DE2932005A1

DE2932005A1 - Messgeraet zum bestimmen der laufzeit von ultraschall-signalen

Info

Publication number: DE2932005A1
Application number: DE19792932005
Authority: DE
Inventors: Takeo Dipl Ing Kada; Masaru Dipl Ing Kohno; Yukio Dipl Ing Nakagawa; Gunji Dipl Ing Ohkawara
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Ultrasonic Engineering Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Ultrasonic Engineering Co Ltd
Priority date: 1978-08-09
Filing date: 1979-08-07
Publication date: 1980-02-28
Also published as: JPS5827449B2; US4334431A; JPS5523476A

Description

FUJI ELECTRIC CO., LTD Mein Zeichen

Kawasaki / Japan VPA 78 P 8561 BRD

CHO-ONPA KOGYO CO., LTD
Tachikawa / Japan

Meßgerät zum Bestimmen der Laufzeit von Ultraschall-Signalen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßgerät zum Bestimmen der Laufzeit von Ultraschall-Signalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Meßgeräte dieser Art können als akustische Mengenmeßgeräte, als akustisches Niveau-Meßgerät oder als Dickenmeßgerät oder dergleichen verwendet werden. Bei ihrem Einsatz als Mengenmeßgerät fließt das hinsichtlich seiner Menge zu messende Medium in einem rohrförmigen Kanal. Bei einem Einsatz als Niveau-Meßgerät 1st das zu messende Mittel eine Flüssigkeit, die in einem Behälter untergebracht ist und eine Oberfläche aufweist, deren Höhe zu messen ist; es kann jedoch auch die Luft über der Flüssigkeit bestimmt werden.

Kr 3 Sby / 23.07.1979

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Ein bekanntes Meßgerät der obenbezeichneten Art ist als Blockschaltbild in Fig. 1 dargestellt; eine Einzelheit des Blockschaltbildes ist in Fig. 2 gezeigt. Dieses bekannte Meßgerät ist auch in "Fuji Giho", Band 48, Nr. 2, Seiten 29 bis 38 beschrieben.

Das bekannte Meßgerät enthält gemäß Fig. 1 einen Oszillator 1, der spannungsgesteuert ist und dessen Frequenz in Abhängigkeit von der Höhe der Steuerspannung veränderbar ist. Ein synchronisierender Generator 2 erzeugt ein Ausgangssignal, das mit jedem Ausgangsimpuls des Oszillators 1 synchronisiert ist.

Eine elektrische Sendeeinrichtung/ist an den Ausgang des synchronisierenden Impulsgenerators 2 angeschlossen, um einen sendenden Wandler 8 zu steuern.

Der sendende Wandler 8 setzt ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal bzw. in ein Ultraschall-Signal um. Das von dem sendenden Wandler 8 ausgesandte Ultraschall-Signal durchläuft das zu messende Mittel und erreicht einen empfangenden Wandler 9, der das Ultraschall-Signal in ein elektrisches Signal umwandelt. Die Wandler 8 und 9 sind in einer nicht gezeigten Wand untergebracht, die die Wand eines Kanals in dem Falle ist, in dem das M_eßgerät als Mengenmeßgerät unter Ermittlung der Laufzeit benutzt wird, oder stellt die Wand eines Behälters für den Fall dar, daß das Meßgerät als Niveau-Meßgerät eingesetzt wird.

Der Weg des Ultraschall-Signals im zu messenden Mittel ist mit 1 und die Laufzeit mit t bezeichnet. Das Ausgangssignals des empfangenden Wandlers 9 ist einer elektrischen Empfangseinrichtung 4 zugeführt, die das Eintreffen eines Ultraschall-Signals am empfangenden Wandler 9 erfaßt. Die elektrische Empfangseinrichtung

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erzeugt beim Eintreffen eines Ultraschall-Signals das Signal Z, um damit eine Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 7 zu steuern.

Mittels eines Zählers 5 werden die Ausgangsimpulse des Oszillators 1 gezählt. Der Zähler 5 beginnt mit dem Zählen auf ein Ausgangssignal des synchronisierenden Impulsgenerators 2 hin und erzeugt ein Zählende-Signal, wenn sein Zählerstand eine vorbestimmte Zahl N erreicht hat. Ein Verzögerungsglied 6 dient dazu, das Aasgangssignal des Zählers 5 mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung zu übertragen. Das Verzögerungsglied 6 ist ausgangsseitig mit der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 7 verbunden. Die Verzögerungszeit fa des Verzögerungsgliedes 6 ist so festgelegt, daß sie der Summe T~ der Zeiten entspricht, die das Ultraschall-Signal zum Durchlaufen des Mittels und das elektrische Signal 2um Durchlaufen der Sende- und Empfangseinrichtungen 3 und 4 benötigt. Im vorliegenden Beispiel ist die Verzögerungszeit durch folgende Gleichung definiert. TTd -T"+ 2 u, s

Die Zeitdifferenz-Meßeinrichtung nach Fig. 2 enthält ein NAND-Glied 100 auf seiner Eingangsseite, das zur Aufnahme des Empfangssignals Z der elektrischen Empfangseinrichtung 4 und eines Ausgangssignals V des Verzögerungsgliedes 6 dient. Wenn das Trigger-Signal Z, beispielsweise das Ankunftssignal, gleichzeitig mit dem Ausgangssignal V des Verzögerungsgliedes 6 auftritt, erzeugt das NAND-Glied kein Ausgangssignal M mehr, und ein Transistor Q1 wird gesperrt. Daraufhin wird ein konstanter Strom in einen Kondensator C über eine Diode DO eingespeist; die Ladung des Kondensators C beginnt. Eine Konstantstromquelle 90, der Transistor Q1, die Diode DO und der Kondensator C bilden einen Rampen-

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Schaltungskreis. Sein Ausgangssignal R, das ist die Ladespannung am Kondensator C, wird einem Differenzverstärker 80 zugeführt. Dieser Differenzverstärker 80 ist außerdem mit einer Bezugsspannung E5O beaufschlagt, die im Hinblick auf die Laufzeit gewählt ist. Der Differenzverstärker 80 erzeugt eine Spannung, die der Differenz zwischen der Referenzspannung E50 und dem Ausgangssignal R des Rampen-Schaltungskreises entspricht. Diese Spannung ist das Ausgangssignal S der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 7. Ein Feldeffekt-Transistor Q2 dient zur Entladung des Kondensstors C und wird über ein Signal K geöffnet bzw. gesperrt.

