NO142765B - Apparat for ultralydmaaling av stroemningshastighet for stroemmende medier. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et apparat for ultralydmåling av strømningshastighet for strømmende medier, omfattende minst en målestrekning med to ultralydomformere med minst en komponent i strømningsretningen, over hvilken det avvekslende sendes ultralydsignaler mot og med strømningsretningen, en på mottakersiden anordnet sammenligningsinnretning som på den ene side tilføres ankomstsignaler som er tilordnet mottakningstidspunktet for ultralydsignalene og på den annen side tilføres i forhold til sendetidspunktet forsinkede referansesignaler og avgir tidligsignaler resp. sensignaler når ankomstsignalet opptrer før resp. etter vedkommende referansesignal, en styreinnretning som i logiske ledd i avhengighet av senderetningen opptredende signaler mot og med strømningsretningen er tilordnet tidlig- og sensignalene og har minst to i avhengighet herav styrte signalnivågivere for frembringelse av to til senderetningen hørende styresignaler, og minst en av styresignalene styrt tidsgenerator, særlig en oscillator med etter-følgende pulsteller, for frembringelse av referansesignalet.

Ved slike apparater blir løpetiden for ultralydsignalet som sendes med strømningsretningen over en målestrekning sammenlignet med ultralydsignalet som sendes mot strømningsretningen. Strømningshastigheten for mediet er da proporsjonalt med differansen og lydhastigheten i det strømmende medium er proporsjonal med summen av den inverse løpetid. Når løpetiden måles ved at et forhåndsbestemt antall svingninger fra en oscillator med foranderlig frekvens telles, er strømningshastigheten proporsjonal med differansen og lydhastigheten proporsjonal med summen av to frekvenser f og f^

som er tilordnet målinger med og mot strømningsretningen.

Fra DOS nr. 2.322.7^9 er det kjent et apparat for ultralydmåling hvor en spenningsstyrt oscillator frembringer en frekvens f^ for måling med strømningsretningen og en frekvens for måling mot strømningsretningen. Av tidspunktet for sending av ultralydsignalet blir et forhåndsbestemt antall utgangspulser, f.eks. 256, fra oscillatoren tellet og deretter avgis et referansesignal. Når det i sammenligningsanordningen fastslås at det mottatte ultralydsignal opptrer før referansesignalet, blir oscillatorens frekvens øket ved hjelp av en signalnivådetektor i form av en integrator, slik at tidspunktet for referansesignalet tilpasses ankomsttidspunktet for ultralydsignalet. Hvis det mottatte ultralydsignal-opptrer senere enn referansesignalet, blir oscillatorens frekvens minsket. De således avvekslende frekvenser f^ og f2 overføres så til en bearbeidelseskopling og:.lagret inntil den andre frekvens inntreffer og så utledes strømningshastigheten resp. lydhastigheten i samsvar med måledataene.

Fra U.S.-patentskrift nr. 3..780.577 er kjent et apparat av den innledningsvis nevnte art hvor det for begge sendere er anordnet en signalnivådetektor hvis innganger til-føres bare tidlig- resp. sensignalet når det i de tilhørende logiske kretser samtidig opptrer et signal mot strømnings-retningen og et signal med strømningsretningen. Her står signalnivået også til rådighet under målingen i den andre senderetning. Ved summering og etterfølgende integrering av signalnivåene oppnås en spenning for styring av en oscillator hvis utgangsfrekvens er et mål for lydhastigheten. Strømnings-hastigheten blir utledet ved at det fra de to signalnivåer ved hjelp av venderen, hurtig arbeidende integratorer og sammenligningsinnretninger frembringes en trapesbølge som settes i forbindelse med hverandre. Dessuten blir utgangs-frekvensen fra oscillatoren minsket 1/4 og modulert for frembringelse av frekvensene f^ og f2. Referansesignalet opptrer etter 256 pulser av frekvensene f^ resp. f^•

Til nøyaktigheten av arbeidsmåten for dette apparat stilles det imidlertid overordentlig store krav, fordi løpe-tidsforskjellen er i de fleste anvendelsestilfeller bare 10— fi eller 10 "sekunder. For å oppnå denne nøyaktighet blir de" kjente apparater kompliserte og kostbare. Dette gjelder blånt annet bestemte koplingsutførelser, operasjonsforsterkere av meget høy kvalitet' og presisjonskomponenter.

Hensikten med oppfinnelsen er derfor å tilveiebringe

et apparat for'ultralydmåling av den innledningsvis nevnte art med den ønskede nøyaktighet og sågar større målenøyaktighet særlig'for strømningshastigheten og som kan fremstilles vesentlig billigere som følge av anvendelse av enkle koplings-konstruksjoner og normale<*>komponenter.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at utgangen fra den"første signainivågiver avgir hovedsignal og utgangen fra den'andre signainivågiver avgir hjelpesignal til.en summeringsinnretning i hvilken ^i det minste for et styresignal, hjelpesignalet adderes til og/eller'subtraheres fra hoved-signålet, og at en av senderetningen styrt vender gjøres virksom" for referansesignalet med avvekslende to forskjellige forsinkelsestider.

Når bare en tidsgenerator," dvs', en oscillator med etterfølgende teller anvendes, kan venderen ligge i Villed-ningen for hjelpesignalet til summeringsinnretningén. Denne tidsgenerator leverer da avvekslende styresignal mot strømningsretningen og styresignal med strømningsretningen,. slik åt det forsinkede referansesignal kan tilpasses ankomst-tiden for ultralydsignalet ved måling.mot resp. med strømnings-retningen.

Ved anvendelse av to tidsgeneratorer, ligger venderen etter i det minste en Tørste del av tidsgeneratoren. Ved anvendelse av oscillatorer med en felles etterkoplet teller,' kan denne vender f.eks. anbringes meilom oscillatoren og telleren.

