DE3030858A1 - Durchflussvolumenzaehler - Google Patents

Description

DipL Ing. Hans-Jtirgea Möller Dr. rar. Bat. Thomas Bereedt Br.-Ing. Hane Leytt

LijcIfe-Grahn-StroBe 36 D 8 MBnehen 80

LGZ Land is & Gyr Zug AG

CH-6301 Zug

Schweiz

Durchflußvolumenzähler

Durchfluss vo tumenzä hler

Ein Durchflussvolumenzähler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus der CH-PS 604 133 bekannt. Bei diesem Durchflussvolumenzähler kann je nach der konkreten schaltungstechnischen Ausbildung des Impulsgenerators ein Unterbruch oder ein Kurzschluss des Temperaturfühlers dazu führen, dass der Impulsgenerator keine Impulse mehr erzeugt, wodurch die Durchflussvolumenmessung unterbrochen wird. 10

Der im Anspruch 1. angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflussvolumenzähler zu schaffen, bei dem ein Ausfall des Temperaturfühlers keine Unterbrechung der Messung, sondern Lediglich eine etwas geringere Messgenauigkeit mit sich bringt.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Durchflussvolumenzählers,

Fig. 2 ein Diagramm
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines Impulsgenerators und
Fig. 4 ein Impulsdiagramm,

In der Fig. T bedeuten 1 und 2 Ultraschallwandler, die zusammen mit einem Impulsgenerator 3 an eine Messeinrichtung 4 angeschlossen sind. Der Impulsgenerator 3 erzeugt Impulse, deren mittlere Pulsfrequenz mit f_ bezeichnet ist. Jeder dieser Impulse löst, wie dies aus der CH-PS 604 133 bekannt ist, in der Messeinrichtung 4 eine Durchflussmessung aus. Hierbei senden die Ultraschallwandler 1,2 ultraschallwellen aus, welche ein flüssiges Medium entlang einer Messstrecke in entgegengesetzter Richtung durchlaufen und jeweils vom anderen Ultraschallwandler 2 bzw. 1 empfangen werden. Die Messeinrichtung 4 misst die Laufzeitdifferenz At der Ultraschallwellen und gibt an ihrem Ausgang Zähl—

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impulse ab, deren mittlere Pulsfrequenz f, dem Produkt aus der Ausgangsfrequenz f., des Impulsgenerators 3 und der Laufzeitdifferenz At entspricht.

Es gilt

k_o · V ^f4 = ^k1 ■ ^f3 ■ ^At = ^k1 ■ ^f3 · -V-

wobei V den Volumenstrom des Mediums, c die Schallgeschwindigkeit im Medium und k und k Messkonstanten bedeuten.

Die Schallgeschwindigkeit c ist im allgemeinen nicht konstant, sondern von der Temperatur & des Mediums abhängig. Die Fig. 2 zeigt als Beispiel die Abhängigkeit des Quadrates der Schallgeschwindigkeit in Wasser von dessen Temperatur ■$ . Zur Kompensation des temperaturabhängigen Einflusses der Schallgeschwindigkeit c auf die Messung wird der Impulsgenerator 3 von einem die Temperatur $ des Mediums erfassenden Temperaturfühler 5 so gesteuert, dass -wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist- die mittlere Ausgangsfrequenz f_ in einem vorgegebenen Temperaturbereich wenigstens näherungsweise die gleiche Abhängigkeit von der Temperatur ?9 des Mediums aufweist wie das Quadrat der Schallgeschwindigkeit im Medium. Es ist

und somit

f «^ k " k · u· · V ^T4 1 2 ^k3

wobei k_ wiederum eine Konstante bedeutet. Die Pulsfrequenz f.

ist also zum Volumenstrom V proportional. Durch Zählung der von der Messeinrichtung 4 abgegebenen Zählimpulse kann das Durchflussvolumen ermittelt werden.
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Die Ausgangsfrequenz f des Impulsgenerators 3 ist, wie aus der Fig. 2 hervorgeht, aus einer konstanten Frequenz f und einer von der Temperatur j? des Mediums abhängigen Frequenz f zusammengesetzt. Zu diesem Zweck besteht der Impulsgenerator 3 vorteilhaft aus einem Quarzoszillator 6 zur Erzeugung der konstanten Frequenz f , aus einem durch den Temperaturfühler 5 gesteuertem Impulsgeber 7 zur Erzeugung der variablen Frequenz f und aus einem Frequenzaddierglied 8 zur Bildung der Ausgangsfrequenz f_ = f₁ + f_. Die konstante Frequenz f ist im Vergleich zur variablen Frequenz f möglichst gross. Fällt die Frequenz f infolge eines Defektes des Temperaturfühlers 5 aus, so wird die Messeinrichtung 4 mit der Frequenz f. angesteuert und der Durchflussvolumenzähler arbeitet weiter, wobei lediglich ein geringer negativer Messfehler entsteht.