Die Steuerspannung des Oszillators 1 und damit seine Frequenz werden so verändert, daß das Ausgangssignal S der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung/Null wird. Die sich dabei ergebende Frequenz des Oszillators 1 wird mittels eines nicht gezeigten Zählers erfaßt und stellt ein Maß für die Laufzeit t dar.

Wenn die Frequenz des Oszillators 1 mit f bezeichnet wird, dann läßt sich die Zeit, die der Zähler 5 zum Zählen von N Ausgangsimpulsen des Oszillators 1 benötigt, mit N/f bezeichnen. Da eine Rückkopplungsschleife vorhanden ist, um N/f der Laufzeit der Ultraschall-Signale durch das Meßmittel gleichzumachen, ergeben sich die Beziehungen

N/f « t
oder

f - N/t,

wenn das System sich im stabilen Zustand befindet. Daher kann die Frequenz f, die der Laufzeit der Ultraschall- Signale umgekehrt proportional ist (1/t), durch Multipli-

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katinn mit N ermittelt werden. Die Laufzeit t läßt sich daher durch Ermitteln der Frequenz f bestimmen.

Bei bekannten Meßgeräten ist die elektrische Empfangseinrichtung 4 mit einem Komparator versehen, der an einer Bezugsspannung E1 liegt, wie dies anhand der Fig. 3 veranschaulicht 1st . Ein Ausgangssignal P des empfangenden Wandlers 9 wird so verstärkt, daß seine höchste Amplitude einer weiteren Bezugsspannung E2 entspricht, wie dies ebenfalls in Fig. 3 gezeigt ist. Ein Vergleich des augenblicklichen Wertes des Ausgangssignals P mit d?r Bezugsspannung E1 wird vorgenommen, und in dem Augenblick das Eintreffen eines Ultraschall-Signals erfaßt, wenn das Ausgangssignal P zum ersten Mal den Wert der Bezugsspannung E1 überschreitet. Gemäß Diagramm A der Fig. 3 besitzt beispielsweise das Ausgangssignal P hinsichtlich seiner ersten Welle eine Amplitude, die höher als die Bezugsspannung E1 ist, so daß im Augenblick des Uberschrei- tens ein Ankunftssignal erzeugt wird, wie dies anhand des Diagramms B veranschaulicht ist. Normalerweise erzeugt der empfangende Wandler nur Ausgangssignale P mit niedrigem Spannungsniveau, so daß eine Verstärkung erforderlich ist. Falls jedoch die Ausgangssignale P auf relativ hohem Spannungsniveau liegen,können sie einem direktem Vergleich mit der Bezugsspannung E1 unterworfen werden. Falls eine Verstärkung erforderlich ist, dann wird auch das verstärkte Signal im folgenden als das Ausgangssignal P des empfangenden Wandlers 9 der Einfachheit halber bezeichnet.

Falls das Ultraschall-Signal im zu messenden Mittel einer zufälligen Dämpfung unterworfen ist, wird der empfangende Wandler mit einem Ultraschall-Signal beaufschlagt, das in seinem Wert bzw. in seiner Ampli-

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tude reduziert ist. Das Ausmaß dieser Dämpfung kann zu Beginn eines Ultraschall-Wellenzuges größer sein als in den nachfolgenden Perioden, so daß die Größe ■ der ersten Welle des Ausgangssignals P den Wert der Bezugsspannung E1 nicht erreichen kann, obwohl durch Verstärkung des Signals P seine maximale Amplitude später die andere Bezugsspannung E2 erreicht. In einem solchen Fall wird das Ankunftssignal erst zu einem Augenblick erzeugt, in dem eine zweite Welle f2 des Ausgangssignals die Bezugsspannung E1 überschreitet. Infolgedessen ergibt sich eine Zeitabweichung ^T beim Erzeugen des Ankunftssignals in Abhängigkeit davon, ob das Ultraschall-Signal frei von Dämpfung war (wie in Fig. 3, Diagramm A gezeigt) oder einer Dämpfung unterworfen war, wie dies anhand des Diagramms C der Fig. 3 veranschaulicht ist. Im Rampen-Schaltungskreis gemäß Fig. findet für die Zeitabweichung ^ T eine zusätzliche Ladung statt, wodurch ein Meßfehler eintritt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät zum Bestimmen der Laufzeit von Ultraschall-Signalen dahingehend zu verbessern, daß eine einwandfreie Erfassung des Eintreffens des Ultraschall-Signals auch dann erfolgt, wenn das Ultraschall-rSignal einer zufälligen Dämpfung im zu messenden Mitteü/mterworfen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Ultraschall-Meßgerät mit den Merkmalen nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Meßgerätes sind in den Unteransprüchen beschrieben. Dabei ist besonders die Ausführung nach dem An-

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spruch 7 hervorzuheben. Bei dieser Ausführungsform wird der eine Komparator an seinem Sperreingang mit einem Signal beaufschlagt, naclv-dem er ein Signal abgegeben hat, das ein erstmaliges Überschreiten des Ausgangssignals des empfangenden Wandlers über den Wert der ersten Bezugsspannung kennzeichnet. Der weitere Komparator ist an seinem Sperreingang beaufschlagt, nachdem der weitere Zähler ein Ausgangssignal abgegeben hat. Der weitere Komparator kann auf das Ausgangssignal des einen Komparators entsperrt werden und dann sein Ausgangssignal erzeugen, wenn das Ausgangssignal des empfangenden Wandlers niedriger als der Wert der weiteren Bezugsspannung ist.

