the closed key contact 3 and the resistor R 3 have the same resistance value. A first pole of each of the two ultrasonic transducers US 1 and US 2 is connected directly to ground, while the other second pole is in each case, for. B. is connected to the ground via a 200-ohm resistor R 1 or R 2 . The amplitude detector 6 is a known and arbitrary amplitude demodulator, e.g. B. an envelope detector, a "peak follower" or a rectifier, which is followed by an integrator to form the area integral. The calculator 12 is e.g. B. 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 4 a mit dem nicht direkt an Masse liegenden zweiten Pol des ersten Ultraschallwandlers US 1 und über den Ruhekontakt des zweiten einpoligen Umschalters 4 b mit dem nicht direkt an Masse liegenden zweiten Pol des zweiten Ultraschallwandlers US 2 verbunden. Ein zweiter Eingang des Addierers 5 ist seinerseits über den Ruhekontakt des ersten einpoligen Umschalters 4 a auf den zweiten Pol des ersten Ultraschallwandlers US 1, über den Arbeitskontakt des zweiten einpoligen Umschalters 4 b auf den zweiten Pol des zweiten Ultraschallwandlers US 2 und über den Widerstand R 3 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 connected to the input pole of the touch contact 3 and to a first input of the adder 5 . The output pole of the tactile contact 3 is via the normally open contact of the first single-pole changeover switch 4 a with the second pole of the first ultrasonic transducer US 1 which is not directly connected to ground and via the normally closed contact of the second single-pole switch 4 b with the second pole of the second one not directly connected to ground Ultrasonic transducer US 2 connected. A second input of the adder 5 is in turn via the normally closed contact of the first single-pole switch 4 a to the second pole of the first ultrasonic transducer US 1, via the normally open contact of the second single-pole switch 4 b to the second pole of the second ultrasonic transducer US 2 and via the resistor R. 3 led to ground. The single-pole output of the adder 5 feeds the input of the amplitude detector 6, the single-pole output of which is in turn connected to the data input of the sample-and-hold circuit 7 . The single-pole analog input of the analog / digital converter 11 is routed to the output of the sample / hold circuit 7 . The timer 9 has a start input 13 and four outputs 14 to 17. The start input 13 is connected to a start output 20 of the computer 12 , the data bus input 21 of which in turn is fed by the digital output of the analog / digital converter 11 . The transmission direction changeover control output 14 of the timer 9 is connected to the control input of the sine wave generator 2 and to the control input of the two-pole switch 4 , its pushbutton output 15 to the control input of the pushbutton 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 of the sample / hold circuit 7.

Die Fig. 3 enthält acht Zeitdiagramme 3 A, 3 B, . . ., 3 H. Die Zeitdiagramme 3 A, 3 B und 3 F bis 3 H stellen verschiedene binäre Steuersignale dar, die alle nur die beiden Logikwerte "1" und "0" annehmen können. Die Zeitdiagramme 3 C bis 3 E dagegen besitzen Analogwerte FIG. 3 includes eight time charts 3 A, 3 B,. . ., 3 H. The time diagrams 3 A, 3 B and 3 F to 3 H represent different binary control signals, all of which can only assume the two logic values "1" and "0". The time diagrams 3 C to 3 E, on the other hand, have analog values

Im Detail stellen die verschiedenen Zeitdiagramme folgende Signale dar:The various timing diagrams provide the following signals in detail represents:

3 A Steuersignal zum Umschalten von einem Wert der Trägerfrequenz auf den anderen und zum Umschalten der Senderichtung der beiden Ultraschallwandler US 1 und US 2, 3 B Tastsignal zum Steuern des Tastkontaktes 3 der Messeinrichtung, 3 C Amplituden der Generatorspannung, 3 D Amplituden der Empfangsspannung der beiden Ultraschallwandler US 1 und US 2, 3 E Amplituden der Summenspannung der Sende- und Empfangsspannung der beiden Ultraschallwandler US 1 und US 2, 3 F Impulsfolge als Hilfssignal zur Erzeugung der Zeitdiagramme 3 G und 3 H, 3 G Impulsfolge zur Rückstellung des Amplitudendetektors 6 und 3 H Abtastimpulse für die Abtast/Halte-Schaltung 7. 3 A control signal for switching from one value of the carrier frequency to the other and for switching the transmission direction of the two ultrasonic transducers US 1 and US 2, 3 B push signal for controlling the touch contact 3 of the measuring device, 3 C amplitudes of the generator voltage, 3 D amplitudes of the received voltage two ultrasound transducers US 1 and US 2 , 3 E amplitudes of the sum voltage of the transmission and reception voltage of the two ultrasound transducers US 1 and US 2, 3 F pulse train as an auxiliary signal for generating the time diagrams 3 G and 3 H, 3 G pulse train for resetting the amplitude detector 6 and 3 H sample pulses for sample / hold circuit 7.

