DE2333971B2 - Schaltungsanordnung zum ermitteln physikalischer groessen stroemender medien nach der ultraschallmethode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln physikalischer Größen strömender Medien nach der Ultraschallmethode, bei der über eine Meßslrecke abwechselnd Schallimpulse in zueinander entgegengesetzten Richtungen gesendet bzw. empfangen werden. Es ist ein Phasendetektor zum Ermitteln der Verschiebung zueinander gehörender Sende- und Empfangsimpulse vorgesehen, der die Frequenz mindestens eines spannungsgesteuerten Oszillators beeinflußt. Dabei wird gleichzeitig mit jedem gesendeten Schallimpuls ein verzögerter Bezugsimpuls ausgelöst, der eines der beiden Eingangssignale des Phasendetektors ist, dessen anderes Eingangssignal der zugehörige Schallimpuls ist.

Eine zum Ermitteln der Strömungsgeschwindigkeit dienende Schaltungsanordnung dieser Gattung wurde bereits vorgeschlagen (Patentanmeldung P 23 22 749-8-52).

Periodisch arbeitende Meßeinrichtungen für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit nach der Ultraschallmethode, die nur eine Meßstrecke aufweisen, mit einem ersten und einem zweiten in Strömungsrichtung angeordneten Wandler sind bereits bekannt. Bei einer solchen, bekannten Meßeinrichtung (DT-AS 16 73 449) ist auch schon ein zusätzlicher spannungsgesteuerter Oszillator vorgesehen, der nach Maßgabe der momentanen SchalUiusbreitungsgeschwindigkeit angesteuert wird, und es wird ein Vergleich des jeweils empfangenen Schallimpulses mit einem Markiersignal vorgenommen. Die empfangenen Signale aus beiden Meßrichtungen werden über Schwellwertvorrichtungen geleitet, ehe sie ausgewertet werden.

Es sind auch bereits Schaltungsanordnungen mit zwei Meßstrecken zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit nach der Ultraschallmethode bekannt. Bei einer solchen, bekannten Anordnung (»Ultrasonic Flow

Measurement« von A. E Brown und G. W.Allen in instruments & Control Systems«, Heft 3, 1967 S. 13OfO wurden bereits Möglichkeiten vorgesehen! einen Alarmkreis einzusetzen, der u. a. auf Störung des Meßbetriebes anspricht, sowie durch Frequenz-Summen- und -Differenzbildung eine Ermittlung und digitale Anzeige sowohl der Strömungs- als auch der Schallausbreitungsgeschwindigkeiten zu erhalten.

Gegenüber den bekannten, nach der Ultraschallmethode arbeitenden Schaltungsanordnungen mit zwei Meßstrecken haben die nur eine Meßstrecke mit Rirhtungsumschaltung aufweisenden Schaltungsanordnungen, zu denen auch die der eingangs genannten Gattung gehört, den Vorzug, daß die sonst bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten auftretenden Probleme des »Mitziehens benachbarter Frequenzen« überwunden sind; außerdem entfallen die Justageprobleme bezüglich der gegenseitigen Einstellung zweier Meßstrecken.

Der Erfindung liegt die Aufagbe zugrunde, mit möglichst geringem Aufwand an Schaltungskomponenten wenigstens eine der physikalischen Größen Strömungsgeschwindigkeit. Strömungsrichtung

und/oder Schallgeschwindigkeit strömender Medien zu ermitteln und ständig verfügbar zu machen.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der hier zur Rede stehenden Art dadurch gelöst, daß zwei Kanäle vorgesehen sind denen vom Phasendetektor aus ein Frühsignal, wenn der empfangene Schaliimpuls vor dem Bezugsimpuls eintrifft, und ein Spätsigna!, _J0 wenn der empfangene Schallimpuls später als das Bezugssignal eintrifft, unter Berücksichtigung der Stromaufwärts- oder Stromabwärts-Senderichtung zugeführt werden, und an denen aufgrund dieser als Eingangswerte 7Ugeführten Früh- bzw. Spätsignale durch Integration mittels Integrationsgliedern Spannungsniveaus gebildet werden.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein vereinfachtes Blockschema,

Fig. 2 ist ein Blockschema der Sende- bzw. Empfangseinheit,

F i g. 3 ist ein Blockschema des Phasendetektors, F i g. 4 ein Blockschema der Steuereinheit und,

Fig.5 ist ein Blockschema der Einheit für die Frequenzsynthese,

F i g. 6 ein dazugehöriges Schaltschema,

F i g. 7 ist ein Blockschema der zur Zeiteichung so dienenden Einheit und

Fig.8 ein den zeitlichen Ablauf der Signale in der Steuereinheit wiedergebendes Impulsdiagramm,

Fig.9 ist ein Impulsdiagramm der Datenfrequenz und der Steuersignale in der Frequenzsyntheseeinheit,

Fig. 10 ist ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung der Multiplikation der Datenfrequenz in der Frequenzsyntheseeinksit,

Fig. 11 ist ein Impulsdiagramm, das die Teilung der hochfrequenten VCO-Ausgangsfrequenz in der Fre- <,o quenzsyntheseeinheit veranschaulicht;

Fig. 12 ist ein detailliertes Blockschema einer Schaltung mit zwei spannungsgesteuerien Oszillatoren zur Frequenzerzeugung.

Gemäß F i g. 1 enthält das System eine Sende/Empfangseinheit 15, in welchem die Umschaltvorgänge erfolgen, die für eine abwechselnde Wirkung der Wandler als Sender und als Empfänger bzw. als Empfänger und Sender sorgen. Das empfangene Signal wird von der Sende/Empfangseinheit 15 einem Phasendetektor 16 zugeleitet Der Detektor 16 formt die empfangenen Impulse in gleichartiger Weise wie in der Patentanmeldung P 23 22 749.8 der Anmelderin angegeben. Eine Steuereinheit 17 erzeugt einen Bezugsimpuls, der dem Detektor 16 zugeführt wird. In dem Detektor 16 wird ein Phasenvergleich zwischen dem empfangenen Impuls und dem Bezugsimpuls durchgeführt Ein Signal, dessen Polarität durch die relative Frühzeitigkeit oder Spätzeitigkeit des empfangenen Impulses bestimmt wird, wird dem Steuernetzwerk 17 zugeleitet. Das Steuernetzwerk 17 führt eine Summation der früheren bzw. späteren Signale durch. Diese werden einer Frequenzsyntheseeinheit 18 zugeleitet, deren Wirkungsweise auf der Summation beruht. Diese Einheit bildet Frequenzen, die den Schallfortpflanzungsgeschwindigkeiten stromaufwärts und stromabwärts proportional sind. Diese Frequenzen werden der Steuereinheit 17 zugeführt, um Steuersignale zu bilden, welche die Sendeempfangsumschaltung, die in der Sende/Empfangseinheit 15 durchgeführt wird, in die richtige Folge bringen. Die Steuersignale aus dem Steuernetiwerk 17 werden außerdem mit dem Detektor 16 verbunden, der für die richtige Signalfolge für den Phasenvergleich zwischen dem empfangenen Signal und dem Bezugssignal sowie für eine automatische Verstärkungsregelung und für eine »kein Signal«- Alarmanzeige sorgt. Die Summierungen der Früh/Spätsignale aus der Steuereinheit 17 werden in der Frequenzsyntheseeinheit 18 direkt benutzt, um die Ausgangsfrequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 19 zu steuern und eine Datenfrequenz zu erzeugen. Der Ausgang des VCO 19 ergibt eine Frequenz, die proportional ist der Schallgeschwindigkeit in dem strömenden Medium. Die Datenfrequenz ist proportional der Strömungsgeschwindigkeit. Ein Zeiteichkreis 20 empfängt die Datenfrequenz und wandelt diese um in Signale proportional der Strömungsmenge oder Strömungsgeschwindigkeit, wie es bei Sichtanzeigern erwünscht ist.

