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Ultras chall-Strömunqsmsß qerät
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Zur Strömungsmessung, d.h. zur Messung des Durchflusses oder der Strömungsgeschwindigkeit,
werden häufig Strömungsflesser mit Venturirohr oder elektromagnetische Strömungsmesser
eingesetzt. Derartige Strömungsmesser sind in den Herstellungskosten vor allem dann
aufwendig, wenn sie rir Rohre mit verhältnismäßig großem Durchmesser eingesetzt
werden; der Aufwand an Material erhöht sich namlich proportional mit dem Durchmesser
des Rohres. Anders sieht es bei akustischen Strömungsme3geräten aus, weil bei ihnen
in vorteilhafter Weise der Aufwand zur das Material im wesentlichen unabhängig vom
Rohrdurchmesser ist; daritberhinaus haben akustische Strömungsmeßgeräte den Vorteil,
daß sie in Anlagen montiert werden können, ohne daß diese außer Betrieb gesetzt
werden m'tssen. Dartlberhinaus zeigen akustische Strömungsmeßgeräte ein verhältnismäßig
schnelles Ansprechen, was ihren Einsatz f<r verschiedene praktische Anwendung-«fälle
günstig erscheinen läßt.
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Ein bekanntes Ultraschall-Strömungsmeßgerät arbeitet nach der sogenannten
Sing-Around-Methode und ist mit einem Paar akustischer Wandler versehen, die schräg
zur Strömungsrichtung einander gegenuberliegend angeordnet sind. Zuerst sendet einer
von den beiden akustischen Wandlern ein akustisches Signal in die Strömung, worauf
vom anderen akustischen Wandler ein elektrischer Impuls erzeugt wird, wenn ihn das
ausgesandte akustische Signal erreicht hat. £ den elektrischen Impuls des empfangenden
akustischen Wandlers wird ein weiterer akustischer Impuls von dem einen Wandler
hin erzeugt, so daß eine Impulsfolge entsteht, die eine Periode gleich der Laufzeit
tl der akustischen Signale in einer Richtung zat. Danach ändern die akustischen
Wandler ihre Sende- und Empfangsfunktion, so daß eine weitere Impulsfolge erzeugt
wird, deren Periode gleich einer Zeitdauer t2 ist, die der Laufzeit der akustischen
Signale in der entgegengesetzten Richtung entspricht. Die Reziprokwerte der Laufzeiten
t1 und t2 sind Frequenzen f1 und f2 der Impulsfolgen; die Frequenzdifferenz f läßt
sich durch folgende Gleichung beschreiben » f - f2 2 = (1) In dieser Gleichung bedeutet
L die Entfernung zwischen den beiden akustischen Wandlern und V die Strom mungsgeschwindigkeit.
Die Sing-Around-Methode hat den Nachteil, daß sie mit Meßfehlern aufgrund zusStzlicher
Laufzeiten der akustischen Signale außerhalb der eigentlichen Strömung behaftet
ist, beispielsweise in der Wandung eines die Strömung führenden Rohres.
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Es ist daher bereits eine andere Methode bekannt, die eine Phasensynchronisationsschaltung
benutzt, um die
Laufzeiten in Frequenzen umzusetzen, wobei eine
Verzögerungsschaltung eingeführt wurde, um die oben angesprochenen zusätzlichen
Laufzeiten zu kompensieren.
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Diese Methode wird als TLL (Time Locked Loop)-TechniX bezeichnet.
In der Zeitschrift 'wFuJi Electric Journal" Vol. 48, Nr. 2, Seiten 29 bis 38 ist
sowohl die TLL-Technik als auch die oben behandelte Sing-Around-Methode beschrieben.
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Bei einem Ultraschall-Strömungsmeßgerät nach der TLL-Technik ist einegesi1ossene
Schleife in einer elektrischen Schaltungsanordnung vorgesehen, mit der die Frequenz
f eines spannungsgesteuerten Oszillators gesteuert wird, um eine bestimmte Zeitdauer
zum Zählen einer vorbestimmten Anzahl N von Schwingungen eines Ausgangsoszillators
gleich der Laufzeit der akustischen Impulse in der Strömung zu machen. Zu diesem
Zwecke ist das bekannte Ultraschall-Meßgerät mit einem Zähler versehen, der immer
dann ein Signal erzeugt, wenn er die vorbestimmte Anzahl N von Schwingungen des
Oszillators gezählt hat. Das Ausgangssignal des Zählers wird über ein Verzögerungsglied
einer Zeitdifferenz-Meßeinrichtung zugeführt. Ein empfangender akustischer Wandler
erzeugt ein Empfangssignal, wenn ihn ein akustisches Signal erreicht. Das Enpfangssignal
wird der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung zugeführt. Auf diese Weise wird eine Zeitdifferenz
zwischen den beiden Ausgangssignalen ermittelt. Das Verzögerungsglied verzögert
das Signal um eine Zeitdauer 7d, wobei dieses Zeitintervall d so gewählt ist, daß
es gleich der zusätzlichen Laufzeit der akustischen Impulse außerhalb der Strömung
ist, so daß das Ausgangssignal der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung gegeben ist durch
N/f - t. Die Frequenzdifferenz f f läßt sich aann durch folgende Gleichung beschreiben
Af
= f1 - f2 = N.sin 2# .V (2) In dieser Gleichung bezeichnet D den Durchmesser des
die Strömung führenden Rohres und e einen Winkel zwischen der Laufrichtung der akustischen
Impulse in der Strömung und einer Richtung quer zur Strömungsrichtung.