Die prinzipielle Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Meßgerätes ist folgende:

Eine Dämpfung eines Ultraschall-Signals bewirkt lediglich eine Verringerung seiner Amplitude und erzeugt keine Veränderung der Wellenlänge. Die Zeiten, in denen die Wellen f 1, f2, f3, f4 usvr. auftreten, sind somit identische Zeitabschnitte T, die unabhängig von der Signal-Dämpfung sind, wie dies anhand der Fig. 3 im Diagramm E veranschaulicht ist. Wenn man einen Augenblick herausgreift , in dem das Spannungssignal die Null-Linie in einer vorbestimmten Richtung kreuzt, beispielsweise den Augenblick P5 mit Nulldurchgang in positiver Richtung bei der Welle f3, dann ist dieser Augenblick identisch, unabhängig von einer Signal-Dämpfung, wie die Beispiele nach den Diagrammen A und C der Fig.

zeigen. Es läßt sich daher fehlerfrei ein Zeitpunkt für die Ankunft des Ultraschall-Signals unabhängig von Dämpfungen ermitteln, wenn die Erfassung der Zeit beim Nulldurchgang des Ausgangssignals P in einer vorgegebenen Position, beispielsweise zum Zeitpunkt T5, erfolgt und

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dieser Augenblick benutzt wird, um damit den Augenblick des Eintreffens des Ultraschall-Signals im empfangenden Wandler zu definieren.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind in Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Meßgerätes, in Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Empfangseinrichtung, in

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer U tertragungs-Überwachungseinrlchtung, in den

Figuren 7 bis 11 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach den Figuren 4 bis 6, in

Fig. 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßgerätes, in

Fig. 13 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Übertragungs-überwachungseinrichtung und in Figuren 14 und 15 weitere Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach den Figuren 12 und 13 dargestellt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind Baueinheiten, die mit denen nach Fig. 1 übereinstimmen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Einer elektrischen Empfangseinrichtung 400 ist hier wiederum . die Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 7 nachgeordnet, an die eine Ubertragungs-überwachungseinrichtung 500 angeschlossen ist. Der Ausgang der übertragungs-überwachungseinrichtung 500 ist an einen Eingang der elektrischen Empfangseinrichtung 400 angeschlossen.

Wie Fig. 5 zei$, enthält die elektrische Empfangseinrichtung 400 einen Komparator 10 und einen weiteren Komparator 20 sowie einen später noch im einzelnen

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beschriebenen Zähler, um die Ausgangsimpulse des weiteren !Comparators 20 zu zählen. Außerdem ist eine später noch näher erläuterte Steuerschaltung vorgesehen, die mit Ausgangssignalen H und L der Ubertragungs-Überwachungseinrichtung 500 beaufschlagt ist, um den weiteren Zähler zur Abgabe eines Ausgangssignals zu veranlassen, wenn er eine vorgegebene Zahl von Ausgangsimpulsen des weiteren !Comparators 20 erfaßt hat. Der eine Komparator 10 1st mit dem Ausgangssignal P des empfangenden Wandlers 9 an seiner einen Eing angs~ klemme beaufschlagt und ist außerdem an eine Bezugsspannung E31 oder E32 mit seiner anderen Eingangsklemme anschließbar. Der eine Komparator 10 erzeugt ein Ausgangssignal "1", wenn der Wert des Ausgangssignals P die Größe der Bezugsspannung E31 oder E32 überschreitet. Die Bezugsspannungen E31 und E32 werden mittels eines steuerbaren Spannungsteilers erzeugt, der Widerstände R1, R2 und R3 aufweist und an eine Stromversorgungsquelle Ej angeschlossen ist; dabei ist dafür gesorgt, daß E31 E32' ist.

Wenn das Ausgangssignal L der Ubertragungs-Uberwachungseinrlchtung "1" ist, dann befindet sich ein Transistor Q3 im durchgeschalteten Zustand, so daß der eine Komparator 10 an der Bezugsspannung E31 liegt. Ist dagegen das Signal L "0", dann ist der Transistor Q3 gesperrt, so daß der eine Komparator 10 an die andere Bezugsspannung E32 angeschlossen ist. Welche der beiden Bezugsspannungen E31 und E32 an den Komparator 10 angeschlossen ist, hängt vom Ausmaß der Dämpfung ab, wie später noch erläutert wird. Der eine Komparator 10 ist mit einem Sperreingang versehen, um sein Ausgangssignal zwangsweise auf "0^M zu halten. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt das zwangsweise Halten des Ausgangssignals auf "0", nachdem der Komparator sein Ausgangssignal abgegeben hat,

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das anzeigt, daß der Wert des Signales P erstmalig die Bezugsspannung Ξ31 oder E32 überschritten hat.

In ähnlicher Weise ist der weitere Komparator 20 mit dem Ausgangssignal P des empfangenden Wandlers an seiner einen Eingangsklemme beaufschlagt und ist außerdem an einer Bezugsspannung E7 mit dem Wert 0 V angeschlossen. Der weitere Komparator 20 erzeugt ein Ausgangssignal "1", wenn das Signal P die Mull-Linie in negativer Richtung durchläuft. Der weitere Komparator 20 ist ebenfalls mit einem Sperreingang ausgerüstet, um sein Ausgangssignal festzuhalten auf ein Ausgangssignal des weiteren Zählers hin.

Dieser weitere Zähler enthält zwei JK-Flip-Flops 30 und 40, von denen jeder mit seinem T-Eingang mit dem Ausgang des weiteren Komparators 20 verbunden ist. Die Steuerschaltung enthält drei NAND-Glieder G5, G6 und G7. Das NAND-Glied G5 ist mit dem Ausgangssignal H der Übertragungs-Überwachungseinrichtung 500 beaufschlagt und mit dem Q-Ausgang des Flip-Flop 40 verbunden. Das NAND-Glied G6 liegt am Ausgangssignal L der Übertragungs-Überwachungseinrichtung 500 und am Q-Ausgang des Flip-Flop 30. Das NAND-Glied G7 ist sowohl mit dem Ausgang des NAND-Gliedes G5 als auch mit dem des NAND-Gliedes G6 verbunden. Der Ausgang des NAND-Gliedes G7 ist an den J-Eingang des Flip-Flop 40 geführt, dessen Q-Ausgang seinerseits an den J-Eingang des Flip-Flop und den Sperreingang ST des weiteren Komparators 20 geführt ist.