In Fig.2 ist die Sende/Empfangseinheit 15 des Systems als Blockschaltbild dargestellt. Diese Einheit der Gesamtschaltung leitet einen Sendeimpuls an den einen Wandler und nimmt das Empfangssignal aus dem anderen Wandler in einen zu einem Verstärker führenden Kanal auf. Ein Aufwärts/Abwärts-Eingangssignal aus der Steuereinheit 17 dient zur Erzeugung eines Impulses aus entweder der einen oder der anderen Kippschaltung 21 bzw. 22. Ein Abgleichspotentiometer 23 ist mit beiden Sendeimpulsgeneratoren 21 und 22 verbunden, um für eine gleichmäßige Sendeimpulsbreite zu sorgen. Das gleiche Aufwärts/Abwärtssignal wählt die Stellung des Analogschalters 24, der wiederum abwechselnd den ersten oder zweiten Empfangsverstärker 25 bzw. 26 mit der Empfangssignalverarbeitung in dem Detektor 16 verbindet. Der Oszillatorschwingkreis 27 ist vorgesehen, um das Empfangssignal aus den Er.ipfängerverstärkern 25 oder 26 anzuheben, bevor es dem Detektor 16 zugeführt wird. Der Inverter 28 bildet das Abwärtssignal, da nur das Aufwärtssignal aus dem Steucrkreis 17 mit dem Sender/Empfängerkreis 15 verbunden wird. Die Sendeimpulsgeneratoren 21 und 22 sind mit dem Eingang der Hochspannungssendeimpulsverstärker 29 bzw. 32 verbunden. Der Sendeverstärker 29 ist, wie ersichtlich, mit dem Wandler 33 und der Sendeverstärker 32 mit dem Wandler 34 in der Wandung des Rohrs 35 verbunden.

23 33 97 V

Der Spannungsvergleicher 39 wird ebenfalls abwechselnd mit dem Ausgang des Empfangsverstärkers 25 bzw. 26 verbunden und richtet ein Ausgangssignal an einen Hoch-Niedrig-Signalsperrkreis 40, der auch ein positives Sendesignal aus der Steuereinheit 17 empfängt. Ein Integrator 41 empfängt das Ausgangssignal des Sperrkreises 40 und steuert einen Hochspannungsregler 44 an, um den Amplitudenerfordernissen zu entsprechen, die für das Empfangssignal an dem Vergleicher 39 bestehen. Das Ausgangssignal aus dem Integrator 41 wird auch einem Vergleicher 45 zugeführt, der eine Alarmanzeige für einen vorbestimmten Sendeimpuls-Hochspannungspegel liefert und einen niedrigen empfangenen Impulspegel sowie eine etwaige Störung anzeigt.

In F i g. 3 ist ein Blockschema des Pnasendetektors 16 zu sehen. Diese Einheit der Schaltung empfängt das durch das strömende Medium gesendete Signal, verarbeitet es und trifft eine Früh- oder Spät-Empfangsentscheidung für den empfangenen Impuls, wenn er mit dem Bezugsimpuls verglichen wird. Der Verstärker 46 empfängt das durchgehende vom ersten oder zweiten Empfangsverstärker 25 bzw. 26 kommende Signal je nach der Einstellung des Analogschalters 24 in dem Sende/Empfangskreis 15. Der automatische Verstärkungsregler 47 paßt das Ausgangssignal aus dem Verstärker 46 an einen vorbestimmten Pegel an. Der automatische Verstärkungsregler 47 enthält einen Kontrollvergleicher 48 und einen Integrator 49, der ein Ausgangssignal liefert, das den Verstärkungsgrad des Verstärkers 46 nach oben steuert wenn es sich nicht auf dem vorbestimmten Pegel am Vergleicher 48 befindet, oder ihn auf diesen Pegel herabsetzt, wenn er den vorbestimmten Pegelwert überschreitet. Der Vergleicher 48 ist auf den Hoch-Niedrig-Detektor 50 geschaltet, der mit einem Integratortor 51 verbunden ist. Das Tor 5! liefert ein Eingangssignal entweder an den invertierenden oder an den nicht invertierenden Eingang am Integrator 49.

Der Ausgang aus dem Verstärker 46 ist mit dem Niedrigpegeldetektor 52 verbunden, der einen Verstärker 52a enthält Der Ausgang des Verstärkers 52a ist auf einen Verstärkungsvergleicher 48 in der AGC-Schleife (automatische Verstärkungsregelung) für den Verstärker 46 geschaltet. Der Detektor 52, der Verstärker 52a, ein Differentiator 53 und ein Vergleicher 54 sind in Reihe geschaltet und bilden die Hauptkomponenten eines Triggerkreises.

Ein Nulldurchgangsvergleicher 57 empfängt gleichfalls das Ausgangssignal aus dem Verstärker 46 und ist mit einem Tor 58 verbunden. Ein NAN D-Tor 59 ist so geschaltet, daß es das Tor 58 einstellt und hat zwei Eingänge. Der erste Eingang empfängt das Triggersignal aus dem Vergleicher 54, der zweite ist eine Erdverbindung über einen Empfangsartenschalter 60, dessen Stellung bestimmt, ob das Ausgangssignal aus dem Oberbrückungsvergleicher 57 oder das Ausgangssignal aus dem Triggerkreisvergleicher 54 als das empfangene und aufbereitete Signal benutzt wird. Das Tor 58 ist mit einem Ladungsabgeber 61 und einem Vergleichstor 62 verbunden. Eine Kippschaltung (Multivibrator) 63 verzögert den Bezugsimpuls um die Kippimpulsbreite und liefert ihn dann an das Tor 62 über ein Bezugsimpulstor 64 zum Vergleich mit dem empfangenen Signal aus dem Tor 58.

Das Schutzsignal aus der Steuereinheit 17 ist mit einem Empfangssignal-AGC-Rückstellvergleicher 65 verbunden. Es ist auch mit einem Ladur.gsabgeber 61 und einem Vergleicher 54 verbunden, um diese drei Vorrichtungen während der Verweilzeit des Schutzimpulses zu sperren. Das Schutzsignal wird invertiert und dem Eingang eines »Kein Signal«-Tors 66 sowie dem Ladungsabgeber 61 zugeführt. Ein Früh/Spät-Tor 67 empfängt das Ausgangssignal aus dem Tor 62 und dem Ladungsabgeber 61. Es wird ein Impuls entweder an einem Früh- oder an einem Spät-Ausgang aus dem Tor 67 gebildet, je nach Frühzeitigkeit bzw. Spätzeitigkeit ίο des empfangenen Impulses.

Der Sendeimpuls aus der Steuereinheit 17 beaufschlagt das. Tor 64 sowie den Hoch-Niederigdetektor 50 und ein zusätzliches Tor 68. Das zusätzliche Tor 68 wird durch ein Signal aus dem Tor 58 zurückgestellt und erzeugt ein Ausgangssignal, der das »Kein Signal«-Tor 66 steuert.

In F i g. 4 ist ein Blockschema für den Steuerabschnitt 17 gezeigt.

Die Steuereinheit 17 sorgt allgemein für die Erzeugung des Sendeimpulssignals, eines Teils der Verzögerungszeit und danach die Erzeugung des Bezugsimpulses, die Erzeugung des Empfängerschutzsignals, der Auf/Absteuersignale und der Integratorausgangssignale, die als Steuersignale in dem Frequenz-2.5 Synthesekreis 18 benutzt werden. Aus dem Phasen-Detektor 16 werden Signale empfangen, welche die Frühzeitigkeit oder Spätzeitigkeit der empfangenen Impulse angeben. Selbsthalteschaltungen 69 und 70 werden abwechselnd durch einen Auf/Abmultivibrator 71 zur Wirkung gebracht, um ein Signal in Abhängigkeit davon, ob das empfangene Signal früh oder spät ist, weiterzuleiten. Ein Signal aus der Schaltung 69 wird entweder mit dem invertierenden oder dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 72 verbunden, der ein Ausgangssignal an einen ersten Integrator 73 liefert. In ähnlicher Weise wird ein aus der Schaltung 70 erzeugtes Signal mit dem invertierenden ode. dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 75 verbunden, der wiederum ein Eingangssignal zu einem zweiten Integrator 76 liefert. Der Ausgang aus beiden Integratoren 73 und 76 wird der Syntheseeinheit 18 zugeleitet.