Die acht Zeitdiagramme 3 A bis 3 H sind für eine Dauer t ₁ dargestellt, während der die Ultraschallwandler US 1 und US 2 mit einem einzigen Wert der Trägerfrequenz f senden. Während den zeitlich nachfolgenden Zeitperioden t ₂, t ₃, . . ., mit t ₂ = t ₃ = . . . Senden sie jeweils mit einem anderen Wert der Trägerfrequenz f. Das durch das Zeitdiagramm 3 A dargestellte Steuersignal hat eine Periode gleich t ₁ = t ₂ = t ₃ = . . . und seine Impulsdauer beträgt t ₁/2, d. h. sein "duty cycle" ist gleich 50%. Die positiv- und die negativgehenden Flanken des im Zeitdiagramm 3 A dargestellten Steuersignals erzeugen Tastimpulse der Dauer τ ₁, die das im Zeitdiagramm 3 B dargestellte Tastsignal bilden und zeitlich einer trägerfrequenten Sendespannung entsprechen, deren Amplitude im Zeitdiagramm 3 C dargestellt ist. Die im Zeitdiagramm 3 D dargestellten Empfangsspannung ist um eine Laufzeit t _L gegenüber der Sendespannung zeitverzögert. Der Sendeimpuls und der zugehörige Empfangsimpuls überlappen sich jeweils zeitlich während einer Überlappungszeit t _G , so daß die Amplituden der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses jeweils aus drei Bereichen besteht: Vor der Überlappungszeit t _G , d. h. während der Dauer t _L , ist nur die Amplitude des Sendeimpulses vorhanden, während der Überlappungszeit t _G die Amplitude der Summe des Sende- und des Empfangsimpulses und nach der Überlappungszeit t _G nur mehr die Amplitude des Empfangsimpulses. Die Amplituden dieser drei Bereiche sind für jeden Sendeimpuls aus dem Zeitdiagramm 3 E 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 Überlappungszeit t _G arithmetisch addieren. Ist die Amplitude des Sendeimpulses z. B. A und diejenige des Empfangsimpulses z. B. B _D , so sind in diesem Fall während einer Impulsdauer die Amplituden der Summenspannung gleich A während t _L , gleich A + B _D während t _G und gleich B _D nach t _G . The eight time diagrams 3 A to 3 H are shown for a duration t ₁ during which the ultrasound transducers US 1 and US 2 transmit with a single value of the carrier frequency f . During the time periods t ₂ , t ₃ ,. . ., with t ₂ = t ₃ =. . . Send each with a different value of the carrier frequency f. The control signal represented by the time diagram 3 A has a period equal to t ₁ = t ₂ = t ₃ =. . . and its pulse duration _t1 / 2 that is to be "duty cycle" is equal to 50%. The positive and the negative going edges of the control signal shown in the time diagram 3 A generate key pulses of the duration τ ₁ , which form the key signal shown in the time diagram 3 B and correspond in time to a carrier-frequency transmission voltage, the amplitude of which is shown in the time diagram 3 C. The receiving voltage 3 D illustrated in the timing diagram is for a term t _L in relation to the transmission voltage delay. The transmit pulse and the associated receive pulse each overlap in time during an overlap time t _G , so that the amplitudes of the sum voltage of a transmit and a receive pulse each consist of three areas: before the overlap time t _G , ie during the period t _L , only that Amplitude of the transmission pulse is present, the amplitude of the sum of the transmission and reception pulse during the overlap time t _G and only the amplitude of the reception pulse after the overlap time t _G. The amplitudes of these three ranges can be seen for each transmit pulse from the time diagram 3 E , it being assumed in FIG. 3 that the phase difference between the carrier of the transmit pulse and the carrier of the receive pulse is zero, so that the amplitudes of the transmit and the Receive signal add up arithmetically during the overlap time t _G. Is the amplitude of the transmit pulse z. B. A and that of the receive pulse z. B. B _D , in this case the amplitudes of the sum voltage are equal to A during t _L , equal to A + B _D during t _G and equal to B _D after t _G during a pulse duration .

Das im Zeitdiagramm 3 F dargestellte Hilfssignal besitzt die gleiche Impulsfrequenz und die gleiche zeitliche Impulslage wie das im Zeitdiagramm 3 B dargestellte Tastsignal, nur seine Impulsdauer τ ₂ ist kürzer und zwar so gewählt, daß t _L t ₂ < τ ₁, d. h. seine negativgehenden Flanken fallen zeitlich immer in eine Überlappungszeit t _G der Sende- und Empfangsimpulse. Jede seiner negativgehenden Flanken erzeugt einen sehr kurzen Rückstellimpuls der Dauer τ ⃔ τ ₂. Diese kurzen Rückstellimpulse sind im Zeitdiagramm 3 G dargestellt. Außerdem erzeugen diese negativgehenden Flanken noch nach einer jeweiligen Verzögerungszeit t _V Abtastimpulse der Dauer τ ₃, die im Zeitdiagramm 3 H dargestellt sind.The auxiliary signal shown in the time diagram 3 F has the same pulse frequency and the same temporal pulse position as the key signal shown in the time diagram 3 B , only its pulse duration τ ₂ is shorter and chosen such that t _L t ₂ < τ ₁ , ie its negative going edges always fall in time in an overlap time t _{G of} the transmit and receive pulses. Each of its negative going edges generates a very short reset pulse with the duration τ ⃔ τ ₂ . These short reset pulses are shown in the timing diagram 3 G. In addition, these negative going edges still generate sampling pulses of the duration τ ₃ , which are shown in the time diagram 3 H , after a respective delay time t _V.