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Auf diese Weise wird dann einFrequenzsignal gewonnen, das der Strömungsgeschwindigkeit
V proportional ist.
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Falls der Durchfluß ermittelt werden soll, kann man ihn durch multiplizieren
der Strömungsgeschwindigkeit V mit der Querschnittsfläche des die Strömung filhrenden
Rohres ermitteln.
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Ultraschall-Strömungsmeßgeräte in TLL-Technik haben den Vorteil einer
größeren Meßgenauigkeit im Vergleich zu Geräten nach der Sing-Around-Methode, weil
bei ihnen nur die Laufzeit in der Strömung berücksichtigt wird.
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Ultraschall-Meßgeräte in TLL-Technik haben dagegen den Nachteil, daß
sie einen ziemlich aufwendigen Schaltungsaufbau zur Umsetzung der Laufzeit in Frequenzen
benötigen; ähnliches gilt für die Sing-Around-Technik. Der verhältnismäßig komplizierte
Schaltungsaufbau führt zu einem recht erheblichen Aufwand bei der Fertigung.
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Dieser Aufwand müßte noch zusätzlich erhöht werden, wenn auch Strömungen
in Rohren mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser mit vergleichbarer Meßgenauigkeit
wie in Rohren mit großen Durchmesser ermittelt werden sollen. Dies setzt eine erheblich
genauere Umsetzung der Laufzeit in Frequenzen voraus, wodurch die Herstellungskosten
für Ultraschall-Strömungsmeßgeräte für Rohre mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser
erheblich steigen würden.
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Wie oben bereits erwähnt wurde, haben Ultraschall-Strömungsmeßgeräte
in TLL-Technik den Vorteil, daß sie in einfacher Weise auf Rohle bereits installierter
Anlagen montiert werden können. Die akustischen Wandler derartiger Ultraschall-Strömungsmeßgeräte
sind dann außen an dem Rohr befestigt. Eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit
unter BrrUcksichtigung der Laufzeiten der Ultraschall-Signale erfaßt dann nicht
nur die Laufzeiten in Strömungsmittel, sondern auch die Laufzeiten in Prismen 2a
und 2b sowie in der Wand eines Rohres 3, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist. Die
letzteren Laufzeiten verursachen Meßfehler. Es ist daher bekannt, zur Korrektur
der Meßergebnisse einen vorausberechneten Meßfehler bei einer bestimmten Temperatur
bei der oben erwähnten Sing-Around-Methode anzunehmen, oder bei der TLL-Technik
in einem zusätzlichen Schaltkreis des Meßgerätes die ermitteltenLaufzeiten durch
errechnete Werte bei einer bestimmten Temperatur richtig zu stellen.
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Im Falle von Rohren mit einem ziemlich großen Durchmesser über etwa
300 mm kann die TLL-Technik Anforderungen an die Genauigkeit für Fehlers -+1,5 %
genügen sogar unter der Annahme, daß die zusätzlichen Laufzeiten unabhängig von
Temperaturändenngen bleiben, da die zusätzlichen Laufzeiten erheblich kürzer als
die Laufzeiten im Strömungsmittel bei diesen Rohrdurchmessern sind; die zusätzlichen
Laufzeiten betragen etwa 1/10 der Laufzeiten im Strömungsmittel.
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In einem Rohr mit kleinem Durchmesser hingegen können die zusätzlichen
Laufzeiten etwa halb so groß werden wie die Laufzeiten im Strömungsmittel oder sogar
noch größer. Dann lassen sich mit der bekannten Technik die Genaulgkeitsanforderungen
unter den verschiedenen Tem-
peraturbedingungen nicht mehr erfüllen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Strömungsmeßerät
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so fortzubilden, daß eine genaue Messung
auch in Rohren mit kleinem Durchmesser möglich ist, indem der Einfluß von Temperaturänderungen
auf die zusätzlichen Laufzeiten außerhalb des Strömungsmittels ausgeschaltet wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das oben angegebene Ultraschall-Meßgerät
erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 ausgebildet.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Ultraschall-Meßgerätes nach dem Patentanspruch
1 ergeben sich aus den Ansprüchen *is 4.
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Eine weitere vorteilhafte Lösung der oben angegebenen Aufgabe wird
bei einem Ultraschall-Strömungsmeßgerät der angegebenen Art durch Ausbildung entsprechend
dem Kennzeichen des Patentanspruchs 5 erreicht.