Die normale Arbeitsweise der Schaltung erfordert fortlaufende Änderungen des Zustands beider Selbsihalteschaltungen 69 und 70, die durch den Summierungs- und Alarmkreis 77 überwacht werden. Wenn einer oder beide Schaltungen 69, 70 aufhören, ihren Zustand für eine bestimmte Zeitdauer zu ändern, wird eine Alarmanzeige durch den Alarmkreis 77 gebildet.
Die Steuereinheit 17 empfängt ferner zwei Frequenzen /1, £ aus der Syntheseeinheit 18, die dem Schaltkreis 78 zugeführt werden, der eine Einpol/Zweistellungsumschaltfunktion erfüllt Der Schaltkreis 78 empfängt auch Eingangssignale aus dem Auf/Ab-Stetiermultivibratoi 71. Das »Auf«-Signal aus dem Auf/Ab-Kreis 71 wire auch der Sender/Empfängereinheit 15 zur Steuerung des Analogschalters 24 zugeleitet

Der Schaltkreis 78 ist mit dem Sendeimpulsgeneratoi 82 und außerdem mit dem Teüerkreis 83 verbundea Dei Teüerkreis 83 ist mit dem Bezugsimpulsgenerator 8< und einem Impulsgenerator 87 verbunden. Der Impuls generator 87 ist wiederum mit dem Schutzimpulsgene rator 88 verbunden, der ein Schutzsignal und eii Eingangssignal für den Auf/Ab-Steuerkreis 71 zu Verfügung stellt Der Empfängerschutzkreis 88 liefer auch das eine Eingangssignal zu einem Tor 89. das mi einem Wiederholverhältnis-Impulsgenerator 90 verbun den ist. Der Impulsgenerator 90 ist so geschaltet daß e

den Sendeimpulsgenerator 82 steuert.

Ein Signal aus dem Empfängerschutzkreis 8tl ist mit dem Phasen-Detektor 16 verbunden und das Signal aus dem Bezugsimpulsgenerator 84 wird sowohl dem Detektor 16 als auch der Sender/Empfängereinheit 15 zugeführt. Die beiden Signale aus dem Sendeimpulsgenerator sind von entgegengesetzter Polarität. Der niedrige Sendeimpuls wird dem Detektorkreis 16 zugeführt und der hohe Sendeimpuls dem Sender/Empfängerkreis 15.

F i g. 5 zeigt ein Blockschema der Frequenzsyntheseeinheit 18. Entsprechend einem an sich bekannten Verfahren zur Abtrennung des oberen und unteren Seitenbandes, Gegentaktmodulation sowie der Anwendung einer linearen Frequenzmischung werden Frequenzen gebildet, die den Schall-Fortpflanzungsge- · schwindigkeiten in Richtung gegen den Strom und mit dem Strom proportional sind. Ein erster und ein zweiter Integrator 73 und 76 aus der Steuereinheit 17 sind in F i g. 5 hereingenommen. Die Integratoren 73 und 76 sind mit einem Summierkreis 93 verbunden, der einen Mittelwert der beiden Integratorausgangswerte einem Integrator 94 zuliefert. Der Integrator 94 wirkt als Steuersignalgenerator für den Hochfrequenz-VCO 19. Der Teilerkreis % empfängt das Ausgangssignal des Hochfrequenz-VCO 19 und erzeugt zwei Signale, die 90° phasenverschoben sind bei einem Viertel der Frequenz des Oszillators 19. Diese Rechteckwellensignale, die hier als sin θ und Cos Θ bezeichnet werden sollen, werden den Gegentaktmodulatoren 99 bzw. 100 zugeführt.

Die Signale aus dem ersten und zweiten Integrator 73 und 76 werden über Schalter 101 Schnellintegratoren

102 und 103 zugeführt, deren Ausgänge werden Modulatoren 99 bzw. 100 zugeleitet. Die Ausgangssignale aus diesen Modulatoren werden durch Potentiometer 105 bzw. 106 abgeglichen.

Die Ausgänge aus den Schnellintegratoren 102 und

103 werden außerdem Vergleichern 107 und 108 zugeführt, die einen Rechteckwellenausgang bei der ^sgangsfrequenz und der Phasenlage der Schnellintegratoren 102 und 103 hervorbringen. Die Ausgänge aus den Vegleichern 107 und 108 werden dazu benutzt. Steuerschalter 110 bzw. 111 zu betätigen. Die Schalter 101 werden durch diese Steuerung so eingestellt, daß trape/artige Wellenformen mit 90° Phasenverschiebung an den Ausgängen der Schnellintegratoren 102 und 103 gebildet werden, die hier als sin Φ bzw. cos Φ bezeichnet werden.

Die im Gegentakt modulierten Ausgangssignale aus den Modulatoren 99,100 werden linearen Frequenzmischern 112 zugeführt, die wiederum in bestimmten Kombinationen mit Tiefpaßfilterschaltungen 113 und 114 verbunden sind Die Ausgangsfrequenzen aus den Filtern 113 und 114 sind proportional den Schallfort-Pflanzungsgeschwindigkeiten in Richtung gegen den Strom bzw. mit dem Strom, was nachstehend noch näher erläutert wird. Diese beiden Frequenzen werden dem Steuerkreis 17 als Synthese-Ausgangssignale aus dem ersten (und zweiten) spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt

Die Ausgänge aus den Vergleichern 107 und 108 sind mit einem FTußrichtungsphasendetektor 117 verbunden das wiederum ein Eingangssignal mit einem Exklusiv-ODER-Tor 118 liefert Das Tor 118 liefert ein 6s Ausgangssignal, das eine Anzeige der Flußrichtung ergibt Die Ausgangssignale aus den Vergleichern 107 und 108 werden auch einem Multiplikatorkreis 119 zugeführt, der ein Ausgangssignal vom Vierfachen der Vergleicherausgangsfrequenz liefert. Eine Kippschaltung 120 empfängt den Ausgang aus dem Vervielfacher oder Multiplikator 119 und bildet ein Datenfrequenzausgangssignal mit einer konstanten Ladung in jedem Ausgangsimpuls.

F i g. 6 zeigt schematisch die Syntheseeinheit 18 des Systems. Die Stromab- und Stromauffrequenzen /Ί bzw. h werden erzeugt, und die bei ihrer Synthese benutzten Signalfrequenzen sind dabei proportional der Summenfrequenz und der Differenzfrequenz. Es ist eine Flußrichtungsanzeige vorgesehen und diese ist notwendig, um nur einen VCO verwenden zu müssen.

Die Datenfrequenz aus der Kippschaltung 120 von F i g. 5 bzw. dem Block Λ 21 in F i g. 6 ist wie schon erwähnt proportional der Strömung. Verschiedene Einrichtungen, durch welche die Datenfrequenz auf eine lesbare Form reduziert wird, sind in Fig. 11 wiedergegeben. Zunächst ist hier die allgemein bekannte Schal'tungsweise vorhanden, wie sie in einem Digital/ Analogwandler 123 vorgesehen ist. Zweitens stellen die Datenlrequenzimpulse beabsichtigterweise eine konstante Ladung pro Impuls zur Verfügung, so daß sie dazu benutzt werden können, einen Frequenz/Analogwandler 124 zu betreiben. Ein solcher Frequenz/Analogwandler kann die Form eines Drehspul-Meßgeräts annehmen, das eine mechanische Bewegung aufgrund der Datenfrequenzimpulse ausführt, die durch die Trägheit der Mechanik des Meßgeräts gefiltert und geglättet sind. Eine dritte Einrichtung zur Herabsetzung der Datenfrequenz erfolgt durch die Einführung der Zeiteichung.

Fig.7 zeigt einen Festwertspeicher 125, der eine Programmkorrektur hat und mit einem Addierer 126 verbunden ist. Der Addierer 126 ist mit einem der Eingänge einer Selbsthalteschaltung 129 verbunden. Die Schaltung 129 empfängt auch die Datenfrequenz aus der Kippschaltung 120. Der Ausgang des Addierers 126 wird über die Sperrschaltung 129 durch einen Datenfrequenzimpuls auf einen Akkumulator 130 übertragen. Der Ausgang des Akkumulators 130 ist zu dem Addierer 126 zurückgeführt.

