DE3734635A1 - Durchflussvolumenzaehler fuer fluessige medien - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Durchflußvolumenzähler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie z. B. in Wärmezählern verwendet werden.

Durchflußvolumenzähler dieser Art messen die Strömungsgeschwindigkeit und damit den Fluß eines Mediums durch ein Meßrohr, basierend auf der Laufzeitdifferenz zweier Ultraschallwellenpakete von z. B. mehr als 100 Perioden, die gleichzeitig das Meßrohr in entgegengesetzter Richtung einmal pro Meßzyklus durcheilen. In einem gewählten Abschnitt der beiden Ultraschallwellenpakete wird in jeder Periode die Phasenverschiebung α zwischen den auf dem Weg durch das Meßrohr von der Strömung verzögerten bzw. beschleunigten Ultraschallwellen mit einer Abtastfrequenz ausgemessen und die resultierenden Impulse in Mengeneinheiten umgerechnet.

Eine solche dem Stand der Technik entsprechende Einrichtung ist aus der CH-PS 6 04 133 bekannt.

Charakteristisch für diese Durchflußvolumenzähler ist eine vorgeschriebene Flußrichtung des Mediums, eine auswertbare Phasenverschiebung α von maximal 180° und ein Meßfehler, der dadurch entsteht, daß der Zähler bei einem sehr kleinen oder gar keinem Durchfluß zu viele Mengeneinheiten registriert.

Dieser Meßfehler begrenzt die minimale mit vorgegebener Genauigkeit meßbare Durchflußmenge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dynamik des Durchflußvolumenzählers, d. h. das Verhältnis größter zu kleinster Durchflußmenge bei vorgegebener Meßgenauigkeit, durch Beseitigung der Ursachen des obengenannten Meßfehlers zu verbessern.

Eine genaue Anzeige der Meßmethode gemäß dem Stand der Technik zeigt, daß sich zum Fluß des Mediums im Meßrohr eine kleine Flußkomponente in und entgegengesetzt zur vorgegebenen Flußrichtung addiert, wenn die Säule des Mediums im Meßrohr als Folge von Erschütterungen oder Pumpenvibrationen in Längsschwingungen versetzt wird. Die dem Stand der Technik entsprechenden Geräte registrieren nur den absoluten Betrag des Flusses basierend auf vielen Messungen von etwa 1 ms Dauer, so daß bei sehr kleinem oder gar keinem Durchfluß bei Schwingungen im Medium die Geräte fälschlicherweise eine Durchflußmenge, die sog. Schwappmenge, anzeigen. Dieser Sachverhalt führte auf die Lösung der Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Meßanordnung eines Durchflußvolumenzählers oder als Teil eines Wärmemengenzählers,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm eines Meßzyklus,

Fig. 3 eine Ausführung eines Meßgliedes und einer Zählvorrichtung,

Fig. 4 eine Ausführung eines flankengetriggerten Phasendetektors,

Fig. 5 ein Zustandsdiagramm des Phasendetektors nach der Fig. 4 und

Fig. 6 ein Zeitdiagramm der Signale im Meßglied und in der Zählvorrichtung.

Die Bezeichnung der Ein- und Ausgänge von standardisierten Logikschaltungen und deren zeichnerische Darstellung folgt dem "Handbuch für Hochfrequenz- und Elektrotechniker" von C. Rint, Bd. 3, p. 293 bis 295, Hüthing und Pflaum Verlag, München BRD. Für an sich bekannte Teilschaltungen wird auch auf "Advanced Elektronic Circuits" von U. Tietze und Ch. Schenk, Verlag Springer Berlin Heidelberg New York 1978, ISBN 3-540-08 750-8 hingewiesen. Allfällige in diesem Zusammenhang vorkommende, mit Querbalken überstrichene Buchstaben zur Kennzeichnung eines logisch invertierten Zustandes werden mit dem Index "BAR" gekennzeichnet, z. B. R _BAR .

Der in Fig. 1 dargestellte Durchflußvolumenzähler, wie er z. B. als Teil eines Wärmezählers gebraucht wird, besteht im wesentlichen aus einem Meßwertgeber 1 mit einem Meßrohr 2, in dem ein flüssiges Medium von einem Anschlußstutzen 3 zu einem Anschlußstutzen 4 in einer vorbestimmten, mit einem Pfeil 5 angegebenen Strömungsrichtung fließt, und aus Meßwandlern 6 und 7 für Ultraschall, einem Sendeglied 8, einem Steuerglied 9, einem Meßglied 10 zur Bestimmung einer Laufzeitdifferenz t der Ultraschallwellen, einem Abtastgenerator 11 mit der Frequenz f ₂, einer Zählvorrichtung 12 mit einer Anzeigevorrichtung 13 und einem Impulsgeber 14 mit der Frequenz f ₀.