Es gilt dabei die Bedingung:The condition applies:

τ ₂ + t _V + τ ₃ t _L + t _G τ ₂ + t _V + τ ₃ t _L + t _G

Ist diese Bedingung erfüllt, dann liegen die Abtastimpulse des Zeitdiagramms 3 H zeitlich innerhalb der Überlappungszeit t _G . If this condition is met, then the sampling pulses of the timing diagram are 3 H time within the overlap time t _G.

Der in 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 τ ₁, einem ersten Oder-Gatter 25, einem dritten monostabilen Multivibrator 26 zur Erzeugung von Impulsen der Dauer τ ₂, einem vierten monostabilen Multivibrator 27 zur Erzeugung von Impulsen der Dauer t , einem fünften monostabilen Multivibrator 29 zur jeweiligen Erzeugung von Verzögerungszeit-Impulsen der Dauer t _V und einem sechsten monostabilen Multivibrator 32 zur jeweiligen Erzeugung von Abtastimpulsen der Dauer τ ₃. 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 multivibrator 22, a first and second monostable multivibrator 23 and 24 for the respective generation of pulses of the duration τ ₁ , a first OR gate 25, a third monostable multivibrator 26 for the generation of Pulses of the duration τ ₂ , a fourth monostable multivibrator 27 for generating pulses of the duration t , a fifth monostable multivibrator 29 for the respective generation of delay time pulses of the duration t _V and a sixth monostable multivibrator 32 for the respective generation of sampling pulses of the duration τ ₃ . The input of the second monostable multivibrator 24 is symbolically marked with a black triangle, which means that this input is triggered by negative going edges, while the inputs of all other monostable multivibrators are symbolically marked with a white triangle, since these inputs are triggered by positive going edges are.

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 dem Eingang des dritten monostabilen Multivibrators 26 verbunden ist. Der -Ausgang des dritten monostabilen Multivibrators 26 ist auf den Eingang des vierten und den Eingang des fünften monostabilen Multivibrators 27 und 29 geführt. Der -Ausgang des monostabilen Multivibrators 27 bildet den Rückstellausgang 16 des Zeitgebers 9. Der -Ausgang des fünften monostabilen Multivibrators 29 ist auf den Eingang des sechsten monostabilen Multivibrators 32 geführt, dessen Q-Ausgang mit dem Abtast-Steuerausgang 17 des Zeitgebers 9 verbunden ist.The start entrance13 of the timer9 is on the dining entrance of the astable multivibrators22 led, the output of which with Direction change control output14 of the timer9 and each with the input of the first and the second monostable multivibrator23 and24th connected is. TheQ-Outputs of the two monostable Multivibrators23 and24th are each on an input of the first OR gate25th led, its output with the push button output15 of the timer9 and with the input of the third monostable multivibrator26 connected is. The -Output of the third monostable multivibrator 26 is on the entrance of the fourth and the entrance of the fifth monostable multivibrators27th and29 guided. The-Output of monostable multivibrators27 forms the reset output16 of Timer9. The-Output of the fifth monostable multivibrator29 is on the input of the sixth monostable multivibrator32 led, whoseQ-Output with the scan control output17th of Timer9 connected is.

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 taken over 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 noted that the measuring device described no need for fast comparators that consume a lot of electricity, so that the measuring device has a low current consumption and can be powered by batteries.

Die in der Fig. 5 dargestellte Kennlinie des Quadrates der Amplitude der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses beim stromabwärtigen Senden ist eine Kosinus-Funktion der Trägerkreisfrequenzen ω und besitzt eine Periode Ω . The characteristic curve shown in FIG. 5 of the square of the amplitude of the sum voltage of a transmission and a reception pulse during downstream transmission is a cosine function of the carrier circuit frequencies ω and has a period Ω .