Nach Sammlung einer vorbestimmten Zahl von Impulsen erzeugt der Akkumulator 130 einen Trägerimpuls, der zu der Schaltung gesandt werden kann, die entweder eine Strömungsgeschwindigkeitsinformation oder eine Strömungsmengeninformation liefert. Bei der Schaltungsart, die eine Strömungsgeschwindigkeitsinformation liefert, wird der Trägerimpuls einem Auf/Abzähler 131 zugeführt Ein Eingangssignal aus einen Taktgeber 132 wird dem Auf/Abzähler 131 zugeführt Ein Borger-Ausgang und ein Übertragerausgang sine von dem Auf/Abzähler 131 aus mit einem Strömungsge schwindigkeitsanzeiger 135 verbunden. Der Borgeraus gang ist mit dem Eingang eines Flip-Flops 13i verbunden. Die Ausgänge aus dem Flip-Flop 13 werden dem Strömungsgeschwindigkeitsanzeiger 13 und einem Exklusiv-ODER-Tor 137 zugeführt Ei anderer Eingang des Tors 137 wird von dem Ausgan des Exklusiv-ODER-Tors 118 in Fig.5 gespeist De Ausgang des Tors 137 wird an den Zähler 131 gelegt s daß dieser Auf- oder Abzahlungen durchführt

Falls die Strömungsinformation in Werten di Strömungsmenge gewünscht wird, werden die Übe tragimpulse aus dem Akkumulator 130 einem zweite Auf/Abzähler 138 zugeführt Ein Strömungsmengenai zeiger 141, eine Flip Flop-Schaltung 142 und e Exklusiv-ODER Tor 143 sind dann in genau d

709 507

gleichen Weise verbunden wie sie vorslehend für die Strömungsgeschwindigkeitsanzeige beschrieben wurde. Bei dem zweiten Zähler 138 ist eine Rückstellfunktion vorgesehen, um eine Löschung früherer Zählungen vor Beginn einer neuen Gesamtaufrechnung :i\i bewirken.

Die Arbeitsweise des Systems ist folgende: Ganz allgemein wird ein Sendesignal erzeugt, entgegen der Strömung gesendet, empfangen, verarbeitet und zur Auslösung eines Sendesignals benutzt, das in Richtung mit der Strömung gesendet wird. Dieser Vorgang wird wiederholt, indem abwechselnd entgegen und mit der Strömung gesendet wird. Auf diese Weise entstehen Gegenstrom- und Mitstromsignale, welche proportional sind den Frequenzen, die nachstehend als Gegenstrom- und Mitstromfrequenzen bezeichnet werden. Anhand von F i g. 2 soll die Erzeugung und der Empfang eines gesendeten Impulses erörtert werden. Angenommen, daß die Auf/Absteuerung aus der Steuereinheit 17 die Sender-Kippschaltung 21 wählt, wird ein ins Positive gehender Rechteckimpuls an den Eingang des Sendeverstärkers 29 gelegt, ein ins Negative gehender Impuls aus der geregelten Hochspannungsquelle 44 wird auf den stromaufwärts angeordneten Wandler 33 in der Rohrwand 35 gerichtet. Jegliches Rauschen aus der Energiequelle 44 und dem übrigen Teil der Senderschaltung liegt unterhalb von 0.7 Volt

Die auf das strömende Medium übertragene Energie wird von dem stromabseitigen Wandler 34 empfangen und dem Eingang des Empfangsverstärkers 25 zugeführt. Der gleiche Auf/Steuerimpuls, der die Sendpr-Kippschaltung 21 wählte, steuert auch die Analogschak-Steuerung 24 so daß der Schalter am Ausgang des Empfangsverstärkers 25 geschlossen wird, während der Schalter am Ausgang des Empfangsverstärkers 26 im geöffneten Zustand gehalten wird. Somit wird der empfangene Impuls aus dem Verstärker 25 dem Tankoder Osziüatorschwingkreis 27 zugeführt, der auch unerwünschte Frequenzkomponenten in dem empfangenen Impuls nach Art eines Bandfilters unterdrückt. Der empfangene Impuls wird dann dem Empfänger 46 in dem Detektorabschnitt 16 zugeleitet

Das empfangene Signal wird auch aus dem Oszillatorschwingkreis 27 zu einem Empfangsimpuls-Amplituden detektor 39 geführt, der ein Spannungsvergleicher ist. Der Vergleicher 39 ist mit der Hoch/Niedrig-Signalsperre 40 verbunden, welche den Integrator 41 steuert. Der Integrator 41 steuert den Ausgangspegel des Hochspannungsreglers 44, der die Hochpannungssendeimpulse bildet Dadurch wird eine AGC-Schlcife gebildet, in der eine konstante Höhe der Empfangsimpulse eingestellt und aufrechterhalten wird

Der Ausgang des Integrators 41 wirkt auch in einen Vergleicher 45 hinein, der ein Ausgangssignal bildet wenn der gesendete Impuls eine vorbestimmte Höhe erreicht Der Ausgang des Vergleichers 45 betätigt einen Alarm, wenn ein hoher Pegel des übertragenen Impulses durch die AGC-Schleife infolge eines niedrigen empfangend Impulspegels erzeugt wird, was ein Indiz für eine wahrscheinliche Störung in der Schaltung ist

Nachdem ein Impuls in Richtung stromabwärts gesendet ist wählt die Auf/Absteuerung aus der Steuereinheit 17 eine Sender-Kippschaltung 22, um ein Eingangssignal an den Sendeverstärker 32 zu legen, der wiederum einen ins Negative gehenden Sendeimpuls hoher Spannung für den Wandler 34 erzeugt. Die Energie wird in Richtung stromaufwärts gesendet und von dem Wandler 33 empfangen. Das empfangene Signal wird dem Empfangsverstärker 26 zugeleitet und gelangt über den Schalter an den Ausgang des Verstärkers 26, der durch das gleiche Signal gesperrt ist, welches die Sender-Kippschaltung 22 wählte, um das Sendesignal zu erzeugen. Der übrige Teil des Sende/ Empfangskreises funktioniert ebenso, ganz gleich ob der Wandler 33 oder der Wandler 34 als Empfänger wirkt.

Es sei nunmehr der Phasen-Detektor 16 anhand von

ίο Fig.3 betrachtet. Das empfangene Signal aus der Sende/Empfangseinheit 15 wird an den Eingang des Verstärkers 46 gelegt. Das empfangene Signal wird aufbereitet und an das Tor 58 gelegt. Der Empfangsartenschalter 60 liefert ein niedriges Eingangssignal an das

is NAND-Tor 59, wenn dieses mit Masse verbunden ist. Das Tor 59 bietet unter dieser Voraussetzung einen ständigen »Auf«-Zustand dar, so daß der Eingang des Tors 58 in seinen einen Zustand gestellt wird. Das Ausgangssignai aus dem Vergleiche 54 stellt das Tor 58 zurück, und der nächste Impuls aus dem Nulldurchgangsvergleicher 57 schaltet das Tor 58. Im Falle, daß strömende Medien zu viel Phasenrauschen in das Ausgangssigna! des ^vergleichers 57 einbringen, wird der Empfangsartschalter 60 geöffnet. Dadurch wird ein »Hocn«-Zustand an den einen Eingang des NAND-Tors 59 gebracht, wodurch es ermöglicht wird, ein niedriges Ausgangssignal zu dem eingestellten Eingang des Tors 58 jedesmal dann zu senden, wenn der Vergleicher 54 einen Impuls erzeugt. Der Impuls aus dem Vergleicher 54, der mit dem zurückgestellten Teil des Tors 58 verbunden ist, leitet das Ausgangssignal aus dem Tor 58 in diesem Falle direkt ein.

