SE438206B - Ultraljuds-genomstromningsvolymsreknare och anvendning av en ultraljuds-genomstromningsvolymsreknare i en vermemengdsreknare - Google Patents

Description

7805295-8 volymsräknare respektive värmemängdsräknare, hos vilken förhållandet mellan kostnad och uppnådd noggrannhet är minimalt.

De för uppfinningen kännetecknande särdragen framgår av de bifogade patentkraven.

Nedan beskrivs några utföringsexempel av uppfinningen under hänvisning till de bifogade ritningarna.

På ritningarna visar: Fig. 1 en mätanordning, som utgör en del av en genomströmnings- volymsräknare eller värmemängdsräknare, fig. 2 och 3 diagram, fig. 4 till 6 tre olika värmemängdsräknare, fig. 7 en oscillator, och fig. 8 ytterligare ett diagram.

Den i fig. 1 visade mätanordningen 1 består väsentligen av en mätsträcka 2 med två ultraljudomvandlare 3 och 4, en sändardel 5 och en löptidsskillnadsmätdel 6. Ultraljudmätsträckan 2 uppvisar ett inlopp 7 och ett utlopp 8 för ett flytande medium. Ultraljudomvand- larna 3, 4 är så anordnade, att de från omvandlarna utgående ultra- ljudvågorna utbrcder sig i huvudsak parellellt med mediets strömnings- riktning 9 och omfattar hela strömningstvärsnittet.

Sändardelen 5 innehåller en modulationsoscillator 10, en styr- del 11 och ett modulations- och drivsteg 12, vars utgång via till- kopplingselement 13, 14 är förbunden med de båda ultraljudomvandlarna 3, 4. Styrdelen 11 uppvisar en styringång 15 och två utgångar 16, 17.

Den består företrädesvis av en räknarkedja, som räknar modulations- oscillatorns 10 svängningsperioder, varvid i beroende av räknarställ- ningen pulser avgives till utgångarna 16, 17 samt varvid styrdelen genom en puls på styringången 15 kan återställas till noll. Styrdelens 11 utgång 16 och modulationsoscillatorns 10 utgång leder båda till modulations- och drivsteget 12.

Mätdelen 6 för mätning av löptidsskillnaden består av en noll- värdesomkopplare 18, en inverterande nollvärdesomkopplare 19 och en på utgångssidan inkopplad OCH-grind 20, vars utgång 21 utgör ut- gången hos mätdelen för mätning av löptidsskillnaderoch vilken grind på ingångssidan är förbunden med de båda nollvärdesomkopplarna 18 och 19 samt styrdelens 11 utgång 17. Ultraljudomvandlaren 3 är an- sluten till nollvärdesomkopplaren 18 och ultraljudomvandlaren 4 är ansluten till nollvärdesomkopplaren 19. ' Nedan förklaras mätanordningens 1 arbetssätt under hänvisning 7805295~8 3 till diagrammen i fig. 2 och 3. I fig. 2 betyder U1 styrspänningen vid styrdelens 11 styringàng 15, U2 spänningen på utgången 16, U5 spänningen på styrdelens utgång 17, U3 spänningen vid ultraljudom- vandlaren 3 och U4 spänningen vid ultraljudomvandlaren 4. I fig. 3 visas förloppet av spänningarna U5, U3 och U4 med i förhållande till i fig. 2 starkt förstorad tidsskala. Vidare visar fig. 3 förloppet av spänningarna U6, U7 och U8 på utgångarna av nollvärdesomkopplarna 18 och 19 samt OCH-grinden 20.

Den pulsformiga styrspänningen U1 på styringången 15 bildas med en nedan närmare beskriven oscillator. Genom varje puls 22 i denna spänning återställes och startas därefter styrdelen 11. På utgången 16 avgives en sändarpuls 23. Denna modulerar i modulations- och driv- steget 12 modulationsoscillatorns 10 frekvens fo. Exempelvis kan frekvensen fo uppgå till 1 MHz och längden av den genom en räknar- kedja i styrdelen 11 bestämd sändarpuls 23 motsvara varaktigheten för 128 svängningsperioder för modulationsoscillatorn 10. Ultraljudom- vandlarna 3 och 4 styres samtidigt av faslika, modulerade sändarpul- ser 24 (spänningen U3) respektive 25 (spänningen U4), vars varaktig- het är kortare än löptiden för de alstrade ultraljudvågorna.