Die Meßwandler 6, 7 stehen einander gegenüber und senden periodisch gleichzeitig Ultraschallwellenpakete aus, d. h. je ein Wellenpaket eilt in Richtung des Pfeiles 5 und ein Wellenpaket entgegengesetzt dazu. Die am Ende des Meßrohres 2 befindlichen Meßwandler 7 bzw. 6 empfangen daher ein durch die Strömung beschleunigtes bzw. verzögertes Ultraschallwellenpaket.

Das Sendeglied 8 enthält einen Oszillator 15 mit einer Frequenz f ₁. Ein Taktsignal 16 des Oszillators 15 wird im vorzugsweise aus einer Zählkette bestehenden Steuerglied 9 benutzt, um ein Kommandosignal 17 für einen Umschalter 18 und ein Freigabesignal 19 für das Meßglied 10 und die Anzeigevorrichtung 13 zu erzeugen.

Ein vorzugsweiser schmaler Impuls 20 aus dem Impulsgeber 14 veranlaßt das Steuerglied 9, einen Meßzyklus 21 (Fig. 2) zu beginnen. Der Meßzyklus 21 besteht aus einer Sendephase 22, einer Empfangsphase 23 und einer Ruhephase 24. Der nachfolgende Impuls 20 beendet die Ruhephase 24 und ein neuer Meßzyklus 21′ beginnt.

Die Frequenz f ₀ der Impulse 20 (Fig. 1) wird vorteilhaft der Temperatur des Mediums im Meßrohr 2 entsprechend zur Kompensation der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit des Mediums c _o geeignet verändert im Falle eines reinen Durchflußzählers. Bei einem Wärmemengenzähler hingegen hängt die Frequenz f _o der Impulse 20 vorzugsweise noch zusätzlich von der Differenz zwischen der Vorlauftemperatur eines Wärmeverbrauchers und dessen Rücklauftemperatur ab.

Die Sendefrequenz f ₁ gelangt über den vom Kommandosignal 17 gesteuerten Umschalter 18 während einer vorbestimmten Dauer, z. B. während 128 Perioden, als ein Sendesignal 25 über einen gemeinsamen Einspeisepunkt 26 und Ankopplungsglieder 27 auf die Meßwandler 6 und 7. Die Meßwandler 6 und 7 erzeugen im Medium pro Meßzyklus 21 (Fig. 2) je ein Ultraschallwellenpaket der vorbestimmten Dauer. Die Sendefrequenz f ₁ liegt vorzugsweise im Bereich von 0,9 bis 1,2 MHz.

In der Fig. 1 wird der gemeinsame Einspeisepunkt 26 vom Umschalter 18 während der Empfangsphase 23 (Fig. 2) vorzugsweise geerdet. Für die Auswertung ist es vorteilhaft, nur einen mittleren Teil des empfangenen Ultraschallwellenpaketes auszuwerten, z. B. die mittleren 64 Perioden. Diese Auswahl ist durch die zeitliche Lage und die Länge des Freigabesignales 19 vorgegeben. Die Fig. 2 zeigt die zeitliche Abfolge der Signale 17, 19, 20, 28 und 29 während eines Meßzyklus 21.

Die beiden Ultraschallwellenpakete durchlaufen die Meßstrecke im Meßrohr 2 (Fig. 1) mit den Geschwindigkeiten c _o + c _m (flußabwärts, bezogen auf die mit dem Pfeil 5 angenommene Strömungsrichtung) und c _o - c _m (flußaufwärts), wobei c _m für die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums steht. Der Meßwandler 6 empfängt die flußaufwärts (= UP stream) eintreffende Ultraschallwelle und erzeugt ein elektrisches UP-Empfangssignal 28. Der Meßwandler 7 empfängt die flußabwärts (= DOWN stream) eintreffende Ultraschallwelle und erzeugt ein elektisches DOWN-Empfangssignal 29. Solange c _m einen Wert größer als Null aufweist, ergibt sich eine positive Phasenverschiebung α zwischen dem DOWN-Empfangssignal 29 und dem UP-Empfangssignal 28. Nach CH-PS 6 04 133 gilt in erster Näherung für die Laufzeitdifferenz t ≈ 2 * b * c _m /c _o ², wobei b für die Länge der Meßstrecke steht, und für die Phasenverschiebung α ergibt dies α = t * f ₁ * 360°. Fließt während der Zeit vom Aussenden bis zum Empfang der Ultraschallwellen das Medium in der dem Pfeil 5 entgegengesetzten Richtung, weist c _m einen Wert kleiner als Null auf, und es stellt sich ein negativer Wert für die Phasenverschiebung α ein.