Das Ausgangssigna! aus dem Tor 58 entspricht der Ankunftszeit des empfangenen Impulses und wird dem Tor 62 zum Vergleich mit der Ankunftszeit des Bezugsimpulses aus der Steuereinheit 17 zugeführt. Der Bezugsimpuls wird durch einen ins Negative gehenden Impuls aus der Kippschaltung 63 verzögert, die ein Eingangssignal an das Bezugsimpulstor 64 liefert. Das

Tor 64 wird durch den Niedrig-Sendeimpuls aus der Steuereinheit 17 zurückgestellt und zündet beim Ansteigen des Verzögerungsimpuisej aus der Kippschaltung 63, um den verzögerten Bezugsimpuls dem Vergleichertor 62 zuzuführen. Die Verzögerung wird

sorgfältig eingestellt, so daß sie mit der Verzögerung des empfangenenen Impulses zusammenpaßt. Der empfangene Impuls aus dem Tor 58 wird auch dem Ladungsabgeber 61 zugeleitet. Der Ladungsabgeber erzeugt einen Impuls mit einer Breite, die sich von dem Ende des empfangenen Impulses bis zum Beginn des nächsten Schutzimpulses aus der Steuereinheit 17 erstreckt Das Früh/Spät-Tor 67 enthält zwei NOR· Tore, welche die Ausgangssignale aus dem Vergleicher tor 62 und dem Ladungsabgeber 6i empfangen und ein

Signal entweder an einer Früh- oder einer Spät-Ausgangsklemme bilden. Die Eingänge des Tors 67 sind se verbunden, daß ein abfallendes Signal an dem Früh-Ausgang erscheint wenn das empfangene Signal an dem Vergleichertor 62 vor dem Bezugsimpuls aus

dem Tor 64 eintrifft Umgekehrt erscheint ein

abfallendes Signal an dem Spät-Ausgang des Tore 67

wenn der empfangene Impuls später ist als der

Bezugsimpuls. Der Niedrig-Sendeimpuls wird auch zum Zurückstel-

len des zusätzlichen Tors 68 benutzt das dann durch da« Ausgangssignai aus dem Tor 58 geschaltet wird. Der Hoch-Ausgangszustand des Tores 68 wird dem »Kein-Signal«-Tor 66 zugeführt. Ein Ausgang aus dem

Tor 66 wird durch das Signal aus dem Tor 68 in einem Niedrig-Zustand gehalten. Der invertierte Schutzimpuls hält das gleiche Ausgangssignal aus dem Tor 66 niedrig, während das Tor 68 zurückgestellt wird. Ein ständiges Niedrig-Ausgangssignal aus dem Tor 66 bedeutet eine Anzeige für ein mit normaler Arbeitsweise empfangenes Signal und umgekehrt bedeutet ein Hoch-Ausgangssignal aus dem Tor 66 eine wahrscheinliche Störung, da die empfangenen Ausgangssignale nicht von dem Tor 58 erzeugt werden.

Der Niedrig-Sendeimpuls bewirkt auch die Rückstellung des Hoch/Niedrig-Detektors 50. Die Ausgangssignale aus dem Detektorverstärker 52a werden dem AGC-Steuervergleicher 48 und dem AGC-Rückstelivergleicher 65 zugeführt. Der Ausgang des Steuervergleichers 48 ist mit dem Niedrig/Hoch-Detektor 50 verbunden. Die Bezugsspannung an dem Steuervergleicher 48 ist kleiner als diejenige an dem Rückstellvergleicher 65. Wenn das Ausgangssignal aus dem Detektorverstärker 52a höher ist als das in dem Steuervergleieher 48 eingestellte Bezugssignal, erzeugt es ein an den Hoch/Niedrig-Detektor 50 gerichtetes Signal. Der Hoch/Niedrig-Detektor 50 liefert sein Ausgangssignal an das Integratortor 51. Der Ausgang aus dem Tor 51 ist mit dem Eingang des Integrators 49 verbunden, wodurch sich ein Verstärkungsregelsignal aus dem Integrator 49 ergibt, das den Verstärkungsgrad des Verstärkers 46 verkleinert. Wenn der Ausgang aus dem Detektorverstärker 52a den eingestellten Bezugswert in dem Rückstellvergleicher 65 überschreitet, wird einAusgangssignal produziert, das, wenn es dem Integratortor 51 zugeführt wird, ein Ausgangssignal aus dem Tor 51 erzeugt, das den Integrator 49 ständig in einer solchen Richtung steigt, daß der Verstärkungsgrad des Verstärkers 46 vermindert wird. Dieser letztere Vorgang stellt eine Überlagerung für die Steuervergleicherfunktion dar. Das Integratortor 51 ist so eingestellt, daß der Verstärker 46 auf einen Zustand hohen Verstärkungsgrades gedrückt wird, bis er anderweitig durch den Steuervergleicher 48 oaer den Rückstellvergleicher 65 gesteuert wird.

Es soll nunmehr die Arbeitsweise der Steuereinheit 17 anhand von F i g. 7 erörtert werden. Die Selbsthalteschaltungen 69 und 70 enthalten je zwei Paar NOR-Tore. Ein Früh- oder Spät-Signai, das aus dem Detektor 16 kommt, hat die Form eines abfallenden Impulses. Somit bringt eine Aufwärts-Anzeige aus der Auf/Ab-Steuerung 71, die tatsächlich ein Niedrig-Zustand ist, das erste Paar NOR-Tore in der Schaltung 69 zur Wirkung, während das Gleichzeitige Hoch-Signal aus der Auf/Ab-Steuerung 71 zur Schaltung 70 hin das erste Paar der darin enthaltenen NOR-Tore blockiert. Die Schaltung 69 befindet sich nun in einem Zustand zur Leitung entweder eines Frühimpulses oder eines Spätimpulses zum Verstärker 72. Ein Frühimpuls wird an den invertierenden Eingang des Verstärkers 72 geleitet, ein Späümpuls an den nicht invertierenden Eingang. Das Ausguigssignal aus dem Verstärker 72 wird an den invertierenden Eingang des Integrators 73 geleitet und bringt die Intergratorausgangsspannung e>o zum Ansteigen im Falle eines früh empfangenen Impulses und 2um Abfallen im Falle eines spät empfangenen Impulses.

Die Ausgangssignale aus dem ersten Paar NOR-Tore in der Schaltung 69 werden auch einem zweiten Paar darin enthaltener NOR-Tore derart zugeführt, daß ihre Ausgangszustände jedesmal geändert werden, wenn ein Übergang zwischen einem Frühimpuls und einem Spätimpuls durch die Schaltung 69 erfolgt. Die Selbsthalte-Schaltung 70 funktioniert in gleicher Weise wie die Schaltung 69, sie sendet einen Früh- oder Spätimpuls zu dem invertierenden bzw. nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 75, der wiederum ein Ausgangssignal erzeugt, das den Integrator 76 auf die gleiche Art und Weise antreibt, wie es für den Integrator 73 oben beschrieben wurde. Die Sperre 70 bewirkt auch eine ständige Zustandsänderung aus einem darin enthaltenen zweiten Satz von NOR-Toren, wenn ein konstanter Übergang zwischen Früh- und Spätimpulsen erfolgt, die durch den Integrator 76 hindurchgehen. Die Zustandsänderungen aus den Sperren 69 und 70 als Ergebnis eines Früh/Spät-Überganges werden beide einem Summations- und Alarmstromkreis 77 zugeleitet. Der Alarmkreis 77 enthält eine zurücktriggerbare Kippschaltung, die eine Alarmanzeige so lange ständig in einem »Auf«-Zustand hält wie beide Schaltungen 69 und 70 Zustandsänderungen in der Kipp-Periode der zurücktriggerbaren Vorrichtung hervorbringen. Im Falle, daß entweder die Schaltung 69 oder die Schaltung 70 k«_ine Zustandsänderungen in einer solchen Periode hervorbringt, fällt das Alarmausgangssignal auf einen Niedrig-Zustand. wodurch eine Störung in dem System angezeigt wird.