Functional description

Die beiden Ultraschallwandler US 1 und US 2 arbeiten als Dickenschwinger. Die mittlere Frequenz f _m 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 US 1 und US 2 arbeiten zeitlich abwechselnd und im Gegentakt als Sender und Empfänger trägerfrequenter Ultraschallimpulse der Dauer τ ₁, wobei der eine Ultraschallwandler jeweils die vom anderen Ultraschallwandler gesendeten trägerfrequenten Impulse empfängt. Der räumliche Abstand L zwischen den beiden Ultraschallwandlern US 1 und US 2, in Längsrichtung der Meßstrecke gemessen, und die Impulsdauer t ₁ 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 Überlappungszeit t _G überlappt.The two ultrasonic transducers US 1 and US 2 work as thickness transducers. The mean frequency f _{m of} its frequency spectrum is e.g. B. at a thickness of 2 mm approximately 950 kHz and the bandwidth of their frequency spectrum z. B. ± 30 kHz. The two ultrasound transducers US 1 and US 2 work alternately in time and in push-pull as transmitters and receivers of carrier-frequency ultrasound pulses of the duration τ ₁ , one ultrasound transducer each receiving the carrier-frequency pulses transmitted by the other ultrasound transducer. The spatial distance L between the two ultrasonic transducers US 1 and US 2, measured in the longitudinal direction of the measuring section, and the pulse duration t ₁ are selected in connection with the ultrasonic speed c such that, as already mentioned, a pulse sent by an ultrasonic converter through the measuring section is only delayed by so much that it overlaps the associated pulse received by the other ultrasound transducer over time during an overlap time t _G.

Es wird während zeitlich aufeinanderfolgenden Zeitperioden t ₁, t ₂, t ₃ . . . mit unterschiedlichen Werten der Trägerfrequenz f gesendet, wobei diese Werte im Durchlaßfrequenzbereich 920 kHz bis 980 kHz des Frequenzspektrums der Ultraschallwandler US 1 und US 2 liegen. Es gilt wie bereits erwähnt: t ₁ = t ₂ = t ₃ = . . . Der Sinusgenerator 2 erzeugt ein Dauersignal, dessen Frequenz während den Zeitperioden t ₁, t ₂, t ₃, . . . jeweils den entsprechenden Wert der Trägerfrequenz f besitzt. Dieses Dauersignal wird mit Hilfe des Tastkontaktes 3 moduliert. Das Umschalten des programmierbaren Sinusgenerators 2 von einem Wert der Frequenz f auf den anderen erfolgt mit Hilfe des im Zeitdiagramm 3 A der Fig. 3 dargestellten Steuersignals, dessen Perioden t ₁ = t ₂ = t ₃ = - . . . 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 t ₁/2 = t ₂/2 = t ₃/2 = . . . umgeschaltet, so daß er beim Logikwert "0" des Steuersignals die in der Fig. 2 dargestellte Stellung einnimmt, bei der der zweite Ultraschallwandler US 2 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 Ultraschallwandler US 1 als Sender arbeitet und Ultraschallwellen stromabwärts gesendet werden. Mit anderen Worten: In der Darstellung der Fig. 3 wird während der ersten Hälfte des Zeitbereichs t ₁ 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 3 B 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). Seine Impulsdauer ist τ ₁ und seine Impulsperiode t ₁/2. Durch das Öffnen und Schließen des Tastkontaktes 3 im Rhythmus des Tastsignals erreichen trägerfrequente Sendeimpulse, je nach augenblicklicher Stellung des zweipoligen Umschalters 4, entweder den ersten oder den zweiten Ultraschallwandler US 1 bzw. US 2. Die Amplituden der gesendeten trägerfrequenten Impulse sind aus dem Zeitdiagramm 3 C der Fig. 3 und die Amplituden der dazugehörigen und um die Laufzeit t _L verzögerten empfangenen trägerfrequenten Impulse aus dem Zeitdiagramm 3 D der Fig. 3 ersichtlich. Die Amplituden der Summenspannung beider Impulsarten ist im Zeitdiagramm 3 E der Fig. 3 dargestellt. Dieses besteht aus Impulsen, die je aus den drei bereits erwähnten Zeitbereichen t _L , t _G und <t _G bestehen, die unterschiedliche Amplitudenwerte besitzen. Die Summenspannung wird mit Hilfe des Addieres 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 3 G der Fig. 3 dargestellten sehr kurzen Rückstellimpulse der Dauer τ auf Null zurückgestellt. Diese Rückstellimpulse werden im Zeitgeber 9 erzeugt und über dessen Rückstellausgang 16 dem Rückstelleingang des Amplitudendetektors 6 zugeführt.It becomes t ₁ , t ₂ , t ₃ during successive time periods. . . with different values of the carrier frequency f , these values being in the pass frequency range 920 kHz to 980 kHz of the frequency spectrum of the ultrasonic transducers US 1 and US 2 . As already mentioned, the following applies: t ₁ = t ₂ = t ₃ =. . . The sine wave generator 2 generates a continuous signal, the frequency of which during the time periods t ₁ , t ₂ , t ₃ ,. . . each has the corresponding value of the carrier frequency f . This continuous signal is modulated with the help of the touch contact 3 . The programmable sine generator 2 is switched from one value of the frequency f to the other with the aid of the control signal shown in the time diagram 3 A of FIG. 3, the periods t ₁ = t ₂ = t ₃ = -. . . in the sine wave generator 2 z. B. be counted so that the count value then switches the value of the frequency f of the sine wave generator 2 to another value. This control signal is generated in the timer 9 and reached as shown in FIG. 2 through the Senderichtungsumschalt- control output 14 of both the control input of the sine-wave generator 2 and the control input of the two-pole changeover switch 4. The last is characterized t with a period _1/2 = t _2/2 = t _3/2 =. . . switched so that it takes the logic position "0" of the control signal in the position shown in FIG. 2, in which the second ultrasonic transducer US 2 works as a transmitter and ultrasonic waves z. B. sent upstream. With the logic value "1" of the control signal, on the other hand, the two-pole switch 4 assumes the other position, in which the first ultrasonic transducer US 1 operates as a transmitter and ultrasonic waves are transmitted downstream. In other words: In the illustration in FIG. 3, transmission takes place downstream during the first half of the time range t ₁ and upstream during the second half. It is, for each value of the carrier frequency f only ever a single trägerfrequenter pulse downstream, and each a single trägerfrequenter pulse sent upstream, that is, the first pulse of the timing diagram 3 B of FIG. Keying signal shown in Figure 3 corresponding to the one transmission direction, namely the downstream direction, and the second impulse of the other transmission direction, i.e. the upstream direction. This key signal is also generated in the timer 9 and reaches the control input of the key contact 3 via its key output 15 ( FIG. 2). His pulse duration τ ₁ and its pulse period _t1 / 2. By opening and closing the tactile contact 3 in rhythm with the tactile signal, carrier-frequency transmit pulses, depending on the current position of the two-pole switch 4, reach either the first or the second ultrasonic transducer US 1 or US 2. The amplitudes of the transmitted carrier-frequency pulses are from the time diagram 3 C of FIG. 3 and the amplitudes of the associated carrier frequency pulses received and delayed by the propagation time t _L can be seen from the time diagram 3 D of FIG. 3. The amplitudes of the sum voltage of both pulse types is shown in the time diagram 3 E in FIG. 3. This consists of pulses, each consisting of the three time ranges t _L , t _G and < t _G already mentioned, which have different amplitude values. The sum voltage is determined with the aid of the adder 5 and its amplitudes are subsequently determined with the aid of the amplitude detector 6 . The amplitude detector 6 is in each case prior to the determination of a new amplitude using the 3 G in the timing chart of FIG. 3 shown very short reset pulses of duration τ is reset to zero. These reset pulses are generated in the timer 9 and fed to the reset input of the amplitude detector 6 via its reset output 16 .