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Aus den Ansprüchen 6 bis 16 ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen
der Ausführungen des erfindunsgemäBen Ultraschall-Strömungsmeßgerätes nach den vorgeordneten
Ansprüchen.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel
einer Grundausführung eines Ultraschall-Strömungsmeßgerätes dargestellt, bei dem
sich die Erfindung mit besonderem Vorteil anwenden läßt, in Fig. 3 ein weiteres
Ausführungsbeispiel des Ultraschall-Strömungsmeßgerätes mit ebenfalls besonders
guter Eignung zur Anwendung der Erfindung, in
Fig. 4 eine Darstellung
mit mehreren Diagrammen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels
nach Fig, 3, in Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, in Fig. 6 ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßgerätes mit den im Rahmen der Erfindung
interessierenden Schaltungsteilen und in Fig. 7 ein weiteres Auführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Ultraschall-Strömungsmeßgerätes dargestellt.
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Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist ein Ultraschall-Strömungsmeßgerät mit
akustischen Wandlern 1a und 1b versehen, die aufeinander gegenüberliegenden Seiten
einer Wand eines
Rohres 3 angeordnet sind, so daß ein Laufweg für
einen akustischen Impuls quer durch die Strömung gebildet ist; bei den akustischen
Wandlern kann es sich beispielsweise um Blei-Zirkonium-Titan-Wandler handeln. Ein
akustischer Impuls, der von dem Wandler 1a ausgesendet wird, durchläuft ein Prisma
2a und die Wand des Rohres 1 durchsetzt dann schräg die Strömung 4 und erreicht
durch die gegenüberliegende Wand des Rohres 3 und ein weiteres Prisma 2b den gegenüberliegenden
anderen Wandler 1b. Die Laufzeit T1 für den akustischen Impuls von dem einen Wandler
la zum gegenüberliegenden anderen Wandler 7b in Strömungsrichtung läßt sich durch
folgende Gleichung beschreiben D/cos # T1 = C + V.sin # + #d (3) In dieser Gleichung
bezeichnet D den inneren Durchmesser des Rohres 3, C die Schallgeschwindigkeit im
Fluid 4, wenn dieses stillsteht, V die Strömungsgeschwindigkeit des Fluid 4 und
die Summe zusätzlicher Laufzeiten der akustischen Signale in den Prismen 2a und
2b sowie in den Wänden des Rohres 3. Die andere Laufzeit T2 für akustische Impulse
zum akustischen Wandler la vom gegenüberliegenden Wandler ib in Richtung entgegen
der Strömung ist gegeben durch folgende Gleichung T2 = D/cos#/C - V.sin# + #d (4)
Das AusführungsbeispielnachFig. 2 enthält einen Taktgenerator 5, der ein Signal
UT erzeugt, mit dem eine akustische Impulsübertragung gestartet wird; außerdem erzeugt
der Taktgenerator 5 ein Signal DS, mit dem eine Verzögerung beginnt. Das Signal
UT wird einem Oszillator 6 zugefUhrt, der dadurch angeregt wird, so daß der erste
Wandler 1a ein akustisches Signal
aussendet. Das Signal DS ist
einem Verzögerungsglied 7 zugeführt, so daß dieses ein Ausgangssignal nach einem
Zeitintervall td! erzeugt. Das Verzögerungsglied 7 kann in üblicher Weise aufgebaut
sein, beispielsweise eine Konstantstromquelle, eine Kondensator-Widerstands-Anordnung
und einen Komparator enthalten. Der Ausgang des Verzögerungsgliedes 7 ist mit einem
Integrator 8 verbunden.
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Der Integrator kann integrierende Schaltungsmittel und einen elektronischen
Schalter enthalten. Wenn vom Verzögerungsglied 7 ein Signal nicht zugeführt wird,
wird ein Strom 11 eines steuerbaren Stromerzeugers 13 durch den elektronischen Schalter
gesperrt. Wenn das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 7 am Integrator 8 liegt,
wird der elektronische Schalter betätigt, und es beginnt die Integration des Stromes
I1. Die sich dadurch ergebende Ausgangsspannung El am Integrator wird einem Komparator
10 zugeführt. Bezeichnet man den Augenblick, zu dem der Integrator 8 vom Verzögerungsglied
7 des Ausgangssignals erhält als Null und die Ausgangs spannung des Integrators
8 zu diesem Zeitpunkt ebenfalls als null, dann kann die Ausgangsspannung El des
Integrators 8 nach einem Zeitintervall tl durch die nachfolgende Beziehung beschrieben
werden: El - K.I1.t1 (5), in der K eine Konstante ist. Der Vergleicher 10 ist außerdem
mit einer Bezugsspannung Eo beaufschlagt, die von einer Bezugsspannungsquelle 11
erzeugt wird. Der Vergleicher 10 erzeugt ein Ausgangssignal, wenn die Spannung El
gleich der Referenzspannung Eo ist oder diese überschreitet. Das Ausgangssignal
des Vergleichers 10 0 wird einer Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 12 zugeführt.
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Das von dem einen akustischen Wandler la ausgesandte akustische Signal
breitet sich entlang eines Weges aus, wie er aus Fig. 1 ersichtlich ist, und erreicht
den anderen akustischen Wandler Ib nach einer Zeitdauer T1 nach seiner Aussendung.
