NL8403221A - Ultrasone doorstromingsmeter met groot meetbereik. - Google Patents

Description

V —« -1-.

N.V. Ned. Apparatenfabriek NEDAP Groenlo.

Ultrasone doorstromingsmeter met groot meetbereik.

De uitvinding heeft betrekking op een ultrasone doorstromingsmeter, waarvan een groot meetbereik vereist wordt.

Dergelijke doorstromingsmeters vinden toepassing in warmtemeters, die gebruikt worden om het individuele warmtegebruik 5 te registreren in woningen, die zijn aangesloten op een blok-of stadsverwarmingsnet. Figuur 1 toont een voorbeeld van het sensorgedeelte van zo'n meter.

Het sensorgedeelte bestaat uit een meetpijp, met een diameter D, waardoor de te meten vloeistofstroom vloeit. In de 10 meetpijp zijn twee ultrasone transducers geplaatst, naar elkaar toe gericht, op een afstand 1 van elkaar. Beide transducers zenden gelijktijdig en met dezelfde fase golftreinen (bursts) uit van een sinusvormig meetsignaal met een draag-golffrequentie van bijvoorbeeld 1,18 MHz. Het verschil in 15 aankomsttijd van de golftreinen bij de twee tegenover gelegen transducers is dan evenredig met de snelheid v van de vloeistof tussen de transducers.

Geven we de geluidssnelheid in de vloeistof aan met c, noemen we de propagatie-tijd van transducer 1 naar transducer 2 tl 20 en de propagatie-tijd van transducer 2 naar transducer 1 t2, waarbij we ervan uitgaan dat de vloeistof in de richting van transducer 1 naar transducer 2 stroomt, dan volgt: 1 1 tl = - en 12 = _ c + v c - v

Voor het verschil in aankomsttijd dt geldt dan: 25 dt « t2 - tl = _i___L_ = lt!! * V) - 1(e - v) C - V c + v (c - v) . (c + v) 2.1. v c2 - v2 (1)

Uitgewerkt voor een stromingsmeter naar voorbeeld geeft dat: de lengte 1 bedraagt 0,124 ra, terwijl de diameter van de S4 0 3 2 2 1 * } - 2 - meetpijp 0,010 ra bedraagt. De doorsnede 0 is dan 78,54.10-6 m-kwadraat. Het verband tussen de volume stroomsnelheid V in liters per uur en de lineaire stroomsnelheid v in meters per seconde wordt dan gegeven door: 5 v = V/283.

Gaan we uit van een bovenste meetgrens van Vmax = 1.000 liters per uur dan is de maximale lineaire stroomsnelheid vmax = 3,54 m/s. Voor de onderste meetgrens van Vmin = 10 1/h. krijgen we: vmin = 0,0354 m/s.

10 Is de te meten vloeistof water bij een temperatuur van 25 graden Celcius, dan volgt voor de geluidssnelheid c = 1.500 m/s. Daar de vloeistofsnelheid v in alle gevallen zeer veel kleiner is dan de geluidssnelheid c, kunnen we betrekking (1) zonder een meetbare fout te introduceren vereenvoudigen tot: 15 dt = 2.1.v/c‘2 (2)

Voor de maximale en minimale verschiltijd (dtmax, resp. dtmin) volgt dan in dit voorbeeld: dtmax = 0,39 microseconde dtmin = 0,0039 microseconde (= 3,9 nanoseconde).

20 Met name de onderste meetgrens geeft aanleiding tot bijvoorbeeld zeer korte tijdsverschillen, waarbij tevens een meet-nauwkeurigheid van 15% gevraagd wordt, overeenkomend met 0,6 ns .

Het rechtstreeks meten van tijdsverschillen in deze orde van 25 grootte vereist het gebruik van zeer snelle elektronische schakelingen en componenten. Het is het doel van de uitvinding om een alternatieve meetwijze van de tijdsverschillen te geven, die gebruik maakt van standaard elektronische componenten. De uitgangspunten zijn dat de meting uitgevoerd 30 wordt met hoogfrequente sinusvormige meetsignalen met een draaggolffrequentie van bijvoorbeeld 1,18 MHz. Daar de transducers zowel voor zenden als voor ontvangen gebruikt worden, moet het meetsignaal in eindige golftreinen (bursts), bijvoorbeeld met een lengte van 64 perioden, uitgezonden worden, 35 waarna de transducers voor ontvangst gebruikt kunnen worden. Figuur 2 geeft een blokschema van een uitvoeringsvorm van het elektronisch circuit volgens de uitvinding. Figuur 3

S 4 fi 1 9 '/ I

* » - 3 - geeft het bijbehorende tijdvolgorde diagram.