Wird das UP-Empfangssignal 28 im Meßglied 10 durch elektronische Mittel verzögert, wird zur Phasenverschiebung α eine zusätzliche, konstante positive Phasenverschiebung δα addiert, d. h. es tritt eine Nullpunktsverschiebung Γ ein. Die Zählvorrichtung 12 wandelt die Summe der Phasenverschiebungen, eine Phasendifferenz α + δα, für jeden Meßzyklus 21 (Fig. 2) in eine Summe von Mengeneinheiten um. Zur Korrektur der Nullpunktsverschiebung Γ vermindert anschließend die Anzeigevorrichtung 13 diese Summe um eine konstante, der zusätzlichen Phasenverschiebung δα entsprechende Zahl und addiert das Ergebnis zu den bereits gespeicherten ablesbaren Mengeneinheiten. Daher kann das Meßglied 10 (Fig. 1) auch in bezug auf den Pfeil 5 negative Strömungsgeschwindigkeiten c _m feststellen, solange die Phasendifferenz α + δα größer als Null bleibt.

Gemäß der Fig. 3 wird jedes der Empfangssignale 28 und 29 zu einem Eingang eines Schwellwertschalters 30 bzw. 31 des Meßglieds 10 geleitet. Zur Ermittlung der Laufzeitdifferenz t der beiden Ultraschallwellen wird die Phasenverschiebung a zwischen dem DOWN-Empfangssignal 29 und dem UP-Empfangssignal 28 gemessen. Der Schwellwertschalter 30 wandelt das analoge Signal 28 in ein digitales Ausgangssignal 32, der Schwellwertschalter 31 das analoge Signal 29 in ein digitales Ausgangssignal 33 um. Jeder Schwellwertschalter 30 bzw. 31 erzeugt während der positiven Halbwelle des Empfangssignals 28 bzw. 29 ein Ausgangssignal 32 bzw. 33 mit logisch "H" und während der negativen Halbwelle des Empfangssignals 28, 29 ein Ausgangssignal mit logisch "L".

In einer Auswerteschaltung gemäß dem Stand der Technik bestimmten Signallaufzeiten in den verschiedenen Torschaltungen die kleinste feststellbare Phasenverschiebung α und damit den minimalen Fluß des Mediums. Mit Vorteil werden für die weitere Signalverarbeitung die Ausgangssignale 32 und 33 jedoch zu Abtastimpulsen 34 des Abtastgenerators 11 synchronisiert. Die logischen Zustände der Ausgangssignale 32 und 33 werden beim Wechsel des logischen Zustandes des Abtastimpulses 34 von "L" nach "H" von den weiter unten beschriebenen Synchronisations-Flip-Flops an deren D-Eingang übernommen. Damit bestimmen nicht mehr die Gatterlaufzeiten die kleinste feststellbare Phasenverschiebung α, sondern die um eine Größenordnung kleineren Vorbereitungszeiten der Takt- und Dateneingänge der Synchronisations-Flip-Flops und die Frequenz f ₂ der Abtastimpulse 34. Da gemäß dem Stand der Technik die Frequenzen f ₁ und f ₂ keine ganzzahligen Verhältnisse bilden dürfen, wird die Phasenverschiebung α trotz der Quantisierung in Einheiten der Periodendauer der Abtastfrequenz f ₂ über eine längere Meßzeit genau ermittelt. Die Synchronisation der Signale erlaubt die Verwendung symmetrischer Rechteckimpulse anstelle von eher nadelförmigen gemäß dem Stand der Technik und damit einer höheren Frequenz f ₂, d. h. die Meßeinrichtung kann kleinere Mengeneinheiten feststellen und daher genauer zählen, ohne die stromsparende CMOS-Technik für die Auswerte-Elektronik zu verlassen. Dies ist beispielsweise für eine aus einer Batterie gespeiste Ausführung des Meßgerätes besonders vorteilhaft.

Die Synchronisierung der Ausgangssignale 32 und 33 ermöglicht zudem eine mit einfachen Mitteln zu erzeugende vorteilhafte Nullpunktverschiebung Γ in positiver Zählrichtung durch Verzögern des Ausgangssignals 32 um n Taktperioden gegenüber dem Ausgangssignal 33, wobei n eine positive ganze Zahl ist.