Nachfolgend werden folgende Bezeichnungen verwendet:The following terms are used below:

Für die Empfangsamplituden gilt die Annahme, daß B _D = B _U = B. The assumption for the reception amplitudes is that B _D = B _U = B.

Es gelten die Gleichungen:The equations apply:

wobeiin which

ωdie Trägerkreisfrequenz 2f f,tdie Zeit, die gesuchte mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit undc = c ( δ )die temperaturabhängige Ultraschallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit darstellen. ωthe carrier angular frequency 2f f,tthe time, the mean flow velocity of the Liquid andc =c ( δ )the temperature-dependent ultrasound speed represent in the liquid.

Während jeder Überlappungszeit t _G , also zweimal pro Wert der Trägerfrequenz f, wird am Ausgang des Addierers 5 entweder die SummenspannungDuring each overlap time t _G , ie twice per value of the carrier frequency f, either the sum voltage is at the output of the adder 5

oder die Summenspannungor the sum voltage

des gesendeten und des zugehörigen empfangenen Impulses erzeugt. In der Fig. 3 wurde angenommen, daß während des ersten Sendeimpulses innerhalb eines der Zeitbereiche t ₁, t ₂, t ₃, . . . die Summenspannungof 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 t ₁ , t ₂ , t ₃ ,. . . the sum voltage

und während des zweiten Impulsesand during of the second impulse

am Ausgang des Addierers 5 ansteht. Der Amplitudendetektor 6 ermittelt dann anschließend während jeder Überlappungszeit t _G die Amplitudenwerte dieser Summenspannungenis present at the output of the adder 5 . The amplitude detector 6 then then determines the amplitude values of these summation voltages during each overlap time t _G

Wenn mit dem Index * eine konjugiert komplexe Größe dargestellt wird, dann gilt beim stromabwärtigen Sender:If the conjugate * represents a complex conjugate size then the following applies to the downstream transmitter:

Diese Gleichungen ergeben zusammen:Together, these equations result in:

Auf die gleiche Weise wird für das stromaufwärtige Senden folgende Gleichung ermittelt:In the same way, for upstream transmission, the following becomes Equation determined:

