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DE3825422A1 - Device for measuring the density of fluids by means of acoustic signals - Google Patents

Device for measuring the density of fluids by means of acoustic signals

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Publication number
DE3825422A1
DE3825422A1 DE19883825422 DE3825422A DE3825422A1 DE 3825422 A1 DE3825422 A1 DE 3825422A1 DE 19883825422 DE19883825422 DE 19883825422 DE 3825422 A DE3825422 A DE 3825422A DE 3825422 A1 DE3825422 A1 DE 3825422A1
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DE
Germany
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electroacoustic
electronic
acoustic
transducer
pulse
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19883825422
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German (de)
Inventor
Wolf Juergen Prof Dipl Becker
Wolfgang Dipl Phys Burda
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Abstract

The measurement of the density of fluids (gases and liquids) is carried out by means of detecting the transit time of an acoustic signal through an acoustic measuring path filled with fluid and converting it into the density. The transit time of the acoustic signal is measured by means of generating a series frequency, in that an acoustic signal on an electroacoustic receiving transducer having an electronic device triggers an acoustic signal to an electroacoustic transmitting transducer for transmitting through the acoustic measuring path. This can be carried out both with acoustic pulse signals and with acoustic continuous signals. In the latter case, the electroacoustic transmitting transducer, the acoustic measuring path and the electroacoustic receiving transducer are in the feedback network of an electronic broadband amplifier and thus in total form a self-exciting electroacoustic oscillator. In a further refinement, the electronic amplifier can be formed by a phase-locked loop (PLL), consisting of a phase detector, a low-pass filter and a voltage-controlled oscillator (VCO), the electroacoustic feedback network in this case forming the external feedback of the PLL. Having electronic dividers in the internal and external feedback of the PLL, the VCO works at a multiple of the series frequency, so that the frequency of the acoustic signal can be matched optimally to the electroacoustic properties of the transducers.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Bestimmen der Dichte von fließfähigen Stoffen (Fluiden) durch Messen der bei sich ändernder Dichte eintretenden Frequenzänderungen einer den Massenkräften des zu bestimmenden Stoffes ausgesetzten elektroakustischen Ultraschall-Laufstrecke, die zusammen mit einem elektronischen Verstärker einen elektroakustischen Oszillator zum Anregen der Resonanzfrequenz der elektroakustischen Ultraschall-Laufstrecke bildet.The invention relates to a device for continuous Determine the density of flowable substances (fluids) by Measuring the frequency changes that occur as the density changes one exposed to the mass forces of the substance to be determined electro-acoustic ultrasonic running track that together an electro-acoustic with an electronic amplifier Oscillator to excite the resonance frequency of the electroacoustic Ultrasound running track forms.

Die Dichtemessung von Fluiden (Gasen und Flüssigkeiten) ist von großer praktischer Bedeutung, da die üblichen Mengenmeßverfahren ausschließlich das Volumen bestimmen, während für die Aufstellung einer Betriebsbilanz vor allem die auf einen definierten Zustand, bezogene Masse von Interesse ist.The density measurement of fluids (gases and liquids) is from of great practical importance since the usual quantity measurement methods determine only the volume while for the installation an operating balance sheet, especially those on a defined condition, related mass is of interest.

Zur Bestimmung der Dichte von Fluiden sind mechanisch schwingende Systeme bekannt, bei denen die unmittelbar den Massenkräften des jeweiligen Fluids ausgesetzten Elemente, wie Saiten, Pendel, Torsionsstäbe, Schwinggabeln oder dergleichen meßbare Frequenzänderungen erfahren. Ein Gerät zur Messung der Dichte von Fluiden mit Stimmgabeln ist beispielsweise in der deutschen Patentschrift 14 98 602 beschrieben.To determine the density of fluids are mechanically vibrating Systems known in which the mass forces of the elements exposed to the respective fluids, such as strings, pendulums, Torsion bars, tuning forks or similar measurable frequency changes Experienced. A device for measuring the density of fluids with tuning forks is for example in the German patent 14 98 602.

Die Dichte ist nicht stoffspezifisch. Deshalb wird sie vorzugsweise zur Analyse von binären Stoffgemischen herangezogen; hier ist sie dann zur Messung der Konzentration eines Stoffes in einem anderen geeignet. The density is not substance-specific. Therefore it is preferred used for the analysis of binary substance mixtures; here it is then used to measure the concentration of a substance in one other suitable.  

Es ist bekannt, daß sich die Schallgeschwindigkeit c mit der Dichte der schallübertragenden Fluide ändert. Für Flüssigkeiten gilt nach L. Bergmann, Der Ultraschall, Hirzel-Verlag, Stuttgart (1954) folgender ZusammenhangIt is known that the speed of sound c changes with the density of the sound-transmitting fluids. The following relationship applies to liquids according to L. Bergmann, Der Ultrasound, Hirzel-Verlag, Stuttgart (1954)

mitWith

c = Schallgeschwindigkeit,
D = Dichte der Flüssigkeit und
k = Apparatekonstante.
c = speed of sound,
D = density of the liquid and
k = apparatus constant.

Diese Gesetzmäßigkeit kann zur Messung der Dichte ausgenutzt werden, indem die Schallgeschwindigkeit über eine feste Laufstrecke gemessen wird. Die Messung der Schallgeschwindigkeit wird u. a. zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten in Rohrleitungen verwendet. Hierbei wird ein Ultraschall-Impuls über eine definierte Laufstrecke l übertragen. Aus der Laufzeit t kann die Schallgeschwindigkeit ermittelt werden,This law can be used to measure density by measuring the speed of sound over a fixed distance. The measurement of the speed of sound is used, among other things, to measure the flow velocity of liquids in pipelines. Here, an ultrasound pulse is transmitted over a defined distance l . The speed of sound can be determined from the transit time t

d. h. die Dichte ergibt sich zud. H. the density results in

mit einer Apparatekonstanten K. with an apparatus constant K.

Einen großen Störeinfluß auf die Schallgeschwindigkeit c hat die Temperatur T. Nach L. Bergmann, Der Ultraschall, Hirzel-Verlag (1954), Seite 373, besteht für Wasser in etwa ein quadratischer Zusammenhang mit einem Maximum bei etwa 74°CThe temperature T has a large disturbing influence on the speed of sound c . According to L. Bergmann, Der Ultrasound, Hirzel-Verlag (1954), page 373, there is roughly a quadratic relationship for water with a maximum at about 74 ° C

d. h. die relative Änderung der Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur beträgt etwad. H. the relative change in the speed of sound with the Temperature is about

Das bedeutet, daß sich die Dichte wegen des quadratischen Zusammenhangs ebenfalls mit der Temperatur ändert.This means that the density changes due to the quadratic Also changes with temperature.