Für eine derartige Synchronisation kann eine aus "Advanced Electronic Circuits" von U. Tietze und Ch. Schenk auf Seite 313 bekannte D-Flip-Flop-Schaltung gewählt werden. In einer bevorzugten Ausführung des Meßgerätes (Fig. 1) sind daher die Abtastimpulse 34 aus dem Abtastgenerator 11 für die synchrone Verarbeitung der Signale 28, 29 zu einem Eingang 35 des Meßglieds 10 und zu einem Eingang 36 der Zählvorrichtung 12 geleitet. Mittels Leitungen 37, 38 wird das Meßergebnis vom Meßglied 10 zur Zählvorrichtung 12 geleitet. Dazu ist noch eine Rückleitung 39 von der Zählvorrichtung 12 zum Meßglied 10 nötig.

Die Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführung des Meßglieds 10. Das Ausgangssignal 33 des Schwellwertschalters 31 wird zum D-Eingang eines ersten D-Flip-Flops 40 und das Ausgangssignal 32 des Schwellwertschalters 30 zum D-Eingang eines zweiten D-Flip-Flops 41 geleitet. Der Q-Ausgang des ersten D-Flip-Flops 40 ist mit einem Eingang eines ersten Nicht-Tors 42 und mit einem Eingang 43 eines ersten flankengetriggerten Phasendetektors 44 verbunden. Der Ausgang des Nicht-Tors 42 steht mit einem Eingang 45 eines zweiten flankengetriggerten Phasendetektors 46 in Verbindung. Der Q-Ausgang des zweiten D-Flip-Flops 41 ist mit dem D-Eingang eines n-stufigen Schieberegisters 47 verbunden, wobei n eine ganze, positive Zahl ist. Signale des Q-Ausgangs des Schieberegisters 47 werden zu einem Eingang 48 des Phasendetektors 44 und zu einem Eingang eines zweiten Nicht-Tors 49 geleitet. Der Ausgang des Nicht-Tors 49 ist mit einem Eingang 50 des zweiten Phasendetektors 46 verbunden. Ein Ausgang 51 des ersten Phasendetektors 44 und ein Ausgang 52 des zweiten Phasendetektors 46 stehen mit dem D-Eingang eines dritten D-Flip-Flop 53 bzw. eines vierten D-Flip-Flops 54 in Verbindung. Über den Eingang 35 erhält das Meßglied 10 die Abtastimpulse 34 zur Synchronisation. Diese Abtastimpulse 34 aus dem Taktgenerator 11 werden zu T-Eingängen der Schaltbausteine 40, 41, 44, 46, 47, 53 und 54 geleitet.

Eine Auswerteschaltung 55 im Meßglied 10 erkennt Werte der Phasendifferenz α + δα im Bereich von 0₀ bis 360°. Bei der in der Fig. 3 gezeigten vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Q-Ausgänge der D-Flip-Flops 53 und 54 mit den beiden Eingängen eines ersten Nand-Tores 56, mit den beiden Eingängen eines ersten Exclusive-Oder-Tores 57 und mit den beiden Eingängen eines ersten Oder-Tores 58 verbunden. Der Ausgang des Exclusive-Oder-Tors 57 steht mittels der Leitung 37 mit der Zählvorrichtung 12 in Verbindung. Die Rückleitung 39 und der Ausgang des Oder-Tores 58 sind mit den beiden Eingängen eines zweiten Nand-Tores 59 verbunden, die Ausgänge der beiden Nand-Tore 56 und 59 hingegen mit den beiden Eingängen eines dritten Nand-Tores 60. Der Ausgang des Nand-Tores 60 ist mittels der Leitung 38 ebenfalls zur Zählvorrichtung 12 geführt.

Eine Ausführungsform der Zählvorrichtung 12 ist in der Fig. 3 dargestellt. Sie weist in der ersten binären Zählstufe einen aus einem fünften D-Flip-Flop 61 und einem zweiten Exclusive-Oder-Tor 62 bestehenden Synchronzähler 63 und in der zweiten Zählstufe einen aus einem sechsten D-Flip-Flop 64 und einem dritten Exclusive-Oder-Tor 65 bestehenden zweiten Synchronzähler 66 auf. Im ersten Synchronzähler 63 sind der Q-Ausgang des D-Flip-Flops 61 und der Eingang 37 der Zählvorrichtung 12 zu den beiden Eingängen des Exclusive-Oder-Tores 62 geführt. Der Ausgang des Tores 62 ist mit dem D-Eingang des D-Flip-Flops 61 verbunden. Der Q-Ausgang des D-Flip-Flops 61 ist auch über die Rückleitung 39 zu einem Eingang des Nand-Tors 59 geführt. Beim zweiten Synchronzähler 66 ist der Q-Ausgang des D-Flip-Flops 64 mit dem Eingang der nachfolgenden binären Zählstufen 67 und einem ersten Eingang des dritten Exclusive-Oder-Tores 65 verbunden. Der Eingang 38 der Zählvorrichtung 12 ist zu einem zweiten Eingang des Tores 65 geführt. Der Ausgang des Tores 65 ist mit dem D-Eingang des D-Flip-Flops 64 verbunden. Die Q-Ausgänge der D-Flip-Flops 61 und 64 sowie Ausgänge der nachfolgenden binären Zählstufen 67 stehen mit der Anzeigevorrichtung 13 in Verbindung. Über den Eingang 36 sind die T-Eingänge der beiden D-Flip-Flops 61 und 64 mit dem Abtastgenerator 11 als Taktgeber verbunden.