In Fig. 8 ist ein Impulsdiagramm für einen Teil des Steuerabschnitts 17 wiedergegeben. Eine Taktgebungsfrequenz 144 ist als relativ hohe Frequenz dargestellt, sie ist die Frequenz /Ί oder f₂, die in der Syntheseeinheil 18 erzeugt und mit dem Schaltkreis 78 verbunden wird, der Schaltkreis 78 läßt entweder f\ oder h durchgehen, je nach dem Zustand der Auf/Absteuerung 71. Wenn z. B. die Auf/Absteuerung 7 t sich in dem Auf zustand befindet, so läßt sie f\ durch den Schaltkreis 78 hindurch und blockiert f₂. f\ wird dem Taktgeberkreiseingang des Teilers 83 zugeführt. Ein Wiederholverhältnisimpuls 147 wird durch den Teilerkreis 83 erzeugt, der eine K node von 128 Täktirnpulsen hat. Ein zweiter Teilerausgangsimpuls 148 erhebt sich am Ende der 128 Taktimpulse und fällt am Ende von 256 Taktimpulsen ab. Der zweite Teilerausgangsimpuls 148 wird mit dem Schutz- und Auf/Ab-Einleitungsimpulsgenerator 87 verbunden. Der Impulsgenerator 87 schaltet beim Anstieg des Teilerausgangsimpulses 148 und endigt bei dem nachfolgenden Anstieg des Impulses 148, um den Impuls 149 zu bilden. Der Impuls 149 wird mit dem Schutz- und Auf/Ab-Impulsgenerator 88 verbunden. Der Impulsgenerator 88 bildet Ausgangsimpulse 150 und 153 beim Abfall des Impulses 149. Der Impuls 150 wird dem einen Eingang des Tors 89 zugeliefert. Der zweite Teilerausgangsimpuls 148 wird dem Bezugsimpulsgenerator 84 zugefühn und erzeugt ein Paar Ausgangsimpulse 154, 155 beirr Abfall des Impulses 148. Der Impuls 144 wird dei Sende/Empfangseinheit 15 zugeführt, um den Verglei eher 39 während seiner Verweilzeit rar Wirkung zt bringen und die Hoch/Niedrigsignalsperre 40 zi erregen. Der Impuls 154 wird auch mit dem Phasen-De tektor 16 verbunden, wo er hinsichtlich seiner Zeitphasi mit dem verarbeiteten empfangenen Impuls verglichei wird. Der Impuls 155 aus dem Bezugsimpulsgenerato 84 wird auf den zweiten Eingang des Tors 89 gerichte Der Impuls 150 kehrt auf einen niedrigen Zustan zurück, während der Impuls 155 sich in einem niedrige Zustand befindet und ein Signal aus dem NOR Tor 8 erzeugt, welches das Wiederholverhältnistor 90 zuriicl stellt, das wiederum beim nächsten Anstieg de Wiederholverhältnisimpulses 147 zündet Das Au: gangssignal aus dem Tor 90 ist als die Spitze 15

dargestellt und mit dem Sendeimpulsgenerator 82 verbunden. Ein Niedrig-Sendeimpuls 159 und ein Hoch-Sendeimpuls 160 erscheinen unmittelbar an den Ausgängen des Sendeimpulsgenerator 82. Der Niedrigsendeimpuls 159 stellt unmittelbar die Teiler 83 zurück und beginnt eine neue Folge für den Wiederholverhältnisimpuls 147 und den Ausgangsimpuls 148 am zweiten Teiler. Er stellt auch den Schutz- und Auf/Ab-Anfangsimpuls 149 sowie die Hoch/Niedrig-Bezugsimpulse 154 auf ihre Normalzustände zurück. ι ο

Der Auf/Ab-Impuls 153 wird mit der Auf/Ab-Steuerung 71 verbunden. Der Impuls 153 steigt vor dem Zeitpunkt der Erzeugung der Sendeimpulse 159 und 160 an. Dadurch werden die Ausgangssteuerzustände an der Auf/Ab-Steuerung 7t geändert, wie dies durch den Aufwärts-Steuerimpuls 161 und den Abwärtssteuerimpuls 162 gezeigt wird. Somit wird die Auf/Ab-Steuerung 71 herumgedreht, um die richtigen Schalter zu betätigen und einen Wechsel der Senderichtung zu ermöglichen, bevor der nachfolgende Sendeimpuls 160 erzeugt wird.

Die Funktion der Syntheseeinheit 118 soll anhand von F i g. 5 erläutert werden. Die beiden Integratoren 73 und 76 aus der Steuereinheit 17 liefern Eingangssignale an die Summenschaltung 93. Solange die Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Medium nicht durch irgendeine Änderung der Mediumeigenschaften geändert wird, schwanken die Ausgangssignale der Integratoren 73 und 76 in gleicher Weise in entgegengesetzten Richtungen, lh.· Mittelwert bleibt also konstant gleich Null, und der Ausgang der Summenschaltung 93 liefert keine Ansteuerung für den Integrator 94. Tritt aber eine Änderung der Mediumschallgeschwindigkeit auf, so liefert einer der Integratoren 73 oder 76 ein größeres Ausgangssignal in einer Richtung als es bei dem anderen in der entgegengesetzten Richtung der Fall ist. Dies ergibt einen Anstieg bzw. eine Änderung des Mittelwerts aus dem Summenstromkreis 93. so daß eine Ansteuerung für den Integrator 94 geliefert wird. Der Integrator 94 zeigt dann eine Änderung seines Ausgangssigr.als, das zu dem Eingang des Hochfrequenz-VCO 19 geliefert wird und dessen Ausgangsfrequenz ändert. Die Ausgangsfrequenz des VCO 19 ist konstant für konstante Schall-Fortpflanzungsgeschwindigkeiten in dem strömenden Medium. Sie steigt aber an für höhere Fortpflanzungsgeschwindigkeiten und fällt bei niedrigeren Fortpflanzungsgeschwindigkeiten. Sie ist daher eine der Fortpflanzungsgeschwindigkeit in dem strömenden Medium proportionale Größe.

In F i g. 11 ist die Ausgangsfrequenz 165 aus dem VCO 19 gezeigt. Die Frequenz 165 wird einem Frequenzteiler 96 zugeliefert, wo die Frequenz 165 um den Faktor 4 reduziert und zwei Ausgangsfrequenzen in Quadratur, d. h. phasenverschoben erzeugt werden. Die Frequenzteilung und Quadratur wird auf folgende Weise erhalten. Ein in dem Teiler % enthaltener flankengetriggerter Multivibrator empfängt die Frequenz 165 und erzeugt Ausgangssignale von entgegengesetzter Polarität 166 und 167, die beim Anstieg des Impulses 165 eingeleitet und beendet wird. Der Impuls 167 wird einem zweiten flankengetriggerten Multivibrator in dem Teiler 96 zugeleitet, der die Impulse 168 und 171 beim Anstieg des Impulses 167 erzeugt. Der Impuls 166 wird einem dritten flankengetriggerten Multivibrator in dem Teiler 96 zugeleitet, der beim Anstieg des Impulses 166 geschaltet wird und Ausgangssignale 172 und 173 erzeugt. Die Ausgangssignale 168 und 172 sind um 90° phasenverschoben. Der Impuls 168 kann als cos Φ und der Impuls 172 als sin Φ bezeichnet werden.

Die von den flankengetriggerten Multivibratoren erzeugten Impulse 168 und 172 sind kreuzweise so gekoppelt, daß sie eine konstante Phasenbeziehung gewährleisten und eine Quadratur- oder Phasenverschiebungsinversion verhindern. Der Impuls 168 wird dem Eingang des Modulators 100 und der Impuls 172 dem Eingang des Modulators 99 zugeführt

In Fig.9 ist die Synthese der Differenzfrequenz gezeigt Die Schließzustände der Kontakte am Schalter 101 (Fig.5) sind mit voll gezeichneten Linien 174 für das untere und mit vollgezeichneten Linien 177 für das obere Schalterkontaktpaar dargestellt Im Zeitpunkt Null sind die oberen Schaltkontakte 8 und 7 geschlossen. Dadurch wird das Ausgangssignal des Integrators 73 dem Schnellintegrator 102 zugeführt Ferner sind im Zeitpunkt Null die Schaltkontakte 3 und 2 geschlossen, wodurch das Ausgangssignal des Integrators 76 an den Eingang des Schnellintegrators 103 gelegt wird Der Schnellintegrator 103 erzeugt ein Ausgangssignal 178. das von Null aus im Zeitpunkt ίο auf seinen Sättigungspiink' ansteigt. Der Ausgang des Schnellintegrators 102 ,vird an den Eingang des Vergleichers 107 gelegt und verursacht ein Ausgangssignal 183 von dort, wenn der Integratorausgang 178 eine voreingestellte Vergleicher-»Ein«-Spannung durchläuft. Das Ausgangssignal 183 wird an den Steuerschalter 110 gelegt, der die Schaltkontakte 3 und 2 öffnet und die Kontakte 14 und 1 schließt, wie dies durch das Schalterschließdiagramm 174 in Fig. 13 veranschaulicht wird. An diesem Punkt wird das Ausgangssignal aus dem Integrator 73 dem Eingang des Schnellintegrators 103 zugeführt, und der letztere beginnt eine zunehmende Ausgangsspannung hervorzubringen bis diese ihre obere Sättigungsgrenze erreicht, wie dies die Wellenform 179 veranschaulicht. Wenn der Integratorausgang 179 seinen oberen Sättigungswert erreicht, durchläuft er eine voreingestellte Vergleicher-»Ein«-Spannung, die an dem Vergleicher 108 eingestellt ist. An diesem Punkt erzeugt der Vergleicher 108 ein Ausgangssignal 180, das dem Steuerschalter 111 zugeführt wird und die Kontakte 8 und 7 öffnet und die Kontakte 5 und 6 schließt, wie dies das Schalterschließdiagramm 177 in F i g. 13 unten zeigt. Damit wird das Ausgangssignal des Integrators 73 von dem Eingang des Schnellintegrators 102 weggenommen und durch das Ausgangssignal aus dem Integrator 76 ersetzt. Der Schnellintegrator 102 beginnt somit sein Ausgangssignal bis zu der unteren Sättigungsgrenze abnehmen zu lassen, wie dies die Wellenform 178 veranschaulicht. Wenn die Wellenform 178 ihren unteren Sättigungswert erreicht, durchläuft sie eine voreingestellte Vergleicher-Aus-Spannung, was das Ausgangssignal aus dem Vergleicher 107 beendet, wie es die Wellenform 183 zeigt. Dieses Signal wird wiederum von dem Steuerschalter 110 übernommen der die Schaltkontakte 14 und 1 öffnet und die Kontakte 3 und 2 schließt. Der Integrator 73 wird von dem Eingang des Schnellintegrators 103 weggenommen und der Ausgang aus dem Integrator 76 daran angelegt. Die Wellenform 179 beginnt abzunehmen, indem sie eine voreingestellte Vergleicher-Aus-Spannung durchläufi und das Ausgangssignal aus dem Vergleicher 10f beendet, wie es die Wellenform 180 zeigt. Dei Vergleicherausgang 180 wiederum bewirkt die Rück stellung der Schaltkontakte 8 und 7 in den geschlosse nen und der Kontakte 5 und 6 in den offenen Zustand und zwar durch die Wirkung des Steuerschalters 111 Diese Folge wird wiederholt, um die beiden Wellenfor men 178 und 179 zu bilden, welche als cos Φ bzw. sin <i