Die elektrische Empfangseinrichtung 400 ist ferner mit einer logischen Verknüpfungsschaltung versehen, die NAND-Glieder G1 bis G4 enthält. Die NAND-Glieder G1 und

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G2 bilden ein RS-Flip-Flop. Das NAND-Glied G1 ist eingangsseitig mit einem Rücksetzsignal RS beaufschlagbar, während sein Ausgang mit einem Eingang des NAND-Gliedes G2 verbunden ist. Außerdem ist das NAND-Glied G1 mit dem NAND-Glied G3 und einem Sperreingang ST des einen !Comparators 10 verbunden. Ein Setz-Eingang des NAND-Gliedes G2 ist außerdem an den Q-Ausgang des Flip-Flop 40 angeschlossen. Der Ausgang des NAND-Gliedes G2 und der Q-Augang des Flip-Flop 40 sind mit dem NAND-Glied G4 verbunden, das an seinem Ausgang das Ankunftssignal Z erzeugt. Das NAND-Glied G3 ist nicht nur mit dem Ausgang des NAND-Gliedes G1 verbunden, sondern liegt auch am Ausgang des einen Komparators 10.

Wie Fig. 6 zeigt, enthält die Ubertragungs-Uberwachungseinrichtung 500 zwei zusätzliche Komparatoren 431 und 432 und ein RS-Flip-Flop 44 mit einer Impulsbewertungsschaltung. Die zusätzlichen Komparatoren 431 und 432 liegen an zusätzlichen Bezugsspannungen E61 und E62, die mittels Widerständen R9, R10 und R11 und einer Stromversorgungsquelle E6 erzeugt werden; die zusätzlichen Komparatoren 431 und 432 dienen zur Ermittlung, ob die Rampenspannung R des Rampen-Schaltkreises (vgl. Fig.2) innerhalb eines Bereiches liegt, der von den beiden zusätzlichen Bezugsspannungen E61 und E62 definiert wird (die Rampenspannung R ist der Zeitdifferenz proportional, wie im Zusammenhang mit der Fig. 2 bereits erläutert worden ist). Das RS-Flip-Flop enthält vier NAND-Glieder 441, 442, 443 und 444 und ist an die Ausgänge der beiden zusätzlichen Komparatoren 431 und 432 angeschlossen und mit einem Prüfimpuls W beaufschlagbar, um die Ausgangssignale H und L zu erzeugen. Diese Signale H und L stellen jeweils die Negation zueinander dar, beispielsweise ist also H gleich L. Wenn die Zeitdauer N/f, die der Zähler 5 zur Zählung von N-Ausgangsimpulsen

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des Oszillators 1 der Frequenz f benötigt, gleich der Laufzeit des Ultraschall-Signals im zu messenden Mittel ist, dann ist die Rampenspannung R des Rampen-Schaltungskreises genauso groß wie die Bezugsspannung E5O des Differenzverstärkers 80 (siehe Fig. 2), Im vorliegenden Fall kann dfe Bezugsspannung E5O beispielsweise 5 V betragen, und die Bezugsspannungen E61 und E62 sind dann beispielsweise zu E61 = 6 V und E62 * 4 V gewählt. Die Festlegung der Bezugsspannunfpn E61 und E62 ist in Abhängigkeit von der Größe der Zeitdauer T, das ist die Periodendauer des Ultraschall-Signals gemäß Fig. 3> und in Abhängigkeit vom Gradienten der Rampenspannung R gewählt, womit die Ladungsgeschwindigkeit des Rampen-Schaltungskreises gemeint ist.

Zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels nach den. Figuren 4 bis 6 wird im folgenden auf die Figuren 7 bis 11 Bezug genommen. Dabei zeigt die Fig. 7 Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten der elektrischen Empfangseinrichtung nach Fig. 5 für den Fall, daß das Ultraschall-Signal ohne Dämpfung übertragen wird. Fig. 8 zeigt Spannungsverläufe an verschiedenen Schaltungspunkten in den Figuren 2 und bei denselben Übertragungsverhaltenssen.

Zunächst wird angenommen, daß der eine Komparator 10 an der Bezugsspannung E31 als seiner Bezugsspannung liegt und daß das Ausgangssignal L der Ubertragungsüberwachungseinrichtung 500 "1ⁿ ist. Vor dem Beginn der Messung wird das NAND-Glied G1 mit einem Rücksetz-Signal RS in Form eines ¹¹O"-Signals beaufschlagt, wie dies in Fig., 7 durch das Diagramm RS veranschaulicht 1st. Auf das RUcksetz-Slgnal RS hin erzeugt das NAKD-Giied Gi

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ein Ausgangssignal "1". Daraufhin wird der eine Komparator 10 der Steuerung von seinem Sperreingang her entzogen und gelangt in eine Bereitschaftsstellung. In diesem Zustand wird das Ankunftssignal Z "1^M (dies bedeutet nicht, daß das Ultraschall-Signal eingetroffen ist, weil das Ankunftssignal Z ¹¹O" bedeutet, daß es eingetroffen ist), da das Ausgangssignal des NAND-Gliedes G1 "1" ist und jeder der beiden Eingänge des NAND-Gliedes G4 ¹¹O" ist. Danach, wenn das Ultraschall-Signal den empfangenden Wandler 9 erreicht hat, und sein Ausgangssignal P an einer der Eingangsklemmen des einen !Comparators 10 auftritt und der Wert der ersten Welle f1 des Signals P die Bezugsspannung E31 übertrifft, erscheint ein "1"-Signal am Ausgang des Komparators 10»