De av ultraljudomvandlaren 3 utsända sinusformiga ultraljud- vågorna uppfångas av ultraljudomvandlaren 4 och omformas av denna i en elektrisk mottagarsignal 26. Ungefär samtidigt mottager ultra- ljudomvandlaren 3 de av ultraljudomvandlaren 4 utsända sinusformiga ultraljudvågorna och alstrar en elektrisk mottagarsignal 27. På grund av ultraljudvågornas olika löptid utmed och mot mediets ström- ningsriktning 9 är mottagarsignalerna 26 och 27 förskjutna i förhål- lande till varandra med fasskillnadenAq. Denna fasskillnad mot- svarar vid konstant frekvens fo ultraljudvågornas löptidsskillnad At.

Styrdelen 11 avger på sin utgång 17 en spänningspuls 28 (spän- ningen U5), vars varaktighet återigen kan vara bestämd av nämnda räknarkedja och exempelvis motsvara varaktigheten för 64 svängnings- perioder av modulationsoscillatorn 10. Med denna spänningspuls 28 öppnas OCH-grinden under 64 perioder av mottagarsignalerna 26, 27 inom mätanordningens 1 mottagardrift. OCÉ-grinden 20 är frigiven först efter avslutad insvängningsfas och allra längst till början av utsvängningsfasen för den mottagna ultraljudpulsen, så att mottagar- signalerna 26, 27 avbländas under in- och utsvängníngsfaserna.

Spänningen U6 på nollvärdesomkopplarens 18 utgång antar under mottagarsignalens 27 positiva halvvågor det logiska värdet 1 och Penn QLAL ' 7805295-8 ,1>. spänningen U7 på nollvärdesomkopplarens 19 utgång antar under mot- tagarsignalens 26 negativa halvvågor det logiska värdet 1. Genom OCH-sammankopplingen av spänningarna U6 och U7 uppstår på utgången 21 mätpulser 29 (spänningen U8), vars varaktighet 6 motsvarar löp- tidsskillnaden A t.

Vid nästa puls 22 från styrspänningen U1 upprepas det beskrivna mätförloppet. Varje puls 22 utlöser sålunda alstringen av 64 mätpulser 29. Under varaktigheten 6 för mätpulserna 29 gäller b b 2:92 b cm = k + c 2 2 o m o m c c _ 7 o o varvid b är längden av mätsträckan 2, cm är mediets strömningshas- tighet, c är ljudhastigheten i mediet, Û är volymströmmen och k o 1 _är en konstant punkt.

I fig. 4 visas den heskrivna mätanordningen 1 i blockform och indikeras styringángen 15 och utgången 21. En oscillator 30 är an- sluten till styringàngen 15, vilken oscillator av en temperaturen hos det strömmande mediet avkännande temperaturgivare 31 styres så, att frekvensen f1 av den av oscillatorn alstrade styrspänningen U1 (fig. 2) i ett förutbestämt temperaturområde approximativt uppvisar samma beroende av temperaturen hos mediet som kvadraten av ljud- hastigheten. Inom det förutbestämda temperaturintervallet gäller sålunda K f1$~9k2 ° Co varvid kz är en konstant.

När anordningen enligt fig. 4 skall utnyttjas såsom värmemängds-, räknare är oscillatorn 30 dessutom förbunden med en förloppstemperatur- ígivare 32 och en bakloppstemperaturgivare 33. Förlopptemperaturgivaren 32 mäter temperaturen hos det strömmande mediet före dess inträde i en icke visad värmeförbrukare och bakloppstemperaturgivaren eller åter- loppstemperaturgivaren 33 mäter temperaturen hos det från värmeför- brukaren till en värmealstrare tillbakaflytande mediet. Oscillatorn 30 styres så av förloppstemperaturgivaren 32 och återloppstemperatur- givaren 33, att frekvensen f1 är proportionell mot skillnaden mellan förloppstemperaturen Tv och återloppstemperaturen Tr, så att följande relation gäller: 7805295-8 f1;*yk2 ' (Tv _ Tr) ' C02 Mätanordningens 1 utgång 21 är ansluten till den första ingång- en i en OCH-grind 34, vars andra ingång är förbunden med en avsök- ningsgenerator 35 och vars utgång via ett pulsdelarsteg 36 leder till en pulsräknare 37. Avsökningsgeneratorn 35 alstrar-företrädesvis smala avsökningspulser med konstant pulsfrekvens f2.