Hieraus ergibt sich, daß bei einer Vorrichtung zur Dichtemessung mit Ultraschall der Einfluß der Temperatur berücksichtigt werden muß, d. h. die Temperatur muß erfaßt werden. Weiterhin ist ein Einfluß des Drucks auf die Schallgeschwindigkeit vorhanden, der ebenfalls berücksichtigt werden muß. In der Praxis wird man die Dichtemessung auf einen festgelegten Zustand beziehen, beispielsweise bei Gasen auf den Normzustand.It follows from this that in a device for density measurement the influence of temperature can be taken into account with ultrasound must, d. H. the temperature must be recorded. Furthermore is a Influence of pressure on the speed of sound must also be taken into account. In practice you become one Relate density measurement to a specified state, for example for gases to the normal state.

Die Verfahren zur direkten Laufzeitmessung erfordern prinzipiell einen relativ geringen Aufwand an elektronischen Mitteln. Da aber die Laufzeit sehr genau erfaßt werden muß, sind erhebliche elektronische Mittel zur Erzeugung und zum Empfang des Ultraschall-Impulses notwendig. Der Sende- und der Empfangszeitpunkt muß sehr genau detektiert werden. Hierzu ist ein sehr genauer Zähler erforderlich, wobei der Triggerpunkt des Sende- und Empfangssignals, der die Start- und Stoppzeit eines Zählers steuert, mit hoher Genauigkeit erfaßt werden muß. In principle, the methods for direct transit time measurement require a relatively small amount of electronic means. Here but the term must be recorded very precisely, are considerable electronic Means for generating and receiving the ultrasound pulse necessary. The time of transmission and reception must be very be accurately detected. This is a very accurate counter required, the trigger point of the transmit and receive signal, that controls the start and stop time of a counter with high accuracy must be detected.  

Beim Senden, Übertragen und Empfangen der endlichen akustischen Schwingungsbündel sind im Sender, Fluid und Empfänger maßgeblich physikalische Einschwingvorgänge beteiligt. Die Amplitude und damit die Intensität steigt allmählich von Null aus, d. h. aus dem Rauschen, über mehrere Schwingungen bis zu einem Maximum an. Weiterhin können Dichteunterschiede durch Schlieren oder Schwebeteilchen im Fluid, beispielsweise Blasen und feste Partikel, den Ultraschallstrahl derart streuen oder absorbieren, daß der Empfangsimpuls verschliffen wird oder daß der Empfangswandler überhaupt kein Signal mehr empfängt. Beim Impuls-Verfahren ist der Triggerpunkt nur dann genügend reproduzierbar, wenn er so gelegt wird,When sending, transmitting and receiving the finite acoustic Vibration bundles are decisive in the transmitter, fluid and receiver physical transient processes involved. The amplitude and so that the intensity gradually increases from zero, i.e. H. out the noise over several vibrations up to a maximum. Differences in density can also be caused by streaks or suspended particles in the fluid, for example bubbles and solid particles Scatter or absorb the ultrasound beam in such a way that the Receive pulse is ground or that the receive converter no longer receives any signal. With the impulse method is the trigger point can only be reproduced sufficiently if it is so is placed,

  • - daß er immer über dem thermischen Rauschen der Ultraschallwandler und der elektronischen Mittel liegt,- That it is always above the thermal noise of the ultrasonic transducer and the electronic means,
  • - daß er immer über möglichen akustischen und elektromagnetischen Störungen liegt und- that he is always aware of possible acoustic and electromagnetic Interference lies and
  • - daß er in einem möglichst steilen Teil der Schwingungsamplitude liegt.- That it is in the steepest possible part of the vibration amplitude lies.

Der wesentliche Nachteil des Impulsverfahrens ist jedoch, daß die gemessene Impuls-Laufzeit wegen der oben besprochenen Einschwingvorgänge länger ist als die tatsächliche Impuls-Laufzeit in der Ultraschall-Laufstrecke. Dies kann nur unzureichend bei der Auswertung durch einen konstanten Betrag berücksichtigt werden.The main disadvantage of the pulse method, however, is that the measured pulse transit time due to the settling processes discussed above is longer than the actual pulse duration in the Ultrasound running track. This can be insufficient at the Evaluation by a constant amount can be taken into account.

Trotz erheblicher elektronischer Maßnahmen, wie Unterdrückung offensichtlich falscher Meßwerte, läßt sich eine ausreichende Meßgenauigkeit nur unzureichend erfüllen. Der große Nachteil der Störanfälligkeit durch Blasen bzw. feste Partikel im Fluid ist jedoch prinzipiell nicht zu beseitigen.Despite considerable electronic measures such as suppression obviously wrong measurements, can be sufficient Inadequate accuracy of measurement. The big disadvantage of Bubble or solid particles in the fluid are prone to failure in principle, however, not to be eliminated.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen der Dichte bzw. Konzentration eines homogenen oder inhomogenen Fluids mit Hilfe von Ultraschall-Schwingungen der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die Schallgeschwindigkeit im Fluid gemessen wird, die Triggerung des Empfangssignals nicht in das Meßergebnis eingeht und kurzzeitige Dichteunterschiede im Fluid selbsttätig ausgemittelt werden. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The present invention has for its object a Device for measuring the density or concentration of a homogeneous or inhomogeneous fluids with the help of ultrasonic vibrations of the type mentioned at the beginning, in which the Speed of sound is measured in the fluid, triggering the Received signal is not included in the measurement result and brief  Differences in density in the fluid are automatically averaged. This task is characterized by the characteristics of the Claim 1 solved.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Messung der Schallgeschwindigkeit zur Dichtemessung geeignet ist, indem man die Laufzeit indirekt durch Erzeugen einer Folgefrequenz erfassen kann, wobei ein im Empfangswandler ankommendes Ultraschall-Signal beim Sendewandler unmittelbar die Aussendung eines weiteren Ultraschall-Signals auslöst. Die Folgefrequenz ist umgekehrt proportional zur Signallaufzeit durch das Fluid. Der große Vorteil dieses Folgefrequenz-Verfahrens ist die Mittelung bei der Frequenzmessung. Eine Frequenzmessung erfolgt i. a. durch das Öffnen eines Tores für eine definierte Meßzeit und dem Auszählen der einlaufenden Signalperioden. Es wird eine mittlere Periodendauer über die Meßzeit gebildet. Dies hat den großen Vorteil, daß kurzzeitige Störungen der Ultraschall-Übertragung durch Blasen bzw. Partikel nur wenig in die Messung eingehen.The present invention is based on the knowledge that the Measurement of the speed of sound is suitable for density measurement, by changing the runtime indirectly by generating a repetition frequency can detect, an arriving in the receive converter Ultrasound signal at the transmitter transducer immediately the transmission triggers another ultrasound signal. The repetition rate is inversely proportional to the signal propagation time through the fluid. The big advantage of this repetition frequency method is the averaging in frequency measurement. A frequency measurement is usually carried out. a. by opening a gate for a defined measuring time and Counting the incoming signal periods. It will be a medium one Period formed over the measuring time. This has the big one Advantage that short-term interference in the ultrasound transmission do not enter the measurement due to bubbles or particles.