Das Freigabesignal 19 wird zu einem R _BAR -Eingang der D-Flip-Flops 40 und 41, der Phasendetektoren 44 und 46 und der Anzeigevorrichtung 13 geleitet.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführung der Phasendetektoren 44 und 46. Die Numerierung und Bezeichnungen der Ein- und Ausgänge der Schaltung entsprechen der gleichen Numerierung und den gleichen Bezeichnungen für den Phasendetektor 44 bzw. 46 in der Fig. 3. Diese Phasendetektoren 44 bzw. 46 arbeiten synchron zu den Abtastimpulsen 34. In der Fig. 4 ist der Eingang 35 mit dem T-Eingang eines siebten D-Flip-Flops 68, eines achten D-Flip-Flops 69 und eines neunten D-Flip-Flops 70 verbunden. Das Freigabesignal 19 wird zum R _BAR -Eingang der D-Flip-Flops 68, 69 und 70 geleitet. Der Eingang 43, 45 ist mit dem D-Eingang des D-Flip-Flops 68 und mit einem Eingang eines vierten Nand-Tores 71 verbunden. Der Q _BAR -Ausgang des D-Flip-Flops 68 ist zu einem zweiten Eingang des Tores 71 geführt. Der Ausgang des Tores 71 ist zu einem Eingang des zweiten Oder-Tores 72 geleitet. Eine Verbindung besteht zwischen dem Eingang 48, 50, dem D-Eingang des D-Flip-Flops 70 und dem Eingang eines dritten Nicht-Tores 73. Der Ausgang des Tores 73 ist mit einem Eingang eines Nor-Tores 74, ein zweiter Eingang des Nor-Tores 74 mit dem Q-Ausgang des D-Flip-Flops 70 verbunden. Der Ausgang des Tores 74 ist auf einen Eingang eines dritten Oder-Tores 75 und auf einen zweiten Eingang eines Oder-Tores 72 geleitet. Jeder Ausgang der Tore 72 und 75 ist mit einem Eingang eines fünften Nand-Tores 76 verbunden. Eine Verbindung besteht zwischen dem Ausgang des Tores 76 und dem D-Eingang des D-Flip-Flops 69. Der Q _BAR -Ausgang des D-Flip-Flops 69 ist zu einem zweiten Eingang des Oder-Tores 75 geführt. Der Q-Ausgang der Schaltung 69 ist mit dem Ausgang 51, 52 verbunden.

Der Phasendetektor 44 bzw. 46 weist acht verschiedene, von der Vorgeschichte abhängige Zustände auf. In der Fig. 5 sind diese Zustände als Kreise 77 dargestellt. In der oberen Hälfte jedes Kreises ist der mit einem Buchstaben a, b, c, d, e, f, g und h bezeichnete Zustand eingetragen, in der unteren Hälfte steht das logische Symbol des Signals am Ausgang 51, 52 (Fig. 4) der Schaltung. Richtungspfeile 78 (Fig. 5) sind mit (x, y)- Symbolpaaren 79 versehen, wobei x der logische Zustand des Eingangs 43, 45 (Fig. 4) und y der logische Zustand des Eingangs 48, 50 zum Zeitpunkt des Eintreffens des Abtastimpulses 34 bedeuten. Solange das Freigabesignal 19 im Zustand "L" ist, sind die D-Flip-Flops 68, 69 und 70 rückgestellt, d. h. deren Q-Ausgänge weisen ein logisch "L", deren Q _BAR -Ausgänge ein logisch "H" auf. Der Zustand der beiden Phasendetektoren 44 bzw. 46 ist "a". Sobald das Freigabesignal 19 den Zustand "H" aufweist, wird beim Eintreffen des Abtastimpulses 34 der Zustand der Schaltung entsprechend den logischen Zuständen der Eingänge 43, 48 bzw. 45, 50 verändert. In der Fig. 5 weist der Richtungspfeil 78 mit dem entsprechenden Symbolpaar 79 zum Kreis 77 mit dem neuen Zustand des Phasendetektors 44 bzw. 46 hin.