Im akustischen Wandler 7b wird das akustische Signal in ein elektrisches Signal
umgesetzt, das einem Verstarker 9 zugeführt wird, der somit die Signalankunft erfaßt
und das Signal verstärkt.
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Das Ausgangssignal des Verstärkers 9 ist an die Zeitdifferenz-Meßeinrichtung
12 gelegt. Diese Einrichtung 12 ermittelt die Zeitdifferenz zwischen dem Ausgangssignal
des Verstärkers 9 (dieses Signal enthält eine Information über den Augenblick, zu
dem das akustische Signal -den anderen Wandler 7b erreicht) und dem Ausgangssignal
des Vergleichers 10 und erzeugt eine Ausgangsspannung, die der Zeitdifferenz proportional
ist. Diese Ausgangsspannung wird einer Anordnung 14 zugeführt, die eine Integrationsanordnung
enthält. Signale, die aus der Ausgangs spannung der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung
ausgetastet werden, sind dieser Integrationsanordnung zugeführt. Die Ausgangsspannung
der Integrationsanordnung ist als ein Korrektursignal dem Steuerbaren Strom generator
13 zugeführt, der aus einem Spannung-Strom-Umformer bestehen kann und der in den
Integrator 8 einen Strom einspeist, der proportional der Ausgangsspannung der Anordnung
14 ist. Auf diese Weise wird die Ausgangs spannung der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung
im Hinblick auf die Ausgangs spannung des Vergleichers korrigiert.
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Wie oben dargelegt wurde, ist das erfindungsgemäße Ultraschall-Strömungsmeßgerät
mit einer Rückkopplungsschleife versehen, die zur SteuerunMes Stromes I1 in Abhängigkeit
vom Ausgangssignal der Zeitdifferenz-
Meßeinrichtung 12 dient,
so daß die Zeitdifferenz gegen Null geht. Wenn die Verhältnisse in der RUckkopplungsschleife
stabil geworden sind und die Ausgangs spannung der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung
12 Null ist, gilt folgende Beziehung T1 = t1 + #'d (6) Aus den Cleichungen (4),
(5) und (6) läßt sich die Beziehung aufstellen Dcos e +#d = Eo . 1 +# d' (7) C +
V.sin# KI1 da El = Eo in diesem Falle ist. Wenn die Verzögerungszeit #d' des Verzögerungsgliedes
7 td ist, folgt aus Gleichung (7) D/cos e = Eo . 1 (8) C + V.sin# K I1 In ähnlicher
Weise wird eine andere Laufzeit T2 ermittelt, indem die Betriebsweise der akustischen
Wandler 1a und 1b mittels einer nicht dargestellten Schaltung zur Betriebsartumschaltung
verändert wird, so daß nunmehr der akustische Wandler 1b akustische Signale aussendet,
während der akustische Wandler 1a sie emempfängt. In diesem Falle ergibt sich mit
der ermittelten Zeit T2 und einem Ausgangsstrom I2 des steuerbaren Stromerzeugers
13 bei stabilen Verhältnissen inder Rückkopplungsschleife die Beziehung D/cos 0
= Eo 1 (9) C - V.sin # K I2 Aus den Gleichungen (8) und (9) läßt sich die folgende
Gleichung errechnen: 11 - I2 - Eo.sin2# . V (10) K.D
Aus Gleichung
(10) geht hervor, daß die Differenz zwischen den Strömen I1 und I2 der Strömungsgeschwindigkeit
V des Fluid proportional ist. Daher läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Strömungsmeßgerät
die Strömungsgeschwindigkeit oder der Durchfluß ermitteln.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 erzeugt der Taktgenerator
5 nicht nur ein Signal UT zum Starten einer Aussendung akustischer Impulse und das
Signal DS zum Starten des Verzögerungsgliedes 7, sondern auch ein Signal NS, mit
dem die Laufrichtung der akustischen Signale von der Richtung vom Wandler 1a zum
Wandler ib umgekehrt wird; dieses Signal MS ist - wie das Diagramm A nach Fig. 4
zeigt - durch zwei Zustände gekennzeichnet. In Fig. 3 sind übrigens Teile, die mit
denen nach Fig. 2 übereinstimmen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein Betriebsartumschalter 15a ist zwischen dem Oszillator 6 und den
akustischen Wandiern 1a und Ib angeordnet. Dieser Umschalter 15a, der beispielsweise
aus elektronischen Schaltelementen besteht, wird durch das Betriebsart-Umschaltsignal
4s gesteuert. Ein anderer Betriebsartumschalter 15b, der auch aus elektronischen
Schaltelementen bestehen kann, ist zwischen den akustischen Wandlern la und 7b sowie
dem Verstärker 9 angeordnet und wird ebenfalls durch das Signal MS gesteuert.
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Das Signal UT zum Starten einer Aussendung akustischer Impulse wird
gleichzeitig mit der Veränderung des Signals MS erzeugt; es kann eine kurze Dauer
haben und beispielsweise mittels eines monostabilen Multivibrators erzeugt sein.
