DK166047B - Gennemstroemningsvolumenmaaler til flydende medier - Google Patents

Description

i

DK 166047 B

Den foreliggende opfindelse angår en gennemstrømningsvolurnen-mål er til flydende medier af den i krav l's indledning angivne art, således som de f.eks. anvendes i varmemålere.

Gennemstrømningsvolumenmålere af denne art måler strømnings-5 hastigheden og dermed strømmen af et medium gennem et målerør baseret på løbetidsforskellen mellem to ultralydbølgepakker af f.eks. mere end 100 perioder, som samtidigt gennemløber målerøret i modsat retning én gang pr. målecyklus. I et udvalgt afsnit af ultralydbølgepakkerne bliver faseforskellen mellem de på vejen gennem målerøret 10 af strømningen forsinkede henholdsvis accelererede ultralydsignaler i hver periode udmålt med et impulssignal og omregnet til mængdeenheder.

En sådan til teknikkens stade svarende anordning er kendt fra CH patentskrift nr. 604.133.

15 Karakteristisk for disse gennemstrømningsvolumenmålere er den målefejl, som kun afhænger af temperaturen og ultralydfrekvensen.

Ved justering af ultralydfrekvensen kan målefejlen reduceres, såfremt ultralydsignalerne og impulssignalet ikke har nogen fælles overbølger, dvs. fasebeliggenheden af de to signaler under målecyk-20 lerne skal være tilfældige, og frembringelsen af de to signaler må ikke afbrydes over mange tusinde målecykler.

Denne målefejl bestemmer den minimale med forudgiven nøjagtighed målelige gennemstrømningsmængde og begrænser dermed dynamikken af gennemstrømningsvolumenmåleren, dvs. forholdet mellem den største 25 og mindste gennemstrømningsmængde ved forudgiven målenøjagtighed.

Formålet med opfindelsen er at forbedre dynamikken af gennemstrømningsvolumenmåleren ved forudgiven målenøjagtighed ved undgåelse af årsagerne til den ovennævnte målefejl.

En nøjagtig analyse af faseforskelsmålemetoden har ført til 30 løsningen af opgaven ved de i krav l's kendetegnende del angivne foranstaltninger.

Nogle udførelseseksempler på opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser en måleanordning i en gennemstrømningsvolumen-35 måler eller som en del af en varmemængdemåler, fig. 2 tidsdiagrammer med styresignaler for et styreværk og elektriske signaler over en af de to måleomformere, fig. 3 et diagram over en oscillator for en sendefrekvens, fig. 4 oscillatoren i fig. 3 med en kapacitetsdiode og

DK 166047 B

2 fig. 5 en digitalstyret kapacitet i oscillatoren i fig. 3.

Den i fig. 1 viste gennemstrømningsvolumenmåler består i det væsentlige af en måleværdigi ver 1 med en målestrækning 2, hvori der løber et flydende medium fra en tilslutningsstuds 3 til en tilslut-5 ningsstuds 4 i en mulig med en pil 5 angivet strømningsretning, og af måleomformere 6 og 7 for ultralyd, et sendeled 8, et styreled 9, et løbetidsdifferens-mål el ed 10, en evalueringsenhed 11, et tælleorgan 12, en impulsgiver 13 med impulsfrekvensen f og en afbryder 14 for en forsyningsspænding 39. Måleomformerne 6,7 ligger overfor 10 hinanden og udsender periodisk samtidigt ultralydbølgepakker, dvs. én bølgepakke løber i retning af pilen 5 og én bølgepakke i modsat retning. Den ved den anden ende af målestrækningen 2 værende måleomformer 7 henholdsvis 6 modtager derfor en af strømningen accelereret henholdsvis forsinket ultralydbølgepakke.

15 Sendeleddet 8 indeholder en oscillator 15, hvis sendefrekvens f^ ved hjælp af et styresignal 16 ændres af styreleddet 9 indenfor et værdiområde omkring en grundfrekvens. Et udgangssignal 17 fra oscillatoren 15 bliver benyttet i det fortrinsvis af mindst én tællekæde bestående styreled 9 til at frembringe styresignalet 16, 20 et kommandosignal 18 for en omskifter 19 og et frigivesignal 20 for måleleddet 10.