Kristaloscillator 1 met vierdeler 2 wekken de frequentie van het meetsignaal op (1,18 MHz). Via de zendpoort 13 en de transducercircuits 15 en 16 worden de transducers in de meet-5 pijp 17 aangestuurd.

De spanningen over de transducers worden tevens toegevoerd aan twee bemonsteringspoorten 18 en 20. Ten tijde dat een door de ene transducer uitgezonden golftrein bij de andere transducer aangekomen is, worden de twee beraonsteringspoor-10 ten gelijktijdig door 32 bemonsteringspulsen kortstondig 32 keer geopend. De houdschakelingen 19 en 21 worden door de 32 monsters opgeladen.

De bemonsteringspulsen worden gevormd in de bemonsterpuls-poort 24. Via vierdeler 12 komt een 1,18 MHz bloksignaal de 15 bemonsterpulspoort binnen en onder besturing van het bemon-sterbesturingscircuit 23, worden uit 32 stuks 1,18 MHz perioden naaldpulsen gevormd (pulsbreedte ongeveer 100 ns).

Deze naaldpulsen doen de bemonsteringspoorten 18 en 20 kortstondig open gaan.

20 Vierdeler 12 krijgt een 4,72 MHz signaal binnen van de spanninggestuurde kristaloscillator 11. Via het fase-vergrendelcircuit, bestaande uit de blokken mixer 8, fasevergelijker 9 en lusfilter 10, met als referentie het 288 Hz bloksignaal, via de delercircuits 2 t/m 7 afgeleid van 25 kristaloscillator 1, wordt de spanninggestuurde kristaloscillator 11 288 Hz in frequentie verschoven ten opzichte van de frequentie van kristaloscillator 1.

De bemonsteringspulsen hebben (tijdens de trein bemonsteringspulsen) dan de frequentie, die 72 Hz hoger ligt dan 30 de draaggolffrequentie van het meetsignaal. Het resultaat is dat in een tijdbestek van 1/72 seconde een volledige periode van het 1,18 MHz meetsignaal met de bemonsteringspulsen afgetast wordt.

De delercircuits 2 t/m 6 en de EN-poort 14 verzorgen de 35 besturing van de (zend-) golftreinen, zodanig dat steeds door beide transducers tegelijkertijd een golftrein uitgezonden wordt ter lengte van 64 perioden (54 us).

3403221 - 4 -

In figuur 3 geeft lijn A het stuursignaal voor zendpoort 13 weer, terwijl lijn B het zendsignaal zelf voorstelt.

De golftreinen komen 83 microseconde later op de tegenovergelegen transducers aan. Lijn G geeft in figuur 3 het ont-5 vangen signaal weer.

Door inslingerverschijnselen als gevolg van resonantie van de transducers is het begin van de ontvangen golftrein vervormd. Daarom wordt pas na het begin van de golftrein gestart met bemonsteren, en wel 112 perioden (95 us) na het begin van de 10 zendgolftrein. Daarna wordt 32 perioden lang van elke periode van het ontvangen meetsignaal een monster genomen. L'ijn D toont het signaal dat de bemonsterbesturingscircuit 23 afgeeft. Lijn Ξ geeft de bemonsterpulstrein weer.

Figuur 4 laat een fragment zien uit figuur 3, en wel de 15 tijdspanne waarin het ontvangen meetsignaal bemonsterd wordt. Lijn C' geeft het ontvangen signaal weer, terwijl lijn E' de achtereenvolgende bemonsteringspulsen laat zien.

De 32 monsters laden de houdschakelingen 18, resp. 20, op. Lijn F toont de uitgangsspanning van de houdschakeling.

20 Tijdens de 32 bemonsteringen binnen een golftrein van het meetsignaal neemt de houdschakeling geleidelijk de waarde over van de momentele spanning van het ontvangen meetsignaal op het bemonsteringspunt.

Uitgerekend kan worden, dat tijdens de bemonstering van een 25 golftrein, de bemonsteringspuls slechts 6,6 ns over de periode van het meetsignaal opschuift (de totale periodeduur is 847 ns), terwijl de bemonsterpulsduur omstreekt 100 nSec bedraagt. We mogen dus stellen dat de 32 opeenvolgende bemonsteringspulsen praktisch één punt uit het meetsignaal be-30 monsteren.

De volgende zendgolftrein wordt 434 microseconden (512 perioden van de meetfrequentie) na de voorgaande zendgolf-trein uitgezonden, waarbij hetzelfde bemonsteringsproces zich herhaalt. Nu zijn de bemonsteringspulsen echter 1/32 35 periode (26,5 ns) over de periode van het meetsignaal verschoven. In 32 achtereenvolgende golftreinen wordt dus een volledige periode van het 1,18 MHz meetsignaal afgetast.