Ved en slik oppbygning av apparatet er hjelpesignalet direkte et mål for strømningshastigheten. Dette hjelpesignal er virksomt i det minste i en av de to reguleringskretser som dannes' ved måling mot resp. med strømningsretningen. i" disse reguléringskretser blir tidspunktet for opptreden av det forsihkedé reféransesignål med stor nøyaktighet etter-'. regulert ankomsttidspunktét for det mottatte ultralydsignal. Også når det innenfor disse reguleringskretser ved enkle kpplingsgrupper, billige komponenter og lignende opptrer unøyaktigheter blir disse kompensert ved reguleringskretsens funksjon. Som følge derav har også hjelpesignalet og dermed den målte strømningshastighet den ønskede nøyaktighet uavhengig av kvaliteten av de anvendte komponenter.

For å øke nøyaktigheten kan hjelpesignalet før eller

i summeringskoplingen forminskes proporsjonalt. Hjelpesignalet leveres da av den andre signainivågiver med en større.;, propors j onalitets f aktor enn for hovedsignalet fra den første signainivågiver. Den andre signainivågiver arbeider derfor med et forholdsvis større utgangsnivå. Dette er mulig fordi hovedsignalet og hjelpésignalet frembringes hver for seg og kan tilføres summeringsinnretningén via atskilte veier som kan ha forskjellig sløyfeforsterkning.

Ved en ut føreises form kan det ene styresignal være dannet av hovedsignalet og det andre styresignal av summen eller differansen av hoved- og hjelpesignalet. Når løpetiden måles for frekvensdannelse, tilsvarer hovedsignalet frekvensen f^ eller f2 og hjelpesignalet differansen mellom disse frekvenser, slik at styresignalet avvekslende tilsvarer f^ eller f .

Dette; kan oppnås ved en kopling hvor den første signainivågiver har en integrator hvis inngang som er tilordnet den ene senderetning tilføres tidligsignalet med motsatt fortegn, og den andre signainivågiver har en ..integrator hvis inngang som er tilordnet den andre senderetning, tilføres tidligsignalet med et fortegn og sensignålet med motsatt fortegn.

Ved en annen utførelsesform kan det ene styresignal være dannet av summen og det andre styresignal av differansen av hovedsignalet og hjelpesignalet. Da blir nemlig hovedsignalet et direkte mål for lydhastigheten i strømningen. Man kan derfor ta ut begge de hovedsakelig mest interessante måleverdier med stor nøyaktighet direkte fra regulerings-kretsene. Ved en tidsmåling på frekvensbasis tilsvarer hovedsignalet middelverdien av frekvensene og f2 pg hjelpesignalet den halve differans av disse to frekvenser.

Med fordel kan denne første signainivågiver ha en integrator hvis inngang tilføres alle tidligsignaler i begge senderetningen med et fortegn og alle sensignaler i begge senderetninger med motsatt fortegn, og den andre signainivågiver kan ha en integrator hvis inngang tilføres tidligsignalene eller sensignalene i begge senderetninger, idet signalene i den ene senderetning har et forfeegn og signalene i den andre senderetning har motsatt fortegn. På denne måte kan det i begge signalnivågivere utnyttes signaler såvel måle-signaler mot som med strømningsretningen.

Da det for utledning av hovedsignalet anvendes alle tidlig- og sensignaler i begge senderetninger, vil det som følge av det store informasjonsinnhold oppnås et meget nøyak-tig hovedsignal også for hjelpesignalet kan alle tidlig- og sensignaler i begge senderetninger utnyttes. Dette skjer f.eks. ved at den andre signainivågiver har en hovedintegrator og en tilleggsintegrator idet tilleggsintegratoren bearbeider de ikke av hovedintegratoren bearbeidede signaler i begge senderetninger på samme måte som hovedintegratoren og utgangen fra tilleggsintegratoren er forbundet med inngangen i hovedintegratoren.

En enkel utførelse oppnås når den andre signainivågiver har et korreksjonsledd via hvilket tidligsignalene og sensignalene i den ene senderetning føyes til tidligsignalene og sensignalene i den andre senderetning før de tilføres integratoren.

Ved en foretrukket utførelsesform er det da sørget for at i styreinnretningen er anordnet en første rekke av to logiske kretser hvis utganger i avhengighet av opptreden av ankomstsignalet og et tidlig- eller sensignal, er virksomme og på den annen side forbindes med integratorens inngang i den første signainivågiver, og på den annen side forbindes med inngangen i en andre rekke av fire logiske kretser som dessuten tilføres signalene mot resp. med strømningsretningen på sådan måte at deres utganger tilordnes tidligsignalene i den ene senderetning, tidligsignalene i den andre senderetning, sensignalene i den ene senderetning resp. sensignalene i den andre senderetning. To eller fire av de sitnevnte utganger tjener da for matning av den andre signainivågiver.

Utgangen fra den andre signainivågiver kan være forbundet med inngangen i en forsterker hvis utgang via to motsatt polede, i parallelle grener liggende lysdioder, av hvilke den ene eventuelt ligger i serie med en zenerdiode,

er forbundet med et spenningsreferansepunkt, f.eks. jord. Dette gir en indikeringsinnretning som indikerer den målte strømningsretning ved at en av de to lysdioder lyser.

Videre kan utgangen fra den første signainivågiver via en toveis virkende spenningsbegrenser være forbundet med inngangen i en forsterker hvis utgang via to parallellkoplede, motsatt polede lysdioder er forbundet med et spenningsreferansepunkt, f.eks. jord. I dette tilfellet lyser den ene lysdiode når lydhastigheten overskrider grensene over og under et bestemt område.

Noen utførelseseksempler på oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvisning til tegningene. Fig. 1 viser et blokkskjema for et apparat ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et blokkskjema for en-endret del av apparatet på fig. 1. Fig. 3 viser et blokkskjema for en ytterligere endring av apparatet på fig. 1.