In einer ersten Ausgestaltung des Meßverfahrens werden Ultraschall-Impulsfolgen als Ultraschall-Signal verwendet. Bei diesem an sich bekannten Impuls-Folgefrequenz-Verfahren werden pulsförmige Ultraschall-Schwingungsbündel von einem Sendewandler zu einem Empfangswandler übertragen. Der Empfänger meldet den Empfang des Ultraschallpulses durch ein elektrisches Signal an die Sendeelektronik, die am Sendewandler den nächsten Ultraschallpuls auslöst usw. Der Abstand der einzelnen Impulse untereinander ist gleich der Laufzeit der Ultraschallpulse durch das Fluid; hierzu wird die Impuls-Folgefrequenz gemessen. Nachteilig bei diesem Impuls-Folgefrequenz-Verfahren ist die Tatsache, daß der Triggerpunkt durch die Einschwingvorgänge in den Wandlern und im Fluid zu einer Verlängerung der gemessenen Impuls-Laufzeiten führen. In a first embodiment of the measuring method, ultrasound pulse trains used as an ultrasonic signal. With this pulse repetition methods known per se become pulse-shaped Ultrasonic vibration beams from a transmitter transducer too transmitted to a receive converter. The recipient reports the Receipt of the ultrasound pulse by an electrical signal the transmitter electronics, the next ultrasound pulse at the transmitter transducer triggers etc. The distance between the individual pulses the transit time of the ultrasound pulses is equal to one another the fluid; the pulse repetition frequency is measured for this. The disadvantage of this pulse repetition frequency method is that The fact that the trigger point is caused by the transients in the transducers and in the fluid to extend the measured Lead impulse transit times.  

Einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man die Vorteile des Impuls-Folgefrequenz-Verfahrens beibehalten kann, ohne gleichzeitig dessen Nachteile übernehmen zu müssen, wenn man das Ultraschallsignal dauernd überträgt. Bei einem dauernden Senden von Ultraschall-Schwingungen durch das Fluid entfällt die Notwendigkeit einer Triggerung, da keine endlichen Schwingungsbündel gesendet werden. Bei einer Unterbrechung oder Störung der Ultraschall-Schwingungen durch das Fluid infolge Blasen oder Partikel fällt die Messung für diese Unterbrechungszeit aus bzw. wird gestört. Bei einem Dauerton-Verfahren werden danach jedoch sofort wieder korrekte Messungen durchgeführt.The knowledge lies in a further embodiment of the invention based on the fact that the advantages of the pulse repetition frequency method can maintain without its disadvantages having to take over if you keep the ultrasound signal going transmits. With continuous transmission of ultrasonic vibrations the fluid eliminates the need for triggering, since no finite vibration bundles are sent. At an interruption or disturbance of the ultrasonic vibrations the measurement falls due to the fluid due to bubbles or particles for this interruption time or is disturbed. At a However, continuous tone procedures immediately become correct again Measurements carried out.

Die genannte Aufgabe wird mit dem Dauerton-Verfahren dadurch gelöst, daß die Ultraschall-Strecke mit dauernd gesendeten Ultraschall-Schwingungen einer einzigen Frequenz den akustischen Teil des Mitkopplungszweiges eines elektroakustischen Oszillators bildet und die Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Folgefrequenz ist. Bei dieser Variante ist also die Frequenz der Ultraschall-Schwingungen starr mit der Folgefrequenz des elektroakustischen Oszillators gekoppelt.This task is achieved with the continuous tone process solved that the ultrasonic route with constantly sent Ultrasonic vibrations of a single frequency the acoustic Part of the positive feedback branch of an electroacoustic oscillator forms and the frequency an integer multiple of the repetition frequency is. In this variant, the frequency of the ultrasonic vibrations is rigid with the repetition frequency of the electroacoustic Oscillator coupled.

Ein Oszillator besteht prinzipiell aus einem Verstärker mit der komplexen Verstärkung V und einem Mitkopplungsnetzwerk mit dem komplexen Kopplungsfaktor K. Eine solche Anordnung ist dann schwingfähig, wenn die allgemeine SchwingbedingungAn oscillator basically consists of an amplifier with the complex gain V and a positive feedback network with the complex coupling factor K. Such an arrangement is capable of oscillation if the general oscillation condition

V · K = 1 V · K = 1

erfüllt ist. Die Frequenz, mit der ein solcher Oszillator schwingt, d. h. die Resonanzfrequenz des Oszillators, ist von den Eigenschaften des Mitkopplungsnetzwerks und des Verstärkers abhängig. Die Periodendauer der Grundschwingung, d. h. die niedrigste Resonanzschwingung, ist gleich der Laufzeit des Signals durch die Schleife, bestehend aus Verstärker (Laufzeit t e ) und Mitkopplungsnetzwerk (Laufzeit t); d. h.is satisfied. The frequency with which such an oscillator oscillates, ie the resonance frequency of the oscillator, depends on the properties of the positive feedback network and the amplifier. The period of the basic oscillation, ie the lowest resonance oscillation, is equal to the transit time of the signal through the loop, consisting of amplifier (transit time t e ) and positive feedback network (transit time t) ; ie

t′ = t + t e . t ′ = t + t e .

Bei dem erfindungsgemäßen elektroakustischen Oszillator bildet das Mitkopplungsnetzwerk den Sendewandler, die Ultraschall-Laufstrecke und den Empfangswandler, so daß nur t von der Schallgeschwindigkeit c und damit von der Dichte d abhängig ist. Die Resonanzfrequenz dieses OszillatorsIn the electroacoustic oscillator according to the invention, the positive feedback network forms the transmitter transducer, the ultrasound travel path and the receiver transducer, so that only t is dependent on the speed of sound c and thus on the density d . The resonance frequency of this oscillator

mit dem akustischen Mittkopplungszweig ist somit gleich der Folgefrequenz, die durch die Laufzeit t eines akustischen Signals durch das Fluid und der zusätzlichen elektronischen Signallaufzeit t e durch die notwendigen elektronischen Mittel gegeben ist. Bei praktischen Ausführungsbeispielen mit Wasser als Fluid und mit Wandlerabständen von einigen Zentimetern bis zu einigen Metern liegen die Folgefrequenzen im Bereich von einigen 100 Kilohertz bis herab zu einigen Kilohertz. In diesen Frequenzbereichen besitzen elektroakustische Wandler relativ große Abmessungen und schlechte Übertragungseigenschaften. Weiterhin ist ein Meßverfahren in diesem Frequenzbereich wegen möglicher akustischer äußerer Einflüsse störanfällig. Aus diesem Grunde werden in dieser Erfindung Ultraschall-Schwingungen wesentlich höherer Frequenzen zur akustischen Signalübertragung verwendet. Für Frequenzen über etwa 100 Kilohertz bis zu einigen Megahertz stehen piezoelektrische Ultraschall-Wandler mit brauchbaren Abmessungen und mit geeigneten elektroakustischen Eigenschaften zur Verfügung. Da die elektroakustischen Wandler Bandpaß-Charakter besitzen, wird nicht die Grundfrequenz, sondern eine Oberwelle angeregt, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz beträgt. with the acoustic coupling branch is therefore equal to the repetition frequency which is given by the time t of an acoustic signal through the fluid and the additional electronic signal time t e by the necessary electronic means. In practical exemplary embodiments with water as a fluid and with transducer distances of a few centimeters to a few meters, the repetition frequencies are in the range from a few 100 kilohertz down to a few kilohertz. In these frequency ranges, electroacoustic transducers have relatively large dimensions and poor transmission properties. Furthermore, a measuring method in this frequency range is susceptible to interference due to possible acoustic external influences. For this reason, ultrasound vibrations of significantly higher frequencies are used for acoustic signal transmission in this invention. Piezoelectric ultrasonic transducers with usable dimensions and with suitable electroacoustic properties are available for frequencies above about 100 kilohertz up to a few megahertz. Since the electroacoustic transducers have a bandpass character, it is not the fundamental frequency that is excited, but a harmonic whose frequency is an integral multiple of the fundamental frequency.