Der Oszillator 6 erzeugt auf .das Signal UT
ein in der Leistung
verstärktes Ausgangssignal, das über den Betriebsartumschalter 15a weitergeleitet
wird.
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Das Betriebsart-Umschaltsignal MS bestimmt, welcher der Wandler 1a
und Ib über den Betriebsartumschalter15a an den Ausgang des Oszillators 6 angeschlossen
ist.
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Einer der Wandler 1a oder Ib sendet ein akustisches Signal aus, das
von dem jeweils anderen empfangen wird.
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Mit dem Betriebsart-Umschaltsignal MS wird außerdem der weitere Betriebsartumschalter
15b gesteuert, so daß dieser Schalter 15b die elektrische Ausgangsgröße des Wandlers
Ib oder 1a, der jeweils die akustischen Impulse empfängt, dem nachfolgenden Verstärker
9 zuführt.
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Die Ausgangsspannung der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 12 wird gesteuert
entweder der einen Integratiansanordnung 14a oder 14b der Steueranordnung über einen
weiteren Betriebsartumschalter 15c zugeführt, der beispielsweise ebenfalls aus elektronischen
Schaltelementen bestehen kann. Die Ausgänge der Integrationsanordnungen 14a und
14b sind mit einem zusätzlichen Betriebsafumschalter 15d verbunden, der ebenfalls
aus elektronischen Schaltelementen bestehen kann und dazu dient, die Ausgangsgröße
jeweils einer der'weiden Integrationsanordnungen als Korrektursignal dem nachgeordneten
steuerbaren Stromerzeuger 13 zuzuführen. Die Ausgangsspannungen beider Integratbnsanordnunger.
14a und 14b der Steueranordnung sind ferner an einen Ausgangsschaltkreis 16 des
Ultraschall-Strömungsmeßgerätes geführt, wobei dieser Schaltkreis beispielsweise
ein Differenzverstärker sein kann, um eine der Differenz der beiden Ausgangsspannungen
der Integrationsanordnung 14a und 14b entsprechende Meßgröße zu erzeugen. Die Differenz
der ZI zwischen diesen beiden Spannungen stellt die Meßgröße dar und ist der Strömungsgeschwindigkeit
oder
dem Durchfluß proportional; die Differenz OI ist proportional
der Differenz der beiden oben erwähnten Ströme I1 und I2.
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In einer Betriebsart wird die Ausgangsgröße des Oszillators 6 über
den einen Betriebsartumschalter 15a dem akustischen Wandler 1a zugeführt, der daraufhin
ein akustisches Signal abgibt, wie es im Diagramm B der Fig. 4 dargestellt ist.
Dieses akustische Signal wird empfangen und in ein elektrisches Signal durch den
anderen akustischen Wandir Ib umgeformt, wie es aus dem Diagramm C nach Fig. 4 hervorgeht.
Dieses elektrische Signal wird über den anderen 3etriebsartumschalter 15b dem Verstärker
9 zugeführt und dort erfaßt, um dann der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 12 zugeführt
zu werden; in dieser wird ein Zeitdifferenz-Signal gemäß Diagramm G nach Fig. 4
erzeugt. Das verzögerte Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 7 (vgl. Diagramm
D der Fig. 4) startet den Integrator, der daraufhin die integrierte Ausgangsspannung
El erzeugt, deren Verlauf über der Zeit im Diagramm E der Fig. 4 gezeigt ist.
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Wenn diese Spannung El die Referenzspannung Eo über schreitet, erzeugt
der Vergleicher t ein Ausgangssignal (siehe Diagramm F nach Fig. 4 ), das der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung
12 zugeführt wird, so daß diese das Zeitdifferenz-Signal gemäß Diagramm G nach Fig.
4 erzeugt. Dieses Zeitdifferenz-Signal wirdiber den witeren Betriebsartumschalter
15c der einen Integrationsanordnung 14a der Steueranordnung zugeführt, die außerdem
mit einem Abtastsignal gemäß Diagramm H der Fig. 4 beaufschlagt Xt. Die Integrationsanordnung
14a erzeugt daraufhin ein Ausgangssignal, dessen Verlauf über der Zeit im Diagramm
I der Fig. 4 wiedergegeben ist; dieses Ausgangssignal ist durch die Integrationszeit
bestimmt, die ihrerseits von dem Abtastsignal vorgegeben ist.
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Das Ausgangssignal der Integrationsanordnung 14a ist als Korrekturspannung
dem steuerbaren Stromerzeuger 13 über den zusätzlichen Betriebsartumschalter 15d
zugeführt.
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In der anderen Betriebsart führt der eine Betriebsartumschalter 15a
die Ausgangsgröße des Oszillators 6 den anderen Wandler Ib zu, worauf dieser ein
anderes akustisches Signal aussendet, das im Diagramm C der Fig. 4 gezeigt ist.
Daraufhin empfängt der Wandler 1a das im Diagramm B der Fig. 4 gezeigte Signal.
