DE4302368C1 - Ultrasonic measuring method for fluid flow velocity - Google Patents

Ultrasonic measuring method for fluid flow velocity

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DE4302368C1 DE19934302368 DE4302368A DE4302368C1 DE 4302368 C1 DE4302368 C1 DE 4302368C1 DE 19934302368 DE19934302368 DE 19934302368 DE 4302368 A DE4302368 A DE 4302368A DE 4302368 C1 DE4302368 C1 DE 4302368C1
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Abstract

The measuring system has ultrasonic transmission and reception transducers (W1,W2) at opposite ends of an ultrasonic measuring path within the pipeline flow, coupled to 2 respective phase comparators (Comp 1, Comp 2) controlling a digital counter (C).The transducers are supplied with different oscillator frequencies (F1,F2), exhibiting a frequency difference which is between 40 -4 and 10 -7 times one of the transmission frequencies.The counter records a value corresponding to the difference in the propagation times for the signals propagated in the upstream and downstream direction. The transmission frequencies are of the order of 32 KHz, allowing measurement in the nanosecond range.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschall-Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden in Rohrleitungen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 9.The invention relates to a method and an apparatus for Ultrasonic measurement of the flow velocity of fluids in pipelines according to the preamble of claims 1 and 9.

Durchdringt ein Ultraschallsignal ein strömendes Fluid, so ist die Schallgeschwindigkeit gleich der Vektorsumme der Schallgeschwindigkeit c im ruhenden Fluid und der Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids. Üblicherweise nimmt man je eine Messung stromauf und stromab über dieselbe Meßstreckenlänge l vor. Dabei erhält man die beiden Schallaufzeiten t₁ und t₂ zuIf an ultrasound signal penetrates a flowing fluid, see the speed of sound is equal to the vector sum of Speed of sound c in the fluid at rest and the Flow velocity v of the fluid. Usually takes one measurement upstream and one downstream over the same Length of measuring section l before. You get the two Sound travel times t₁ and t₂

t₁ = l/(c + v), (1)t₁ = l / (c + v), (1)

t₂ = l/(c - v). (2)t₂ = l / (c - v). (2)

Löst man die Gleichungen (1) und (2) nach v auf, erhält manIf you solve equations (1) and (2) for v, you get

v = l (1/t₁ - 1/t₂)/2. (3)v = l (1 / t₁ - 1 / t₂) / 2. (3)

Der Vorteil des Lösungsansatzes gemäß Gleichung (3) ist, daß er von der Schallgeschwindigkeit c unabhängig ist; diese muß für die Erreichung der Strömungsgeschwindigkeit v nicht bekannt sein.The advantage of the approach according to equation (3) is that it is independent of the speed of sound c; this must for reaching the flow velocity v not be known.

Will man aus der Laufzeitdifferenz tD die Strömungsgeschwindigkeit v ermitteln, erhält man die GleichungIf one wants to determine the flow velocity v from the transit time difference t D , the equation is obtained

TD = t₂ - t₁ = 2 lv/(c² - v²). (4)T D = t₂ - t₁ = 2 lv / (c² - v²). (4)

Da in den meisten Anwendungsgebieten c»v gilt, läßt sich die Gleichung (4) mit guter Näherung vereinfachen zu Since c »v applies in most fields of application, the Simplify equation (4) with a good approximation  

v = tD c²/2 l. (5)v = t D c² / 2 l. (5)

Üblicherweise ist die Meßstraße um den Winkel Beta gegen die Strömungsachse des Fluids geneigt, um so die über den Rohrquerschnitt gemittelte Strömungsgeschwindigkeit v bestimmen zu können. Man erhält dann folgende BeziehungUsually the measuring line is against the angle beta the flow axis of the fluid is inclined so as to over the Pipe cross section mean flow velocity v to be able to determine. The following relationship is then obtained

v = tD c²/2 l cos (Beta). (6)v = t D c² / 2 l cos (beta). (6)

Die Gleichungen (5) und (6) enthalten jeweils das Quadrat der Schallgeschwindigkeit c; dadurch beeinflussen schon geringe Änderungen der Schallgeschwindigkeit c, beispielsweise durch Temperatur-, Druck- oder Dichteänderungen, die Genauigkeit der Messung. Es sind deshalb bereits mehrere Möglichkeiten bekannt, um diese Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit c beseitigen zu können. Sie basieren im wesentlichen darauf, auch die Laufzeitsumme tS=t₂+t₁ oder das Laufzeitenprodukt tp= t₁ · t₂ der beiden Schallaufzeiten t₁ und t₂ zu bilden und in geeigneter Weise mit der Laufzeitdifferenz tD zu kombinieren. Man erhält dann folgende BeziehungEquations (5) and (6) each contain the square of the speed of sound c; As a result, even small changes in the speed of sound c, for example due to changes in temperature, pressure or density, affect the accuracy of the measurement. For this reason, several options are already known for eliminating this dependence on the speed of sound c. They are essentially based on also forming the total term t S = t₂ + t₁ or the term product t p = t₁ · t₂ of the two sound propagation times t₁ and t₂ and appropriately combining them with the transit time difference t D. The following relationship is then obtained

v = tD 2 l/tS² cos (Beta). (7)v = t D 2 l / t S ² cos (beta). (7)

Gleichung (7) enthält die Schallgeschwindigkeit c nicht mehr.Equation (7) does not contain the speed of sound c more.

Bei den Meßverfahren nach dem Mitführungseffekt unterscheidet man die Phasendifferenzmessung (z. B. DE 26 51 142 A1, EP 0 262 441 A1, EP 0 262 461 A2), die Frequenzdifferenzmessung (z. B. DE-A 23 22 749, US 34 20 102), das Lambda-Locked-Loop-Verfahren (z. B. DE 28 28 937 A1), das Laufzeitdifferenzverfahren (z. B. DE 34 38 976 A1) und das Strahlablenkungsmeßverfahren. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß infolge der hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallsignale im Fluid - in Wasser beträgt die Schallgeschwindigkeit c=1500 m/s - Phasen- und Laufzeitdifferenzen im Nanosekundenbereich auftreten. Um diese mit hinreichender Genauigkeit messen zu können, ist eine Elektronik im Gigahertzbereich erforderlich. Elektronische Schaltkreise in diesem Frequenzbereich sind jedoch extrem teuer, vorausgesetzt sie sind überhaupt verfügbar, und haben einen hohen Stromverbrauch. Sie scheiden daher für die Praxis aus, insbesondere wenn diese elektronischen Schaltkreise über längere Zeit aus einer Batterie gespeist werden sollen.In the measurement method after the carryover effect a distinction is made between phase difference measurement (e.g. DE 26 51 142 A1, EP 0 262 441 A1, EP 0 262 461 A2), the Frequency difference measurement (e.g. DE-A 23 22 749, US 34 20 102), the lambda locked loop method (e.g. DE 28 28 937 A1), the transit time difference method (e.g. DE 34 38 976 A1) and the beam deflection measuring method. Everyone  these methods have in common that due to the high Velocity of propagation of the ultrasonic signals in the fluid - in water the speed of sound is c = 1500 m / s - Phase and transit time differences in the nanosecond range occur. To measure this with sufficient accuracy electronics is in the gigahertz range required. Electronic circuits in this Frequency ranges are extremely expensive, however, provided they are are available at all, and have a high Power consumption. You are therefore excluded from practice, especially when these electronic circuits over are to be fed from a battery for a long time.