Daraufhin wird das Ausgangssignal des NAND-Gliedes G3 "0", und daraufhin werden beide Flip-Flops 30 und 40 geschaltet, so daß ihre beiden Q-Ausgänge ^"-Potential annehmen und der ü-Ausgänge des Flip-Flop 40 "1"-Signal erhält. Dieses U-Ausgangssignal "1" dient dazu, den weiteren Komparator 20 von der Zwangshaltung seines Ausgangssignals zu befreien und ihn in eine Bereitschaftsstellung zu bringen. Das Q-Ausgangssignal des Flip-Flop 40 mit dem logischen Wert "0" führt dazu, daß das Ausgangssignal des NAND-Gliedes G2 wieder "1" wird. Dadurch wird das Ausgangssignal des NAND-Gliedes G1 wiederum "0", so daß der eine Komparator wiederum auf zwangsweises Halten seines Ausgangssignals zurückgeschaltet wird. Daher erscheint das Ausgangssignal des einen Komparators als ein Impuls von sehr geringer Breite, wenn das Ausgangssignal P die Bezugsspannung E31 übersteigt. Auf der anderen Seite führt das Q-Ausgangssignal des Flip-Flop 30 mit dem logischen Wert ¹¹O" dazu, daß am Ausgang des NAND-Gliedes G6 ein "1"-Signal auftritt,

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wodurch das NAND-Glied G7 sein Ausgangspotential auf "0" verändert,

Wenn danach das Ausgangssignal P des empfangenden Wandlers 9 die Null-Linie in negativer Richtung mit seiner ersten Welle f1· kreuzt, dann erzeugt der weitere Komparator 20 einen ersten Ausgangsimpuls, der für die Dauer dieser negativen Halbwelle besteht. Wenn dieser erste Ausgangsimpuls des weiteren Komparators 20 endet,

10·* nimmt das Flip-Flop 30 an seinem Q-Ausgang "1 "-Signal an, wodurch sich am Ausgang des NAND-Gliedes G7 das Potential auf ¹M¹¹ ändert. Wenn darauffolgend von der zweiten negativen Halbwelle f2* des Signals P ein zweiter Ausgangsimpuls von den weiteren Komparator 20 erzeugt wird und dieser weitere Ausgangsimpuls aufhört, kehrt das Potential am Q-Ausgang des Flip-Flop 40 auf "1" zurück. Daraufhin nimmt das Potential am Ausgang des NAND-Gliedes G4 wieder den Wert "0" an. Dies bedeutet, daß das Ankunftssignal Z mit dem logischen Wert "0" abgegeben worden ist und anzeigt, daß das Ultraschall-Signal den empfangenden Wandler 9 zum Zeitpunkt P5 beim fünften Nulldurchgang des Signals P erreicht hat. Zum Zeitpunkt P5, zu dem das Ankunftssignal Z mit dem Wert "0" erzeugt wird, wird der Ladevorgang des Rampen-Schaltungskreises beendet und die Rampenspannung R behält ihren erreichten Wert. Die Größe dieser Spannung R liegt im vorliegend diskutierten Fall innerhalb eines Bereiches zwischen den Bezugsspannungen E61 und E62. Wenn daher ein Prüfimpuls W dem RS-Flip-Flop 44 in diesem Zustand zugeführt wird, treten keine Veränderungen der Ausgangssignale am Flip-Flop 44 auf, d. h. die Ausgangssignale H und L der Übertragungs-Überwachungseinrichtung bleiben in ihrem bisherigen Zustand. Unter Benutzung des Prüfimpulses W kann daher festgestellt werden, ob eine einwandfreie Erfassung der

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Ankunft des Ultraschall-Signals erfolgt ist, so daß die Bezugsspannung E31 weiterhin als Bezugsspanntang für den einen Komparator 10 benutzt werden kann.

In Fig. 9 sind die Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten der elektrischen Empfangseinrichtung nach Fig. für den Fall wiedergegeben, daß das Ultraschall-Signal einer Dämpfung unterworfen ist; Fig. 10 zeigt für dieselben Übertragungsverhältnisse Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten der Schaltungen nach den Figuren 2 und 6. Wenn eine Dämpfung des Ultraschall-Signals eintritt in einem Schaltungszustand, in dem der eine Komparator 10 an der Bezugsspannung E31 liegt, dann arbeiten die elektrische Empfangseinrichtung 400 und die Übertragungs-Uberwachungseinrichtung 500 in folgender Weise:

Zunächst wird ein Rücksetz-Signal RS zugeführt und der eine Komparator 10 dem Einfluß des Sperreingaqges entzogen. Infolge der Dämpfung erreicht die erste Welle f1 des Ausgangssignals P des empfangenen Wandlers 9 nicht den Wert der Bezugsspannung E31; dies gilt erst für die zweite Welle f2. In dem Augenblick, in dem das Signal P den Wert der Bezugsspannung E31 überschreitet, erzeugt der eine Komparator 10 sein Ausgangssignal. Daraufhin laufen dieselben Vorgänge wie oben bereits geschildert ab; in Fig. 9 ist dies gezeigt. Ausgangsimpulse von den weiteren Komparator 20 werden indessen erst während der zweiten und dritten negativen Welle f2' und f3' des Signals P erzeugt.

Das Ankunftssignal Z mit dem logischen Wert "0" tritt zum Zeitpunkt P7 zum Ende der negativen Welle f3' auf.Die Laufzeit im Falle Fig. 9 ist daher länger als die im Falle nach der Fig. 7 um die Zeitdauer P5-P6 und P6-P7, d. h. um die Zeitdauer 2T, trotz einer

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genauso langen Laufzeit. Diese Zeitdauer 2T kann einen Meßfehler verursachen. Gemäß der Erfindung wird jedoch in einem solchen Fall der Ladevorgang im Rampen-Schaltungskreis um diese Zeitdauer 2T verlängert; dies bedeutet, daß die Rampenspannung R während dieser Zeitdauer. 2T außerordentlich stark ansteigt, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist. Sie übersteigt daher die Bezugsspannung E61 der Ubertragungs-Überwachungsschaltung 500, Wenn dann ein Prüfimpuls ¥ der Übertragungs-überwacnungsschaltung 500 zugeführt wird, werden ihre Ausgangssignale H und L jeweils negiert: das Signal L ändert sich von "1" auf "0". Daher wird aufgrund der Wirkungsweise des Transistors Q3, die oben erläutert worden ist, die Bezugsspannung des einen Komparators 10 auf den Wert E32 verändert. Daher führt die Erzeugung eines Ankunftssignals Z zu einem falschen Augenblick, verursacht durch eine Dämpfung des Ultraschall-Signals, zu einer selbsttätigen Korrektur bei den nachfolgenden Messungen. ,