Fig. H viser et blokkskjema for en utførelses form

av en styreinnretning for et apparat ifølge oppfinnelsen.

Fig. 5 viser en endring av en del av styreinnretningen på fig. h. Fig. 6 viser et koplingsskjema for en del av et apparat ifølge oppfinnelsen, nemlig summeringsinnretningén og venderen. Fig. 7 viser et koplingsskjema for styreinnretningen, bryteren og summeringsinnretningén for utførelsen på fig. 2. Fig. 8 viser et koplingsskjema for en endret del av apparatet ifølge oppfinnelsen. Fig. 9 viser et koplingsskjema for en indikeringsinnretning for utledning av lydhastigheten. Fig. 10 viser et koplingsskjema for en indikeringsinnretning for strømningsretningen. Fig. 11 viser en tabell for opptredende korreksjoner av de forskjellige kombinasjoner av signaler mot og med

strømningsretningen og tidlig- og sensignaler.ved utførelses-formen på fig. 1,3~5 eller 6.

Fig. 1 viser en kanal 1 med en ultralydmålestrekning

2 som er begrenset av to ultralydomformere 3 og 4 som ligger skrått overfor hverandre i strømningsretningen 5 for det strømmende medium. En sender 6 avgir"til omformeren 3 via ledningen 7 en likestrømspuls S7 som bringer omformeren til å svinge med resonansfrekvens, slik at den avgir et ultralydsignal til mediet i kanalen 1 med en frekvens på f.eks. 1MHz. Dette signal blir ved slutten av løpetiden mottatt av omformeren 4 og omformet til et elektrisk signal S8 som via en ledning 8 tilføres mottageren 9» Ledningene 7 og 8 kan ved hjelp av en vender 10 byttes om slik at omformerne 3 og 4 avvekslende tjener som ultralydsender og ultralydmottaker. Istedet kan det naturligvis også anvendes atskilte sender og mottagere som f.eks. kjent fra U.S.^patentskrift nr. 3.780.877. I senderen 9 blir det av det høyfrekvente signal S8 ved hjelp av en nullgjennomgangsdetektor utledet et bestemt ankomstsignal Sli som via en ledning 11 tilføres en sammenligningsinnretning 12. Denne sammenligningsinnretning tilføres samtidig via en ledning 13 et referansesignal S13 som sammenlignes med ankomstsignalet Sil i tid.

Som tidsgenerator tjener en sendingsstyrt oscillator

14 som via en ledning 15 avgir en pulsrekke S15 til en teller 16. Denne teller avgir ved begynnelsen av tellingen via en ledning 17 et sendesignal S17 til senderen 6. Ved et forhåndsbestemt telleantall,f.eks. 256 pulser, avgis et referansesignal S13. Mellom de to tidspunkter avgis via en ledning 18 et mottagerforberedelsessignal Sl8 som forbereder sammenligningsinnretningen for den neste måling. Etter målingen f.eks. etter 384 pulser, avsluttes mottagerforberedelsessignalet Sl8, slik at mottageren og sammenligningsinnretningen blir uvirksom i løpet av sendetidspunktet. Til avslutning blir det via en ledning 19 tilført et signal S19 til en bistabil senderetningsgiver 20 som via et par signalledninger 21 og 22 avvekslende avgir signalet med strømningsretningen S21 og mot strømningsretningen S22 og som betjener venderen 10.

Når det i sammenligningsinnretningen 12 opptrer et ankomstsignal Sil, opptrer det på utgangen 23 et signal med forhåndsbestemt konstant amplitude og varighet. Hvis dette ankomstsignal Sil opptrer før referansesignalet Sl3, avgis det et signal fra utgangen 2k . Hvis ankomstsignalet opptrer senere enn referansesignalet, opptrer det et signal på utgangen. En første rekke 26 av logiske kretser kombinerer disse tre utgangssignaler på sådan måte at i en ledning 27 opptrer et tidligsignal S27 med konstant amplitude og den samme varighet som signalet på utgangen 23, når signalet i de to utganger 23 og 2H opptrer, og på en ledning 28 et sensignal S28 likeledes med konstant amplitude og samme varighet som signalet på utgangen 23 når signalene i begge utganger 23 og 25 opptrer.

I en integrerende signainivågiver 29, f.eks. en integrator, blir alle tidligsignaler S27 i en retning og alle sensignaler S28 i motsatt retning integrert. Av den grunn er tegnene + og - angitt i blokkene 29 og 38 for ret-ningen av integreringen av tidligsignalene S27 og sensignalene S28 i de utførelseseksempler hvor begge har positiv polaritet. F.eks. kan tidligsignalene tilføres en ikke inverterende inngang og sensignalene en inverterende inngang i en som integrator virkende operasjonsforsterker. På utgangen 30 i signalnivågiveren opptrer et hovedsignal S30 i form av en signalnivå som forandres av tidlig- og sensignalene. Dette hovedsignal S30 kan tas ut direkte på utgangsklemmen 31 og en bearbeidelseskrets f.eks. et måleapparat gi et mål for lydhastigheten c i et strømmende medium i kanalen 1. Dessuten kan hovedsignalet S30 tilføres inngangen i en summeringsinnretning 32.