In einer ersten Ausgestaltung werden die Folgefrequenz-Schwingungen des elektroakustischen Oszillators zwischen dem Ausgang des elektronischen Verstärkers und dem Sendewandler mit einem elektronischen Multiplizierer um einen festen Faktor N vervielfacht und zwischen dem Empfangswandler und Eingang des elektronischen Verstärkers mit einem elektronischen Teiler durch diesen festen Faktor N dividiert. Auf diese Weise entsteht eine mitgekoppelte Verstärkerschleife, bei der am Verstärker-Eingang und am Verstärker-Ausgang Schwingungssignale mit der Folgefrequenz entstehen. Die vervielfachte Folgefrequenz ist besonders vorteilhaft, daß die Meßzeit zur Bestimmung der N-fachen Frequenz bei gleicher Genauigkeit des Meßergebnisses um den Faktor N kürzer sein kann als bei der direkten Auswertung der einfachen Folgefrequenz.In a first embodiment, the repetitive frequency oscillations of the electroacoustic oscillator between the output of the electronic amplifier and the transmitter converter are multiplied by a fixed factor N with an electronic multiplier and divided by this fixed factor N between the receive converter and input of the electronic amplifier with an electronic divider . In this way, a coupled amplifier loop is created, in which oscillation signals with the repetition frequency are generated at the amplifier input and at the amplifier output. The multiplied repetition frequency is particularly advantageous in that the measurement time for determining the N -fold frequency can be shorter by a factor N for the same accuracy of the measurement result than in the direct evaluation of the simple repetition frequency.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der elektronische Verstärker des elektroakustischen Oszillators durch eine Phasenregelschleife (PLL - phase locked loop) ersetzt werden, wobei die Phasenregelschleife im Eingang aus einem Phasendetektor, einem nachfolgenden Tiefpaßfilter oder PI-Regler und am Ausgang aus einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO - voltage controlled oscillator) besteht. Die Phasenregelschleife mit einer internen Signalrückführung vom Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators auf den einen Eingang des Phasendetektors wird derart vom Phasendetektor geregelt, daß sich an den beiden Eingängen des Phasendetektors unter allen Bedingungen eine konstante Phasenlage zwischen den beiden Eingangssignalen einstellt, indem die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators nachgeregelt wird. Frequenzbestimmend ist wieder die Laufzeit durch die Ultraschallstrecke, bestehend aus Sendewandler, Koaxialkabel, akustischer Laufstrecke und Empfangswandler. Der große Vorteil einer Phasenregelschleife besteht darin, daß die Freilauffrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators in die Nähe der Folgefrequenz gelegt werden kann. Hierdurch erreicht man ein sicheres Anschwingen des elektroakustischen Oszillators mit der Folgefrequenz. Zusätzliche Anschwinghilfen sind nicht notwendig, d. h. auch bei kurzzeitiger Unterbrechung der Ultraschall-Meßstrecke durch Blasen oder Partikel ist ein sofortiges Einschwingen auf die Folgefrequenz gewährleistet.In a preferred embodiment of the invention, the electronic Amplifier of the electroacoustic oscillator replaced a phase locked loop (PLL) be, the phase locked loop in the input from a Phase detector, a downstream low-pass filter or PI controller and at the output from a voltage controlled oscillator (VCO - voltage controlled oscillator). The phase locked loop with an internal signal feedback from the output of the voltage controlled Oscillator on one input of the phase detector is regulated by the phase detector in such a way that the two Inputs of the phase detector under all conditions sets a constant phase position between the two input signals, by the frequency of the voltage controlled oscillator is adjusted. Frequency is again the term that determines the frequency through the ultrasonic path, consisting of a transmitter, Coaxial cable, acoustic route and reception converter. The great advantage of a phase locked loop is that the Freewheeling frequency of the voltage-controlled oscillator nearby the repetition frequency can be set. This way you reach a safe oscillation of the electroacoustic oscillator with the Repetition rate. Additional start-up aids are not necessary, d. H. even if the ultrasonic measuring section is briefly interrupted  through bubbles or particles is an immediate settling guaranteed to the repetition frequency.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Multiplikation der Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators auf das N-fache der Folgefrequenz mit einem Teiler oder Dividierer im internen Rückkopplungszweig der Phasenregelschleife. Zusätzlich kann vor dem zweiten, externen Eingang des Phasendetektors ein zweiter elektronischer Teiler angeordnet sein. Der große Vorteil dieser Anordnung ist der relativ geringe elektronische Aufwand, da solche elektronischen Bauelemente in großer Auswahl als integrierte Schaltkreise erhältlich sind.In a further embodiment of the invention, the output frequency of the voltage-controlled oscillator is multiplied to N times the repetition frequency by a divider or divider in the internal feedback branch of the phase locked loop. In addition, a second electronic divider can be arranged in front of the second, external input of the phase detector. The great advantage of this arrangement is the relatively low electronic complexity, since a large selection of such electronic components is available as integrated circuits.

Die Folgefrequenz ist auch hier abhängig von den Laufzeiten des Signals durch die elektrischen und elektronischen Baugruppen, wie dem elektroakustischen Sendewandler, dem elektroakustischen Empfangswandler und eventuell vorhandener Teiler, Verstärker usw. Diese zusätzlichen elektronischen Laufzeiten können durch einen elektronischen Phasenschieber in der internen Signalrückführung der Phasenregelschleife in der Wirkung auf die sich einstellende Folgefrequenz kompensiert werden. Die elektronische Signallaufzeit durch die interne Signalrückführung am elektronischen Phasenschieber sollte gerade so groß eingestellt werden, wie die elektronische Signallaufzeit durch die externe Signalrückführung über die elektroakustischen Wandler, Koaxialkabel, Teiler und Verstärker usw. Dadurch wird erreicht, daß die Folgefrequenz nicht mehr von den elektronischen Signallaufzeiten abhängig ist, sondern nur noch von der Signallaufzeit durch die akustische Meßstrecke mit dem dichte- bzw. schallgeschwindigkeitsabhängigen Fluid. Dies ist besonders vorteilhaft, da keine zusätzlichen elektronischen Korrekturen bei der Berechnung der Dichte aus der Laufzeit über die akustische Schallmeßstrecke durchgeführt werden müssen. Der elektronische Phasenschieber sollte das Signal für alle Frequenzen im Frequenzarbeitsbereich des spannungsgesteuerten Oszillators um eine konstante Phase verschieben, bzw. um eine konstante Zeitdauer verzögern. The repetition frequency also depends on the running times of the Signals through the electrical and electronic assemblies, such as the electroacoustic transmission transducer, the electroacoustic reception transducer and any existing divider, amplifier, etc. These additional electronic terms can be obtained through a electronic phase shifter in the internal signal feedback the phase-locked loop in the effect on the resulting Repetition rate can be compensated. The electronic signal runtime due to the internal signal feedback on the electronic Phase shifters should be set just as large as that electronic signal transit time through the external signal feedback via the electroacoustic transducers, coaxial cables, dividers and Amplifier, etc. This ensures that the repetition frequency is no longer dependent on the electronic signal transit times, but only from the signal runtime through the acoustic Measuring section with the density or sound velocity dependent Fluid. This is particularly advantageous since there are no additional ones electronic corrections when calculating the density from the Running time can be carried out over the acoustic sound measuring section have to. The electronic phase shifter should be the signal for all frequencies in the frequency working range of the voltage controlled Shift oscillator by a constant phase, or by one delay constant time.  