Det ovan beskrivna, genom pulserna 22 (Eig. 2) igångsatt mät- förloppet upprepas med frekvensen f1, vilket är lika med en multi- plikation av(f med f1. Pâ OCH-grindens 34 utgång uppstår räknarpul- ser med en medelpulsfrekvens ï3=k3-f1-f2-6wk1~|<2-1<3- Medelfrekvensen É3 är sålunda proportionell mot produkten av temperaturskillnaden Tv - Tr och volymströmmen V. Genom hopsum- mering av räknarpulserna i pulsräknaren 37 härleds värmemängden Q, för vilken gäller: I Q=kf(TV-Tr)-vdt under förutsättning att värmekoefficienten är konstant.

Om temperaturgivarna 32 och 33 utelämnas eller ersättes med fasta motstånd härleder pulsräknaren 37 genomströmnningsvolymen V v=kfvdt Ultraljudmätsträckan 2 (fig. 1) är så vald, att vfldnexflmfl.volym- ström v' fasskillnadenßg) (fig. 3) ej uppgår till mer än 1800. Detta möjliggör den beskrivna mycket enkla detekteringen av fasskillnaden.

Den maximala varaktigheten J hos mätpulserna 29 är då lika med halva periodtiden för modulationsoscíllatorn 10 (fig. 1), i owmagbnm aemv pel sålunda 0,5 us. Uppgår pulsfrekvensen fz exempelvis till 40 MHz avgives sålunda maximalt 20 räknarpulser per mätpuls 29 på OCH-grindens 34 utgång. På grund av de i praktiken alltid uppträdande statistiska variationerna i volymströmmen och temperaturen hos det strömmande mediet uppnås dock trots avsökningen av mätpulserna 29 med en ändlig frekvens en mycket hög upplösning av mätresultaten.

,Anordningen enligt Eig. 5 skiljer sig från anordningen enligt fig. 4 endast därigenom, att en pulsgenerator 38, som alstrar en kon- stant frekvens, är ansluten till mätanordningens 1 styringàng och att _ W' ifiwm' n »few-- 7805295-8 oscillatorn 30 är förbunden med OCH-grindens 34 andra ingång. Mät- resultatet förblir detsamma som vid anordningen enligt fig. 4.

I fig. 6 avser de tidigare använda hänvisningsbeteckningar- samma element som i de tidigare figurerna. Pulsgeneratorn 38 är åter- igen förbunden med mätanordningens 1 styringång. Mätanordningens 1 utgång 21 styr en omkopplare 39, som är anordnad vid ingången till en analog-frekvensomvandlare 40 och i tillslutet tillstånd förbinder en mätdel 41 med analog-frekvensomvandlaren. Den till förloppstem-_ 'peraturgivaren 32 och återloppstemperaturgivaren 33 anslutna mätdelen avger en i förhållande till temperaturskillnaden Tv - Tr propor- tionell ström. Medelvärdet av den pulsformiga strömmen I på ingången till analog-frekvensomvandlaren 40 är proportionell mot produkten av temperaturskillnaden Tv - Tr och mätpulsens 29 varaktighet 8. På analog-frekvensomvandlarens 40 utgång uppträder räknarpulser med en i förhållande till denna produkt proportionell pulsfrekvens. Räknar- pulserna når via det efter analog-frekvensomvandlaren 40 kopplade pulsdelarsteget 36 till pulsräknaren 37 och hopsummeras där. Den till analog-frekvensomvandlaren 40 anslutna temperaturgivaren 31 på- verkar frekvensen av den av mätdelen 41, omkopplaren 39 och analog- frekvensomvandlaren 40 bestående oscillatorn 42 på samma sätt som frekvensen hos oscillatorn 30 (fig. 4 och 5). För genomströmnings- 1 volymsmätning kan mätdelen 41_utelämnas och en konstantströmkälla É eller konstantspänningskälla anslutas till omkopplaren 39 i dess ställe.

Fig 7 visar en utföringsform av både oscillatorn 42 med mätde- len 41, omkopplaren 39 och analog-frekvensomvandlaren 40 och av oscil- latorn 30 när omkopplaren 39 utelämnas.