Nimmt man an, daß die Dämpfung des Ultraschall-Signals anhält und daß der eine Komparator 10 an der Bezugsspannung E32 weiterhin liegt, dann arbeitet die Übertragungs-überwachungseinrichtung 500 in einer Weise, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Wenn ein Rücksetz-Signal RS erzeugt wird, wird der eine Komparator 10 von der Zwangshaltung seines Ausgangssignals befreit. Wenn danach die Größe des Signals P mit ihrer zweiten Welle f2 die Bezugsspannung E32 überschreitet, erzeugt der eine Komparator 10 sein Ausgangssignal. Es laufen dann ähnliche Prozesse ab, wie oben beschrieben und in Fig. 11 gezeigt. Die Erzeugung eines Ausgangsimpulses

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des weiteren !Comparators 20, verursacht durch die zweite negative Halbwelle f2' veranlaßt jedoch den Flip-Flop 40, sein Q-Ausgangssignal (40 Q) zu erzeugen, mit dem Ergebnis, daß das Ankunftssignal Z mit dem logischen Wert "0" zum Zeitpunkt P5 hervorgerufen wird. Durch den Wechsel der Bezugs spannung des !Comparators ergeben sich also einwandfreie Meßergebnisse trotz Dämpfung des Ultraschall-Signals.

Wenn das Signal P die Bezugsspannung E32 mit seiner ersten Welle f1 in einem Zustand überschreitet, in dem der eine Komparator 10 an dieser Bezugsspannung E32 liegt (in diesem Zustand ist das Signal L. "0"), dann laufen ähnliche Vorgänge ab, wie in der Fig. 11 gezeigt, so daß das Ankunftssignal Z mit dem Wert "0" zum Zeitpunkt P3 hervorgerufen wird. In diesem Falle kann wiederum ein Zeitintervall der Größe 2T, das aus den Intervallen P3 - P4 und P4 - P5 besteht, zu einem Meßfehler führen. In einem solchen Falle Jedoch wird der Anstieg der Rampenspannung R beendet, bevor die Bezugsspannung E62 der Übertragungs-Überwachungseinrichtung 500 erreicht ist. Bei Beaufschlagung mit einem Prüfimpuls W verändert sich daher das Signal L von "0ⁿ auf "1% so daß die Funktion für die nachfolgenden Meßzyklen in einer Weise abläuft, wie dies anhand der Fig. 7 erläutert ist, so daß sich einwandfreie Meßergebnisse ergeben.

Wie oben erwähnt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Ankunft des Ultraschall-Signals im empfangenden Wandler zu einem Zeitpunkt erfaßt werden, bis zu dem eine vorbestimmte Anzahl von Null-Durchgängen des Ausgangssignals P erfolgt sind, beispielsweise zu einem Zeitpunkt T5_t zu dem der fünfte Null-Durchgang auftritt. Dies führt zu dem Ergebnis, daß eine fehlerfreie

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Erfassung des Eintreffens des Ultraschall-Signals erreicht werden kann.

In Abweichung von dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist es unter Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre auch möglich, Mittel vorzusehen, um zu verhindern, daß das Ausgangssignal S des Differenzverstärkers 80 (siehe Fig. 2) an den Oszillator 1 beim Auftreten von Zuständen gelangt, wie sie in Fig. 9 aufgezeigt sind. Durch diese Mittel kann die Frequenz des Oszillators 1 frei von Änderungen ihres Wertes gehalten werden, die durch vorangehende Messungen verursacht sind. Dieses Festhalten der Oszillatorfrequenz kann Meßfehler verhindern, die durch das Signal S hervorgerufen sind, indem dieses Signal eine fehlerhafte Information über die Zeitdifferenz im Fall der Wirkungsweise nach Fig. enthält, obwohl dies nur ein Fehler für eine sehr kurz.e Zeitdauer ist.

Wird das erfindungsgemäße Meßgerät als Mengenmeßgerät benutzt , dann enthält es zwei Oszillatoren und eine Betriebsart-Umschalteinrichtung, die zwischen die beiden Wandler 8 und 9 und die elektrische Sende- und Empfangseinrichtung.3 und 400 geschaltet ist; die Wandler 8 und 9 sind in der Wandung eines Meßkanals untergebracht und liegen einander gegenüber, wie dies in der japanischen Offenlegungsschrift 130 261/1974 gezeigt ist. Die Laufzeit ti des Ultraschall-Signals bei Aussendung in Richtung des zu messenden Mediums, beispielsweise bei Übertragung des Signals vom Wandler zum Wandler 9, ist in eine Frequenz F1 eines der beiden Oszillator umgesetzt. Sine weitere Laufzeit t2 bei Aussendung des Ultraschall-Signals enigegen der Strömungsrichtung (beispielsweise bei Aussendung vom Wandler 9

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zum Wandler 8 nach Betätigung des Betriebsart-Umschalters) wird in eine Frequenz F2 des anderen Oszillators umgesetzt. Die Differenz zwischen den Frequenzen F1 und F2 ist dann ein Maß für die durchgeflossene Menge.

Das Rücksetz-Signal RS kann bei dem erfindungsgemäßen Meßgerät durch Schaltungsmittel entweder synchron mit dem Ausgangssignal des synchronisierenden Impulsgenerators 2 oder unmittelbar vor der erwarteten Erzeugung des Ausgangesignals P des empfangenen Wandlers 9 erzeugt werden. Die letztere Möglichkeit ist vorzuziehen, um Geräusche zu eliminieren, die vor der Erzeugung des Ausgangssignals P vorhanden sind.