Bewegt sich das Fluid in der Ultraschall-Meßstrecke, so ändert sich die Schallgeschwindigkeit infolge des Mitführungseffektes des sich bewegenden Übertragungsmediums. Sendet man das Ultraschallsignal sowohl in Vorwärtsrichtung als auch in die Rückwärtsrichtung der Ultraschall-Meßstrecke, so wird die Störung durch die Fluidbewegung einmal addiert und einmal subtrahiert, d. h. es ergibt sich die Folgefrequenz in VorwärtsrichtungIf the fluid moves in the ultrasonic measuring section, changes the speed of sound due to the entrainment effect of the moving transmission medium. Send the ultrasound signal both forward and backward the ultrasonic measuring section, so the fault added and subtracted once by the fluid movement, d. H. the forward frequency results

und die Folgefrequenz in Rückwärtsrichtungand the repetition rate in the reverse direction

Addiert man die beiden gemessenen Folgefrequenzen in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung, so wird die Störung durch die Fluidbewegung eliminiert, d. h. es ergibt sichIf you add the two measured repetition frequencies in the forward direction and in the reverse direction, the interference is caused by the Fluid movement eliminated, i. H. it results

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The present invention is described below with the aid of exemplary embodiments explained in more detail.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Messung der dichteabhängigen Schallgeschwindigkeit nach dem Impuls-Folgefrequenz-Verfahren. Fig. 1 shows the basic structure of a device for measuring the density-dependent speed of sound according to the pulse repetition frequency method.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines elektroakustischen Oszillators zur Folgefrequenz-Messung der dichteabhängigen Schallgeschwindigkeit mit einer elektroakustischen Meßstrecke 1, 3, 2 als Mitkopplungsnetzwerk eines elektronischen Verstärkers. Fig. 2 shows the basic structure of an electro-acoustic oscillator for frequency measurement result of the density-dependent velocity of sound with an electro-acoustic measurement path 1, 3, 2 as the positive feedback network of an electronic amplifier.

Fig. 2a zeigt den prinzipiellen Aufbau eines elektroakustischen Oszillators nach Fig. 2 mit einem elektronischen Multiplizierer und einem elektronischen Teiler für eine Frequenz der akustischen Schwingungen, die ein N-faches der Folgefrequenz beträgt. FIG. 2a shows the basic structure of an electroacoustic oscillator according to FIG. 2 with an electronic multiplier and an electronic divider for a frequency of the acoustic oscillations which is N times the repetition frequency.

Fig. 2b zeigt den prinzipiellen Aufbau eines elektroakustischen Oszillators nach Fig. 2 mit einem oder zwei Bandpaß-Filtern für eine Frequenz der akustischen Schwingungen, die ein N-faches der Folgefrequenz beträgt. FIG. 2b shows the basic structure of an electroacoustic oscillator according to FIG. 2 with one or two bandpass filters for a frequency of the acoustic vibrations which is N times the repetition frequency.

Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines elektroakustischen Oszillators nach Fig. 2 mit einer Phasenregelschleife als elektronischen Verstärker. FIG. 3 shows the basic structure of an electroacoustic oscillator according to FIG. 2 with a phase locked loop as an electronic amplifier.

Fig. 3a zeigt den prinzipiellen Aufbau eines elektroakustischen Oszillators nach Fig. 3 mit ein oder zwei elektronischen Teilern und einem elektronischen Phasenschieber. Fig. 3a shows the basic structure of an electro-acoustic oscillator of Fig. 3 with one or two electronic dividers and an electronic phase shifter.

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels zur Messung der dichte- bzw. konzentrationsabhängigen Schallgeschwindigkeit nach dem Impuls-Folgefrequenz-Verfahren mit einer elektroakustischen Meßstrecke. Diese elektroakustische Meßstrecke besteht aus einem elektroakustischen Sendewandler 1, der Ultraschall-Schwingungen über die Länge l der akustischen Meßstrecke 3 zu einem elektroakustischen Empfangswandler 2 überträgt. Die elektronische Sende-Einheit 4 erzeugt mit dem Sendewandler 1 einen Ultraschall-Puls, der über die Meßstrecke 3 mit der dichteabhängigen Schallgeschwindigkeit zum elektroakustischen Empfangswandler 2 in der Laufzeit t übertragen wird. Im Empfangswandler 2 wird ein elektrisches Signal gebildet und in die elektronische Empfangs-Einheit 5 geleitet, in der der Zeitpunkt des Empfangs durch Triggerung des Empfangssignals gewonnen wird. Zu diesem Triggerzeitpunkt wird in der Empfangs-Einheit 5 ein Triggersignal erzeugt, das über die Leitung 6 in der Sende-Einheit 4 einen neuen Sende-Puls auslöst. Dieser Sende-Puls durchläuft in derselben Weise den dargestellten Aufbau. Fig. 1 shows the basic structure of an embodiment for measuring the density or concentration-dependent speed of sound according to the pulse repetition frequency method with an electroacoustic measuring section. This electroacoustic measuring section consists of an electroacoustic transmission transducer 1 , which transmits ultrasonic vibrations over the length l of the acoustic measuring section 3 to an electroacoustic receiving transducer 2 . The electronic transmitter unit 4 uses the transmitter converter 1 to generate an ultrasound pulse, which is transmitted over the measuring section 3 with the density-dependent speed of sound to the electroacoustic receiver converter 2 in the transit time t . An electrical signal is formed in the reception converter 2 and passed into the electronic reception unit 5 , in which the time of reception is obtained by triggering the reception signal. At this trigger time, a trigger signal is generated in the reception unit 5 , which triggers a new transmission pulse via the line 6 in the transmission unit 4 . This transmit pulse runs through the structure shown in the same way.