Tidlig- og sensignalene S27 og S28 blir dessuten til-ført en andre rekke 33 av logiske kretser som dessuten til-føres signalene S21 og S22 med og mot strømningsretningen. Derved vil det på fire utganger 3^-37 opptre tidligsignal mot strømningsretningen S34, tidligsignal med strømningsretningen S35, sensignal mot strømningsretningen S36 og sensignal med strømningsretningen S37. En andre integrerende signainivågiver 38, f.eks. en integrator, tilføres tidligsignalet med strømningsretningen S35 med positiv fortegn og tidligsignalet mot strømningsretningen S34 med negativt fortegn og eventuelt i tillegg sensignalet med strømningsretningen S37 med negativt fortegn og sensignalet mot strømningsretningen S36 med positivt fortegn. Som følge derav opptrer på utgangen 39 et hjelpesignal S39 i form av et signalnivå som er avhengig av signalene S34 til S37- Dette hjelpesignal S39 blir direkte tilført utgangsklemmen 40 som via en bearbeidelseskopling leverer strømningshastigheten V for mediet i kanalen 1. Dessuten blir hjelpesignalet S39 via en vender hl avvekslende tilført den positive og negative inngang i summeringsinnretningén 32. Venderen 41 som kan være en analogvender, blir omstyrt i avhengighet av signalene S21 og S22 med og mot strømningsretningen. På utgangen 42 fra summeringsinnretningén avgis avvekslende styresignaler S43 og S44 som tilsvarer summen resp. differansen av hovedsignalet S30 og hjelpesignalet S39. Disse styresignaler S43 og S44 styrer den spenningsstyrte oscillator 14 på sådan måte at pulsrekken S15 avvekslende har en høyere frekvens f^ som tilsvarer måling med strømnings-retningen og en mindre frekvens f2 som er tilordnet måling mot strømningsretningen.

På denne måte oppnås en arbeidsmåte som skal forklares i det etterfølgende i forbindelse med fig. 11. I de fem rekker 1-5 er tidene for sendesignalet S17 tegnet opp på grunnlag av løpetiden t-^ for det opptredende ankomstsignal Sil og referansesignalet S13 som opptrer etter en forsinkelsestid t som kan være større eller mindre enn t-^, såvel for måling med strømningsretningen som mot strømningsretningen. Videre er angitt om hovedsignalet S30, hjelpesignalet S39 og styresignalene S43 og S44 stiger, faller eller forblir uendret. Tilfelle 1: Det antas at alle ankomstsignalene Sli opptrer tid-ligere enn referansesignalet S13. Det har til følge at signalnivågiveren 29 bare får tilført positive signaler og at hovedsignalet S30 øker'. Den andre signainivågiver 38 blir derimot avvekslende tilført positive og negative signaler, slik at hjelpesignalet S39 ikke endrer seg. Dette har til følge at de to styresignaler S43 og S44 øker. Med disse øker også frekvensen f-^ og f2 for pulsrekken som avgis fra oscillatoren 14. Forsinkelsestiden t vblir derfor i begge senderetninger forkortet fordi de 256 pulser er tellet i et kortere tidsrom av telleren 16. Ved den etterfølgende måling mot resp. med strømningsretningen, er derfor forsinkelsestiden t bedre tilpasset den virkelige løpetid t-^. Da dette forløp gjentas ved hver måling, oppnås det sluttelig overensstemmelse mellom forsinkelsestiden og løpetiden eller med andre ord frekvensen f^ og f2 er et mål for den virkelige løpetid t^ eller proporsjonal med denne.

Tilfelle 2:

Alle ankomstsignaler Sil opptrer senere enn det til-hørende referansesignal S13. Da opptrer nøyaktig de omvendte forhold sammenlignet med tilfelle 1. Hovedsignalet S30 avtar. Hjelpesignalet S39 forblir uendret. Styresignalene S43 og

S44 blir begge mindre. Frekvensene f og f2 avtar begge. Tilfelle 3: Ved måling med strømningsretningen ligger ankomstsignalet Sil foran i tid men ved måling mot strømningsretningen ligger referansesignalet S13 etter i tid. I dette tilfellet vil signalnivågiveren 29 tilføres avvekslende positive og negative signaler, slik at hovedsignalet S30 forblir uendret. Derimot vil den andre signainivågiver 38 bare tilføres positive signaler. Som følge derav øker hjelpesignalet S39• Dette har til følge at styresignalet S43 og dermed frekvensen f^ øker, styresignalet S44 og dermed frekvensen f2 avtar.

Tilfelle 4:

Ankomstsignalet Sli ligger ved måling med strømnings-retningen etter i tid, men ved måling mot strømningsretningen foran referansesignalet S13 i tid. Her opptrer det omvendte forhold av tilfelle 3, dvs. frekvensen f^ avtar og frekvensen <f>2 øker.

Tilfelle 5 -

Alle ankomstsignaler Sli stemmer i tid overens med referansesignalet S13. Signalnivågiverne 29 og 38 mottar ikke noe signal. Hovedsignalet S30 og hjelpesignalet S39 forblir uendret, og dermed også frekvensene f^ og f2. Dette er idealtilstanden som i praksis praktisk talt ikke opptrer.

Koplingen danner således en reguleringskrets hvor det bare ved statistisk utledning av tidlig- og sensignalene ved måling mot og med strømningsretningen skjer en etterregulering av forsinkelsestiden t vpå sådan måte at denne stemmer nøyaktig overens med løpetiden t^ bare etter noen få målinger. Denne regulering skjer med forholdsvis stor nøyaktighet uavhengig av kvaliteten av komponentene i reguleringsinnretningen.

Når frekvensene f og f2 dannes ved addisjon og subtraksjon av hovedsignalet S30 og hjelpesignalet S39, gir en enkel regning at hovedsignalet S30 gir et forholdsvis nøy-aktig mål for eller er proporsjonal med middelverdien f^ + f2

2

og hjelpesignalet S39 et forholdsvis nøyaktig mål for eller er proporsjonal med halve differansen f1~ f2 for de to frekvenser

2

f1 og <f>2<.>

Da på den annen side denne middelverdi er proporsjonal med lydhastigheten i det strømmende medium i kanal 1 og differansen er proporsjonal med strømningshastigheten i dette medium, kan man direkte med utgangene 30 og 39 forbinde ut-gangsklemmer 31 og 40 på hvilke signalene opptrer for lydhastigheten c og strømningshastigheten v. Disse signaler kan ha en overordentlig stor nøyaktighet fordi de kan tas direkte fra selve reguleringsinnretningen.