Um trotzdem mit diesen Verfahren genaue Messungen durchführen zu können, wurden sie zu statistischen Meßverfahren erweitert, indem die Messung über eine Vielzahl von Meßzyklen oder über entsprechend verlängerte Meßzyklen durchgeführt wird. Typische Beispiele hierfür sind das Sing-Around-Verfahren und das Laufzeittastverhältnis-Verfahren, auch Ping-Pong-Verfahren genannt. Beim Sing-Around-Verfahren (z. B. US 29 12 856) wird der Empfangsimpuls elektronisch auf den Sendeschwinger zurückgeführt, so daß dieser erneut einen Schallimpuls aussendet. Sowohl stromauf wie stromab wird eine gleiche Anzahl von Impulsläufen gestartet. Die Summe der Laufzeiten wird in getrennten Zeit-Zählern registriert. Die Differenz der Zählerstände ist proportional der Strömungsgeschwindigkeit v, die Summe der Zählerstände ist umgekehrt proportional der Schallgeschwindigkeit c. Die Genauigkeit dieses Meßverfahrens wird jedoch durch die Triggerzeiten der Meßelektronik beeinträchtigt, da es keine Möglichkeit gibt festzustellen, ob und gegebenenfalls wie stark sich diese im Laufe der Jahre verändert hat. Außerdem müssen die beiden Sing-Around-Oszillatoren, je einer für die Messung stromauf und die Messung stromab, hochstabil sein. To make accurate measurements anyway with these procedures to perform, they became statistical Measuring method extended by measuring over a variety of measuring cycles or over correspondingly extended measuring cycles is carried out. These are typical examples Sing-around process and that Runtime duty cycle method, also ping-pong method called. With the sing-around method (e.g. US 29 12 856) the receive pulse is electronically transmitted to the transmitter returned so that this again a sound pulse sends out. Both upstream and downstream will be the same Number of pulse runs started. The sum of the terms is registered in separate time counters. The difference the meter readings are proportional to the Flow velocity v, which is the sum of the meter readings inversely proportional to the speed of sound c. The However, the accuracy of this measurement method is determined by the Trigger times of the measuring electronics are impaired since there are none Possibility to determine whether and if so how how much it has changed over the years. Furthermore the two sing-around oscillators, one for each Measurement upstream and measurement downstream, be highly stable.  

Diese Schwierigkeiten bestehen auch bei den anderen statistischen Meßverfahren, dem schon erwähnten Ping-Pong-Verfahren oder dem Sing-Around-Frequenzdifferenz-Meßverfahren. These difficulties also exist with the others statistical measurement method, the one already mentioned Ping pong or the Sing-around frequency difference measurement method.  

Es soll hier nur kurz erwähnt werden, daß es außer den Meßverfahren unter Ausnützung des Mitnahmeeffekts auch Meßverfahren unter Ausnützung des Dopplereffekts und Korrelationsmeßverfahrens gibt. Sie sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch ohne Bedeutung.It should only be mentioned here briefly that in addition to the Measuring method taking advantage of the entrainment effect too Measuring method using the Doppler effect and Correlation measurement method there. You are under the However, the present invention has no meaning.

Eine weitere Möglichkeit der Gewinnung der Phaseninformation bei "gedehnter Zeitskala" ist aus der DE-A 26 51 142 bekannt. Dieser Ultraschall-Strömungsmesser besitzt einen hochstabilen Quarzoszillator mit der relativ hohen Frequenz von 5 MHz. Durch digitale Untersetzung wird daraus eine Hauptmeßfrequenz von 2 kHz gewonnen. Das mit 2 kHz getastete 5-MHz-Signal wird stromauf und stromab über die Ultraschall-Meßstrecke gesendet. Um aus den Empfangssignalen die Phasendifferenz gewinnen zu können, werden die Empfangssignale zunächst mit einem 5-MHz-Quarzfilter gefiltert, mit einem Hilfssignal von 5002 kHz gemischt, jeweils über ein 2-kHz-Filter gefiltert und schließlich auf zwei Nulldurchgangsdetektoren gegeben. Die beiden Nulldurchgangsdetektoren steuern ein Impulsgatter auf bzw. zu, über welches eine Zählfrequenz, in diesem Fall die 5- MHz-Basisfrequenz, auf einen Phasendifferenzzähler geschaltet wird. Dessen Zählerstand am Ende eines Meßzyklus ist proportional der Differenz zwischen der Phase stromauf und der Phase stromab.Another way of obtaining phase information at "stretched time scale" is from DE-A 26 51 142 known. This ultrasonic flow meter has one highly stable quartz oscillator with the relatively high frequency of 5 MHz. Through digital reduction it becomes one Main measurement frequency of 2 kHz obtained. The keyed with 2 kHz 5 MHz signal is sent upstream and downstream over the Ultrasonic measuring section sent. To get out of the reception signals to be able to win the phase difference will Receive signals first with a 5 MHz quartz filter filtered, mixed with an auxiliary signal of 5002 kHz, each filtered through a 2 kHz filter and finally on given two zero crossing detectors. The two Zero crossing detectors open or close a pulse gate over which a counting frequency, in this case the 5- MHz base frequency, on a phase difference counter is switched. Its counter reading at the end of a measuring cycle is proportional to the difference between the upstream phase and the phase downstream.

Auf eine ähnliche Methode wird aus den beiden Empfangssignalen stromauf bzw. stromab die Summe der Laufzeiten stromauf und stromab ermittelt, so daß, wie eingangs erläutert, die Möglichkeit besteht, die momentane Schallgeschwindigkeit rechnerisch aus den Meßergebnissen zu eliminieren.A similar method emerges from the two Receive signals upstream or downstream the sum of the Runtimes determined upstream and downstream, so how explained at the beginning, there is the possibility of the current Speed of sound calculated from the measurement results eliminate.

Nachteilig ist an der bekannten Meßvorrichtung die Notwendigkeit eines Hochfrequenz-Oszillators und die umfangreiche Elektronik, da damit ein hoher Stromverbrauch verbunden ist. Die bekannte Meßvorrichtung ist daher für eine Batteriespeisung nicht geeignet. Analysiert man zudem das der bekannten Vorrichtung zugrunde liegende Prinzip, so stellt man fest, daß es trotz Meßdauerperioden von ca. 1 Sekunde eine minimale Auflösung von gerade 250 Nanosekunden ermöglicht. Es ist daher völlig ungeeignet für kleine Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids.The disadvantage of the known measuring device Need a high frequency oscillator and that  extensive electronics, because of this a high power consumption connected is. The known measuring device is therefore for a battery supply is not suitable. One also analyzes the principle underlying the known device, so one finds that despite measuring periods of approx. 1 Second a minimum resolution of just 250 nanoseconds enables. It is therefore completely unsuitable for small ones Fluid flow rates.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die geeignet sind, Ultraschall-Messungen von kleinen Strömungsgeschwindigkeiten, d. h. im Nanosekundenbereich, mit großer Genauigkeit durchzuführen, und die sehr energiearm sind und somit über Jahre hinweg, vorzugsweise über fünf Jahre, aus einer einzigen Batterie betrieben werden können.The present invention is based on the object To specify methods and an apparatus that are suitable Ultrasound measurements of small Flow rates, d. H. in the nanosecond range, perform with great accuracy, and the very are low in energy and therefore preferably for years over five years, operated from a single battery can be.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein gattungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. durch eine gattungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs 9.This problem is solved by a generic Method with the features according to the characterizing part of the claim 1 or by a generic device with the Features according to the characterizing part of claim 9.

Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, mit Frequenzen im Ultraschallbereich, vorzugsweise bei 32 kHz, minimale Meßzeiten von einer Nanosekunde aufzulösen. Hochpräzise Oszillatoren in diesem Frequenzbereich sind handelsüblich; sie werden beispielsweise in Quarzarmbanduhren eingesetzt, sind extrem energiesparend und preiswert und sowohl kurzzeit- als auch langzeitstabil. Die Auswerteelektronik in diesem Frequenzbereich ist ebenfalls äußerst preiswert und sparsam und problemlos verfügbar. Die Meßdauerzeiten liegen typisch bei einer Sekunde, entsprechen also den Meßdauerzeiten der bekannten statistischen Meßverfahren. The main advantage of the present invention is in that it is possible to use frequencies in Ultrasound range, preferably at 32 kHz, minimal Resolve measurement times of one nanosecond. Highly precise Oscillators in this frequency range are commercially available; they are used for example in quartz wristwatches, are extremely energy efficient and inexpensive and both short-term and long-term stable. The evaluation electronics in this frequency range is also extremely inexpensive and economical and easily available. The measuring times are typically at a second, so correspond to that Measuring times of the known statistical measuring methods.  

Vorteilhafterweise beträgt die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Sendesignalen 0,2 bis 5 Hz, typisch 1 Hz. Der jeweils passende Wert hängt nicht nur von der gewünschten minimalen Auflösung ab, sondern auch von den absoluten Frequenzwerten der Sendesignale. Je höher die Frequenz der Sendesignale, desto größer bei gleicher Auflösung die Frequenzdifferenz oder bei gleicher Frequenzdifferenz die Auflösung.The frequency difference is advantageously between the two transmission signals 0.2 to 5 Hz, typically 1 Hz The appropriate value does not only depend on the desired one minimum resolution, but also from the absolute Frequency values of the transmission signals. The higher the frequency of the Transmission signals, the larger the same resolution Frequency difference or the same with the same frequency difference Resolution.

Um die Schallgeschwindigkeit im Fluid rechnerisch eliminieren zu können, werden auch die Laufzeiten der Signale durch die Ultraschallstrecke gemessen. Hierzu muß das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Laufzeitdifferenz nur geringfügig abgewandelt werden, wie es die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 offenbaren.To calculate the speed of sound in the fluid to be able to eliminate the terms of the Signals measured through the ultrasonic path. To do this the inventive method for measuring the Term difference can only be slightly modified, as is disclose the characterizing features of claim 2.

Wie schon erwähnt, ist die Erfindung insbesondere bestimmt für batteriebetriebene Ultraschall-Durchflußmeßgeräte. Nach dem deutschen Eichgesetz beträgt die typische Betriebsdauer fünf Jahre. Während dieser langen Zeit kann sich die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Oszillatoren verändern, wodurch die Meßgenauigkeit leidet. Um hier Abhilfe zu schaffen, wird vor Beginn eines Meßzyklus eine der beiden Sendefrequenzen gesteuert verändert. Zu diesem Zweck werden die Sendefrequenzen in je einem Frequenzzähler gezählt, und ein Phasenvergleich erfolgt unmittelbar zwischen den Sendesignalen selbst. Dabei stellt sich eine Ist-Zählerstandsdifferenz ein, die dem Istwert der Frequenzdifferenz entspricht. Dieser Ist-Wert wird mit einem in einem geeigneten Speicher abgelegten, der Soll-Frequenzdifferenz entsprechenden Soll-Wert verglichen. Bei einer Abweichung wird die eine Oszillatorfrequenz so lange verändert, bis die Zählerstandsabweichung hinreichend klein ist. Verfahren zur gezielten Veränderung von Oszillatorfrequenzen sind Stand der Technik.As already mentioned, the invention is particularly intended for battery operated ultrasonic flowmeters. To the German calibration law is the typical operating time five years. During this long time the Frequency difference between the two oscillators change, whereby the measuring accuracy suffers. Around Here To remedy this, a of the two transmission frequencies controlled changed. To this The purpose of the transmission frequencies is in a frequency counter counted, and a phase comparison is made immediately between the broadcast signals themselves Actual counter reading difference that corresponds to the actual value of the Frequency difference corresponds. This actual value is shown with a stored in a suitable memory, the Target frequency difference compared corresponding target value. In the event of a deviation, the one oscillator frequency becomes so long changed until the meter reading deviation is sufficient is small. Procedure for the targeted change of  Oscillator frequencies are state of the art.

Falls die eingesetzten Ultraschall-Wandler es verlangen, können die Sendesignale auf geeignete Träger aufmoduliert werden.If the ultrasonic transducers used require  the transmission signals can be modulated onto suitable carriers become.

Wie schon erwähnt, sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch Vorrichtungen zur Durchführung der Ultraschall-Durchflußmessung. Gattungsgemäß sind Meßschaltungen, die eine das Fluid durchquerende Ultraschall-Meßstrecke mit Sende- und Empfangswandlern, zwei sendefrequenten Oszillatoren, Signalumschalter, mit deren Hilfe die Sendesignale stromab und stromauf über die Ultraschall-Meßstrecke geschickt und ebenso wie die jeweiligen Empfangssignale an zwei Phasenvergleicher geschaltet werden, und einen von den Phasenvergleichern gestarteten und gestoppten Digitalzähler umfassen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 9.As already mentioned, are the subject of the present Invention also devices for performing the Ultrasonic flow measurement. Are generic Measuring circuits that cross the fluid Ultrasonic measuring section with transmitter and receiver transducers, two transmit frequency oscillators, signal switches, with whose help the transmission signals downstream and upstream via the Sent ultrasonic measuring section and just like that respective received signals to two phase comparators be switched, and one of the phase comparators start and stop digital counter. The The device according to the invention is defined by the Features of claim 9.

Um nicht nur die Laufzeitdifferenzen, sondern die Laufzeiten der Ultraschallsignale stromauf und stromab unmittelbar messen zu können, beispielsweise um die Schallgeschwindigkeit rechnerisch eliminieren zu können, genügt eine geringfügige Änderung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10 definiert ist.Not just the term differences, but the terms the ultrasonic signals upstream and downstream immediately to be able to measure, for example, around the To be able to mathematically eliminate the speed of sound, a slight change in the invention is sufficient Device as in the characteristic features of the Claim 10 is defined.

Um die Frequenzdifferenz zwischen den Oszillatoren auf den Sollwert abgleichen zu können, ist vorzugsweise einer der beiden Oszillatoren frequenzsteuerbar. Außerdem sind zusätzliche Komponenten vorgesehen, wie sie in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 11 definiert sind. Dadurch ist der digital gespeicherte Soll-Zählerständedifferenzwert allein ausschlaggebend für die Genauigkeit der Messung. Da davon ausgegangen werden kann, daß sich dieser gespeicherte Sollwert während der Lebensdauer der Meßvorrichtung nicht verändert, bleibt die Meßgenauigkeit auch über die gesamte Lebenszeit gleich. To the frequency difference between the oscillators on the To be able to adjust the setpoint is preferably one of the frequency controlled by both oscillators. Also are additional components are provided, as in the characterizing features of claim 11 are defined. This is the digitally saved one Target counter reading difference value alone decisive for the accuracy of the measurement. Since be assumed can that this stored setpoint during the The lifespan of the measuring device remains unchanged Accuracy of measurement also the same over the entire lifetime.  

Außerdem erübrigt sich die Verwendung von extrem langzeitstabilen, teuren Analog-Schaltungskomponenten. Vorrichtungen zur gezielten Veränderung von Oszillatorfrequenzen sind Stand der Technik.In addition, the use of extreme is unnecessary long-term stable, expensive analog circuit components. Devices for the targeted change of Oscillator frequencies are state of the art.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to the drawing become. It shows

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Ultraschall-Meßstrecke in einem Fluid-führenden Rohr, Fig. 1 leading fluid in a schematic representation an ultrasound measuring section in a pipe,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Meßprinzips, Fig. 2 is a timing diagram for explaining the measuring principle according to the invention,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Meßelektronik und Fig. 3 is a block diagram of an embodiment of measuring electronics and

Fig. 4 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Vorgänge bei der Ermittlung der Laufzeitdifferenz. Fig. 4 is a timing diagram to explain the processes in determining the transit time difference.