In der Fig. 3 werden die Ausgangssignale 32 bzw. 33 mittels der durch die Abtastimpulse 34 der Abtastfrequenz f ₂ getakteten D-Flip-Flops 41 bzw. 40 synchronisiert, da von D-Flip-Flops nur das zum Zeitpunkt der positiven Flanke der Abtastimpulse 34 am D-Eingang anstehende Ausgangssignal 32 bzw. 33 an den Q-Ausgang der D-Flip-Flops weitergegeben wird. Der D-Flip-Flop 40 erzeugt am Ausgang ein DOWN-Signal 80, der D-Flip-Flop 41 ein UP-Signal 81. Das DOWN-Signal 80 und das im Nicht-Tor 42 invertierte Signal 80′ sind Eingangssignale zu den beiden Phasendetektoren 44, 46. Das UP-Signal 81 erfährt durch das n-stufig ausgeführte Schieberegister 47 eine Verzögerung entsprechend der vorbestimmten zusätzlichen Phasenverschiebung δα um n Perioden der Abtastfrequenz f ₂. Das um n Takte verzögerte UP-Signal 81 gelangt als ein DD-Signal 82 zum Eingang 48 des flankengetriggerten Phasendetektors 44 und als invertiertes Signal 82′ nach dem Nicht-Tor 49 zum Eingang 50 des flankengetriggerten Phasendetektors 46.

Die Dauer der Verzögerung bzw. die Anzahl Stufen des Schieberegisters 47 hängt von der Wahl des Messerbereiches ab. Bei einer zusätzlichen konstanten Phasenverschiebung δα = 180° beispielsweise ist der Meßbereich des Durchflußzählers symmetrisch um den Nullpunkt, d. h. der Zähler kann im angegebenen Bereich Flüsse des Mediums in und entgegengesetzt zur Richtung des Pfeiles 5 in Fig. 1 messen. Eine Ausführung mit Schieberegister 47 (Fig. 3) weist in diesem Fall eine Stufenzahl entsprechend der auf die nächste ganze Zahl auf- oder abgerundeten Hälfte des Verhältnisses f ₂ zu f ₁ auf.

Eine bevorzugte Ausführung des Durchflußvolumenzählers für die Messung des Flusses in einer vorbestimmten Richtung weist bei einem Verhältnis f ₂ zu f ₁ von etwa 10 ein einstufiges Schieberegister 47 auf. Somit beträgt die konstante zusätzliche Phasenverschiebung δα etwa 30°. Diese Ausführung mißt daher im Bereich einer Phasenverschiebung α von etwa -30° bis +330° und erreicht die notwendige Nullpunktverschiebung Γ, um die durch Vibrationen und Erschütterungen erzeugten Schwappmengen richtig zu erfassen, ohne den Meßbereich zu stark einzuschränken.

Bei jeder positiven Flanke der Abtastimpulse 34 verändern die Phasendetektoren 44, 46 den logischen Zustand am Ausgang 51, 52 entsprechend dem logischen Zustand der Signale an den Eingängen 43, 45, 48, 50 gemäß der Fig. 5. Ein Signal am Ausgang 52 (Fig. 3) des Phasendetektors 46 ist wegen der Nicht-Tore 42, 49 um 180° gegenüber dem Signal am Ausgang 51 des Phasendetektors 44 verschoben, dies ist allerdings erst von der zweiten verarbeiteten Periode der Signale 80, 81 (Frequenz f ₁) an der Fall. Die Ausgangssignale 51 bzw. 52 werden bei der nächsten positiven Flanke der Abtastimpulse 34 von den D-Flip-Flops 53 bzw. 54 an die Auswerteschaltung 55 als ein "-"-Signal 83 bzw. als ein "+"-Signal 84 weitergegeben.

Der zeitliche Ablauf der Signale bei der Verarbeitung im Meßglied 10, das mit einem einstufigen Schieberegister 47 ausgerüstet ist, ist in der Fig. 6 dargestellt. Die linke Hälfte der Fig. 6 enthält die Signalfunktionen bei einer Phasenverschiebung α kleiner 180° (z. B. α ≈ 40°), die rechte Hälfte die Signalfunktionen für α größer als 180° (z. B. α ≈ 280°) unmittelbar nach Eintreffen des Freigabesignales 19.

Das Freigabesignal 19 erscheint sowohl asynchron zu den Abtastimpulsen 34 als auch zu den Empfangssignalen 28, 29. Die Numerierung und die Bezeichnungen der Signale in der Fig. 6 entsprechen in Numerierung und Bezeichnung den Signalen in der Fig. 3.