Der Ablauf dieses Impuls-Folgefrequenz-Verfahrens wiederholt sich fortlaufend. Die Impuls-Folgefrequenz liegt an der Verbindungsleitung 6 an und wird mit einem nicht dargestellten Zähler gemessen, wobei die Periodendauer der Impuls-Folgefrequenz gleich der Impuls-Laufzeit t durch die akustische Meßstrecke 3 und der elektronischen Laufzeiten t e durch die elektroakustischen Wandler 1 und 2, die zugehörigen Leitungen, die Sende-Einheit 4 und die Empfangs-Einheit 5 ist.The sequence of this pulse repetition frequency procedure is repeated continuously. The pulse repetition frequency is present on the connecting line 6 and is measured with a counter (not shown), the period of the pulse repetition frequency being equal to the pulse transit time t through the acoustic measuring path 3 and the electronic transit times t e through the electroacoustic transducers 1 and 2 , the associated lines, the transmitter unit 4 and the receiver unit 5 .

In einer nicht dargestellten Auswerte-Einheit, beispielsweise einem Mikrorechner, wird die Impuls-Folgefrequenz in einen Zahlenwert für die Schallgeschwindigkeit bzw. für die zugehörige Dichte bzw. für eine Konzentration umgerechnet, evtl. unter Berücksichtigung der elektronischen Signallaufzeiten.In an evaluation unit, not shown, for example a microcomputer, the pulse repetition frequency is converted into one Numerical value for the speed of sound or for the associated one Density or converted for a concentration, possibly under Consideration of the electronic signal transit times.

Der erste Impuls zum Erzeugen der Impuls-Folgefrequenz muß mit einer nicht dargestellten Impulsstufe auf die Leitung 6 erfolgen. Der Nachteil dieses Impuls-Folgefrequenz-Verfahrens ist, daß die Impulsfolge in der akustischen Meßstrecke 3 durch Blasen oder Partikel leicht unterbrochen werden kann. Auch in diesem Fall muß die Impulsfolge wieder mit der Impulsstufe angeregt werden. Hierzu ist noch eine nicht dargestellte Auswerteschaltung notwendig, die das Vorhandensein der regelmäßigen Impulsfolge detektiert und bei Fehlen der Impulsfolge die Impulsstufe zur Abgabe eines Impulses anregt. Diese Unterbrechungen der Impulsfolge kann zu erheblichen Störungen und zu Meßfehlern führen.The first pulse for generating the pulse repetition frequency must take place on line 6 with a pulse stage, not shown. The disadvantage of this pulse repetition frequency method is that the pulse train in the acoustic measuring section 3 can be easily interrupted by bubbles or particles. In this case too, the pulse train must be excited again with the pulse stage. For this purpose, an evaluation circuit (not shown) is required, which detects the presence of the regular pulse sequence and, in the absence of the pulse sequence, stimulates the pulse stage to emit a pulse. These interruptions in the pulse train can lead to considerable disturbances and measurement errors.

Die Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines elektroakustischen Oszillators zur Messung der dichte- bzw. konzentrationsabhängigen Schallgeschwindigkeit nach dem Dauerton-Folgefrequenz-Verfahren mit einer elektroakustischen Meßstrecke 1, 3, 2 als Mitkopplungsnetzwerk eines elektronischen Folgefrequenz-Verstärkers 7. Diese elektroakustische Meßstrecke 1, 3, 2 hat den Aufbau und die Wirkungsweise nach Fig. 1. Der Eingang des Folgefrequenz-Verstärkers 7 ist mit dem elektroakustischen Wandler 2 verbunden. Das empfangene Signal des Wandlers 2 wird im Verstärker 7 verstärkt, auf den elektroakustischen Sendewandler 1 geleitet und als akustische Schwingungen über die akustische Meßstrecke 3 gesendet. Fig. 2 shows the basic structure of an electro-acoustic oscillator for measuring the density or concentration-dependent speed of sound for the continuous repetition rate process with an electro-acoustic measurement path 1, 3, 2 as the positive feedback network of an electronic repetition frequency amplifier 7. This electroacoustic measuring section 1, 3, 2 has the structure and mode of operation according to FIG. 1. The input of the repetition frequency amplifier 7 is connected to the electroacoustic transducer 2 . The received signal from the transducer 2 is amplified in the amplifier 7 , passed to the electroacoustic transmitter transducer 1 and sent as acoustic vibrations via the acoustic measuring section 3 .

Wird die Schwingbedingung erfüllt, wird dieser elektroakustische Oszillator selbständig mit seiner Resonanzfrequenz zu Schwingungen angeregt, deren Periodendauer mit der Signallaufzeit durch die elektroakustische Meßstrecke bestehend aus der akustischen Meßstrecke 3, den Wandlern 1 und 2 und den Signalleitungen und durch den Verstärker 7 gegeben ist. Wegen des Bandpaß-Verhaltens der Wandler 1 und 2 können auch Oberwellen dieser Grundfrequenz angeregt werden. Die Auswertung dieser Dauerton-Folgefrequenz erfolgt mit denselben Mitteln wie nach Fig. 1. Bei einer Unterbrechung der akustischen Meßstrecke 3 durch Blasen oder Partikel werden die Resonanzschwingungen nur für diese Zeit unterbrochen. Nach Beseitigung der Unterbrechung schwingt der elektroakustische Oszillator ohne Anschwinghilfe wieder an; dies ist der große Vorteil gegenüber der Vorrichtung nach Fig. 1.If the oscillation condition is met, this electroacoustic oscillator is automatically excited to oscillate at its resonance frequency, the period duration of which is given by the electroacoustic measuring section consisting of the acoustic measuring section 3 , the transducers 1 and 2 and the signal lines and by the amplifier 7 . Because of the bandpass behavior of transducers 1 and 2 , harmonics of this fundamental frequency can also be excited. This continuous tone repetition frequency is evaluated using the same means as in FIG. 1. If the acoustic measuring section 3 is interrupted by bubbles or particles, the resonance vibrations are only interrupted for this time. After the interruption has been eliminated, the electroacoustic oscillator starts up again without a starting aid; this is the great advantage over the device according to FIG. 1.

Die Fig. 2a zeigt den prinzipiellen Aufbau eines elektroakustischen Oszillators nach Fig. 2, bei dem die Frequenz der Ultraschall-Schwingungen das N-fache der Folgefrequenz beträgt. Mit einem elektronischen Multiplizierer 8 zwischen dem Ausgang des elektronischen Folgefrequenz-Verstärkers 7 und dem elektroakustischen Sendewandler 1 wird die Folgefrequenz um den Faktor N vervielfacht. Da die Folgefrequenz i. a. im unteren Kilohertz-Bereich liegt, können durch diese Vervielfachung Ultraschall-Wandler im oberen Kilohertz- bis unteren Megahertz-Bereich eingesetzt werden. Ultraschall-Wandler haben im oberen Kilohertz- bis unteren Megahertz-Bereich sehr gute Übertragungseigenschaften und sind relativ einfach herzustellen. Mit einem elektronischen Dividierer 9 zwischen dem elektroakustischen Empfangswandler 2 und dem Eingang des elektronischen Verstärkers 7 wird die vervielfachte Folgefrequenz durch den Teilfaktor N geteilt, so daß am Eingang des Verstärkers 7 wieder ein Wechselsignal mit der Folgefrequenz anliegt. Der Faktor N wird so gewählt, daß die vervielfachte Folgefrequenz im optimalen Übertragungsfrequenzbereich der Wandler 1 und 2 liegt. Die Eigenschaften des elektroakustischen Oszillators sind dieselben wie die nach Fig. 2. FIG. 2a shows the basic structure of an electroacoustic oscillator according to FIG. 2, in which the frequency of the ultrasonic vibrations is N times the repetition frequency. With an electronic multiplier 8 between the output of the electronic repetition rate amplifier 7 and the electroacoustic transmission converter 1 , the repetition rate is multiplied by a factor of N. Since the repetition frequency is generally in the lower kilohertz range, this multiplication means that ultrasound transducers in the upper kilohertz to lower megahertz range can be used. Ultrasonic transducers in the upper kilohertz to lower megahertz range have very good transmission properties and are relatively easy to manufacture. With an electronic divider 9 between the electroacoustic reception converter 2 and the input of the electronic amplifier 7 , the multiplied repetition frequency is divided by the sub-factor N , so that an alternating signal with the repetition frequency is again present at the input of the amplifier 7 . The factor N is chosen so that the multiplied repetition frequency lies in the optimal transmission frequency range of the converters 1 and 2 . The properties of the electroacoustic oscillator are the same as those according to FIG. 2.