Fig. 1 zeigt eine typische Ultraschall-Meßstrecke US mit je einem Ultraschall-Wandler W₁, W₂ an den beiden Enden. Die Ultraschall-Meßstrecke US ist im Winkel Beta gegen das Fluid-durchströmte Rohr R geneigt. Das Fluid durchströmt das Rohr R von links nach rechts, was durch den Pfeil v, der die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids symbolisiert, dargestellt ist. Die Ultraschall-Meßstrecke US wird sowohl stromauf als auch stromab mit Sendesignalen f₁, f₂ durchstrahlt, wobei die Wandler W₁, W₂ abwechselnd als Sende- und Empfangswandler geschaltet werden und entsprechend dem Mitnahmeeffekt zeitlich verzögerte Empfangssignale f₁′, f₂′ an die nachgeschaltete Elektronik abgeben. Fig. 1 shows a typical ultrasonic measuring section US, each with an ultrasonic transducer W₁, W₂ at the two ends. The ultrasound measuring section US is inclined at an angle beta against the pipe R through which fluid flows. The fluid flows through the pipe R from left to right, which is represented by the arrow v, which symbolizes the flow velocity of the fluid. The ultrasonic measuring section US is irradiated both upstream and downstream with transmit signals f 1, f 2, the transducers W 1, W 2 being switched alternately as transmit and receive converters and delivering delayed receive signals f 1 ′, f 2 ′ to the downstream electronics in accordance with the entrainment effect.

Anhand der Fig. 2 soll das der Erfindung zugrundeliegende Meßprinzip erläutert werden. Übereinander dargestellt sind Rechteck-Sendesignale f₁, f₂, deren Frequenzen fr₁, fr₂ sich um fD unterscheiden. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei angenommen, daß giltThe measuring principle on which the invention is based will be explained with reference to FIG. 2. Rectangular transmit signals f 1, f 2, whose frequencies fr 1, fr 2 differ by f D are shown one above the other. Without restricting generality, it is assumed that

fr₂ < fr₁, (8)fr₂ <fr₁, (8)

fr₂ = fr₁ - fD. (9)fr₂ = fr₁ - f D. (9)

Für die jeweilige Periodendauer giltThe following applies to the respective period

und für deren Unterschied dtand for their difference

dt = T₂ - T₁. (12)dt = T₂ - T₁. (12)

Dargestellt ist weiterhin eine Zyklusperiode T, deren Beginn dadurch bestimmt ist, daß die Sendesignale f₁, f₂ phasengleich sind und deren Ende durch den dem Beginn nächstfolgenden Zeitpunkt bestimmt ist, an dem die Sendesignale f₁, f₂ wieder phasengleich sind. Innerhalb der Zyklusperiode hinkt die aufsteigende Flanke des Sendesignals f₂ der des Sendesignals f₁ um ein bestimmtes, wohldefiniertes Maß zeitlich nach, und zwar nach T₂, d. h. nach dem ersten Impuls von f₂ um dt. Allgemein gilt nach dem n₂-ten Impuls von f₂ die BeziehungAlso shown is a cycle period T, the beginning of which is determined in that the transmission signals f₁, f₂ are in phase and their end by the beginning next time is determined at which the Transmitted signals f₁, f₂ are in phase again. Within the Cycle period limps the rising edge of the transmission signal f₂ that of the transmission signal f₁ by a certain, well-defined measure according to time, namely according to T₂, d. H. after the first pulse of f₂ by German n₂-th impulse of f₂ the relationship

(n₂ - 1) · dt.(n₂ - 1)

Die Größe dt kann für das erfindungsgemäße Meßverfahren hinreichend genau bestimmt werden mit einer Betrachtung über die Zyklusperiode T, innerhalb der eine bestimmte Anzahl n1max Perioden (im Beispiel der Fig. 2: zehn) des Sendesignals f₁ und n2max Perioden (im Beispiel der Fig. 2: neun) des Sendesignals f₂ liegen. Es gilt daher:The size dt can be determined with sufficient accuracy for the measuring method according to the invention by considering the cycle period T within which a certain number n 1max periods (in the example in FIG. 2: ten) of the transmission signal f 1 and n 2max periods (in the example in FIG . 2: nine of the transmission signal are f₂). The following therefore applies:

T = n1max · T₁ = n2max · T₂ (13)
u
T = n 1maxT₁ = n 2maxT₂ (13)
u

bzw. mit Gleichung (12)or with equation (12)

n1max · T₁ = n2max · (T₁ + dt) (14)n 1maxT₁ = n 2max (T₁ + dt) (14)

und nach dt aufgelöstand resolved after dt

Ausgedrückt mit den Frequenzen fr₁, fr₂ erhält manExpressed with the frequencies fr₁, fr₂ one obtains

Näherungsweise gilt für fr₁ ungefähr gleich fr₂ mit hinreichender GenauigkeitApproximately applies to fr₁ approximately equal to fr₂ sufficient accuracy

Es können daher durch Auszählen von n1max und n2max und bei hinreichend genau bekannter Periodendauer T₁ aus den Sendesignalen f₁, f₂ weitere Signale abgeleitet werden, die um eine äußerst kleine, aber bekannte Zeit gegeneinander verschoben sind, obwohl die Frequenzen fr₁, fr₂ der Sendesignale f₁, f₂ relativ niederfrequent sind.It can therefore be derived by counting n 1max and n 2max and with a sufficiently well-known period T₁ from the transmission signals f₁, f₂ further signals that are shifted from each other by an extremely small but known time, although the frequencies fr₁, fr₂ of the transmission signals f₁, f₂ are relatively low-frequency.

Sind beispielsweise fr₁=32 000 Hz und fr₂=31 999 Hz, dann beträgt die Zyklusperiode T=1 sec und dt=0,97 · 10-9 sec, so daß sich Vorgänge im Nanosekunden-Bereich messen lassen.For example, if fr₁ = 32,000 Hz and fr₂ = 31,999 Hz, then the cycle period is T = 1 sec and dt = 0.97 · 10 -9 sec, so that processes in the nanosecond range can be measured.

Die Bestimmung von n1max und n2max geschieht mit Hilfe eines Phasenvergleichers und zwei Zählern: Werden die Sendesignale f₁, f₂ an den Eingang eines an sich bekannten Phasenvergleichers gegeben, so erscheint an dessen Ausgang Ph der in Fig. 2 an unterster Stelle dargestellte Impulszug. Sobald die Phase der Sendesignale f₁, f₂ identisch ist, springt das Phasensignal auf High, was im Diagramm als Ph0 bezeichnet wird. Sobald die beiden Sendesignale f₁, f₂ in Antiphase sind, geht der Ausgang des Phasenvergleichers Ph auf Low und bei der nächsten Phasengleichheit wieder auf High, was als Ph1 bezeichnet ist. Während der Zeit zwischen Ph0 und Ph1 werden die zählfrequenten Impulse der Sendesignale f₁, f₂ in zwei Zählern gezählt, wobei die Endzählerstände n1max, n2max - wie oben dargestellt - zur Bestimmung von dt verwendet werden und ein Maß für die Frequenzdifferenz fD der Sendesignale f₁, f₂ darstellen.The determination of n 1max and n 2max is done with the aid of a phase comparator and two counters: If the transmission signals f 1, f 2 are given to the input of a phase comparator known per se , the pulse train shown in FIG. 2 at the bottom appears at its output Ph. As soon as the phase of the transmission signals f 1, f 2 is identical, the phase signal jumps to high, which is referred to in the diagram as Ph0. As soon as the two transmission signals f 1, f 2 are in antiphase, the output of the phase comparator Ph goes low and at the next phase equality goes back to high, which is referred to as Ph1. During the time between Ph0 and Ph1, the counting frequency pulses of the transmission signals f₁, f₂ are counted in two counters, the final counter readings n 1max , n 2max - as shown above - being used to determine dt and a measure of the frequency difference f D of the transmission signals represent f₁, f₂.