Was den Prüfimpuls W anbelangt, so ist es vorteilhaft, diesen zu einer Zeit dicht am Ende einer Meßperiode zu erzeugen.

In Fig. 12, die ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßgerätes zeigt, sind mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 übereinstimmende Baueinheiten mit gleichen Bezugszeichen versehen. Von dem Ausfdhrungsbeispiel nach Fig. 4 unterscheidet sich das Vorliegende hinsichtlich der Ubertragungs-Uberwachungseinrichtung zur Ermittlung, ob die Übertragung des Ultraschall-Signals normal oder anormal ist. Die in Fig. 12 nur als Bloclc dargestellte Übertragungs-Uberwachungseinrichtung 600 ist in Fig. 13 im einzelnen gezeigt. Sie enthält zwei monostabile Multivibratoren 50 und 60, ein NAND-Glied G8 und ein RS-Flip-Flop mit einer Impulsbewertungsschaltung. Das RS-Flip-Flop enthält vier NAND-Glieder G9, G10, G11 und G12. Diese Ubertragungs-Uberwachungseinriehtung 600 ist an den Ausgang des Zählers 5 angeschlossen und mit dessen Ausgangssignal X beaufschlagt; außerdem liegt sie

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am Ausgang der elektrischen Empfangseinrichtung 400 und erhält über deren Ausgang das Signal Z. Die Impulsbreite ti des Ausgangsimpulses des monostabilen Multivibrators 50 ist festgesetzt auf ti « Ta + S1

und ist um das Zeitintervall S1 langer als die Verzögerungszeit 7"~d des Verzögerungsgliedes 6 gewählt. Die Impulsbreite des Ausgangsimpulses des anderen monostabilen Multivibrators 60 beträgt t2 =Td + S2

und ist um das Zeitintervall S2 langer als die Verz5gerungszeit Td gewählt. Es ist darüber hinaus S1 - 3T und S2 » T gewählt, so daß S > S1 - S2 = 2T ist, wobei T die halbe Periodendauer des Ultraschall-Signals kennzeichnet (vgl. Fig. 3). Wenn die Frequenz des Ultraschall-Signals 1 MHz beträgt, dann ist T=IyItS und bei 0,5 MHz ist T « 2/*s.

Der monostabile Multivibrator 50 gibt ein Q-Ausgangssignal ab, während der andere monostabile Multivibrator 60 ein Q-Ausgangssignal liefert. Das NAND- ' Glied G8 ist mit diesen Ausgängen der MuIt!vibratoren 50 und 60 verbunden. Die Ubertragungs-Überwachungseinrichtung 600 dient dazu, ein ¹¹O"-Impulssignal mit der Impulsbreite S zu einem vorbestimmten Zeitinter vall t2 nach der Erzeugung des Ausgangssignals X des Zählers 5 zu erzeugen, um damit anzuzeigen, daß das akustische Signal normal übertragen worden ist, wenn das Ausgangssignal Z mit dem Ytert ¹¹O" während Zeitdauer dieses Impulssignals mit der Breite S entstanden ist. Ein weiterer monostabiler Multivibrator 70 spricht auf das Signal Z mit dem Wert "0" an, um einen Ausgangsimpuls mit sehr schmaler Breite zu erzeugen.

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Die Ubertragungs-Uberwachungseinrichtung 600 arbeitet in folgender Weise:

Für die Erläuterungen wird auf die Fig. 14 Bezug genommen, in der Spannungsverläufe bei normaler Ubertragung des Ultraschall-Signals dargestellt sind. Wenn ein Ausgangssignal vom synchronisierenden Impulsgenerator 2 erzeugt wird, beginnt der Zähler 5 mit den Zählen der Ausgangsimpulse des Oszillators 1 mit der Frequenz f und der Wandler 8 sendet das Ultraschäll-Signal aus. Nach einer Zeit N/f danach erzeugt der Zähler 5 sein Ausgangssignal X, das ist das Zählende-Signal, auf das hin der monostabile Multivibrator 50 an seinem Q-Ausgang ein Signal mit einer Impulslreite ti hervorruft; am Q -Ausgang des anderen monostabilen Multivibrators 60 entsteht ein Impuls mit einer Breite t2. Daraufhin erzeugt das NAND-Glied G8 ein Ausgangssignal "0" mit einer Impulsbreite S. Unter diesen Bedingungen kann ein Signal Z der elektrischen Empfangseinrichtung 4, wenn es überhaupt entsteht, keine Veränderung der Ausgangssignaleder NAND-Glieder G9 und G10 hervorrufen, so daß sich die Signale H und L der Übertragungs-Uberwachungseinrichtung 600 nicht händern. Es treten auch keine Änderungen im Schaltzustand des Transistors Q3 nach Fig. 5 auf, ähnlich wie dies in Fig. 8 gezeigt ist.

Anhand der Fig. 15 sind andere Spannungsverläufe für den Fall einer anormalen Übertragung des Ultraschall-Signals gezeigt. Diese Spannungsverläufe sehen denen nach Fig. 10 ähnlich. Wenn die elektrische Empfangseinrichtung 400 ihr Ausgangssignal Z mit dem Wert ^w0^w zum . Zeitpunkt P7 erzeugt, verändert sich am Ausgang des NAND-Gliedes G10 das Potential, da zu diesem Zeitpunkt das NAND-Glied G8 kein Ausgangssignal mit dem Werte

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¹¹O" führt. Deshalb verändert sich das Ausgangssignal L der Übertragungs-Überwachungseinrichtung 600 auf den Wert "0", so daß die 3ezugsspannung des !Comparators 10 sich auf den Wert E32 für die nachfolgenden Messungen verändert.