bezeichnet sind Der cos Φ wird dem Modulator 99 und der sin Φ dem Modulator 100 zugeleitet

Anhand von Fig. 10 wird nun die Art und Weise, in welcher die Datenfrequen·» erhalten wird, beschrieben. Das Ausgangssignal 183 aus dem oberen Vergleicher 107 und das Ausgangssignal 180 aus dem unteren Vergleicher 108 werden einem Kreis 119 zugeführt, der bei dieser Ausführungsform die Frequenz der Wellenformen 180 und 183 mit dem Faktor 4 multipliziert. Die Ausgangssignale werden zuerst dem Eingang eines Exklusiv-ODER-Tors (F i g. 5) zugeführt, das den Impuls 184 erzeugt, wenn die Ausgangssignale 180 und 183 siui in verschiedenen Zuständen befinden. Das Ausgangssi gnal 184 hat wie ersichtlich die doppelte Frequenz wie die Impulse 180 und 183, da die letzteren um 90° phasenverschoben sind. Der Impuls 184 wird dem einen der Eingänge eines anderen Exklusiv-ODER-Tors in dem Multiplikatorkreis 119 zugeführt, der zugleich an einem anderen seiner Eingänge mit einem konstanten Niedrigzustand gespeist wird. Dadurch ergibt sich das Ausgangssignal 185, das lediglich eine Umkehrung des Impulses 184 darstellt. Der Impuls 185 wird einem dritten Exklusiv-ODER-Tor in dem Kreis 119 zugeführt und auch über eine Reihe von drei Invertem zurück zu einem zweiten Eingang des dritten ODER-Tors geleitet. Die drei Inverter verursachen eine sehr kleine Zeitverzögerung des zweiten Eingangssignals an dem dritten Tor, wie es der Impuls 186 veranschaulicht. So wird die Spitze 190 an dem Ausgang des dritten Exklusiv-ODER-Tors erzeugt, das wie ersichtlich die vierfache Frequenz hat im Vergleich zu der Trapezfrequenz der Vergleicherausgangssignale 180 und 183. Die Spitze 190 wird der Kippschaltung 120 zugeführt, welche Ausgangssignale 191 bei der gleichen Frequenz wie die Spitze 190, aber von konstanter Impulsbreite und Amplitude hervorbringt und somit eine konstante Ladung in jedem Impuls führt.

Der Flußrichtungsphasendetektor 117 ist ein flankengesteuerter Multivibrator, der das invertierte Eingangssignal des Vergleichers 107 als sein Taktgebereingangs- ^o signal und das invertierte Ausgangssignal des Vergleichers 108 als sein Dateneingangssignal empfängt. Für die normale vorwärtsgerichtete Strömung führt das Taktgebereingangssignal das Dateneingangssignal, das einen normalerweise niedrigen Zustand an dem Flußrichtungsausgang herstellt, der mit dem Exklusiv-ODER-Tor 118 verbunden ist. Ein Hoch- oder Aufwärts-Zustand wird dem anderen Eingang des Tors 118 zugeführt und bildet eine Aufwärts-Anzeige an dem Ausgang des Tors 118 für die normale vorwärtsgerichtete Strömung. Es ist ersichtlich, daß wenn das Dateneingangssigna] das Taktgebereingangssignal zu führen beginnt, das nachfolgende Flußrichtungsausgangssignal zum Tor 118 hin einen Aufwärtszustand darstellt, der ein Ausgangssignal mit Abwärtszustand aus dem Tor 118 ergibt, welches die umgekehrte Flußrichtung anzeigt.

Die Gegentaktmodulatoren 99 und 100 unterdrücken beide die Trägerfrequenz Θ und die Modulationsfrequenz Φ, und sie erzeugen die Summenfrequenz und die Differenzfrequenz an ihren Ausgängen. Dies wird durch die nachstehenden Beziehungen veranschaulicht:

cos θ sin Φ = 1/2 sin ((-) + Φ) - sin {(-> - Φ)

sin θ cos Φ = 1/2 sin ((-) - Φ) + sin ((-) - Φ) ⁶^

Die linearen Frequenzmischer 112 nehmen die Ausgangssignale aus den Gegentaktmodulatoren in de■■■ folgenden Kombinationen auf, die den unten angegebenen Größen äquivalent sind.

cos Θ sin 0 — sin Θ cos Φ = — sin (Θ — Φ)

— cos θ sin Φ + sin & cos Φ = sin (Θ - Φ)
sin Θ cos Φ + cos θ sin Φ = sin (θ ± Φ)

— cos Θ sin Φ — sin Θ cos Φ = — sin (Θ + Φ)

Wenn die nachstehende Beziehung für die Stromaufwärts- oder Gegenstromfrequenz gilt

und die folgende Beziehung für die Stromabwärts- oder Mitstromfrequenz eingehalten wird

so gilt folgendes:

Da θ eine Subharmonische der Ausgangsfrequenz des VCO 19 ist, ist die Ausgangsfrequenz des VCO 19 proportional der Summenfrequenz oder der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit durch ein stillstehendes Medium. In gleicher Weise ist Φ, da es die Datenausgangsfrequenz ist, ein der Differenzfrequenz proporti.» nales Signal, das eine Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums liefert.

Die Tiefpaßfilter 113 und 114 enthalten Nulldurchgangsvergieicher, welche die gemischten Frequenzer aufnehmen und an ihrem Ausgang Rechteckweller erzeugen. Die Restwilligkeit an dem Mischfrequenz· eingangssignal wird auf diese Weise entfernt, so daß nui die Frequenz /j am Ausgang des Tiefpaßfilters 113 zurückbleibt, welche proportional ist der Schallgeschwindigkeit in Stromaufwärtsrichtung sowie die Frequenz h an dem Ausgang des Tiefpaßfilters 114 welche proportional ist der Schallgeschwindigkeit ir Richtung stromabwärts.

Nunmehr soll die Wirkung des Zeiteichkreise! anhand von Fig. 7 erläutert werden. In den Festwert speicher (ROM = read only memory) 125 wird eir Programm eingegeben, das eine Zahl darstellt, weicht einer gewünschten Eichung der Datenimpulse aus dei Kippschaltung 120 entspricht. Diese Zahl aus dem ir dem ROM 125 enthaltenen Programm wird einen Addierer 126 präsentiert. Die Summe der Programm zahl und der Zahl aus dem Speicher 130 wird an der Eingang der Sperre 129 geleitet. Der nächste Datenfre quenzimpuls, welcher die Sperre 129 erreicht, übertrag die Summe aus dem Addierer 126 über die Sperre 12! auf den Akkumulator 130. Dieser letztere Wert wird zi dem schon in dem Akkumulator 130 vorhandenen Wer addiert und augenblicklich zu dem Addierer 121 zurückgesandt. Der gespeicherte Wert und die Zahl au dem Programm in dem ROM 125 werden addiert, um die Summe wird sogleich unmittelbar dem Eingang de Sperre 129 zugeführt. Die nächste Ankunft eine Datenfrequenzimpulses überträgt die neue Summe au den Sammler 130 wie vorher.