Die beiden Sendesignale f₁, f₂ bilden daher eine Art "Zeit-Nonius" und können vorteilhaft in dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Meßelektronik zur Ultraschall-Messung der Strömungsgeschwindigkeit v von Fluiden in Rohrleitungen eingesetzt werden.The two transmission signals f 1, f 2 therefore form a type of "time vernier" and can advantageously be used in the exemplary embodiment shown in FIG. 3 of measuring electronics for ultrasound measurement of the flow velocity v of fluids in pipelines.

Man erkennt in Fig. 3 zwei Oszillatoren O1, O2, die Sendesignale f₁, f₂ abgeben. Die Sendesignale f₁, f₂ werden den Eingängen 22, 23 eines zweiten Phasenkomparators Comp2 zugeführt. Das Ausgangssignal 13 dieses Phasenkomparators Comp2 steuert über eine Steuerlogik L den Start und das Stoppen der beiden Zähler C1, C2, die mit den Sendesignalen f₁, f₂ als Zählimpulse beaufschlagt sind, derart, daß die jeweils anliegenden Zählimpulse zwischen den Zeitpunkten Ph0 und Ph1 nach Fig. 2, d. h. für die Dauer einer Zyklusperiode T, gezählt werden. Die dann erreichten Zählerstände n1max, n2max der Zähler C1, C2 werden über Leitungen 15, 16 einer Steuerungs- und Verarbeitungseinheit SV zugeführt und dort u. a. zur Bestimmungen von dt nach Gleichung (15) verarbeitet.One can see in Fig. 3 two oscillators O1, O2, the transmit signals f₁, f₂ emit. The transmit signals f₁, f₂ are fed to the inputs 22, 23 of a second phase comparator Comp2. The output signal 13 of this phase comparator Comp2 controls via a control logic L the start and the stop of the two counters C1, C2, which are acted upon by the transmission signals f 1, f 2 as counting pulses, such that the counting pulses present between the times Ph0 and Ph1 according to FIG , ie for the duration of one cycle period T counted. 2nd The counter values n 1max , n 2max of the counters C1, C2 then reached are fed via lines 15, 16 to a control and processing unit SV and are processed there, among other things, to determine dt according to equation ( 15 ).

Außerdem wird in der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit SV aus den obengenannten Zählerständen n1max und N2max ein der Zählerständedifferenz entsprechendes Signal 17 gebildet, das über einen Frequenzregelverstärker A als Signal AFC den Oszillator O2 derart in seiner Frequenz fr₂ verstimmt, daß der Frequenzunterschied fD zwischen den Frequenzen fr₁, fr₂ der Oszillatoren O1, O2 in einem gewünschten Bereich, vorzugsweise zwischen 10-4 und 10-7 der Oszillatorfrequenzen selbst liegt.In addition, in the control and processing unit SV from the above counter readings n 1max and N 2max a signal 17 corresponding to the counter reading difference is formed, which detunes the oscillator O2 in its frequency fr₂ via a frequency control amplifier A as signal AFC in such a way that the frequency difference f D between the frequencies fr₁, fr₂ of the oscillators O1, O2 in a desired range, preferably between 10 -4 and 10 -7 of the oscillator frequencies themselves.

Die Sendesignale f₁, f₂ der zwei Oszillatoren O1, O2 gelangen außerdem jeweils über die Umschalter S1.1a und S1.2a auf die jeweiligen Ultraschall-Wandler W₁, W₂. Die abgestrahlten Sendesignale durchlaufen die Ultraschall-Meßstrecke US, und zwar das Signal f₂ stromab und das Signal f₁ stromauf. Sie werden vom Ultraschall-Wandler W₁ nach der Schallaufzeit t₂ und vom Ultraschall-Wandler W₂ nach der Schallaufzeit t₁ aufgenommen und gelangen über die Umschalter S1.1b, S1.2b und je einen Empfangsverstärker 10, 11 in Form der Empfangssignale f₂′, f₁′ über die zweiten Umschalter S2.1b, S2.2b als Eingangssignale auf die beiden Eingänge 20, 21 eines ersten Phasenkomparators Comp1.The transmit signals f₁, f₂ of the two oscillators O1, O2 also pass through the switches S1.1a and S1.2a to the respective ultrasonic transducers W₁, W₂. The emitted transmission signals pass through the ultrasonic measuring section US, namely the signal f₂ downstream and the signal f₁ upstream. They are picked up by the ultrasonic transducer W₁ after the sound propagation time t₂ and by the ultrasonic transducer W₂ after the sound propagation time t₁ and pass through the switches S1.1b, S1.2b and a receiving amplifier 10, 11 in the form of the received signals f₂ ', f₁' via the second switch S2.1b, S2.2b as input signals to the two inputs 20, 21 of a first phase comparator Comp1.

Der Zählvorgang des Impulszählers C wird gestartet von dem Ausgangssignal 13 des obenerwähnten Phasenkomparators Comp2. Das Ausgangssignal 12 des Phasenkomparators Comp1 stoppt den Zählvorgang des Impulszählers C, der Impulse mit einer Zählfrequenz frz - vorzugsweise mit der Frequenz fr₂ des Sendesignals f₂ - zählt. Der sich damit ergebende Zählerstand 14 des Impulszählers C wird der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit SV zugeführt und dort zu einem Wert für den Durchfluß v verarbeitet, der, wenn dies gewünscht ist, auf der Anzeige Dis angezeigt werden kann.The counting process of the pulse counter C is started by the output signal 13 of the above-mentioned phase comparator Comp2. The output signal 12 of the phase comparator Comp1 stops the counting process of the pulse counter C, which counts pulses with a counting frequency fr z - preferably with the frequency fr₂ of the transmission signal f₂. The resultant counter reading 14 of the pulse counter C is fed to the control and processing unit SV and processed there to a value for the flow rate v, which, if desired, can be displayed on the display Dis.

Außerdem werden in der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit SV aus den Signalen f₁ und f₂ geeignete Steuersignale s1.1, s1.2, s2.1, s2.2 für die Umschalter S1.1, S1.2, S2.1, S2.2 gebildet und diesen zugeführt.In addition, in the control and processing unit SV from the signals f 1 and f 2 suitable control signals s1.1, s1.2, s2.1, s2.2 for the changeover switches S1.1, S1.2, S2.1, S2.2 formed and fed this.