Mätdelen 41 enligt fig. 7 består av en måtbrygga, som bildas av temperaturgivarna 32, 33 och två motstånd 43, 44. Analog-frekvens- omvandlaren 40 innefattar en differensförstärkare 45, vars icke in- É verterande ingång direkt och vars inverterande ingång eventuellt över omkopplaren-39 är diagonalt anslutna till mätbryggan. En kondensator 46, som tillsammans med differensförstärkaren 45 bildar en-integrator, är inkopplad mellan differensförstärkarens 45 inverterande ingång och dess utgång. Den icke inverterande ingången hos differensförstärkaren 45 är förbunden med den icke inverterande ingången hos en tillkommande differensförstärkare 47, vars utgång är kopplad till den senare för- stärkarens inverterande ingång och utgör en artificiell nollpunkt 48.

Den här icke linjära temperaturgivaren 31 bildar tillsammans med 7805295-8 ett fast motstånd 49 en av temperaturen hos det strömmande mediet beroende spänningsdelare, som är ansluten till integratorns 45, 46 utgång och till nollpunkten 48 och vars spänníngsuttag ledes till en tröskelvärdesomkopplare 50. Spänningsförhållandet Ha U hos denna spänningsdelare uppvisar inom ett förutbestäât temperatur- intervall approximativt samma beroende av temperaturen hos det ström- mande mediet som kvadraten av ljudhastigheten i mediet; Tröskel- värdesomkopplarens 50 utgång styr i det visade exemplet en parallellt med kondensatorn 46 kopplad urladdníngsomkopplare 51 och bildar frekvensutgången 52 hos oscillatorn 30 respektive 42.

Mätdelen 41 avger en i förhållande till temperaturskillnaden TV - Tr proportionell ström till integratorn 45, 46. Spänningen Ue på integratorns utgång stiger därigenom linjärt. När den från spän- ningsdelaren 31,49 uttagna delspänningen Ua uppnår tröskelvärdesom- kopplarens 50 tröskelvärde reagerar denna och åstadkommer att omkopp- laren 51 slutes. Kondensatorn 46 urladdas genom omkopplaren 51, var- efter tröskelvärdesomkopplaren 50 åter slår om till viloläget och det beskrivna förloppet åter påbörjas. Pulsfrekvensen på utgången 52 är proportionell både mot temperaturskilladen TV - Tr och mot spän- ningsdelningsförhållandet Ha.

Ue Urladdningen av kondensatorn 46 genom omkopplaren 51 vid över- skridande av tröskelvärdet utgör en av flera vid analog-frekvensom- vandlíng brukliga metoder. I dess ställe kan det så kallade laddnings- kompensationsförfarandet användas och en konstant kompensationsladd- ningspuls tillföras kondensatorn 46 vid överskridande av tröskelvärdet.

Vidare kan det så kallade omladdningsförfarandet användas, enligt vil- ket analog-frekvensomvandlarens 40 ingångssignal vid överskridande av ett övre tröskelvärde och vid underskridande av ett undre tröskel- värde hos tröskelvärdesomkopplaren 50 ompolas.

Diagrammet i fig. 8 visar såsom ett exempel hur kvadraten av ljudhastigheten co i vatten beror av vattnets temperaturUTm. Vidare a hos spän- U e visas i detta diagram hur spänningsdelningsförhållandet ningsdelaren 31, 4§ beror av mediets temperatur Tm, varvid detta be- roende låter sig förverkligas med ett NTC-motstånd såsom temperatur- givare 31. Kurvorna coz och Ba skär varandra vid Tm = 20°C och Tm = U e 75°C. Inom temperaturintervallet 20°C»¿.Tm POOR Gul-EM p 7805295-'8 kurvorna nästan identiska förlopp. _Den beskrivna genomströmningsvolymsräknaren och värmemängds- räknaren kan fungera med endast två ultraljudomvandlare, är enklare I uppbyggda än tidigare kända räknare och avger trots detta ett av temperaturgången hos ljudhastigheten i det strömmande mediet prak- tiskt taget oberoende mätresultat. Den beskrivna modulationen av sändarpulserna och avbländningen av in- och utsvängningsfaserna hos mottagarsignalerna möjliggör användande av ultraljudomvandlare som uppvisar en förhållandevis dålig frekvensgång och är i motsvarande grad billiga. '-1

Claims (8)