Die beiden Gleichungen (I) und (II) stellen in Funktion der Trägerkreisfrequenz ω = 2f f Kosinus-Funktionen dar, die unterschiedliche Perioden besitzen. Die durch die Gleichung (I) dargestellte erste Kosinus-FunktionThe two equations (I) and (II) represent, as a function of the carrier angular frequency ω = 2 f f, cosine functions which have different periods. The first cosine function represented by equation (I)

ist in der Fig. 5 dargestellt. Ihr Mittelwert, d. h. ihre Gleichspannungs-Komponente, ist gleich A ² + B ², ihre Wechselspannungs-Amplitude gleich 2 A · B, ihre Periode Ω gleich 2Π (c + ) / L und ihr Anfangswert gleich (A + B) ². Die niedrigste Trägerkreisfrequenz, bei der die erste Kosinus-Funktionis shown in FIG. 5. Their mean value, ie their DC voltage component, is equal to A ² + B ² , their AC voltage amplitude is equal to 2 A · B, their period Ω is equal to 2 Π (c + ) / L and their initial value is equal to (A + B) ² . The lowest carrier angular frequency at which the first cosine function

einen vorgegebenen konstanten Pegelwert M² besitzt, ist mit ω ₁ = 2π f ₁ bezeichnet (siehe Fig. 5). Die niedrigste Trägerkreisfrequenz, bei der die zweite Kosinus-Funktionhas a predetermined constant level value M 2, is denoted by ω ₁ = 2 π f ₁ (see FIG. 5). The lowest carrier angular frequency at which the second cosine function

den gleichen Pegelwert M ² besitzt, wird dagegen mit ω ₂ = 2f f ₂ bezeichnet. Die drittniedrigste Trägerkreisfrequenz, bei der die erste Kosinus-Funktionhas the same level value M ² , however, is denoted by ω ₂ = 2 f f ₂ . The third lowest carrier angular frequency at which the first cosine function

wieder einen Pegelwert M ² besitzt, ist mit ω ₃ = 2π f ₃ bezeichnet (siehe Fig. 5), d. h.again has a level value M ² , is denoted by ω ₃ = 2 π f ₃ (see FIG. 5), ie

l ₃ = ω ₁ + Ω = ω ₁ + 2π (c + ) / L oder
f ₃ = f ₁ + (c + ) / L oder
Δ f _3,1 = f ₃ - f ₁ = (c + ) / L (III) l ₃ = ω ₁ + Ω = ω ₁ + 2 π (c + ) / L or
f ₃ = f ₁ + (c + ) / L or
Δ f _3.1 = f ₃ - f ₁ = (c + ) / L (III)

Mit anderen Worten: Beim stromabwärtigen Senden besitzen die AmplitudenIn other words: when transmitting downstream, the amplitudes have

der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses bei den Trägerkreisfrequenzen ω ₁ und ω ₃ bzw. bei den Trägerfrequenzen f ₁ und f ₃ einen Pegelwert M. Desgleichen besitzen beim stromaufwärtigen Senden die Amplitudenthe sum voltage of a transmit and a receive pulse at the carrier circuit frequencies ω ₁ and ω ₃ or at the carrier frequencies f ₁ and f _{3 has} a level value M. Likewise, the amplitudes have upstream transmission

der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses bei der Trägerkreisfrequenz ω ₂ bzw. bei der Trägerfrequenz f ₂ ebenfalls den Pegelwert M. the sum voltage of a transmit and a receive pulse at the carrier angular frequency ω ₂ and at the carrier frequency f ₂ also the level value M.

Wie bereits erwähnt, liegen die im Zeitdiagramm 3 H der Fig. 3 dargestellten Abtastimpulse der Dauer τ ₃ zeitlich alle in den Überlappungszeiten t _G , so daß die Abtast/Halte-Schaltung 7 die AmplitudenwerteAs already mentioned, the sampling pulses of the duration τ _{3 shown in the} time diagram 3 H of FIG. 3 are all temporally in the overlap times t _G , so that the sample / hold circuit 7 contains the amplitude values

der jeweiligen Summenspannungen abwechselnd einmal pro Überlappungszeit t _G 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 dessen 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. of the respective sum voltages alternately sampled once per overlap time t _G and stored as analog values. The stored analog sample values represent an evaluation parameter which is determined from the transmitted and the associated received pulses for each value of the carrier frequency f and for both transmission directions. These sampling pulses are generated in the timer 9 and reach the control input of the sample / hold circuit 7 ( FIG. 2) via its first sample control output 17 . The analog-digital converter 11 then converts the stored analog sample values into one digital value each, in order to then subsequently feed them to the memory of the computer 12 , where they are then stored under 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 AmplitudenIn other words: For each value of the carrier frequency f , a discrete digitized sample value of the amplitudes is obtained one after the other and in the specified sequence

undand

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 Amplitudenwertestored in the memory of the computer 12 , so that a function of the evaluation parameter as a function of the carrier frequency f is stored for each of the two transmission directions. Since this storage takes place for a large number of values of the carrier frequency f , the squares of the digitized samples result in the amplitude values

der Summenspannungen beim stromabwärtigen 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 f ₁ und f ₂, bei denen die beiden Kosinus-Funktionenthe sum voltages in the downstream and in the upstream transmission as a function of the carrier angular frequency or the carrier frequency f each have a multiplicity of discrete characteristic points and thus each have a step-shaped cosine curve which is calculated by the computer 12, e.g. B. with the aid of a known statistical method, is converted into an associated continuous-analog cosine function, which is represented by equation (I) or (II). The computer 12 then determines the lowest carrier frequencies f ₁ and f ₂ at which the two cosine functions

einen dem Rechner 12 vorgegebenen Pegelwert M ² besitzen, sowie die drittniedrigste Trägerfrequenz f ₃, bei der die erste, dem stromabwärtigen Senden zugehörige Kosinus-Funktionhave a level value M ² given to the computer 12 , and the third lowest carrier frequency f ₃ , at which the first cosine function associated with the downstream transmission

ebenfalls diesen Pegelwert M ² besitzt.also has this level value M ² .