Die Funktionsweise der in Fig. 3 dargestellten Meßelektronik soll für die Laufzeitdifferenzmessung dt der Ultraschall-Signale erläutert werden: Die Messung erfolgt innerhalb der Zyklusperiode T nach Fig. 2, beginnend mit dem Beginn der Zyklusperiode in sich mit der Periodendauer T₁ bzw. T₂ wiederholenden Zyklen, die jeweils in die Phasen I und II unterteilt sind. Dabei beginnt die Phase I jeweils mit dem Beginn des Zyklus und dauert vorzugsweise etwa 50% der Periodendauer T₁ bzw. T₂; während der Phase I eines jeden Zyklus sind die Umschalter S1.1 und S1.2 in der Stellung a, so daß die Sendesignale f₁, f₂ über die entsprechenden Ultraschall-Wandler W₁, W₂ in das Medium, dessen Durchfluß gemessen werden soll, abgestrahlt werden. Die Phase II beginnt mit dem Ende der Phase I und endet mit dem Ende der Periodendauern T₁, T₂; während der Phase II eines jeden Zyklus sind die Umschalter S1.1 und S1.2 in der Stellung b, so daß einerseits das während der Phase I vom Ultraschall-Wandler W₂ stromab abgestrahlte Signal f₂ nach der Laufzeit t₂ vom Wandler W₁ empfangen und vom Empfangsverstärker 10 verarbeitet als Empfangssignal f₂′ und andererseits das während der Phase I vom Ultraschall-Wandler W₁ stromauf abgestrahlte Signal f₁ nach der Laufzeit t₁ vom Wandler W₂ empfangen und vom Empfangsverstärker 11 verarbeitet als Empfangssignal f₁′ zur Verfügung stehen. Für die Laufzeitdifferenzmessung dt der Ultraschall-Signale sind die Umschalter S2.1 und S2.2 während der gesamten Zyklusperiode T in der Stellung b, so daß die obenerwähnten Empfangssignale f₁′, f₂′ den Eingängen 20, 21 des ersten Phasenkomparators Comp1 zugeführt werden.The operation of the measuring electronics shown in Fig. 3 is to be explained for the transit time difference measurement dt of the ultrasonic signals: The measurement takes place within the cycle period T according to Fig. 2, beginning with the beginning of the cycle period in itself with the period duration T 1 or T 2 repeating cycles , which are divided into phases I and II. Phase I begins at the beginning of the cycle and preferably lasts about 50% of the period T₁ or T₂; during phase I of each cycle, the switches S1.1 and S1.2 are in position a, so that the transmission signals f 1, f 2 are emitted via the corresponding ultrasound transducers W 1, W 2 into the medium, the flow of which is to be measured . Phase II begins at the end of phase I and ends at the end of the periods T₁, T₂; during phase II of each cycle, the switches S1.1 and S1.2 are in position b, so that, on the one hand, the signal f₂ emitted downstream during phase I from the ultrasonic transducer W₂ is received after the transit time t₂ by the transducer W₁ and from the receiving amplifier 10 processed as a received signal f₂ 'and on the other hand received during the phase I from the ultrasonic transducer W₁ upstream emitted signal f₁ after the transit time t₁ from the transducer W₂ and processed by the receive amplifier 11 as a received signal f₁'. For the transit time difference measurement dt of the ultrasonic signals, the changeover switches S2.1 and S2.2 are in the position b during the entire cycle period T, so that the above-mentioned received signals f 1 ′, f 2 ′ are fed to the inputs 20, 21 of the first phase comparator Comp1.

Für die Zyklen am Anfang der Zyklusperiode T wird bei einer Fluid-Strömungsgeschwindigkeit v<0 das Empfangssignal f₂′ dem Empfangssignal f₁′ in der Phase voreilen, da die Schallaufzeit t₂ stromab kleiner als die Schallaufzeit t₁ stromauf ist. Da aber das Sendesignal f₂ je Zyklus jeweils um dt mehr gegenüber dem Sendesignal f₁ zeitlich "verzögert" wird, wie in Fig. 2 dargestellt, werden nach n₂ Zyklen von f₂ schließlich die beiden Empfangssignale f₁′, f₂′ ohne Phasenverschiebung an den Eingängen 20, 21 des Phasenkomparators Comp1 anliegen.For the cycles at the beginning of the cycle period T at a fluid flow velocity v <0, the reception signal f₂ 'lead the reception signal f₁' in phase, since the sound propagation time t₂ downstream is less than the sound propagation time t₁ upstream. But since the transmission signal f₂ is per cycle "delayed" by dt more than the transmission signal f₁, as shown in Fig. 2, after n₂ cycles of f₂, the two reception signals f₁ ', f₂' without phase shift at the inputs 20, 21 of the phase comparator Comp1.

Die Fig. 4 zeigt einen zeitlichen Ausschnitt um den n₂-ten Impuls der Sendesignale f₁, f₂ sowie des zeitlich um die Schallaufzeit t₁ stromauf verschobenen zugehörigen Empfangssignals f₁′ und des zeitlich um die Schallaufzeit t₂ stromab verschobenen zugehörigen Empfangssignals f₂′. Beim n₂-ten Impuls des Sendesignals f₂ ist dieses gegenüber dem Sendesignal f₁ entsprechend dem für Fig. 2 Gesagten um (n₂-1) * dt zeitlich verschoben; die entsprechenden Empfangssignale f₁′ und f₂′ treffen aber nach den jeweiligen Schallaufzeiten t₁, t₂ zeitgleich, d. h. ohne zeitliche Verschiebung gegeneinander, ein. Damit ist die Differenz tD der Schallaufzeiten gleich der zeitlichen Verschiebung der Sendesignale f₁, f₂ zueinander: Fig. 4 shows a temporal section around the n₂-th pulse of the transmission signals f₁, f₂ and the temporally shifted by the sound propagation time t₁ associated reception signal f₁ 'and the temporally shifted by the sound propagation time t₂ associated reception signal f₂'. At the n₂-th pulse of the transmission signal f₂, this is shifted in time by (n₂-1) * dt relative to the transmission signal f₁ in accordance with what has been said for FIG. 2; the corresponding reception signals f₁ 'and f₂' but after the respective sound propagation times t₁, t₂ at the same time, ie without a time shift against each other. So the difference tD of the sound propagation times is equal to the time shift of the transmission signals f₁, f₂ to each other:

tD = t₁ - t₂ = (n₂ - 1) * dt.t D = t₁ - t₂ = (n₂ - 1) * dt.

Da das Ausgangssignal 12 des Phasenkomparators Comp1 den Zählbetrieb des Zählers C stoppt, wenn die Phasenverschiebung der Empfangssignale f₁′, f₂′ an seinen Eingängen 20, 21 Null wird, und da der Zähler C zu Beginn der Zyklusperiode durch das Ausgangssignal 13 des Phasenkomparators Comp2 gestartet wurde, stellt der Zählerstand des Zählers C ein Maß für (n₂-1) und damit für die Laufzeitdifferenz tD dar. Der Zählerstand 14 wird der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit zugeführt und dort entsprechend den oben dargestellten Berechungsgängen zu einem Durchflußwert verarbeitet.Since the output signal 12 of the phase comparator Comp1 stops the counting operation of the counter C when the phase shift of the received signals f₁ ', f₂' at its inputs 20, 21 becomes zero, and since the counter C is started at the beginning of the cycle period by the output signal 13 of the phase comparator Comp2 was, the counter reading of the counter C is a measure for (n₂-1) and thus for the transit time difference tD. The counter reading 14 is fed to the control and processing unit and processed there to a flow value in accordance with the above-described calculation processes.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich sowohl mit Rechteckimpulsen durchführen, wie sie von den bekannten 32-kHz-Oszillatoren abgegeben werden, als auch mit sinusförmigen Signalen, was durch die gestrichelt gezeichneten Frequenzfilter F₁, F₂ angedeutet wird. Insbesondere dann, wenn mit kontinuierlichen Sendesignalen gearbeitet werden soll, empfiehlt sich die Verwendung von sinusförmigen Signalen.The inventive method can be both with Perform square-wave pulses, as they are known 32 kHz oscillators are delivered as well sinusoidal signals what is dashed by the drawn frequency filter F₁, F₂ is indicated. Especially when using continuous transmission signals it is recommended to use sinusoidal signals.