En fortrinsvis smal impuls 21 fra impulsgiveren 13 bringer styreleddet 9 til at begynde en ny målecyklus 22 bestående af en sendefase 23, en modtagefase 24 og en hvilefase 25 (fig. 2). I fig.

25 1 føres udgangssignalet 17 med sendefrekvensen fj over den af kommandosignalet 18 styrede omskifter 19 under en forudbestemt varighed, f.eks. under 128 perioder, som et sendesignal 26 over tilkoblingsled 27 til måleomformerne 6 og 7. Måleomformerne 6 og 7 frembringer i mediet pr. målecyklus 22 hver en ultralydbølgepakke 30 med den forudbestemte varighed.

De to ultralydbølgepakker gennemløber målestrækningen 2 med hastighederne cQ + cm og cQ - cm, hvor cQ står for lydhastigheden i mediet og cm for strømningshastigheden af mediet. Hver måleomformer 6,7 omformer i modtagefasen 24 (fig. 2) de af den anden måleomformer 35 7,6 (fig. 1) udsendte ultralydbølger til tilsvarende elektriske signaler 28 og 29. Samtidig bliver det fælles indfødningspunkt for tilkoblingsleddene 27 fra omskifteren 19 jordet. I løbetidsdifferens-mål el eddet 10 bliver signalerne 28 og 29 fra tærskel værdi omski fterne 30 og 31 iagttaget. For de positive

DK 166047 B

3 halvbølger af signalet 28 afgiver tærskel værdi omskifteren 30 et udgangssignal 32 med logisk "1", og for de negative halvbølger er signalet 32 på logisk "0". Tærskel værdiomskifteren 31 frembringer et inverteret udgangssignal 33, som for positive halvbølger af signalet 5 29 er logisk "0" og for dettes negative halvbølger er logisk "1".

Styreværket 9 kobler tidsmæssigt i den første fjerdedel af periodetallet for det modtagne signal 28 signalet 20 fra logisk "0" til "1" og i den sidste fjerdedel af periodetallet for signalet 28 fra logisk "1" til "0". Signalerne 20,32 og 33 frembringer i OG-porten 10 34 under hver modtagefase 24 en følge af impulser 35. Varigheden δ af disse impulser 35 svarer til løbetidsdifferensen At mellem de to ultralydbølger. Med b som længden af målestrækningen 2 i fig. 1 gælder der ifølge CH patentskrift nr. 604.133: 15 i - At - --- - --- - 2-b'cit/co2 co - c„ co + cm I evalueringsenheden 11 frembringer en med fordel kvartsstyret 20 aftastningsgenerator 36 fortrinsvis et aftastningssignal med smalle aftastningsimpulser og med en konstant impulsfrekvens fEn 0G-port 37 lader disse aftastningsimpulser passere under varigheden δ af hver impuls 35 som signal 38 til tælleorganet 12, hvor signalerne 38 opsummeres.

25 Impulsgiveren 13 udløser over impulsen 21 den ovenfor beskrevne målecyklus 22. Impulsfrekvensen f af impulserne 21 bliver svarende til temperaturen af mediet i målestrækningen 1 passende ændret til kompensation af den temperaturafhængige lydhastighed cQ, når der er tale om en ren gennemstrømningsvolumenmåler. Ved en varmemængdemåler 30 derimod afhænger impulsfrekvensen f af impulserne 21 desuden af differensen mellem fremløbstemperaturen for en varmeforbruger og dennes til bageløbstemperatur.

En fødespænding U+ forsyner impulsgiveren 13 og styreleddet 9 direkte med elektrisk energi. De øvrige kredsløbskomponenter 8,10, 35 11 og 12 bliver forsynet over afbryderen 14 med forsyningsspændingen 39. Et i styreleddet 9 frembragt styresignal 40 slutter afbryderen 14 ved begyndelsen af sendefasen 23 og åbner afbryderen 14 ved enden af modtagefasen 24. I fig. 2 er vist den tidsmæssige rækkefølge af signalerne 20,21,28,29,39,40 under målecyklen 22.