I stedet for en tidsgenerator som består av en oscillator 14 og en teller 16, kan det også anvendes en tidsgenerator på analog basis som beskrevet i forbindelse med fig. 8.

På fig. 2 er foretatt en endring av fig. 1 hvor signalene S34 til S37 tilføres to signalnivågivere 43 og 44

på den måte at signalnivågiveren 43 tilføres tidligsignalet S34 mot strømningsretningen med positivt fortegn og sensignalet mot strømningsretningen med negativt fortegn og signalnivågiveren 44 tilføres tidligsignalet S35 med strømningsretningen med positivt fortegn og sensignalet S37 med strømningsretningen med negativt fortegn. I utgangen 45 fra signalnivågiveren 44 leveres hovedsignalet S45 som tilføres den ene inngang i summeringsinnretningén 32.. På utgangen 46 fra signalnivågiveren 43 leveres et hjelpesignal S46 som via en vender 47 som styres av signalretningsgiveren 20, tilføres den andre inngang

i summeringsinnretningén 32. Utgangsklemmen 40 som leverer en størrelse som tilsvarer strømningshastigheten v er forbundet med utgangen 46 fra signalnivågiveren 43.

Det er antatt at venderen 47 er brutt ved måling med strømningsretningen. Da tilsvarer styresignalet S43 hovedsignalet S45 i den brutte tilstand. Dette endrer seg i avhengighet av om spenningssignalintegratoren 44 tilføres tidligsignaler med strømningsretningen eller sensignaler med strømningsretningen. Når bare signalnivågiveren 44 er koplet inn i reguleringsinnretningen, vil hovedsignalet S45 tilsvare frekvensen f^ for måling med strømningsretningen.

Ved måling mot strømningsretningen er venderen 47 sluttet og det skjer en addisjon av hjelpesignalet S46 og hovedsignalet S45. Hjelpesignalet endrer seg i avhengighet av om signalnivågiveren tilføres tidligsignal mot strømnings-retningen eller sensignal mot strømningsretningen. Da styresignalet S44 ved denne måling er innstillet på en verdi som tilsvarer frekvensen f 2, må hjelpesignalet S46 tilsvare differansen f-^ - f 2. Også på denne måte kan det oppnås et signal som er proporsjonalt med strømningshastigheten v.

Ved utførelsesformen på fig. 3 som er en endring av

fig. 1, blir hovedsignalet S30 og hjelpesignalet S39 tilført to summeringsinnretninger 48 og 49 på sådan måte at det av summen dannede styresignal S43 og det ved differansen dannede styresignal S44 er permanente. Med disse styresignaler mates de to spenningsstyrte oscillatorer 50 og 51 som permanent avgir pulser S52 med frekvensen f^ og pulser S53 med frekvensen f 0. En av signalretningsgiveren 20 styrt vender 54 tilfører disse pulsrekker avvekslende til en felles teller 55 og telleren 16.

Fig. 4 viser en styreinnretning med en første rekke 26 logiske kretser som består av to OG-portkretser 56 og 57, en andre rekke 33 logiske kretser av fire OG-portkretser 58 - 61. Signalnivågiveren 29 har"en forsterker 62 hvis ikke inverterende-inngang tilføres alle sensignalene S28 og hvis inverterende inngang tilføres alle tidligsignalene S27. Etter denne forsterker er koplet en integrerings forsterker 63 hvis utgang avgir hovedsignalet S30. Signalnivågiveren 38 har en forsterker 64 hvis ikke inverterende inngang tilføres tidligsignalet S34 mot strømningsretningen og hvis inverterende inngang tilføres tidligsignalet med strømningsretningen. En korreksjonsinn-retning 65 muliggjør at den inverterende inngang i forsterkeren 64 dessuten tilføres sensignalet S36 mot strømningsretningen og den ikke inverterende inngang sensignalet S37 med strømnings-retningen. Etter forsterkeren 64 er koplet en integrerings forsterker 66 hvis utgang leverer hjelpesignalet S39.

Ved utførelses formen på fig. 5 blir tidligsignalet S34 mot strømningsretningen tilført den ikke inverterende inngang i forsterkeren 64 og tidligsignalet med strømningsretningen tilført en inverterende inngang i denne forsterker. Utgangen fra denne forsterker er forbundet med den inverterende inngang i forsterkeren 46. Sensignalet S36 mot strømningsretningen blir tilført den inverterende inngang i en ytterligere forsterker 67 og sensignalet S37 med strømningsretningen tilføres den ikke inverterende inngang i denne forsterker. Porsterkerutgangen mater en integrerings forsterker 68 hvis utgang er forbundet med den ikke inverterende inngang i integrerings forsterkeren 66. Også her kan man på utgangen av integreringsforsterkeren

66 ta ut hjelpesignalet S39<

Fig. 6 viser en utførelsesform av en summeringsinnretning 32 sammen med venderen 4l på fig. 1. Summeringsinnretningén 32 har en første motstand 69 over hvilken hovedsignalet S30 tilføres, og videre en andre motstand 70 over hvilken det bearbeidede hjelpesignal S39 tilføres, samt et summeringsforspenningsmotstand 71. Signalstrømmen blir for-sterket i en forsterker 72. Forsterkerutgangen er via et potensiometer 73 påtrykt en spenning på +12 volt, slik at de på potensiometeret 73 uttatte styresignaler S43 og S44 kan få en ekstra innstilling for å fastlegge arbeidsområdet.

Venderen 4l består av to elektroniske koplingselementer 74 og 75 som avvekslende åpnes av signalene S21 for måling med strømningsretningen og signalene S22 for måling mot strømnings-retningen. Som følge derav vil hjelpesignalet S39 avvekslende tilføres den inverterende og den ikke inverterende inngang i forsterkeren 76, men den andre inngang i forsterkeren 76 til-føres en fast spenning fra spenningsdelerne 77 og 77'. Det omkoplede hjelpesignal S39 blir ved hjelp av motstanden 77' bragt på samme spenningsnivå som den fast e spenning. De komponenter som ikke har henvisningstall, er mostander som bestemmer forsterkningsgraden. Dette har til følge at summeringsinnretningén 32 tilføres hjelpesignalet S39 avvekslende med positivt og negativt fortegn.