Die Auswerteschaltung 55 weist zwei Betriebszustände auf. Für Phasendifferenzen α + δα zwischen 0° und 180° zählt die über das Exclusiv-Oder-Tor 57 und die erste Leitung 37 angesteuerte erste Stufe mit dem Synchronzähler 63 in den Bereichen 0° bis α + δα und 180° bis 180° + (α + δα) einer jeden Periode des Signales 84 im Takt der Abtastimpulse 34. Die Überträge dieser Zählstufe werden über die Rückleitung 39 mit dem Oder-Signal 86 im Nand-Tor 59 verknüpft. Das Ergebnis dieser Verknüpfung ist ein Nand-Signal 87. In diesem ersten Betriebszustand ist das Ergebnis der Verknüpfung im Nand-Tor 56, d. h. ein (α < 180°)-Signal 85, immer logisch "H", während das Oder-Signal 86 am Ausgang des Oder-Tores 58 zum Zeitpunkt des Übertrages immer logisch "H" ist. Über das Nand-Tor 60 und die zweite Leitung 38 werden die Überträge in den zweiten Synchronzähler 66 und den folgenden binären Zählstufen 67 aufgezählt. Für Phasendifferenzen α + δα zwischen 180° und 360° befindet sich die Auswerteschaltung 55 in einem zweiten Betriebszustand. Der zweite Synchronzähler 66 wird über das Nand-Tor 56 durch das Tor 60 zusätzlich angesteuert. Das Oder-Signal 86 und der Übertrag aus dem Synchronzähler 63 auf der Rückleitung 39 steuern über das Nand-Tor 59 mittels des Nand-Signales 87 das Tor 60. In den Bereichen 0° bis α + δα - 180° und 180° bis a + δα des Signales 84 ist das (α < 180°)-Signal 85 auf logisch "L" und das Signal auf der zweiten Leitung 38 auf logisch "H". Der Synchronzähler 66 zählt daher im Takt der Abtastimpulse 34 , während der Synchronzähler 63 gesperrt ist. Da die Stufen 63, 66 und 67 die binäre Zählkette in aufsteigender Ordnung bilden und der Synchronzähler 66 die zweite Stufe bildet, werden im Bereich 0° bis α + δα - 180° und 180° bis α + δα des Signales 84 die Abtastimpulse 34 mit dem doppelten Gewicht gezählt. Für die übrigen Bereiche zwischen α + δα - 180° und 180° bzw. a + δα und 360° des Signales 84 ist das (α < 180°)-Signal 85 und das Signal auf der ersten Leitung 37 auf logisch "H". Der über das Tor 57 angesteuerte erste Synchronzähler 63 zählt im Takt der Abtastimpulse 34 und leitet die Überträge zum Synchronzähler 66 wie im ersten Betriebszustand. Damit wird erreicht, daß in aufeinanderfolgenden Halbwellen des Signales 84 für Phasendifferenzen α + δα von 0° bis 360° die richtige Anzahl Abtastimpule 34 in der Zählvorrichtung 12 aufsummiert werden.

Die durch die Laufzeit der Ultraschallwellen bedingte Phasenverschiebung α kann nach jedem Meßzyklus 21 (Fig. 2) in der Anzeigevorrichtung 13 (Fig. 3) durch Subtrahieren der durch die zusätzliche Phasenverschiebung δα erzeugten Nullpunktsverschiebung Γ vom Zählerstand in der Zählvorrichtung 12 erhalten werden. Das Ergebnis dieser Subtraktion wird anschließend zum Stand eines Anzeigeregisters 88 hinzugezählt. Zu einem späteren Zeitpunkt werden die Stufen 63, 66 und 67 der binären Zählkette auf Null zurückgestellt. Beispielsweise kann der Impuls 20 über eine in der Fig. 1 nicht eingezeichnete Leitung zwischen dem Impulsgeber 14 und der Zählvorrichtung 12 erfolgen, wobei der in einem ebenfalls nicht eingezeichneten vierten Nicht-Tor invertierte Impuls 20 auf die R _BAR -Eingänge der Zählkettenelemente 63, 66 und 67 wirkt.

In einer bevorzugten Ausführung ist das Schieberegister 47 einstufig. Da in jedem Meßzyklus 21 (Fig. 2) 64 Perioden ausgewertet werden, summiert die Zählvorrichtung zusätzliche 128 Abtastimpulse auf, d. h. nach jedem Meßzyklus 21 (Fig. 2) muß die Anzeigevorrichtung 13 (Fig. 3) die Nullpunktsverschiebung Γ = 128 vom Zählerstand der Zählvorrichtung 12 subtrahieren und das Ergebnis ins Anzeigeregister 88 addieren.