8 -> ü 3 2 2 1 ft' '* - 5 -

Het houdcircuit, dat tijdens de ontvangst van een golftrein steeds de spanning overneemt van het meetsignaal op moment van bemonstering, geeft dus een wisselspanning af met een frequentie van 72 Hz, en met dezelfde vorm als de vorm van 5 het meetsignaal (i.h.a. een sinusvorm). Een laagdoorlaat-filter vlakt de trapvormige rimpel op de uitgangsspanning van de houdschakeling af.

φ +

Lijn C in figuur 5 toont steeds een periode van het ontvangen meetsignaal in elke golftrein. Lijn E toont steeds XO een bemonsteringspuls in elke golftrein. Deze figuur laat zien dat het moment van bemonsteren verschuift t.o.v. de sinusvormige perioden van het ontvangen meetsignaal. Voor de duidelijkheid is in figuur 5 ervan uitgegaan dat in 8 bemonsteringen de gehele periode afgetast wordt i.p.v. 32.

* 15 Lijn P geeft de uitgangsspanning van het houdcircuit weer, terwijl lijn G de golfvorm weergeeft na het laagdoorlaat-filter.

Het bemonsteren gebeurt in beide ontvangkanalen, die op de twee transducers zijn aangesloten, gelijktijdig. Als echter 20 tussen beide meetsignalen een faseverschil bestaat, dan is hetzelfde faseverschil aanwezig in de twee 72 Hz uitgangssignalen .

Er vindt dus een transformatie plaats van twee gepulste ontvangen meetsignalen met een draaggolffrequentie van 1,18 MHz 25 naar twee continue signalen met een frequentie van 72 Hz, waarbij het faseverschil tussen de twee 72 Hz signalen gelijk blijft aan het faseverschil tussen de twee oorspronkelijke 1.18 MHz signalen. Nu moet dus het faseverschil gemeten worden tussen twee continue, sinusvormige, afgeleide meet- 30 signalen met een frequentie van 72 Hz, hetgeen met een aanzienlijk grotere nauwkeurigheid kan dan met de meting van datzelfde faseverschil tussen de twee meetsignalen van 1.18 MHz. Met andere woorden, het minimaal te meten tijdsverschil van 3,9 ns is met een factor 16384 vergroot tot 35 64 microseconde. Dit tijd- en faseverschil is goed te meten met bekende tijd- en fasemeetschakelingen.

8403221 « h - 6 -

Opgemerkt dient te worden, dat de hier genoemde tijden, frequenties en aantallen perioden slechts voorbeelden zijn.

Ook andere combinaties zijn mogelijk en worden geacht onder de uitvinding te vallen.

840 3 22 1

Claims (5)

1. Inrichting voor het meten van de stroomsnelheid van een vloeistof in een leiding; bestaande uit twee ultrasone ' transducers en een elektronische schakeling, waarbij elk van beide transducers gelijktijdig een golftrein uit-5 zendt naar de andere transducer en waarbij de stroomsnelheid van de vloeistof bepaald wordt uit het verschil in aankomsttijd van de twee tegengesteld gerichte golf-treinen bij de respectievelijke ontvangende transducers, met het kenmerk, dat elk van beide transducers via een 10 bemonsteringspoort verbonden is met een ontvangerketen, waarin de door de transducers opgevangen ultrasone signalen gelijktijdig worden bemonsterd.

2. Inrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de bemonsteringspoorten door middel van bemonsteringspulsen 15 geleidend worden gedurende een fractie van de periode-tijd van het ontvangen meetsignaal.

3. Inrichting volgens de conclusies 1 en 2 met het kenmerk, dat gedurende de ontvangst van een golftrein in iedere transducer een reeks perioden uit die golftrein bemon- 20 sterd wordt, en wel zo dat deze bemonsteringen binnen een golftrein plaatsvindt in dezelfde of nagenoeg dezelfde fasehoek t.o.v. de periode van de ontvangen signalen in die golftrein.

4. Inrichting volgens de conclusies 1 t/m 3 met het kenmerk, 25 dat de fasehoek van het bemonsteringsmoment t.o.v. het ontvangen meetsignaal, verschuift bij opeenvolgende golf-treinen van het meetsignaal, zodanig dat in een vast aantal golftreinen een gehele periode van het meetsignaal is afgetast. 30

5. Inrichting volgens de conclusies 1 t/m 4 met het kenmerk, dat door het bemonsteringsproces twee eerste discontinue 04 3322f t **» » t - 8 - meetsignalen met een hoge draaggolffrequentie getransformeerd worden tot twee continue tweede signalen met een lage draaggolffrequentie, waarbij het faseverschil tussen de tweede signalen gelijk is aan het faseverschil tussen 5 de eerste signalen. 8403221