7805295-8 9 PATENTKRAV

1. l. Ultraljuds-genomströmningsvolymsräknare för i synnerhet såsom värmemedier tjänande vätskor, med en mätanordning uppvisande två ultraljudomvandlare (3, 4) för en mätsträcka (2), en sändardel (5) för sändarpulser som kan läggas på om- vandlarna (3, 4) och en löptidsdifferensmätdel (6) vid vilken mätanordning samtidigt sändarpulser (24, 25) periodiskt läggs på båda omvandlarna (3, 4), mätpulser (29) med en mot löptids- differensen svarande varaktighet alstras med löptidsdifferens- mätdelen (6) och löptidsdifferensen mäts genom räkning av räk- narpulser medelst en pulsräknare, vilka räknarpulser beror av de av omvandlarna mottagna signalerna och av svängningarna av en svängningsalstrare (307 42), vars frekvens beror av ljud- hastigheten i vätskan, varvid sändardelen (SL löptidsdiffe- rensmätdelen (6) och svängningsalstraren (30: 42) är så hop- kopplade i en multiplikationskoppling, att räknarpulserna på dess utgång uppträder med en medelpulsfrekvens som svarar mot produkten av mätpulsernas varaktighet och frekvensen av sväng- ningsalstrarens svängningar, k ä n n e t e c k n a d av att svängningsalstraren (30: 42) av en vätskans temperatur av- kännande temperaturavkännare (31) styrs på sådant sätt att frekvensen av de alstrade svängningarna i ett förutbestämt temperaturområde åtminstone approximativt uppvisar samma bero- ende av temperaturen (Tm) hos vätskan som kvadraten av ljud- hastigheten (co) i vätskan-

2. Räknare enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d' av att sändardelen (5) uppvisar en modulator (12) för modulering av sändarpulserna (24: 25) med en konstant frekvens och att löp- tidsdifferensmätdelen (6) uppvisar en på utgångssidan anordnad OCH-grind (20), som är ansluten till en styrdel (ll) och av denna frigives först efter avslutad insvängningsfas och senast fram till början av utsvängningsfasen hos de mottagna ultra- ljudpulserna (26: 27). (POOR QUAL; 7805295-8 10

3. Räknare enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att svängningsalstraren (30; 42) uppvisar en av tempera- turavkännaren (31) och ett fixt motstånd (49) bildad spän- ningsdelare (31, 49), vars spänningsdelningsförhållande i ett förutbestämt temperaturområde åtminstone approximativt uppvisar samma beroende av temperaturen (Tm) av vätskan som' kvadraten av ljudhastigheten (co) i vätskan.

4. Räknare enligt krav 3, k ä' n n e t e c k n a d av att svängningsalstraren (30; 42) uppvisar en analog-frekvensom- vandlare (40) med en integrator (45, 46) och en på utgångssi- dan anordnad tröskelvärdesomkopplare (50), varvid spännings- delaren (31, 49) är inkopplad mellan utgången av integratorn och ingången av tröskelvärdesonlkopplaren (50).

5. Raknare enligt något av kraven l - 4, k ä n n e t e c k - n a d av att sändardelen (5) styrs med frekvensen av svängningarna av svangningsalstraren (30) och att utgången '(21) av *löptidsdifferensmätdelen (6) är förbunden med en första ingång av en OCH-grind (34), till vars andra ingång en avsökningsgenerator (35) är ansluten.

6. _ Räknare enligt något av kraven l - 4, k ä n n e t e c k - n a d av att sändardelen (5) styrs med den konstanta frek- vensen av en pulsgenerator (38) och att utgången (21) av löp- tidsdífferensmätdelen (6) är förbunden med en första ingång av en OCH-grind (34), till vars andra ingång svängningsalstraren (30) är ansluten.

7. Räknare enligt något av kraven l ~ 4, k ä n n e t e c k - n a d av att svängningsalstraren (42) uppvisar en analog- frekvensomvandlare (40), vid vars ingång en av utgången (21) av löptidsdifferensmätdelen (6) styrd omkopplare (39) är an- 7805295-8 ll ordnad .

8. Användning av en ultraljuds-genomströmningsvolymsráknare enligt krav l i en värmemängdsräknare, k ä n n e t e c k n a d av att en förloppstexnperaturavkännare (32) avkänner för- Loppstexnperaturen och en återloppstemperaturavkännare (33) av- känner återloppstemperaturen av vätskan och står i styrförbin- delse med svängningsalstraren (30; 42), så att frekvensen -av de av denna alstrade svängningarna förhåller sig proportionell mot differensen mellan vätskans för- och återloppstemperatur. -._~..._....__..__..._.......fl._.. .\ «" fx - . f." <°T+ L