Der Impulsgeber 7 ist vorteilhaft mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Ueberwachungsglied verbunden, das ein Störsignal abgibt, wenn die Frequenz f„ ganz ausfällt oder einen vorgegebenen Wert unterscheidet. Dieses Ueberwachungsglied kann auch derart ausgestaltet sein, dass ein Störsignal abgegeben wird, wenn die variable Frequenz f„ einen vorgebenen Wert überschreitet.

Der beim Ausfall der variablen Frequenz f^ auftretende Messfehler wird minimal, wenn die konstante Frequenz f einen solchen Wert aufweist, dass in der Fig. 2 die Gerade f- die Kurve f in einem Punkt schneidet, der etwa dem Mittelwert ϋ- der Temperatur # entspricht. In diesem Fall ist zusätzlich zum Frequenzaddierglied 8 ein Frequenzsubtrahierglied vorzusehen, wobei bei 2? > & die Summe f_ = f + f und bei # < & die Differenz

f_ = f. - f_ zu bilden ist. Eine solche Lösung lässt sich besonders einfach mittels eines Mikrocomputers realisieren, der die temperaturabhängigen Werte für die Schallgeschwindigkeit c in einem digitalen Speicher abruft.
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Die Addition der Frequenzen f und f„ erfolgt vorteilhaft dadurch, dass das Frequenzaddierglied 8 eine vom Impulsgeber 7 erzeugte variable Anzahl von Impulsen synchron zwischen die vom Quarzoszillator 6 erzeugten Impulse einfügt. Die Fig. 3 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines derart arbeitenden Impulsgenerators. Ein Quarzoszillator 9 ist einerseits über einen ersten Impulsuntersetzer TO und einen Impulsformer 11 mit einem ersten Eingang eines ODER-Tores 12 und andererseits über einen Schalter 13, einen zweiten Impulsuntersetzer 14 und einen zweiten Impulsformer 15 mit einem zweiten Eingang des ODER-Tores 12 verbunden. Der Ausgang des Impulsuntersetzers 10 ist auch an den Takteingang einer monostabilen Kippstufe 16 angeschlossen. Der Temperaturfühler 5 ist in Reihe mit einem Abgleichwiderstand 17 in den zeitbestimmenden Kreis der Kippstufe 16 geschaltet. Der Ausgang der Kippstufe 16 ist mit dem Steuereingang des Schalters 13 verbunden. Als letzte Stufe des Impulsuntersetzers 14 dient ein D-Flipflop, dessen Takteingang an den Ausgang des Impulsuntersetzers 10 angeschlossen ist.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise des beschriebenen Impulsgenerators wird angenommen, dass die vom Quarzoszillator 9 abgegebene

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Frequenz f_ = 2 Hz beträgt und die Impulsuntersetzer 10 und

12 14

14 einen Untersetzungsfaktor von 2 bzw. 2 aufweisen. Der

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Impulsuntersetzer 10 teilt die Frequenz f,. mit dem Faktor 2 und erzeugt demnach eine Rechteckspannung U₁ (Fig. 3 und 4) mit der Frequenz f = 256 Hz und der Periodendauer T... Jede ansteigende Flanke dieser Rechteckspannung U löst die Kippstufe 16 aus. An deren Ausgang entsteht eine Rechteckspannung U mit der Periodendauer T. und der Impulsdauer T„, wobei T vom Widerstandswert des Temperaturfühlers 5 und des Abgleichwiderstandes 16 abhängig ist. Während der Impulsdauer T„ ist der Schalter 13 gesperrt, so dass die Frequenz f- nur während der Pausendauer T_ = T. - T zum Impulsuntersetzer 14 gelangt.

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Dieser Impulsuntersetzer 14 teilt die in Paketen auftretenden Impulse der an seinem Eingang erscheinenden Pulsspannung U.,

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mit dem Faktor 2 und erzeugt eine Rechteckspannung U, mit der Frequenz f < 64 Hz.

PA 2110

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? 3Ό30858

Infolge der Synchronisierung der letzten Stufe des Impulsuntersetzers 14 mit der Rechteckspannung U fallen die Flanken der Rechteckspannung U, jeweils mit einer abfallenden Flanke der Rechteckspannung U. zusammen. Die Impulsformer 11 und 15 erzeugen aus der Rechteckspannung U bzw. U eine nadeUrnpulsförmige Spannung UV bzw. U . Am Ausgang des ODER-Tores 12 entsteht eine nadelimpulsförmige Spannung U mit der mittleren Ausgangsfrequenz f_.

Als Temperaturfühler 5 kann ein Widerstand mit negativem oder mit positivem Temperaturkoeffizienten eingesetzt werden. Ein negativer Temperaturkoeffizient erfordert die beschriebene Sperrung des Schalters 13 während der Impulsdauer T , ein positiver Temperaturkoeffizient dagegen die Sperrung des Schalters 13 während der Pausendauer T_. Der Abgleichwiderstand 17 kann zum Abgleich der Toleranzen der Messstrecke und des Temperaturfühlers 5 dienen.