Für ω = ω ₁ = 2π f ₁ bzw. ω = ω ₂ = 2π f ₂ ergeben die Gleichungen (I) bzw. (II) die Gleichungen:For ω = ω ₁ = 2 π f ₁ or ω = ω ₂ = 2 π f ₂ , equations (I) and (II) result in the equations:

bzw.respectively.

oderor

cos [ω ₁ · L / (c + )] = (M ² - A ² - B ² ) / 2 · A- · B = P cos [ ω ₁ · L / (c + ) ] = (M ² - A ² - B ² ) / 2 · A - · B = P

bzw.respectively.

cos [ω ₂ · L/(c - )] = (M ² - A ² - B²)/2 · A · B- = P cos [ ω ₂ · L / (c - ) ] = (M ² - A ² - B ² ) / 2 · A · B - = P

oder:or:

ω ₁ · L / (c + ) = arc cos P = K ω ₁ · L / (c +) = arc cos P = K

bzw.respectively.

ω ₂ · L / (c - ) = arc cos P = K. ω ₂ · L / (c -) = arc cos P = K

Die beiden letzten Gleichungen ergeben zusammen:The last two equations together result in:

wobei m eine Konstante ist.where m is a constant.

oderor

Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist somit gemäß der Gleichung (VI) unabhängig von der temperaturabhängigen Ultraschallgeschwindigkeit c und damit auch selber unabhängig von der Temperatur δ . Sie ist dagegen abhängig von der vorläufig unbekannten Konstanten m. Diese wird mit Hilfe der Gleichungen (III) und (IV) ermittelt, da:The mean flow rate the liquid is thus according to equation (VI) regardless of the temperature dependent Ultrasound speedc and therefore also independently of the temperatureδ . However, it is dependent on the currently unknown Constantsm. This is calculated using equations (III) and (IV) determined because:

Die Gleichungen (VI) und (VII) ergeben zusammen:Equations (VI) and (VII) together result in:

Nachdem der Rechner 12 die Frequenzen f ₁, f ₂ und f ₃ ermittelt hat, berechnet er mit Hilfe des ihm vorgegebenen Abstandswertes L der beiden Ultraschallwandler US 1 und US 2 zeitlich nacheinander:After the computer 12 has determined the frequencies f ₁ , f ₂ and f ₃ , it calculates successively in time using the distance value L of the two ultrasound transducers US 1 and US 2 given to it:

Es ist bei dieser Gelegenheit darauf hinzuweisen, daß die Meßstrecke einen symmetrischen Vierpol darstellt, der praktisch nur ein Verzögerungsglied ist.It should be noted on this occasion that the measuring section represents a symmetrical four-pole, which is practically only one Delay is.

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 Trägerfrequenz f, sind innerhalb der Bandbreite des Frequenzspektrums der Ultraschallwandler US 1 und US 2 frei wählbar. Ein Regelkreis wird nicht benötigt.The method described allows the influence of existing echoes to be eliminated and the mean flow velocity w to be determined with high accuracy regardless of the temperature in a relatively short time and using a normal and not complicated structure of the measuring section. The ultrasound transmission frequency, ie the carrier frequency f, can be freely selected within the bandwidth of the frequency spectrum of the ultrasound transducers US 1 and US 2 . A control loop is not required.

Der in der Fig. 4 dargestellte Zeitgeber 9 erzeugt die in den Zeitdiagrammen 3 A, 3 B und 3 F bis 3 H 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 3 A der Fig. 3 dargestellt ist, ist t ₁ = t ₂ = t ₃- = . . . Jede seiner positivgehenden Flanken erzeugt mit Hilfe des ersten monostabilen Multivibrators 23 einen Impuls der Dauer τ ₁ und jede seiner negativgehenden Flanken mit Hilfe des zweiten monostabilen Multivibrators 24 einen Impuls ebenfalls der Dauer τ ₁. Der erste Oder-Gatter 25 addiert beide Impulsarten zeitseriell, so daß die im Zeitdiagramm 3 B 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 t ₂, der im Zeitdiagramm 3 F der Fig. 3 wiedergegeben ist.The timer 9 shown in FIG. 4 generates the signals shown in the time diagrams 3 A, 3 B and 3 F to 3 H of FIG. 3. The astable multivibrator 22 begins to oscillate as soon as a voltage is applied to its feed input via the start input 13 of the timer 9 by the computer 12 . ., The period of its output signal, which in the timing diagram of Figure 3 A 3 is illustrated, t ₁ = t ₂ = t ₃ - =. . . Each of its positive-going edges produced by the first monostable multivibrator 23, a pulse of duration τ ₁ and also each of its negative going edges with the aid of the second monostable multivibrator 24, a pulse of duration τ. ₁ The first OR gate 25 adds both pulse types in time series, so that the pulse sequence of the key signal shown in time diagram 3 B in FIG. 3 is produced. Each negative going edge of this key signal generates with the help of the third monostable multivibrator 26 a pulse of duration t ₂ , which is shown in the time diagram 3 F of FIG. 3.