Der Integrator 8 erzeugt nun eine andere Ausgangsspannung 2, die im zweiten Teil
des Diagramms E der Fig. 4 dargestellt ist. Die Ausgangsspannung des Vergleichers
- siehe Diagramm F in Fig. 4 - ist nun in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung
>2 erzeugt und der ZeLtdifferenz-Meßeinrichtung 12 zugeführt, so da3 ei anderes
leitdifferenz-Signal entste¼t, wie es im zweiten Teil des Diagramms G der Fig. 7
gezeigt ist. Dieses Signal ist über den weiteren Betriebsartumschalter 15c der anderen
lntegrationsanordnung 14b der Steueranordnung ztlgefunrt.
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Daraufhin erzeugt diese andere Intergrationsanordnung 14b das im Diagramm
J der Fig. 4 erzeugte Signal infolge einer Zeitdauer, die durch das Abtastsignal
nach Diagramm H der Fig. 4 vorgegeben ist. Die Ausgangs&ro3e der anderen tntegrationsancrdnung
14b ist als Korrektursignal auch dem steuerbaren Stromerzeiger 13 über den zusätzlichen
Betriebsartumschalter 15d zugeführt.
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Die von den Integrationsanordnungen 14a und 14b erzeugten Korrektursignale
sid den oben erwähnten Strömen 11 und I2 proportional, so daß die Differenz beider
Korrektursignale, die am Ausgang des Ausgangsschaltkreises 16 auftritt, im Hinblick
auf den oben
dargelegten Sachverhalt der Strömungsgeschwindigkeit
und dem Durchfluß proportional ist.
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Das Betriebsart-Umschaltsignal MS sollte eine Periode aufweisen, die
mehr als zweimal so lang wie die Laufzeiten T1 oder T2 der akustischen Signale sind,
da das Signal MS die Betriebsart der geschlossenen Rückkopplungsschleife des Gerätes
ändern soll.
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Nimmt man unter Berücksichtigung eines Rohres mit kleinnem Durchmesser
an, daß in Gleichung (7) z d # #d' ist und führt man für #d - #d' Q' ein, dann ergibt
sich 1 . Eo = D/cos# + #' (11) 12 K C + V.sin# und damit 1 Eo = D/cos e +, (12)
I2 K K C -V.sin# Aus den Gleichungen (11) und (12) folgt 11 - 12 = Eo . Sin# (1
+ # .C.cos #) -2 .V (13) K . D D Der Durchfluß q des Strömungsmittels 4 ist gegeben
durch
und daher ist
Aus Gleichung (15) läßt sich errechnen 6a =-# k + 3D 0.0027 q
k D + D - 0.0034 e (16) in der q der Durchfluß, k ein Koeffizient, D der imere Durchmesser
in Metern des Rohres 3, 1' die Differenz in os zwischen der zusätzlichen Laufzeit
außerhalb des Strömungsmittels und der festen Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes
und e der Winkel in Grad zwischen der Laufrichtung des akustischen Signals im Strömungsmittel
und einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtungist; vorausgesetzt ist dabei,
daß die Wassertemperatur 150C beträgt und daß die Schallgeschwindigkeit im Wasser
1466 m/s beträgt und daß e = 230 ist. Der dritte Ausdruck 0,0027 in Gleichung (16)
gibt die Einflußgröße an, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung vor allem interessiert.
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Im Falle eines Rohres 3 mit einem inneren Durchmesser von 0,05 m ist
0,0027 ##'= 0,054##'. Dies zeigt, 0,05 daß eine Anderung der zusätzliche Laufzeit
um 1 zu einem Meßfehler von etwa 5% führt.
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Deshalb ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 eine Anordnung
akustischer Wandler gewählt, die einen Hilfswandler 1c und ein zusätzliches Prisma
2c enthält. Diese sind den akustischen Wandlern 1a und 1b und den Prismen 2a und
2b gemäß Fig. 1 zugeordnettum die zusätzliche Laufzeit außerhalb des Strömungsmittels
zum Zwecke der Korrektur von Meßfehlern infolge von Temperaturänderungen zu ermitteln.
Der Hilfswandler 1c mit dem Prisma 2c ist symmetrisch angeordnet und dem akustischen
Wandler 1a mit dem Prisma 2a zugeordnet, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.
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Ein von dem akustischen Wandler 1a ausgesandter Ultraschall-Strahl
bewegt sich entlang des Weges 20, um zu dem andern akustischen Wandler Ib zu gelangen.
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Ein Teil des Ultraschall-Strahls ist dagegen an der inneren Oberfläche
des Rohres 3 reflektiert und erreicht auf einem anderen Weg 21 den Hilfswandbr 1c
über das Prisma 2c. Das Prisma 2c besteht aus demselben Material wie die Prismen
2a und 2b. Auf diese Weise kann die Laufzeit der akustischen Impulse in den Prismen
2a, 2b und in der Wandung des Rohres 3 ermittelt werden, weil eine weitere Laufzeit
eines akustischen Signals von dem einen akustischen Wandler 1a zu dem Hilfswandler
1c erfaßt wird.