Fig. 7 viser enkeltheter ved koplingen på fig. 2 hvor komponentene delvis stemmer overens med komponentene på fig. 4 og.7. Den første rekke 26 logiske kretser er utstyrt med NAND-portkretser 56' og 57' og den andre rekke 33 av logiske kretser er utstyrt med NOR-portkretser 58'359',60' og 6l'. Den andre rekke 33 logiske kretser 58' til 61' avgir signalene S34 til S37 som utledes på følgende måte: Tidligsignalet

534 mot strømningsretningen tilføres den inverterende inngang i en forsterker 78 og sensignalene S36 mot strømningsretningen tilføres den ikke inverterende inngang i forsterkeren. Utgangen fra forsterkeren 78 mater en integrerings forsterker 79 hvis utgang leverer hjelpesignalet S46. Tidligsignalet 535 med strømningsretningen tilføres den inverterende inngang i en forsterker 80 og sensignalet S37 med strømningsretningen tilføres den ikke inverterende inngang i samme forsterker. Forsterkerutgangen mater en integreringsforsterker 81 hvis utgang leverer hovedsignalet S45. Hovedsignalet S45 blir av logiske grunner tilført summeringsinnretningén 32 via en forsterker 72'med forsterknings faktoren 1. Hjelpesignalet S46 blir ved måling mot strømningsretningen omformet via en forsterker 76 og tas ut på et potensiometer 82. Styresignalet S43 tilsvarer derfor hovedsignalet S45 resp. frekvensen f^ og styresignalet S44 tilsvarer differansen av hovedsignalet 545 og hjelpesignalet S46 eller frekvensen f2.

Ved hjelp av forsterkeren 76 på fig. 6 og 7 resp. spenningsdeleren 82 på fig. 7 kan hjelpesignalet S39 resp.

546 forminskes proporsjonalt med verdien på utgangen fra spenningsnivågiveren 38 resp. 43. Dette har til følge at på utgangen 39 resp. 46 fra disse spenningsnivågivere opptrer hjelpesignaler som er sterkt øket sammenlignet med verdien av hovedsignalene S30 resp. S45, slik at på utgangsklemmen 40 står større amplitude til rådighet hvilket øker nøyaktigheten av avlesningen.

For kalibrering av apparatet er det anordnet en ytterligere vender 83 ved hvis hjelp den inverterende inngang i

forsterkeren 76 kan forbindes med et konstant spenningsnivå

som kan dannes ved hjelp av en motstand 84 og en zenerdiode 85. Dette spenningsnivå simulerer et bestemt hjelpesignal S46 som på sin side tilsvarer en bestemt strømningshastighet. Når man ved hjelp av potensiometeret 73 innstiller arbeidsområdet svarende til en antatt lydhastighet, kan man eventuelt ved utkopling av signalene S45 og S46 ved hjelp av venderen 83 foreta kalibreringen med hensyn til strømnings-hastigheten ved hjelp av potensiometeret 82. F.eks. kan man tilføre signalet S15 til et måleapparat og potensiometeret 82 endres så lenge inntil periodetiden har den beregnede verdi for den bestemte strømningshastighet.

Fig. 8 viser en annen kopling ved hjelp av hvilken det av hovedsignalet S30 ag hjelpesignalet S39 kan frembringes referansesignalet S13, sendesignalet S17, mottagerforberedelsessignalet Sl8 og signalet S21 for måling med strømningsretningen og signalet S22 for måling mot strømnings-retningen.

Hjelpesignalet S39 inverteres i en inverteringsfor-sterker 86 med en forsterkningsfaktor 1. Ved hjelp av venderen 4l som er utformet som en analogvender som styres av signalene S21 og S22, blir summeringsinnretningén 32 avvekslende tilført det ikke inverterte og det inverterte hjelpesignal S39. Et potensiometer 78 tjener til å innstille størrelsen

av det hjelpesignal S39 som tilføres summeringsinnretningén 32. Hovedsignalet S30 tilføres via en motstand 88 og hjelpesignalet S39 over en motstand 89. En zenerdiode 90 sammen med motstandene 91 og 92 tjener til å frembringe en summerings-forspenning.

Tidsgeneratoren 14 har i dette utførelseseksempel en analogtidsbasis. I den hensikt blir styresignalene S43 og S44 tilført en integrator 93 fra summeringsinnretningén 32 og på utgangen 94 opptrer et jevnt økende signal S94 inntil den senere beskrevne tilbakekopling skjer. Dette signal S94 til-føres den ikke inverterende inngang i fire sammenligningsinnretninger 95 til 98. Den inverterende inngang i disse sammenligningsinnretninger er forbundet med en spenningsdeler som er dannet av motstandene 99~102 og en zenerdiode 103. Som følge herav avgir sammenligningsinnretningene til forskjellige tider et tilhørende utgangssignal S95, S96, S97 og S98.