Die normale Flußrichtung veranlaßt den Auf/Abzäh ler in dem Mengenmeß-Kreis eine Aufrechnuni durchzuführen und die Strömungsmenge an de Anzeige 141 wiederzugeben, bis der Auf/Abzähler 13!

zurückgestellt wird. Im Falle einer Flußrichtungsumkehr verursacht das Signal, das aus dem Exklusiv-ODER-Tor 118 kommt, welches mit dem Exklusiv-ODER-Tor 143 verbunden ist, eine Änderung des Ausgangszustandes ies Tors 143, durch welche der Auf/Abzähler 138 so iingestellt wird, daß er nach abwärts zählt Die Anzeige 141 zeigt dann eine Abnahme der Strömungsmenge bis diese den Wert Null erreicht. An diesem Punkt wird ein Borgsignal zu dem Multivibrator 142 gesandt, was zur Folge hat, daß ein Minuszeichen auf der Anzeigetafel 141 erscheint und einen der Eingangszustände am Tor 143 ändert Dadurch wird der Ausgngszustand des Tors 143 zurückgestellt und der Zähler 1138 dazu gebracht, wieder zu der Arbeitsweise Aufrechnen zurückzukehren. Die Aufrechnung wird der Anzeigetafel 141 zugeleitet, wo infolge der Anwesenheit des Minuszeichens die rückfließende Strömungsmenge Gesamtfluß angezeigt wird.

Bei einer zweiten möglichen Ausführungsform der Erfindung (Fig. 12) ist die vorher beschriebene Syntheseeinheit 18 nicht vorhanden. Diese abgewandelte Ausführungsform enthält alle Merkmale der Schaltung wie vorher beschrieben, benutzt aber zwei getrennte spannungsgesteiierte Oszillatoren, um Gegenstrom- und Mitstromfrequenzen zu erzeugen. Wie Fig. 12 zeigt, ist eine Sende/Empfangseinheit 201 vorhanden, welche Signale zu den in Verbindung mit dem strömenden Medium stehenden Wandlern 202 und 203 in der Wandung des Rohrs 204 sendet oder von diesen Wandlern empfängt Das empfangene Signal wird einem Phasen-Detektor 206 zugeführt, der wiederum Früh- und Spät-Signalc zu einer Steuereinheit 207 wie bei der vorher beschriebenen Ausfuhrungsform leitet Die Ausgangssignale aus dem ersten und zweiten integrator der Steuereinheit 207 werden einem ersten und einem zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO 208 bzw. 209 zugeleitet. Die Ausgangsfrequenzen /,und laus dem VCO, 208 und dem VCO₂ 209 werden zu der Steuereinheit 207 zurückgeführt und in gle.cher Weise wie bereits anhand von Fig.4 im Zusammenhang mit der Steuereinheit 17 beschrieben benutzt, und sie werden außerdem einem Gegentaktmodulator 211 zugeleitet, der die Summen- und die Differenzfrequeiu hervorbringt welche der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit bzw. der Strömungsgeschwindigkeit proportional sind. Die Ausgangsfrequenzen des Modulators 211 werden zu dem Hochpaßfilter 212 und dem Tiefpaßfilte, 213 gesandt welche die Träger- und Modulat.onsbe standteile in den Summen- und Differenzfrequenzer beseitigen.

Das vorstehend beschriebene System erwies eine Meßfähigkeit bei Rohrdurchmessern bis herab zu l/t Zoll = 3175mm, wobei Strömungsgeschwindigkeits messungen bis herab zu 0,008 Fuß pro Sekunde = 00024384 m/sec und eine Auflösung der Schallge schwindigkeit von einem Teil in 5000 möglich waren.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Ermitteln physikalischer Größen strömender Medien nach der Ultraschallmethode, bei der über eine Meßstrecke abwechselnd Schallimpulse in zueinander entgegengesetzten Richtungen gesendet bzw. empfangen werden und bei der ein Phasendetektor zum Ermitteln der Verschiebung zueinander gehörender Sende- und Empfangsimpulse vorgesehen ist, welcher die Frequenz mindestens eines spannungsgesteuerten Oszillators beeinflußt, wobei gleichzeitig mit jedem gesendeten Schallimpuls ein verzögerter Bezugsimpuls ausgelöst wird, der eines der beiden Eingangssignale des Phasendetektors is», dessen anderes Eingangssignal der zugehörige Schallimpuis ist, gekennzeichnet durch zwei Kanäle(69, 70), denen vom Phasendetektor (16} aus ein Frühsignal, wenn der empfangene Schallimpuls vor dem Bezugsimpuls eintrifft, und ein Spätsignal, wenn der empfangene Schallimpuls später als das Bezugssignal eintrifft, unter Berücksichtigung der Stromaufwärts- oder Stromabwärts-Senderichtung zugeführt werden, und an denen aufgrund dieser als Eingangswerte zugeführten Früh- bzw. Spätsignale durch Integration mittels Integrationsgliedern (73, 76) Spannungsniveaus gebildet werden (F i g. 4).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spannungsniveaus in 3c einem Summationsglied (93) summiert werden und die Spannungssumme einen einzigen spannungsgesteuerten Oszillator (19) steuert, dessen Ausgangsfrequenz der Schallgeschwindigkeit entspricht (Fig. 5).

3. Schaltungsanordnung nech Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus beiden Spannungsniveaus eine der Strömungsgeschwindigkeit entsprechende Datenfrequenz gebildet wird, die durch Mischung mit der Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (19), zwei je einer Senderichtung zugeordnete Frequenzen (Zi, /2) zur Bildung des verzögerten Bezugssignals ergibt (F i g. 5).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Summationsglied aus einem Widerstandsnetzwerk (Rz, R₃, R27) mit einem nachgeschalteten Integrationsglied (94) besteht, das eine größere Zeitkonstante hat als die Integrationsglieder in den beiden Kanälen (F i g. 6).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Datenfrequenz zwei Integrationsglieder (102,103) vorgesehen sind, die abwechselnd mit dem einen oder dem anderen Spannungsniveau mit unterschiedlichen Vorzeichen über ein Umschaltglied (101) gespeist werden, und daß die Umschaltglieder in Abhängigkeit davon umgeschaltet werden, daß der Ausgangswert des jeweils anderen Integrationsgliedes einen vorbestimmten Schwellwert erreicht (F i g. 5).

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüehe 2—5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der beiden je einem verzögerten Bezugssignal entsprechenden Frequenzen die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (19) mittels eines Teilers (96) in zwei um 90° versetzte Hilfsfrequenzen zerlegt wird, die je für sich mit einer der beiden Datenfrequenzen in dem Mischer (112) gemischt werden (F i g. 5).

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spannungsniveaus je einen spannungsgesteuerten Oszillator (208, 209) steuern, deren Ausgangsrrequenzen je eine der den beiden Meßrichtungen zugeordneten Verzögerungszeiten der Bezugsimpulse bilden und gleichzeitig durch Mischung Summen- bzw. Differenzfrequenzen bilden, welche der Schallgeschwindigkeit bzw. der Strömungsgeschwindigkeit entsprechen (Fig. 12).

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Eingängen eines Phasendetektors (117) die von je einem der Integrationsglieder (102, 103) angegebenen Datenfrequenzen liegen und an dessen Ausgang ein die Strömungsrichiung anzeigendes Signal abnehmbar ist (F ig. 5).

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2—8, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Kanälen ein Alarmglied in der Form eines monostabilen Multivibrators (77) zugeordnet ist, der in Abhängigkeit von der abwechselnden Zufuhr der Früh- bzw. Spätsignale in den beiden Kanälen (69, 70) angesteuert wird, und der Alarm auslöst, wenn innerhalb seiner Rückstellzeit keine Austeuerung erfolgt (F ig. 4).