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Wie Fig. 6 zeigt, ist bei diesem Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Ultraschall-Meßgerätes eine Schaltung verwendet, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist;
diese in Fig. 3 dargestellte Schaltung ist noch zusätzlich durch eine Kompensationsanordnung
19 ergänzt, der ein Verstärker 22 zugeordnet ist. Da die Schaltung nach Fig. 6 ansonsten
mit der nach Fig. 3 übereinstimmt, sind hier nur die im Zusammenhang mit der Erfindung
interessierenden Teile der gesamten Schaltung wiedergegeben. Ein Ultraschall-Strahl
vom Wandler 1a erreicht sowohl den anderen akustischen Wandler 7b als auch den Hilfswander
1c, wieaben bereits erwähnt.Wenn der akustische Wandler Ib ein akustischen Impuls
empfängt, laufen Vorgänge ähnlich denen ab, wie sie bereits im Zusammenhang mit
der Fig. 3 erläutert worden sind.
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Darüberhinaus erzeugt der Hilfswandler 1c beim Empfang eines akustischen
Impulses ein elektrisches Ausgangssignal, das dem Verstärker 22 zugeführt wird,
um ein Impuls-Empfangssignal zu erzeugen. Dieses Empfangssignal wird der Kompensationsanordnung
19 zugeführt. Die Kompensationsanordnung 19 erfaßt eine Zeitdauer zwischen
der
Erzeugung des Signals UT des Taktgenerators 5 zur Aussendung eines akustischen Impulses
durch den einen akustischen Wandler 1a und dem Entstehen des eben erwähnten Empfangssignals,
also die Zeitdauer, die ein akustisches Signal vom Wandler 1a zum Hilfswandler 1c
benötigt. In der Kompensationsanordnung 19 wird diese Zeitdauer in eine Spannung
umgesetzt, die dem Verzögerungsglied 7' zugeführt ist. Das Verzögerungsglied 7'
dient dazu, die Verzögerungszeit in Abhängigkeit von diesem Signal einzustellen.
Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßgerätes wird also eine Laufzeit
akustischer Signale außerhalb des Strömungsmittels durch einen akustischen Hilfswandler
erfaßt und die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes 7' in Abhängigkeit davon
eingestellt, so daß ein Meßfehler in Abhängigkeit von Temperaturändenungen vermieden
ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist erfindungsgemäß den akustischen
Wandlemla und 1b ein Hilfswandler nicht zugeordnet, um die Verzögerungszeit zu verändern.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 stimmt bezüglich der Bausteine
1 bis 16 mit dem nach Fig. 3 überein. Zusätzlich ist eine Addierschaltung 17 vorgesehen,
um die Summe der Ausgangsspannungen der Integrationsanordnungen l4auid 14b zu bilden
(diese Spannungen sind den Strömen I1 und I2 proportional). Die Ausgangsspannung
der Addierschaltung ist einerAnordnung 18 zur Einstellung der Referenzspannung zugeführt
und liegt auch an der Kompensationsanordnung 19' für das Verzögerungsglied.
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Die Anordnung 18 zur Endstellung der Referenzspannung ändert ihre
Ausgangsspannung, das ist die Referenzspannung für den Vergleicher10, so daß die
Ausgangsspannung der Addierschaltung 17 geich der Ausgangsspannung der Referenzspannungsquelle
11 wird. Durch die genannten
Baueinheiten kann die Summe der Ausgangsspannungen
der Integrationsanordnungen 14a und 14b konstant und unabhängig von Änderungen der
Schallgeschwindigkeit im Strömungsmittel 4 gehalten werden; infolgedessen ist auch
die Summe der Ströme I1 und I2 konstant gehalten, so daß eine Korrektur von Meßfehlern
aufgrund von Änderungen des Brechungswinkels an der Grenzfläche zwischen der Wand
des Rohres 3 und dem Strömungsmittel 4 eintritt. Da die Anordnung deiakustischen
Wandler 1a und ib in der üblichen Weise erfolgt, ist eine Umgestaltung von ihnen
nicht erforderlich.
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Wenn beim Betrieb des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7 die Verzdgerungszeit
rd' nicht gleich der Laufzeit r d in den Prismen 2a und 2b sowie im Rohr 3 ist,
aber der Unterschied zwischen ihnen relativ klein ist, dann gelten im wesentlichen
die leichuxgen(8)und(91 und man kann folgende Beziehungen (17) und (18) aufstellen:
Da die Ausgangsspannung der Addierschaltung 17 der Summe der Ströme Ii und I2 proportional
ist, erzeugt die Addierschaltung 17 die Summe der Ströme I1 + 12> weshalb sich
folgende Gleichung formulieren läßt:
Diese Gleichung zeigt an, daß der Wert von I1 + I2 nur von der Schallgeschwindigkeit
im Strömungsmittel bei dessen Stillstand abhängig ist. Auf der anderen Seite kann
der Wert I1 + I2 vom Ausgang der Addierschaltung 17
abgenommen
werden. In den Gleichungen (19) sind K, D, 10 und cos G Konstanten. Die Kompensationsanordnung
19' für das Verzögerungsglied hat daher einen ersten Schaltkreis, um die Schallgeschwindigkeit
C gemäß Gleichung (19) zu errechnen. Der erste Schaltkreis ist daher mit Mitteln
versehen, um die Werte der Konstanten K, D, Io und cos g festzulegen; er ist mit
der Ausgangsgröße der Addierschaltung 17 beaufschlagt, um diese Rechnung gemäß Gleichung
(19) durchzuführen. Da die Schallgeschwindigkeit C im Strömungsmittel 4 durch den
ersten Schaltungskreis ermittelt wird, kann die Temperatur des Strömungsmittels
4 gegeben sein und daher auch die Schallgeschwindigkeit in den Prismen 2a und 2b
sowie im Rohr 3 unter der Voraussetzung, daß ihre Temperatur durch die Temperatur
des Strömungsmittels bestimmt ist.