In einer bevorzugten Ausführung der Anzeigevorrichtung 13 wird für die Nullpunktkorrektur daher ein programmierbares Rechenwerk eingesetzt, das auch für andere Korrekturen bzw. Umrechnungen eingesetzt werden kann. Beispielsweise können Wärme- oder Durchflußmengen mit Hilfe vorbestimmter, z. B. zeitabhängiger Tarifeinheiten in Kosten umgerechnet werden, damit ein Wärme- oder Durchflußmengenbezüger direkt die Bezugskosten ablesen kann, oder das Rechenwerk kann ein z. B. zum Verschließen des Eingangs am Anschlußstutzen 3 dienendes elektrisch steuerbares Ventil schließen, sobald eine von einer Kassierstation vorgegebene Bezugsmenge erreicht ist.

Claims (10)

1. Elektronischer Durchflußvolumenzähler für flüssige Medien mit einer Ultraschallmeßstrecke in einem Meßrohr (2) und zwei Meßwandlern (6; 7 ) für Ultraschall, die mit einem eine Sendefrequenz (f ₁) erzeugenden Oszillator (15) eines Sendeglieds (8) zur periodisch wiederholten gleichzeitigen Ansteuerung und mit einem Meßglied (10 ) verbunden sind, das die auf der Ultraschallmeßstrecke im Meßrohr (2) durch die Strömung des Mediums verursachte Laufzeitdifferenz eines Ultraschallsignals zwischen dem ersten Meßwandler (6) als Sender und dem zweiten Meßwandler (7) als Empfänger einerseits und der Laufzeit eines Ultraschallsignals zwischen dem zweiten Meßwandler (7) als Sender und dem ersten Meßwandler (6) als Empfänger andererseits mißt, einem Impulsgeber (14) zum wiederholten Auslösen eines Meßzyklus (21), einem Steuerglied (9), einem Abtastgenerator (11) und einer Zählvorrichtung (12) mit einer Anzeigevorrichtung (13) zur Umwandlung der durch die Laufzeitdifferenzen verursachte Phasenverschiebung (α) der Schallwellen in Einheiten proportional zum Volumen des pro Zeiteinheit durch das Meßrohr (2) fließenden Mediums und zum Aufsummieren und Anzeigen dieser Einheiten, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied (10) eine Schaltung zum Verzögern eines vom Meßwandler (6) empfangenen UP-Empfangssignales (28) um eine zusätzliche konstante Phasenverschiebung (δα) enthält und die Anzeigevorrichtung (13) mit Mitteln zu einer nach jedem Meßzyklus (21) vorzunehmenden Korrektur der dadurch entstehenden Nullpunktverschiebung (Γ) augerüstet ist, so daß Strömungen in beiden Richtungen richtig erfaßbar sind.

2. Durchflußvolumenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied (10) eine die Phasenverschiebung (α) der Schallwellen im Bereich zwischen 0° und 360° ausmessende Auswerteschaltung (55) enthält.

3. Durchflußvolumenzähler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied (10) eine Empfangssignale (28; 29) der Meßwandler (6; 7) zu Abtastimpulsen (34) synchronisierende Schaltung (41; 40) enthält, wobei die Abtastimpulse (34) im Abtastgenerator (11) erzeugt werden, und zusammen mit der Zählvorrichtung (12) und der Anzeigevorrichtung (13) eine mittels Abtastimpulsen (34) getaktete Schaltung bildet.

4. Durchflußvolumenzähler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgangssignale (32; 33), die in Schwellwertschaltern (30; 31) aus den Empfangssignalen (28; 29) erzeugt werden, zu den Abtastimpulsen (34) synchronisierende Schaltung ein mittels Abtastimpulsen (34) getakteter D-Flip-Flop (41; 40) ist.

5. Durchflußvolumenzähler nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied (10) ein aus dem UP-Empfangssignal (28) durch Synchronisieren mittels des D-Flip-Flops (41) erhaltene UP-Signal (81) um n Abtastperioden verzögerndes, n-stufiges Schieberegister (47) enthält, dessen Taktfrequenz die Abtastfrequenz (f ₂) ist, wobei n eine positive ganze Zahl ist.

6. Durchflußvolumenzähler nach einem der Ansprüche 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied (10) zwei flankengetriggerte Phasendetektoren (44; 46) enthält.

7. Durchflußvolumenzähler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung (13) ein programmierbares Rechenwerk enthält.

8. Durchflußvolumenzähler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verschließen des Meßrohres (2) ein durch das programmierbare Rechenwerk elektrisch steuerbares Ventil an einem der Anschlußstutzen (3; 4) angebracht ist zur Steuerung des Mediumdurchflusses.

9. Durchflußvolumenzähler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Bezugsmenge vorgebende Kassierstation mit dem programmierbaren Rechenwerk verbunden ist.

10. Durchflußvolumenzähler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußvolumenzähler Teil eines Wärmemengenzählers ist.