DK 166047 B

4

Fig. 3 viser en mulig udførel ses form for den over forsyningsspændingen 39 fødede oscillator 15. Den indeholder foruden en strømkilde 41, mindst to MOS-omskiftere 42 og en frekvensbestemmende svingningskreds, som består af en kondensator 43 og en selvinduktion 5 44. Med signalet 16 bliver kapaciteten af kondensatoren 43, svingningskredskapaciteten, eller selvinduktionen 44's induktans ændret for at forskyde sendefrekvensen fj indenfor det forudbestemte værdiområde. Fortrinsvis bliver svingningskredskapaciteten anvendt dertil, og selvinduktionen 44 bliver kun ændret ved justeringen af 10 grundfrekvensen.

En mulig udførelsesform for en kontinuerlig ændring af sendefrekvensen fj er vist i fig. 4. Skiftningen af styresignalet 16 fra logisk "1" til "0" bevirker over en modstand 45 med værdien R en sænkning af spændingen med en tidskonstant t over en kondensator 46 15 med kapaciteten C. Tidskonstanten t = RC bliver fortrinsvis valgt lig med den tid, under hvilken styresignalet 16 forbliver på logisk "0". Spændingen på kondensatoren 46 bliver over en modstand 47 gennem et forbindelsespunkt 47' ført til en kapacitetsdiode 48 og ændrer dennes kapacitet svarende til den momentane spændingsforskel 20 over dioden 48 mellem forbindelsespunktet 47' og en negativ spændingskilde U-. Styresignalet 16 frigiver over en inverterende CMOS-port 49 den af en inverterende CMOS-port 50, en modstand 51, selvinduktionen 44 og kondensatoren 43 bestående oscillator 15 til at svinge i et i sig selv sædvanligt kredsløb. Svingningskredskon-25 densatoren 43 består af kondensatorerne 52 og kapacitetsdioden 48. Kapacitetsdioden 48 er fordelagtigt forbundet med en koblingskondensator 52' mellem forbindelsespunktet 47' og indgangen på svingningskredssiden af CMOS-porten 50. Styresignalet 16 bliver fordelagtigt først aktivt, efter at forsyningsspændingen 39 er tilkoblet.

30 Under sendefasen 23 gennemløber sendefrekvensen fj med fordel hele det forudbestemte værdiområde.

I en yderligere mulig udførelsesform for oscillatoren 15 bliver sendefrekvensen fj fordelagtigt trinvis ændret indenfor det forudbestemte værdiområde ved f.eks. trinvis forøgelse af den kapaci-35 tetsbestemmende spænding over dioden 48. Fordelagtigt forbliver sendefrekvensen f^ i denne udførelse konstant under en målecyklus 22 og springer op på en ny frekvensværdi ved begyndelsen af den næste målecyklus 22' (fig. 2). Den kapacitetsbestemmende spænding over dioden 48 leveres fortrinsvis af en med styresignalet 16 styret

DK 166047 B

5 digital-analog omsætter.

En fordelagtig for den trinvise ændring af sendefrekvensen fj simplere og derfor mere omkostningsgunstig udførelse af den i fig. 3 frekvensbestemmende svingningskredskondensator 43 som digital styret 5 kondensator er eksempelvis vist i fig. 5. Denne udførelsesform består af en f.eks. binær firetrinsdeler 53 i tællekæden i styreleddet 9, fire MOS-omskiftere 54, kondensatorer 55,56,57 og 58 og en kondensator 59 for minimumsværdien af svingningskredskapaciteten.

Den digitalstyrede kondensator er i svingningskredsen parallelkoblet 10 med selvinduktionen 44.