Mit Hilfe der Schaltung nach Fig. 3 können auch direkt die Laufzeiten der Ultraschall-Signale stromauf und stromab gemessen werden, um so die an sich bekannte Kompensation der Temperatur-, Druck- und Dichteabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit durchführen zu können. Zur Bestimmung der Schallaufzeit t₂ stromab werden während der gesamten Zyklusperiode T die Umschalter S1.1 in Stellung b, S1.2 in Stellung a, S2.1 in Stellung b und S2.2 in Stellung a geschaltet, so daß dem Phasenkomparator Comp1 an seinem ersten Eingang 20 das Empfangssignal f₂′ und an seinem zweiten Eingang 21 das Sendesignal f₁ zugeführt wird. Aus dem Zählerstand 14 des Zählers C kann dann in der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit SV die Signallaufzeit t₂ ermittelt und, wenn dies gewünscht ist, auf der Anzeige Dis angezeigt werden. Ebenso werden zur Bestimmung der Schallaufzeit t₁ stromauf während der gesamten Zyklusperiode T die Umschalter S1.1 in Stellung a, S1.2 in Stellung b, S2.1 in Stellung a und S2.2 in Stellung b geschaltet, so daß dem Phasenkomparator Comp1 an seinem Eingang 20 das Sendesignal f₂ und an seinem Eingang 21 das Empfangssignal f₁′ zugeführt werden. Aus dem Zählerstand 14 des Zählers C kann dann in der Steuerungs- und Verarbeitungseinheit SV die Signallaufzeit t₁ ermittelt und, wenn dies gewünscht ist, auf der Anzeige Dis angezeigt werden.With the help of the circuit of Fig. 3, the transit times of the ultrasonic signals can also directly upstream and thus the compensation is known per se be measured downstream, to perform the temperature, pressure and density dependence of the sound velocity. To determine the sound propagation time t₂ downstream, the changeover switches S1.1 in position b, S1.2 in position a, S2.1 in position b and S2.2 in position a are switched during the entire cycle period T, so that the phase comparator Comp1 on its first input 20, the reception signal f₂ 'and at its second input 21, the transmission signal f₁ is supplied. From the counter reading 14 of the counter C, the signal transit time t 2 can then be determined in the control and processing unit SV and, if desired, can be displayed on the display Dis. Likewise, to determine the sound propagation time t 1 upstream during the entire cycle period T, the changeover switches S1.1 in position a, S1.2 in position b, S2.1 in position a and S2.2 in position b, so that the phase comparator Comp1 is switched on its input 20, the transmission signal f₂ and at its input 21, the reception signal f₁ 'are supplied. From the counter reading 14 of the counter C, the signal transit time t 1 can then be determined in the control and processing unit SV and, if desired, can be displayed on the display Dis.

Claims (13)