Durch diesen Aufbau nach Fig. 2a ist die Frequenz der Ultraschall-Schwingungen in der elektroakustischen Meßstrecke 1, 3, 2 starr mit der Folgefrequenz des elektroakustischen Oszillators gekoppelt.By this construction according to Fig. 2a the frequency of the ultrasonic vibrations in the electro-acoustic measurement path 1, 3, 2 is rigidly coupled to the repetition frequency of the electro-acoustic oscillator.

Die Fig. 2b zeigt den prinzipiellen Aufbau eines elektroakustischen Oszillators nach Fig. 2, bei dem die Resonanzfrequenz des elektroakustischen Oszillators die N-fache Folgefrequenz ist. Mit einem Bandpaßfilter 10 oder 10′ wird die Frequenz-Bandbreite soweit eingeengt, daß nur die N-fache Folgefrequenz über die elektroakustische Meßstrecke 1, 3, 2 übertragen wird, so daß der elektroakustische Oszillator nur mit dieser Frequenz schwingt. Der elektronische Breitbandverstärker 7 muß diese Frequenz verstärken, so daß die Schwingbedingung für den elektroakustischen Oszillator erfüllt ist. FIG. 2b shows the basic structure of an electroacoustic oscillator according to FIG. 2, in which the resonance frequency of the electroacoustic oscillator is N times the repetition frequency. With a bandpass filter 10 or 10 ' , the frequency bandwidth is narrowed to such an extent that only N times the repetition frequency is transmitted via the electroacoustic measuring section 1, 3, 2 , so that the electroacoustic oscillator only oscillates at this frequency. The electronic broadband amplifier 7 must amplify this frequency so that the oscillation condition for the electroacoustic oscillator is fulfilled.

Die Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines elektroakustischen Oszillators, bei dem der elektronische Folgefrequenz-Verstärker 7 nach Fig. 2 durch eine Phasenregelschleife, bestehend aus einem Phasendetektor 11, einem Tiefpaßfilter bzw. PI-Regler 12 und einem spannungsgesteuerten Oszillator 13 gebildet ist. Der eine Eingang des Phasendetektors 11 ist über eine interne Rückführung direkt mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 13 verbunden. Der zweite Eingang des Phasendetektors 11 ist über die externe Rückführung als Mitkopplungsnetzwerk des elektroakustischen Oszillators mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 13 verbunden. Das Mitkopplungsnetzwerk besteht wie nach Fig. 2 aus einem elektroakustischen Wandler 1, der akustischen Meßstrecke 3 und dem elektroakustischen Empfangswandler 2. Bei diesem Aufbau stellt sich eine Folgefrequenz des elektroakustischen Oszillators ein, die dem Kehrwert der Signallaufzeit vom Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 13 über die elektroakustische Meßstrecke 1, 3, 2 bis zum ersten Eingang des Phasendetektors entspricht. Die Signallaufzeit im Phasendetektor 11, im Tiefpaßfilter bzw. PI-Regler 12 und im spannungsgesteuerten Oszillator 13 geht nicht mehr ein. Je nach Wahl der elektroakustischen Wandler 1 und 2 schwingt der elektroakustische Oszillator mit der Grundfrequenz oder einer Oberwelle. Zur Kompensation der elektrischen Signallaufzeiten in den Wandlern 1 und 2 und deren elektrischen Zuleitungen kann in die interne Rückführung ein elektrischer oder elektronischer Phasenschieber 14 eingefügt werden. In diesem Phasenschieber 14 wird das Signal um dieselbe Signallaufzeit verzögert wie die Signallaufzeit in den Wandlern 1 und 2 und deren elektrische Zuleitungen. Als passive Phasenschieber eignen sich im einfachsten Fall Koaxialkabel oder R-C-Laufzeitketten, deren Frequenzverhalten dem der Wandler 1 und 2 und deren elektrischer Zuleitungen entspricht. Der Phasenschieber 14 kann auch in die externe Rückführung des elektroakustischen Oszillators eingefügt werden, dann muß die Phase des Phasenschiebers so eingestellt werden, daß hiermit die Phasenverschiebung durch die elektronischen Signallaufzeiten der elektroakustischen Meßstrecke 1, 3, 2 gerade zur detektierten Phase des Phasendetektors ergänzt wird. FIG. 3 shows the basic structure of an electroacoustic oscillator in which the electronic repetition frequency amplifier 7 according to FIG. 2 is formed by a phase locked loop consisting of a phase detector 11 , a low-pass filter or PI controller 12 and a voltage-controlled oscillator 13 . One input of the phase detector 11 is connected directly to the output of the voltage-controlled oscillator 13 via an internal feedback. The second input of the phase detector 11 is connected to the output of the voltage-controlled oscillator 13 via the external feedback as a positive feedback network of the electroacoustic oscillator. The positive feedback network consists, as in FIG. 2, of an electroacoustic transducer 1 , the acoustic measuring section 3 and the electroacoustic receiving transducer 2 . With this construction, a repetition frequency of the electroacoustic oscillator is set, which corresponds to the reciprocal of the signal transit time from the output of the voltage-controlled oscillator 13 via the electroacoustic measuring section 1, 3, 2 to the first input of the phase detector. The signal delay in the phase detector 11 , in the low-pass filter or PI controller 12 and in the voltage-controlled oscillator 13 is no longer included. Depending on the choice of electroacoustic transducers 1 and 2, the electroacoustic oscillator oscillates at the fundamental frequency or a harmonic. To compensate for the electrical signal propagation times in converters 1 and 2 and their electrical feed lines, an electrical or electronic phase shifter 14 can be inserted into the internal feedback. In this phase shifter 14 , the signal is delayed by the same signal transit time as the signal transit time in the converters 1 and 2 and their electrical leads. In the simplest case, coaxial cables or RC delay chains are suitable as passive phase shifters, whose frequency behavior corresponds to that of converters 1 and 2 and their electrical supply lines. The phase shifter 14 can also be inserted into the external feedback of the electroacoustic oscillator, then the phase of the phase shifter must be set so that the phase shift is supplemented by the electronic signal propagation times of the electroacoustic measuring path 1, 3, 2 to the detected phase of the phase detector.