Es ist leicht ersichtlich, dass die Ausgangsfrequenz f_ des be— schriebenen Impulsgenerators auch bei einem Unterbruch oder Kurzschluss des Temperaturfühlers 5 den unteren Grenzwert f., . = 256 Hz nicht unterschreiten und den oberen Grenzwert 3m ι η

f_ = 256 + 64 Hz nicht überschreiten kann, so dass ein solcher

3max

Fehler weder eine Unterbrechung der Messung noch einen unbeschränkt grossen positiven Messfehler verursachen kann.

Der beschriebene Durchflussvolumenzähler eignet sich vorteilhaft zur Verwendung in einem Wärmemengenzähler.

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ZUSAMMENFASSUNG

Ein Impulsgenerator (3) ist von einem die Temperatur des Mediums erfassenden Temperaturfühler (5) so gesteuert, dass seine Ausgangsfrequenz (f-,) die gleiche Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums aufweist wie das Quadrat der Schallgeschwindigkeit im Medium. Eine an Ultraschallwandler (1;2) und an den Impulsgenerator (3) angeschlossene Messeinrichtung (4) erzeugt Zählimpulse, deren Pulsfrequenz (f.) dem Produkt aus der Ausgangsfrequenz (f..) und der Laufzeitdifferenz der von den Ultraschallwandlern (1;2) empfangenen Ultraschallimpulse entspricht. Die Ausgangsfrequenz (f-,) ist aus einer konstanten Frequenz (f ) und einer von der Temperatur des Mediums abhängigen variablen Frequenz (f„) zusammengesetzt. Ein Ausfall des Temperaturfühlers (5) bringt keine Unterbrechung der Messung, sondern lediglich eine etwas geringere Messgenauigkeit mit sich.

!Fig. 1

HN/lb
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Leerseite

Claims (9)

1. -S-

   PATENTANSPRUECHE

   Durchflussvolumenzähler für flüssige Medien, mit zwei Ultraschallwandlern, mit einem Impulsgenerator, der von einem die Temperatur des Mediums erfassenden Temperaturfühler so gesteuert ist, dass die mittlere Ausgangsfrequenz des Impulsgenerators in einem vorgegebenen Temperaturbereich wenigstens näherungsweise die gleiche Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums aufweist wie das Quadrat der Schallgeschwindigkeit im Medium, und mit einer an die Ultraschallwandler und an den Impulsgenerator angeschlossenen Messeinrichtung, an deren Ausgang Zählimpulse entstehen, deren mittlere Pulsfrequenz dem Produkt aus der Ausgangsfrequenz des Impulsgenerators und der Laufzeitdifferenz der von den Ultraschallwandlern empfangenen Ultraschallimpulse entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsfrequenz (fo) des Impulsgenerators (3) aus einer konstanten Frequenz (f ) und einer von der Temperatur {■d) des Mediums abhängigen variablen Frequenz (f ) zusammengesetzt ist.
2. 2. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgenerator (3) aus einem Quarzoszillator (6), einem durch den Temperaturfühler (5) gesteuerten Impulsgeber (7) und einem Frequenzaddierglied (8; 12) besteht.
3. 3. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgenerator (3) ausserdem aus einem Frequenzsubtrahierglied besteht.
4. 4. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzaddierglied (8; 12) zum synchronem Einfügen einer vom Impulsgeber (7;9, 13, 14, 15, 16) erzeugten variablen Anzahl von Impulsen zwischen die vom Quarzoszillator (6; 9, 10, 11) erzeugten Impulse eingerichtet ist.

   1SOÖ67/(H88
5. 5. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzoszillator (9) einerseits über einen ersten Impulsuntersetzer (10) und andererseits über einen Schalter (13) und einen zweiten Impulsuntersetzer (14) mit dem Frequenzaddierglied (12) verbunden ist, dass der Ausgang des ersten Impulsuntersetzers (10) an den Takteingang einer monostabilen Kippstufe (16) angeschlossen ist, dass der Temperaturfühler (5) in den zeitbestimmenden Kreis der Kippstufe (16) geschaltet ist und dass der Ausgang der Kippstufe (16) mit dem Steuereingang des Schalters (13) verbunden ist.
6. 6. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die letzte Stufe des zweiten Impulsuntersetzers (14) ein D-Flipflop ist, dessen Takteingang an den Ausgang des ersten Impulsuntersetzer (10) angeschlossen ist.
7. 7. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (5) mit einem Abgleichwiderstand (17) in Reihe geschaltet ist.
8. 8. Durchflussvolumenzähler nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgeber (7) mit einem Ueberwachungsglied verbunden ist, das ein Störsignal abgibt, wenn die Frequenz (f ) des Impulsgebers (7) einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
9. 9. Verwendung des Durchflussvolumenzählers nach Anspruch 1 in einem Wärmemengenzähler.

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