1. Verfahren zur Ultraschall-Messung der Strömungsgeschwindigkeit (v) von Fluiden in Rohrleitungen (R), wobei entlang einer das Fluid durchquerenden Ultraschall-Meßstrecke (US) ultraschallfrequente Sendesignale (f₁, f₂) das Fluid stromab (USv) und stromauf (USr) durchlaufen, wobei sich infolge des Mitführungseffektes Empfangssignale (f₁′, f₂′) zeitlich verzögert zu den Sendesignalen (f₁, f₂) einstellen, und wobei die Phasen der Signale (f₁, f₁′, f₂, f₂′) miteinander verglichen und zum Starten und Stoppen eines Digitalzählers (C) verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz (fD=|fr₁-fr₂|) der Frequenzen (fr₁, fr₂) der beiden Sendesignale (f₁, f₂) das 10-4- bis 10-7fache der ersten Sendefrequenz (fr₁) selbst beträgt, daß Phasenvergleiche einerseits zwischen den Sendesignalen (f₁, f₂) und andererseits zwischen den nach Durchlaufen der jeweiligen Ultraschall-Meßstrecke (USv; USr) zeitlich verzögerten Empfangssignalen (f₁′; f₂′) vorgenommen werden und daß beim Auftreten einer Phasengleichheit (Ph) zwischen den Sendesignalen (f₁, f₂) der Zähler (C) gestartet und beim Auftreten der nächsten Phasengleichheit (Ph1) zwischen den Empfangssignalen (f₁′, f₂′) wieder gestoppt wird.1. Method for ultrasound measurement of the flow velocity (v) of fluids in pipelines (R), ultrasound-frequency transmission signals (f 1, f 2) the fluid downstream (USv) and upstream (USr) along a ultrasound measuring path (US) traversing the fluid run through, due to the carry-along effect receive signals (f₁ ', f₂') with a time delay to the transmission signals (f₁, f₂), and wherein the phases of the signals (f₁, f₁ ', f₂, f₂') compared with each other and for starting and Stopping a digital counter (C) are used, characterized in that the difference (f D = | fr₁-fr₂ |) of the frequencies (fr₁, fr₂) of the two transmission signals (f₁, f₂) is 10 -4 - to 10 -7 times the first transmission frequency (fr₁) itself is that phase comparisons on the one hand between the transmission signals (f₁, f₂) and on the other hand between the received signals delayed after passing through the respective ultrasonic measuring section (USv; USr) len (f₁ ';f₂') and that when a phase equality (Ph) occurs between the transmission signals (f₁, f₂) the counter (C) is started and when the next phase equality (Ph1) occurs between the reception signals (f₁ ', f₂ ') Is stopped again. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenvergleiche einerseits zwischen den Sendesignalen (f₁, f₂) und andererseits zwischen einem Sendesignal (f₁, f₂) und dem jeweils anderen Empfangssignal (f₂′, f₁′) vorgenommen werden und daß beim Auftreten einer Phasengleichheit (Ph0) zwischen den Sendesignalen (f₁, f₂) der Zähler (C) gestartet und beim Auftreten der nächsten Phasengleichheit (Ph1) zwiscen den Sende- und Empfangssignalen (f₁, f₂′; f₂, f₁′) gestoppt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the phase comparisons on the one hand between the transmission signals (f₁, f₂) and on the other hand between a transmission signal (f₁, f₂) and the other received signal (f₂ ′, f₁ ′) be made and that when a Phase equality (Ph0) between the transmission signals (f₁, f₂) the counter (C) started and when the next occurs Phase equality (Ph1) between the transmit and Received signals (f₁, f₂ '; f₂, f₁') is stopped. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Sendesignal (f₁) eine Frequenz (fr₁) von ca. 32 kHz aufweist.3. The method according to claim 1 or 2, characterized  characterized in that the first transmission signal (f₁) a frequency (fr₁) of approximately 32 kHz. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzfrequenz (fD) 0,2 bis 5 Hz beträgt.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the differential frequency (f D ) is 0.2 to 5 Hz. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zählfrequenz (frz) die erste Sendefrequenz (fr₁) verwendet wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the first transmission frequency (fr₁) is used as the counting frequency (fr z ). 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zählfrequenz (frz) die zweite Sendefrequenz (fr₂) verwendet wird.6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the second transmission frequency (fr₂) is used as the counting frequency (fr z ). 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn eines Meßzyklus eine der beiden Sendefrequenzen (fr₂) gesteuert verändert wird, daß zu diesem Zweck die Sendefrequenzen (fr₁, fr₂) in je einem Frequenzzähler (C1, C2) gezählt werden, daß ein Phasenvergleich nur zwischen den Sendesignalen (f₁, f₂) selbst erfolgt und daß bei einer Abweichung der Ist-Differenz der Zählerstände von einer dem Sollwert der Differenzfrequenz (fD) entsprechenden Soll-Differenz der Zählerstände diese eine Sendefrequenz (fr₂) so lange verändert wird, bis die Soll-Ist-Abweichung hinreichend klein ist.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that one of the two transmission frequencies (fr₂) is changed in a controlled manner before the start of a measuring cycle, that for this purpose the transmission frequencies (fr₁, fr₂) each in a frequency counter (C1, C2) be counted that a phase comparison only takes place between the transmission signals (f₁, f₂) itself and that if the actual difference of the counter readings deviates from a target difference of the counter readings corresponding to the setpoint value of the difference frequency (f D ), this one transmission frequency (fr₂) is changed until the target-actual deviation is sufficiently small. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendesignale (f₁, f₂) auf einen hochfrequenten Träger aufmoduliert werden.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized characterized in that the transmission signals (f₁, f₂) on one high-frequency carriers are modulated. 9. Vorrichtung zur Ultraschall-Messung der Strömungsgeschwindigkeit (v) von Fluiden in Rohrleitungen (R), umfassend eine das Fluid durchquerende Ultraschall-Meßstrecke (US) mit Sende- und Empfangswandlern (W₁, W₂), zwei sendefrequente (fr₁, fr₂) Oszillatoren (O₁, O₂), Signalumschalter (S1.1, S1.2, S2.1, S2.2), mit deren Hilfe die Sendesignale (f₁, f₂) stromab (USv) und stromauf (USr) über die Ultraschall-Meßstrecke (US) geschickt und ebenso wie die jeweiligen Empfangssignale (f₁′, f₂′) an zwei Phasenvergleicher (Comp1, Comp2) geschaltet werden, und einen von diesen Phasenvergleichern (Comp1, Comp2) gestarteten und gestoppten Digitalzähler (C), dadurch gekennzeichnet, daß die von den Oszillatoren (O₁, O₂) erzeugten Sendefrequenzen (fr₁, fr₂) sich um eine Differenz (fD=|fr₁-fr₂|) vom 10-4- bis 10-7fachen der ersten Sendefrequenz (fr₁) unterscheiden, daß die beiden nach Durchlaufen der jeweiligen Ultraschall-Meßstrecke (USv, USr) zeitlich verzögerten Empfangssignale (f₁′, f₂′) auf den einen Phasenvergleicher (Comp1) und die beiden Sendesignale (f₁, f₂) auf den anderen Phasenvergleicher (Comp2) geführt sind und daß zwischen dem Auftreten einer Phasengleichheit (Ph0) zwischen den Sendesignalen (f₁, f₂) und dem Auftreten der nächsten Phasengleichheit (Ph1) zwischen den Empfangssignalen (f₁′, f₂′) ein Impulsgatter geöffnet ist und zählfrequente (frz) Impulse im Zähler (C) gezählt werden.9. Device for ultrasound measurement of the flow velocity (v) of fluids in pipelines (R), comprising an ultrasonic measuring section (US) crossing the fluid (US) with transmitting and receiving transducers (W 1, W 2), two transmitting frequencies (fr 1, fr 2) oscillators (O₁, O₂), signal switch (S1.1, S1.2, S2.1, S2.2), with the help of which the transmission signals (f₁, f₂) downstream (USv) and upstream (USr) via the ultrasonic measuring section ( US) sent and just like the respective received signals (f₁ ', f₂') are switched to two phase comparators (Comp1, Comp2), and one of these phase comparators (Comp1, Comp2) started and stopped digital counter (C), characterized in that the of the oscillators (O₁, O₂) generated transmission frequencies (fr₁, fr₂) differ by a difference (f D = | fr₁-fr₂ |) from 10 -4 - to 10 -7 times the first transmission frequency (fr₁) that the two after passing through the respective ultrasound measuring section (USv, USr) h delayed received signals (f₁ ', f₂') on one phase comparator (Comp1) and the two transmission signals (f₁, f₂) on the other phase comparator (Comp2) are performed and that between the occurrence of a phase equality (Ph0) between the transmission signals (f₁ , f₂) and the occurrence of the next phase equality (Ph1) between the received signals (f₁ ', f₂') a pulse gate is open and counting frequencies ( for z ) pulses are counted in the counter (C). 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Sendesignal (f₁, f₂) und das jeweils andere Empfangssignal (f₂′, f₁′) auf den einen Phasenvergleicher (Comp1) und die beiden Sendesignale (f₁, f₂) auf den anderen Phasenvergleicher (Comp2) geführt sind, und daß zwischen dem Auftreten einer Phasengleichheit (Ph0) zwischen den Sendesignalen (f₁, f₂) und dem Auftreten der nächsten Phasengleichheit (Ph1) zwischen den Sende- und Empfangssignalen (f₁, f₂′; f₂, f₁′) das Impulsgatter geöffnet ist und zählfrequente (frz) Impulse im Zähler (C) gezählt werden.10. The device according to claim 9, characterized in that in each case a transmission signal (f₁, f₂) and the other reception signal (f₂ ', f₁') on one phase comparator (Comp1) and the two transmission signals (f₁, f₂) on the other Phase comparators (Comp2) are performed, and that between the occurrence of a phase equality (Ph0) between the transmission signals (f₁, f₂) and the occurrence of the next phase equality (Ph1) between the transmission and reception signals (f₁, f₂ ′; f₂, f₁ ′ ) the pulse gate is open and counting frequencies ( for z ) pulses are counted in the counter (C). 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Oszillatoren (O₂) frequenzsteuerbar ist, daß der Phasenvergleicher (Comp2) für die beiden Sendesignale (f₁, f₂) beim Auftreten einer Phasengleichheit (Ph0) zwei Frequenzzähler (C1, C2) - je einen für beide Sendefrequenzen (fr₁, fr₂) - startet und beim Auftreten der nächsten Phasengleichheit (Ph1) stoppt, daß die Ist-Zählerständedifferenz verglichen wird mit der gespeicherten, der Soll-Differenzfrequenz (fD) entsprechenden Soll-Zählerständedifferenz und daß ein Regelverstärker (A) vorgesehen ist, der ein der Soll-Ist-Abweichung proportionales Frequenzsteuersignal (AFC) erzeugt, mit dessen Hilfe die Frequenz (fr₂) des frequenzsteuerbaren Oszillators (O₂) so lange verstellt wird, bis die Zählerständedifferenz hinreichend klein ist.11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that one of the two oscillators (O₂) is frequency controllable in that the phase comparator (Comp2) for the two transmission signals (f₁, f₂) when a phase equality (Ph0) occurs two frequency counters (C1, C2) - one for both transmission frequencies (fr₁, fr₂) - starts and stops when the next phase equality (Ph1) occurs, that the actual meter reading difference is compared with the stored, the target difference frequency (f D ) corresponding meter reading difference and that a control amplifier (A) is provided which generates a frequency control signal (AFC) proportional to the target-actual deviation, with the aid of which the frequency (fr₂) of the frequency-controllable oscillator (O₂) is adjusted until the counter reading difference is sufficiently small. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Oszillator (O₁, O₂) ein 32-kHz-Quarz-Oszillator ist.12. The device according to one of claims 9 to 11, characterized characterized in that at least one oscillator (O₁, O₂) 32 kHz quartz oscillator. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Oszillatoren (O₁, O₂) Frequenzfilter (F₁, F₂) in Form von Tief- oder Bandpaß nachgeschaltet sind.13. Device according to one of claims 9 to 12, characterized characterized in that the oscillators (O₁, O₂) frequency filters (F₁, F₂) are connected in the form of low or bandpass.
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