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Da die Materialien der Prismen 2a und 2b sowie des Rohres 3 bekannt
sind (beispielsweise Kunststoff oder Eisen), ist die Beziehung zwischen der Temperatur
und der Schallgeschwindigkeit in ihnen ebenfalls bekannt.
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Da die Abmessungen der Prismen 2a und 2b sowie die Dicke des Rohres
3 ebenfalls bekannt sind, ist die Länge des Laufweges des akustischen Impulses ebenfalls
bekannt. Aus diesem Grunde weist die Kompensationsanordnung 19' einen zweiten Schaltungskreis
auf, um die Temperatur der Prismen und des Rohres in bezug auf die Ausgangsgröße
des ersten Schaltungskreises, die die Schallgeschwindigkeit C angibt, zu berücksichtigen
und um aus dieser Temperatur die Schallgeschwindigkeit in den Prismen und in der
Wandung des Rohres zu berechnen; anschließend wird die Laufzeit der akustischen
Impulse in den Prismen und in der Wandung des Rohres aus dieser Schallgeschwindigkeit
und aus der Länge des Laufweges darin errechnet. Die Ausgangsgröße der Kompensationsanordnung,
die die Laufzeit in den Prismen und in der Wandung des Rohres angibt und die mit
der Ausgangsgröße des zweiten Schaltungskreises identisch
ist,
wird dem Verzögerungsglied 7' zugeführt. Auf das Ausgangssignal der Kompensationsanordnung
19' erfolgt eine Korrektur der Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes 7'.
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Bei einer Abänderung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 7 wird die
Kompensationsanordnung 19' mit der Ausgangsgröße der Anordnung 18 zur Einstellung
der Referenzspannung beaufschlagt. Bei dieser Abwandlung des Ausführungsbeispieles
nach Fig. 7 erfolgt die Kompensation von Temperaturänderungen, indem die Temperatur
des Strömungsmittels über die Ausgangsspannung dieser Anordnung 18 erfaßt wird,
da diese Ausgangsspannung proportional dem Reziprokwert der Laufzeit der akustischen
Impulse im Strömungsmittel ist.
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Dies bedeutet, daß die Ausgangsspannung der Anordnung 18 zur Einstellung
der Referenzspannung der Kompensationsanordnung 19' zugeführt wird, so daß ebenfalls
wieder eine korrigierte Verzögerungszeit mittels des Verzögerungsgliedes 7' erreicht
ist.
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Daß die Ausgangsspannung der Anordnung 18 zur Einstellung der Referenzspannung
die Laufzeit der akustischen Impulse im Strömungsmittel 4 angibt, ist auf folgenden
Sachverhalt zurückzuführen: Die Ausgangsgröße 11 + I2 der Addierschaltung 17 ist
durch Gleichung (19) gegeben. Die Ausgangsspannung der Anordnung 18 zur Einstellung
der Referenzspannung Ist eine veränderbare Referenzspannung, um die Summe der Ströme
11 + 12 konstant und unabhängig von Temperaturänderungen zu halten; sie ist daher
proportional der Schallgeschwindigkeit C im Strömungsmittel bei dessen Stillstand,
d. h. sie ist proportional der Temperatur des Strömungsmittels. Daher läßt sich
durch Beaufschlagung der Kompensationsanordnung 19 mit der Ausgangsgröße der Anordnung
18 zur Einstellung der Referenzspannung eine Kompensation von Meßfehlern infolge
von
Temperaturänderungen erreichen.
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Wie oben dargelegt, wird also gemäß der Erfindung die Laufzeit außerhalb
des Strömungsmittels kompensiert, um genaue Messungen der Strömungsgeschwindigkeit
und des Durchflusses auch in den Fällen zu erreichen, wo Temperaturänderungen auftreten;
das Ultraschall-Meßgerät gemäß der Erfindung ist daher besonders gut zum Einsatz
in Rohren mit kleinem Durchmesser geeignet.
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Die Erfindung läßt sich nicht nur bei einem Ultraschall-Meßgerät gemäß
den Figuren 2 und 3 anwenden, sondern auch bei Ultraschall-Meßgeräten in TLL-Technik.
In diesem Falle ist die elektrische Größe, die die Laufzeit der akustischen Impulse
im Strömungsmittel angibt, eine Frequenz.
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7 Figuren 16 Ansprüche