Med disse utgangssignaler S95-S98 styres tre flip-flop-kretser 104, 105 og 106 samt en monostabil multivibrator 107 på følgende måte. Signalet S96 tilføres inngangen C i flip-flop-kretsen 106. Av den grunn opptrer på utgangen Q mottagerforberedelsessignalet Sl8. Noe senere opptrer på sammenligningsinnretningen 97 signalet S97 som kan anvendes direkte som referansesignal S13. Etter nok en tid opptrer signalet S98 som tilføres den ene inngang i en OG-portkrets 108 hvis andre inngang tilføres et invertert jordpotensial. Den ved opptreden av signalet S98 betjente monostabile multivibrator 107 frembringer derved på utgangen Q et signal S109 som til-føres inngangen C i flip-flop-kretsen 104 som dermed foretar en omkopling av signalet S21 til signalet S22 eller omvendt. Etter avslutningen av den foregående forsinkelsestid opptrer et signal 110 på utgangen Q av den monostabile multivibrator 107 som på den ene side tilføres inngangen R i flip-flop-kretsen 106 og dermed avslutter mottagerforberedelsessignalet Sl8, og på den annen side tilføres inngangen C i flip-flop-kretsen 105 hvis utgang :Q avgir et1 signal Sill som via en likeretter 112 og en motstand 113 tilføres inngangen i integratoren 93- Dette signal har en polaritet som bringer ut-gangssignalet S94 raskt til null. Så snart sammenligningsinnretningen 95 har fastslått at nullnivået er nådd, vil det på inngangen R i flip-flop-kretsen 105 påtrykte signal S95 føre til tilbakestilling. Fra dette tidspunkt vil integratoren 93 igjen mates av signalene S43 resp. S44 og på utgangen

i flip-flop-kretsen 105 opptrer sendesignalet S17. Dermed begynner en ny periode.

Fig. 9 viser en anvisningsinnretning med to anti-parallelt koplede lysdioder 114 og 115 som er koplet mellom utgangen fra en forsterker 116 og jord. Den ene forsterker-inngang er forbundet med tilslutningsklemmen 31 for lydhastigheten c via en toveis virkende spenningsbegrenser i form av en seriekopling av innbyrdes motsatt polede zenerdioder 117 og 118. Når spenningen på utgangsklemmen 31 overskrider sperrespenningen i den ene eller andre retning, vil alt etter spenningsretningen den ene eller den andre lysdiode lyse og angi at det innstilte arbeidsområde for apparatet er over-skredet. Det tillatte arbeidsområde kan da f.eks. inn-stilles påny ved at potensiometeret 73 endres.

Fig. 10 viser en anvisningsinnretning for strømnings-retningen. Utgangsklemmen 40 for strømningshastigheten v er forbundet med inngangen i en forsterker 119 hvis utgang er forbundet med jord via en parallellkopling av på den ene side en seriekopling av en lysdiode 120, en zenerdiode 121 og en motstand 124, og på den annen side en seriekopling av en motstand 123 og en lysdiode 122. Et signal med strømningsret-ningen er positivt på klemmen 40 og gir dermed en negativ spenning på utgangen av forsterkeren 119- Som følge derav vil lysdioden 122 lyse. Ved signal mot strømningsretningen leverer forsterkerens utgang en positiv spenning slik at lysdioden 120 lyser og den mellom lysdioden 120 ag zenerdioden 121 anordnede utgang 125 leverer et tilbakeføringssignal.

Ved hjelp av denne anvisningsinnretning kan det også foretas en justering av apparatet. Som følge av den hurtig reagerende kopling og manglende tilbakeføring ved' forsterkeren 119» vil det ved strømningshastigheten null på utgangen av forsterkeren avvekslende opptre positive og negative spenning-er med det resultat at lysdiodene 120 og 122 avvekslende lyser i rask rekkefølge. For justering kan man derfor avbryte strømningen og foreta en regulering inntil lysdiodene avvekslende lyser opp jevnt for å vise mediets stillstand.

I eksemplene er de enkelte forsterkere operasjonsforsterkere som eventuelt kan tilpasses den spesielle anvendelse ved hjelp av ohmsk eller kapasitiv tilbakekopling. Signalene S30,S39, S43-S46 er analogisignaler og signalene S21, S22 er binære størrelser 1 eller 0 av tilnærmet samme varighet, mens signalene S23, S27, S28 og S34-S37 er binære størrelser 1 eller 0 med tilnærmet samme varighet og amplitude. De øvrige signaler er med unntagelse av de høyfrekvente ultralydsignaler pulser eller eventuelt binære signaler. De forskjellige blokker på figurene uten henvisningstall er motstander for innstilling av forsterkningsfaktoren slik det er nødvandig for funksjonen av integrerte koplinger.

De forskjellige komponenter er vanlig handelsvare. F.eks. kan senderen 6 ganske enkelt være en pulsgenerator som bevirker en støtenergisering av omformeren 3- Mottageren 9

kan også være en pulsforsterker som kan forsterke høyfrekvens-pulsrekker som mottas av ultralydomformeren. Venderen 10

kan f.eks. bestå av en transistor. Sammenligningsinnretningen 12 kan være av den art som er beskrevet i U.S.-patentskrift nr. 3-780.577 som overfører de mottatte pulsrekker og sammen-ligner dem med fasen av referansesignalet og frembringer utgangssignaler som angir om de mottatte signaler opptrer før eller etter referansesignalet. På samme måte kan den bistabile senderetningsgiver 20 være et elemen t i likhet med den som er beskrevet i U.S.-patentskrift nr. 3.780.577. I sin enkleste form kan den være en bistabil multivibrator eller en flip-flop-krets. Telleren 16 kan være en vanlig binær teller med tilsvarende delekretser. De andre elementer i koplingen særlig blokkene 26,29,33,38 og 41 er beskrevet i forbindelse med figurene og er i overveiende grad vanlige operasjonsforsterkere .

En forholdsvis stabil integreringsinnretning kan oppnås når det anvendes en oppover- nedoverteller i form av en integrert kopling. Når denne skal anvendes innenfor rammen av signalnivågiveren eller integratoren 29 kan oppoverinngangen tilføres alle sensignalene og nedoverinngangen tilføres alle tidligsignalene. Ved anvendelse innenfor rammen av signalnivågiveren eller integratoren 38 kan oppoverinngangen til-føres signalene mot strømningsretningen og nedoverinngangen til-føres signalene med strømningsretningen. Den binære utgang i telleren tilføres en vanlig digital- analogomformer som på kjent måte avgir en analog spenning som direkte kan anvendes til via en egnet koplingsinnretning å styre den spenningsstyrte oscillator.