En fra tællekæden i styreleddet 9 tilvejebragt impulsfølge bliver binært optalt i firetrinsdeleren 53, så at det binære styresignal 16 fra firetrinsdeleren 53 over MOS-omskifterne 54 begyndende med kondensatoren 55 med den mindste kapacitet Cl til- eller fra-15 kobler kondensatoren 56 med 2 · Cl, kondensatoren 57 med 4 · Cl og kondensatoren 58 med 8 · Cl i henhold til det binære talsystem over den negative spændingskilde U- til ændring af svingningskredskondensatoren 43. I et udførelseseksempel med Cl * 0,4 pF og en kapacitet på 60 pF af kondensatoren 59 og en induktans på 0,4 mH af 20 selvinduktionen 44 gennemløber sendefrekvensen fj det forudbestemte værdiområde på ± 30 kHz ved en grundfrekvens 1 MHz i 16 trin.

Grundfrekvensen bliver med selvinduktionen 44 justeret ind på henholdsvis så tæt som mulig på resonansfrekvenserne af måleomformerne 6,7 i fig. 1, så at omformningen af de elektriske signaler 28, 25 29 til akustiske bølger og omvendt sker med den højeste virknings grad.

Ved modtagelsen af ultralydbølgerne bliver en del af lydenergien igen spredt tilbage til mediet og kan af omgivelserne reflekteres ind i måleomformerne 6,7. Interferenser mellem de 30 direkte og de spredte og reflekterede ultralydbølger forvrænger de modtagne signaler 28 og 29. Varigheden S af impulserne 35 svarer derfor ikke mere nøjagtigt til løbetidsdifferensen At, dvs. der opstår en målefejl. Justeringen af grundfrekvensen som ovenfor beskrevet reducerer denne temperaturafhængige målefejl. Ligesom 35 temperaturen af mediet ændrer også en lille ændring af sendefrekvensen fj længden af ultralydbølgerne og dermed interferensbetingelserne. Hvis sendefrekvensen fj i et forudbestemt værdiområde ændres under en eller flere målecykler 22, midler disse af interferenser forårsagede målefejl sig ud.

DK 166047 B

6

Tilfældigheden af fasebeliggenheden mellem sendesignalerne 26 med sendefrekvensen fj af oscillatoren 15 og aftastningssignalerne med impulsfrekvensen fg af aftastningsgeneratoren 36 sikres ved den fordelagtige anvendelse af kombinationen af en oscillator med 5 kvartsstyring i aftastningsgeneratoren 36, en som ovenfor beskrevet oscillator 15 og ud- og indkoblingen af forsyningsspændingen 39 i hver målecyklus 22. Medens oscillatoren 15 ved indkoblingen af forsyningsspændingen 39 straks begynder at svinge i en defineret fasestilling, afhænger forsinkelsen indtil svingningens begyndelse 10 og dermed fasebeliggenheden af aftastningsgeneratoren 36 af den tilfældige andel af impulsfrekvensen f2 i den indtil svingningens begyndelse frembragte støj.

I en anden udførelse kan tilfældigheden af fasebeliggenheden mellem sendesignalerne 26 og aftastningssignalerne fra 15 aftastningsgeneratoren 35 f.eks. ved hjælp af en tilfældighedsge nerator for hver målecyklus 22 udvælges en forudbestemt fasebeliggenhed af de to signaler.

Bortfaldet af permanentdriftsbetingelsen for den med forsyningsspændingen 39 fødede del af elektronikken er fordelagtig for en 20 batterifødning af gennemstrømningsvolumenmåleren.

Med den beskrevne anordning bliver der opnået en tilfredsstillende målenøjagtighed også ved. en stærk reduktion af impulsfrekvensen f af de impulser 21, som udløser målecyklerne 22, f.eks. en målecyklus 22 pr. sekund.

25 Til en kalibrering af gennemstrømningsvolumenmåleren er det fordelagtigt at forøge impulsfrekvensen f af impulserne 21 ved hjælp af en i fig. 1 ikke vist hjælpeomskifter ved impulsgiveren 13, f.eks. til 32 eller 64 målecykler 22 pr. sekund.