Falls ein Ultraschall-Signal mit seiner ersten Welle bereits große ΐ/erte erreicht, wie dies in Fig. 15 durch die strichlierte Linie gekennzeichnet ist und der Komparator 10 an der Bezugsspannung E32 liegt, dann übersteigt die erste Welle den Wert der Bezugsspannung, und das Signal Z der elektrischen Empfangseinrichtung 400 kann bereits zum Zeitpunkt P3 erscheinen, ähnlich wie dies oben bereits erläutert ist. In diesem Falle erzeugt der monostabile Multivibrator 70 auf das Signal Z mit dem Wert "0" der elektrischen Empfangseinrichtung 400 an seinem Ausgang einen Impuls "1", wie dies in Fig. 15 anhand des Diagramms 70· veranschaulicht ist, so daß jeder Eingang des NAIiD-Gl ie des G9 "1 "-Potential erhält, um am Ausgang ein Signal ¹¹O" zu erzeugen. Daraufhin nimmt das Ausgangssignal des NAND-Gliedes G11, das ist das Signal l4er Übertragungs-Uberwachungseinrichtung 600, den Wert "1" an, wie dies ebenfalls in Fig. 15 anhand der Diagramme H' und L¹ gezeigt ist.

Daher wird der eine Komparator 10 wieder an die Bezugsspannung E31 für den nachfolgenden Messungen gelegt.

Die Verwendung der Ubertragungs-Uberwachungseinrichtung 600 hat den Vorteil, daß sie mit dem Beginn des Prüfimpulses W wirksam wird.

15 Figuren
7 Ansprüche

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Claims

Patentansprüche VPA 73 P 8561 äRD

1. Meßgerät zum Bestimmen der Laufzeit von Ultraschall-Signalen zwischen

a) zwei Wandlern, die

al) ein elektrisches Signal in ein Ultraschall-Signal und das empfangene Ultrasc'-iall-Cirmal in ein

elektrisches Signal umsetzen, und vnr. denen a2) dem empfangenden .''andler eine elektrische Empfangseinrichtung nachgeordnet ist, mit

b) einer Oszillator-Anordnung,

bi) deren Ausgangssignal in der Frequenz veränderbar ist, mit

c) einem Zähler, der

c1) an die Oszillator-Anordnung angeschlossen ist und

c2) jeweils ein Ausgangssignal erzeugt, wenn der Zählerstand einen vorbestimmten Wert erreicht hat, mit

d) einer Zeitdifferenz-Meßeinrichtung, die

d1) an den Zähler und an die elektrische Empfangseinrichtung angeschlossen ist und ein von der Laufzeit und von der Zeitdauer zum Zählen der Ausgangsimpulse des Oszillators auf den vorgegebenen Wert abhängiges Differenzsignal an ihrem Ausgang erzeugt und mit
e) einer Erfassungseinrichtung, die

el) der Oszillator-Anordnung nächgeschaltet ist und e2) die Laufzeit der Ultraschall-Signale wiedergibt, dadurch gekennzeichnet, daß f) die elektrische Empfangseinrichtung (400) eingangsseitig Einen Komparator (10) enthält, der

f1) einerseits an den Ausgang des empfangenden Wandlers (9) und andererseits an einen steuerbaren Spannungsteiler (R1, R2, R3) angeschlossen ist, daß

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ORIGINAL INSPECTED

- 2 - VPA 78 P 8561 BRD

g) die elektrische Empfangseinrichtung (400) eingangsseitig einen weiteren Komparator (20) enthält, der gi) einerseits an den Ausgang des empfangenden Wandlers (9) und andererseits an eine Bezugsspannung mit dem Wert Null angeschlossen ist,

daß

h) dem v/eiteren Komparator (20) ein v/eiterer Zähler (30, AO) nachgeordnet ist, daß

j) mit dem weiteren Zähler (31, 40) eine Steuerschaltung (φ, G7) zugeordnet ist, die J1) auch an eine Übertragungs-überwachungsein-

richtung (500) angeschlossen ist und daß k) der Spannungsteiler (R1, R2, R3) von der Ubertragungs-Überwachungseinrichtung steuerbar ist.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

1) der Ausgang des Komparators (10) und der Ausgang des weiteren Zählers (30, 40) mit einer logischen Verknüpfungsschaltung (} 1-G4·) verbunden sind, deren Ausgang den Ausgang der elektrischen Empfangseinrichtung (400) bildet.

3· Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

m) die Ubertragungs-Überwachungseinrichtung (500) der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung (7) nachgeordnet ist.

4. Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß

n) die Übertragungs-Uberwachungseinrichtung (500) eine Vergleichsanordnung (431, 432) enthält, die n1) mit einer der Zeitdifferenz entsprechenden Spannung (R) beaufschlagt 1st und

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- 3 - VPA 78 P 8561 BRD n2) diese Spannung (R) mit zwei Bezugsspannungen

(E61, E62) vergleicht, und daß

o) in der Übertragungs-Überwachungseinrichtung (500) an die Vergleichsanordnung (431, 432) eine Auswerte-Einrichtung (44) angeschlossen ist, deren Ausgangssignale (H, L) eine Information über eine normale oder anormale Übertragung der Ultraschall-Signale enthalten.

5. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

p) die Übertragungs-Überwachungseinrichtung (600) an den Ausgang der elektrischen Empfangseinrichtung und an den Ausgang des einen Zählers angeschlossen ist.

6. Meßgerät nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet , daß

r) die Übertragungs-Überwachungseinrichtung (600) zwei Monoflops (50, 60) enthält, die eingangsseitig am Ausgang des einen Zählers (5) liegen, daß

s) den Monoflops (50, 60) über eine Anordnung logischer Verknüpfungsglieder (G8-G10) ein weiteres RS-Flip-Flop .(G11, G12) nachgeordnet ist und daß

t) die logischen Verknüpfungsglieder (G9, G10) mit dem Ausgang der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung (7) verbunden sind.

7. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß u) der eine Komparator (10) mit einem Sperreingang (ST) versdien ist, der

u1) an die logische Verknüpfungsschaltung (G1-G4)

angeschlossen ist, und daß

v) der weitere Komparator (20) mit einem Sperreingang (ST) versehen ist, der

v1) mit dem Ausgang des weiteren Zählers (30, 40)

verbunden ist.

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