Ankomstsignalet Sil behøver ikke direkte sammenlignes med referansesignalet S13. I mange tilfeller er det å anbefale at det anvendes et korrigert referansesignal som er noe forsinket i forhold til referansesignalet S13 som beskrevet i U.S.-patentskrift nr. 3-780.577.

Claims (1)

1. Apparat for ultralydmåling av strømningshastighet for strømmende medier, omfattende minst en målestrekning med to ultralydomformere med minst en komponent i strømnings-retningen, over hvilken det avvekslende sendes ultralydsignaler mot og med strømningsretningen, en på mottakersiden anordnet sammenligningsinnretning som på den ene side.tilføres ankomstsignaler som er tilordnet mottakningstidspunktet for. ultralydsignalene og på den annen side tilføres i forhold til sendetidspunktet forsinkede referansesignaler og avgir tidligsignaler resp. sensignaler når ankomstsignalet opptrer før resp. etter vedkommende referansesignal, en styreinnretning som i logiske ledd i avhengighet av senderetningen opptredende signaler mot og med strømningsretningen er tilordnet tidlig- og sensignalene og har minst to i avhengighet herav styrte signalnivågivere for frembringelse av to til senderetningen hørende■styresignaler, og minst en av styresignalene styrt tidsgenerator, særlig en oscillator med etterfølgende pulsteller, for frembringelse av referansesignalet, karakterisert ved at utgangen (30; 45) fra den første signainivågiver (29,44) avgir hovedsignal (S30; S45) og utgangen (39;46) fra den andre signainivågiver (38;43) avgir hjelpesignal (S39; S46) til en summeringsinnretning (32; 48,49) i hvilken i det minste for et styresignal, hjelpesignalet adderes til og/eller subtraheres fra hovedsignalet, og at en av senderetningen styrt vender (4l;47;54) gjøres virksom for referansesignalet (S13) med avvekslende to forskjellige forsinkelsestider.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at ved anvendelse av en tidsgenerator (14,16) er venderen (41,47) lagt i tilledningen for hjelpesignalet (S39;

5<*>15) til summeringsinnretningén (32).;3. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at ved anvendelse av to tidsgeneratorer (50,51,55) ligger venderen (54) etter i det minste en første del av tidsgeneratorer .;4. Apparat ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at hjelpesignalet (S39; S46) er proporsjonalt forminsket før eller i summeringsinnretningén.;5. Apparat ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at' det ene styresignal (S43) er dannet av hovedsignalet (S45), og det andre styresignal er dannet av summen eller differensen av hoved- og hjelpesignalet (S46).;6. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved at den første signainivågiver (44) har en integrator (81) hvis inngang som er tilordnet den ene senderetning tilføres tidligsignalet (S37) med motsatt fortegn, og at den andre signainivågiver (43) har en integrator (79) hvis inngang som er tilordnet den andre senderetning tilføres tidligsignalet (534) med ett fortegn og sensignalet (S36) med motsatt fortegn.;7. Apparat ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at det ene styresignal (S43) er dannet av summen og det andre styresignal av differensen av hovedsignalet (S30) og hjelpesignalet (S39).;8. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at den første signainivågiver (29) har en integrator (63) hvis inngang tilføres alle tidligsignaler (S27) i begge senderetningene med ett fortegn og alle sensignaler (S28) i begge senderetninger med motsatt fortegn, og at den andre signainivågiver (38) har en integrator (66) hvis inngang til-føres tidligsignalene (S34, S35) eller sensignalene (S36, S37) i begge senderetninger, idet signalene i den ene senderetning har ett fortegn og signalene i den andre senderetning har motsatt fortegn.;9. Apparat ifølge krav 8, karakterisert ved at den andre signainivågiver (38) har en hovedintegrator (66) og en tilleggsintegrator (68), idet tilleggsintegratoren bearbeider de ikke av hovedintegratoren bearbeidede signaler i begge senderetninger på samme måte som hovedintegratoren og utgangen fra tilleggsintegratoren er forbundet med en inngang i hovedintegratoren.;10. Apparat ifølge krav 8, karakterisert ved at den andre signainivågiver (38) har et korreksjonsledd (65) via hvilket tidligsignalene (S34) og sensignalene (535) i den ene senderetning føyes til tidligsignalene (S36) og sensignalene (S37) i den andre senderetning før de tilføres integratoren.;11. Apparat ifølge et av kravene 7-10, karakterisert ved at i styreinnretningen er anordnet en første rekke (26) av to logiske kretser (56,57) hvis utganger i avhengighet av opptreden av ankomstsignalet (Sil) og et tidlig- eller sensignal (S27, S28) er virksomme og på den ene side forbindes med integratorens (63) inngang i den første signainivågiver (29), og på den annen side forbindes med inngangen i en andre rekke (33) av fire logiske kretser (58-61) som dessuten tilføres signalene mot resp. med strømnings-retningen (S21, S22) på sådan måte at deres.utganger tilordnes tidligsignalene (S3*0 i den ene senderetning, tidligsignaler (S35) i den andre senderetning, sensignalene (S36) i den ene senderetning resp. sensignalene (S37) i den andre senderetning.

12. Apparat ifølge et av kravene 1-11, karakterisert ved at utgangene fra den andre signainivågiver (38; 43) er forbundet med inngangen i en forsterker (119) hvis utgang via to motsatt polede, i parallelle grener liggande lysdioder (120,122), av hvilke den ene eventuelt ligger i serie med en zenerdiode (121), er forbundet med et spenningsreferansepunkt, f.eks. jord.

13. Apparat ifølge et av kravene 5-12, karakterisert ved at utgangen fra den første signainivågiver (29) via en toveis virkende spenningsbegrenser (117,118) er forbundet med inngangen i en forsterker (116) hvis utgang via to parallellkoplede motsatt polede lysdioder (114,115) er forbundet med et spenningsreferansepunkt, f.eks. jord.