30 35

Claims (10)

1. Gennemstrømningsvolumenmåler til flydende medier med en ultralydmål estrækning (2), en første måleomformer (6) og en anden 5 måleomformer (7) for ultralyd, som er forbundet med et måleled (10) og med en i et sendeled (8) indbygget oscillator (15), der tjener til frembringelse af et sendesignal (26) med en sendefrekvens (fj) til periodisk gentaget udstyring af de to måleomformere (6,7), hvor måleleddet (10) måler den på målestrækningen (2) af mediets strøm-10 ning forårsagede differens i ultralydløbetiden mellem den første måleomformer (6) som sender og den anden måleomformer (7) som modtager på den ene side og løbetiden mellem den anden måleomformer (7) som sender og den første måleomformer (6) som modtager på den anden side, en impulsgiver (13) til gentaget udløsning af en måle-15 cyklus (22), et styreled (9), et evalueringsorgan (11) til omformning af løbetidsdifferenserne til enheder proportionale med volumenet af det pr. tidsenhed gennem målestrækningen (2) løbende medium, og en tælleanordning (12) til opsummering af disse enheder, kendetegnet ved, at oscillatoren (15) indeholder en anordning 20 (43,44;43,52',48;9,44,54 til 59) til ændring af sendefrekvensen (fj) i et forudbestemt værdiområde, at der i evalueringsorganet (11) findes en aftastningsgenerator (36) til frembringelse af « aftastningssignaler med en impulsfrekvens (f^), og at den af aftastningsgeneratoren (36) bestemte fasebeliggenhed mellem sende-25 signalerne (26) og aftastningssignalerne for alle målecykler (22) har tilfældigt fordelte værdier.

2. Gennemstrømningsvolumenmåler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der findes en afbryder (14) til udkobling af en forsyningsspænding (39) for oscillatoren (15) og 30 aftastningsgeneratoren (36) i hvilefasen (25) af hver målecyklus (22) og til indkobling af forsyningsspændingen (39) for oscillatoren (15) og aftastningsgeneratoren (36) ved begyndelsen af sendefasen (23) af hver målecyklus (22) til sikring af tilfældigheden af fasebeliggenheden mellem sendesignalerne (26) og 35 aftastningssignalerne.

3. Gennemstrømningsvolumenmåler ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at sendefrekvensen (fj) under en målecyklus (22) gennemløber hele det forudbestemte værdiområde.

4. Gennemstrømningsmåler ifølge krav 1 eller 2, DK 166047 B 8 kend et egnet ved, at sendefrekvensen (fj) er konstant under hver målecyklus (22), og at sendefrekvensen (fj) altid gennemløber det forudbestemte værdiområde i på hinanden følgende målecykler (22).

5. Gennemstrømningsvolumenmåler ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at beliggenheden af det forudbestemte værdiområde af sendefrekvenserne (fj) er bestemt af resonansfrekvenserne af de to måleomformere (6,7).

6. Gennemstrømningsvolumenmåler ifølge et hvilket som helst af 10 de foregående krav, kendetegnet ved, at oscillatoren (15) har en af en selvinduktion (44) og en kondensator (43) dannet svingningskreds.

7. Gennemstrømningsvolumenmåler ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at aftastnings- 15 generatoren (36) er kvartsstyret.

8. Gennemstrømningsvolumenmål er ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at sendefrekvensen (fj) af oscillatoren (15) er variabel ved hjælp af en kapacitetsdiode (48), som danner en del af kondensatoren (43).

9. Gennemstrømningsvolumenmåler ifølge et hvilket som helst af kravene 1-6, kendetegnet ved, at kondensatoren (43) i oscillatoren (15), som bestemmer sendefrekvensen (fj), er trinvis variabel.

10. Gennemstrømningsvolumenmåler ifølge et hvilket som helst af 25 de foregående krav, k e n d e t e g n e t ved, at en hjælpeomskifter på impulsgiveren (13) forøger frekvensen (f ) af impulserne (21) til kalibreringsformål. 30 35