Jede negativgehende Flanke dieser Impulse der Dauer τ ₂ erzeugt mit Hilfe des vierten monostabilen Multivibrators 27 je einen kurzen Rückstellimpuls der Dauer τ und erzeugt so die im Zeitdiagramm 3 G der Fig. 3 dargestellte Rückstell-Impulsfolge.Each negative going edge of the pulses of duration τ ₂ generated with the aid of the fourth monostable multivibrator 27 depending τ a short reset pulse of duration, thus generating the timing diagram 3 in G of FIG. 3 shown reset pulse train.

Jede negativgehende Flanke der Impulse der Dauer τ ₂ erzeugt außerdem noch mit Hilfe des fünften monostabilen Multivibrators 29 je eine Verzögerungszeit t _V , nach deren Ablauf je eine positivgehende Flanke am Eingang des sechsten monostabilen Multivibrators 32 erscheint, der nun jeweils einen Abtastimpuls der Dauer t ₃ erzeugt. Diese Abtastimpulse sind im Zeitdiagramm 3 H der Fig. 3 dargestellt.Each negative going edge of the pulses of the duration τ _{2 also} generates a delay time t _V with the aid of the fifth monostable multivibrator 29 , after which a positive going edge appears at the input of the sixth monostable multivibrator 32 , which now each has a sampling pulse of the duration t ₃ generated. These sampling pulses are shown in the timing diagram 3 H of FIG. 3.

Claims

1. Method for temperature-independent measurement of an average Approximate flow velocity of a liquid with the help of two same ultrasonic transducer, the front at both ends a measuring section through which the liquid flows in the longitudinal direction are arranged and the two alternate in time and in push-pull work as transmitter and receiver of carrier-frequency ultrasonic pulses, one of the ultrasonic transducers each of the other Receives ultrasound transducer transmitted pulses,characterized, that temporally in successive time periods (t ₁,t _2nd,t _3rd,. . .) with different values of the carrier frequency(f) is sent that at any value of the carrier frequency(f) one carrier frequency each Impulse downstream and one carrier frequency each Pulse is sent upstream, that of the sent and the associated received pulses for each value of the carrier frequency(f) and an evaluation parameter is determined for both transmission directions and in a memory of a computer (12th) is saved so that for both transmission directions each have a function of the evaluation parameter in Dependence on the carrier frequency(f) is saved that the Computer (12) then the lowest carrier frequenciesf ₁ and f _2ndwhere the two functions one that Computer (12th) predetermined level value (M ^2nd) have, as well as the third lowest carrier frequencyf _3rdwhere the downstream broadcast associated function also this level value (M ^2nd) owns and determines that the computer (12th) then in time the differences one after the otherΔ f _1.2 =f ₁ -f _2nd andΔ f _3.1 =f _3rd -f ₁as well as the mean flow velocity = (L ·Δ f _1.2 ·Δ f _3.1) / (2f ₁) calculated with the value of the DistanceL between the two ultrasonic transducers (US 1, US 2nd) is specified.

2. The method according to claim 1, characterized in that the pulse duration ( τ ₁ ) and the spatial distance (L) between the two ultrasonic transducers ( US 1, US 2 ) is selected such that one of an ultrasonic transducer ( US 1 and US 2 ) transmitted pulse overlaps the associated pulse received by the other ultrasonic transducer ( US 2 or US 1 ) in time, that during each overlap time (t _G ) , ie twice per value of the carrier frequency (f) , the sum voltage of the transmitted and the associated received pulse, their amplitude value determined and this is sampled once per overlap time (t _G ) and stored as an analog value, that each stored analog sample value is stored as an evaluation parameter after its conversion into a digital value in the memory of the computer ( 12 ), the squares of the digitized sample values of the amplitude values of the sum voltages in the case of the downstream and the upstream transmission as a function of the carrier frequency (f) each have a step-shaped cosine curve, which the computer ( 12 ) each has an associated continuous-analog cosine function is converted.

3. Device for performing the method according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises a sine generator ( 2 ), a touch contact ( 3 ), a two-pole switch ( 4 ), an adder ( 5 ), an amplitude detector ( 6 ), a Sample / hold circuit ( 7 ), an analog / digital converter ( 11 ) and a computer ( 12 ) contains.