Fig. 3a zeigt den prinzipiellen Aufbau eines elektroakustischen Oszillators nach Fig. 3, bei dem die Frequenz der akustischen Schwingungen das N-fache der Folgefrequenz beträgt. Mit einem elektronischen Teiler 15 mit dem Teilfaktor N in der internen Rückführung der Phasenregelschleife wird die Folgefrequenz um diesen Faktor N vervielfacht. Diese Multiplikation der Folgefrequenz kann auch mit einem elektronischen Teiler 16 mit dem Teilfaktor N in der externen Rückführung des elektroakustischen Oszillators unmittelbar vor dem zweiten Eingang des Phasendetektors 11 erreicht werden. Es können auch beide Teiler 15 und 16 vorhanden sein; dadurch wird der Phasenjitter des spannungsgesteuerten Oszillators 13 minimal. Bei diesen Anordnungen schwingt der spannungsgesteuerte Oszillator 13 mit der N-fachen Folgefrequenz; die akustischen Schwingungen der elektroakustischen Meßstrecke 1, 3, 2 betragen also das N-fache der Grund-Folgefrequenz. Für die Auswahl der Ultraschall-Wandler und die Vorteile der Anordnung gilt das unter Fig. 2a Gesagte entsprechend. Zur Kompensation der elektronischen Signallaufzeiten in den Wandlern 1 und 2 und deren elektrische Zuleitungen kann wie nach Fig. 3 in die interne oder externe Rückführung des elektroakustischen Oszillators ein elektrischer oder elektronischer Phasenschieber 14 eingefügt werden. Die Ausführung nach Fig. 3a stellt einen bevorzugten Aufbau dar, da hier die Sendefrequenz optimal an die elektroakustischen Wandler angepaßt werden kann und die Folgefrequenz bzw. die Sendefrequenz, d. h. die N-fache Folgefrequenz, nur von der akustischen Meßstrecke 3, d. h. der Schallgeschwindigkeit und der Länge, abhängt. Alle anderen Geräteparameter gehen nicht mehr in die Messung ein. FIG. 3a shows the basic structure of an electroacoustic oscillator according to FIG. 3, in which the frequency of the acoustic vibrations is N times the repetition frequency. The repetition frequency is multiplied by this factor N with an electronic divider 15 with the sub-factor N in the internal feedback of the phase-locked loop. This multiplication of the repetition frequency can also be achieved with an electronic divider 16 with the partial factor N in the external feedback of the electroacoustic oscillator immediately before the second input of the phase detector 11 . Both dividers 15 and 16 can also be present; this minimizes the phase jitter of the voltage controlled oscillator 13 . In these arrangements, the voltage-controlled oscillator 13 oscillates at N times the repetition frequency; the acoustic vibrations of the electroacoustic measuring section 1, 3, 2 are therefore N times the basic repetition frequency. The statements made under Fig. 2a apply accordingly to the selection of the ultrasonic transducers and the advantages of the arrangement. To compensate for the electronic signal propagation times in transducers 1 and 2 and their electrical feed lines, an electrical or electronic phase shifter 14 can be inserted into the internal or external feedback of the electroacoustic oscillator, as shown in FIG. 3. The embodiment according to Fig. 3a illustrates a preferred construction, since the transmission frequency can be optimally adapted to the electroacoustic transducer here and the repetition frequency or transmission frequency, that is, the N-fold repetition frequency, only on the acoustic measurement path 3, that is the speed of sound, and the length depends. All other device parameters are no longer included in the measurement.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Messen der Dichte von Fluiden durch Messen der Schallgeschwindigkeit des Fluids, wobei der Zusammenhang zwischen der Dichte und der Schallgeschwindigkeit an sich bekannt ist, indem die Laufzeit eines akustischen Signals über eine elektroakustische Meßstrecke bestimmt wird, die aus einem elektroakustischen Sendewandler 1, einer akustischen Meßstrecke 3 mit dem Fluid als Übertragungsmedium und einem elektroakustischen Empfangswandler 2 besteht, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß nach dem Folgefrequenz-Verfahren eine Signal-Folgefrequenz gebildet wird, die umgekehrt proportional der Signal-Laufzeit durch die akustische Meßstrecke 3 ist, indem ein am Empfangswandler 2 empfangenes akustisches Signal mittels elektronischer Empfangs- und Sende-Elemente ein akustisches Signal an einem Sendewandler 1 wieder auslöst,
  • - daß elektronische Mittel zum Messen der Folgefrequenz vorhanden sind und
  • - daß elektronische Mittel zum Berechnen der Schallgeschwindigkeit und der Dichte vorhanden sind.
1. Device for measuring the density of fluids by measuring the speed of sound of the fluid, the relationship between the density and the speed of sound being known per se by determining the transit time of an acoustic signal over an electroacoustic measuring path which is obtained from an electroacoustic transmitter transducer 1 . there is an acoustic measuring section 3 with the fluid as the transmission medium and an electroacoustic receiving transducer 2 , characterized in that
  • - That after the repetition frequency method, a signal repetition frequency is formed, which is inversely proportional to the signal transit time through the acoustic measuring section 3 , by an acoustic signal received at the receiving transducer 2 by means of electronic receiving and transmitting elements, an acoustic signal at a transmitting transducer 1 triggers again
  • - That there are electronic means for measuring the repetition frequency and
  • - That there are electronic means for calculating the speed of sound and the density.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß eine Umschaltvorrichtung vorhanden ist, damit die akustischen Signale einmal von Wandler 1 nach Wandler 2 und anschließend von Wandler 2 nach Wandler 1 übertragen werden, um die Schallgeschwindigkeit in beiden Übertragungsrichtungen zu messen und
  • - daß die Summe oder das arithmetische Mittel aus beiden Schallgeschwindigkeiten zur Berechnung der Dichte verwendet wird.
2. Device according to claim 1, characterized in
  • - That a switching device is present so that the acoustic signals are transmitted once from transducer 1 to transducer 2 and then from transducer 2 to transducer 1 to measure the speed of sound in both directions of transmission and
  • - That the sum or the arithmetic mean of the two speeds of sound is used to calculate the density.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß nach dem Impuls-Folgefrequenz-Verfahren der am Empfangswandler 2 empfangene akustische Impuls mit einer elektronischen Empfangs- und Trigger-Einheit 5 einen Trigger-Impuls erzeugt,
  • - daß der Triggerimpuls über die Triggerleitung 6 in der elektronischen Sende-Einheit 4 einen elektrischen Impuls erzeugt,
  • - daß der elektrische Impuls im Sendewandler 1 einen akustischen Impuls auslöst und
  • - daß die Triggerimpulse auf der Triggerleitung 6 die Impuls-Folgefrequenz darstellen.
3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that
  • that, according to the pulse repetition frequency method, the acoustic pulse received at the receiving transducer 2 generates a trigger pulse with an electronic receiving and trigger unit 5 ,
  • that the trigger pulse generates an electrical pulse via the trigger line 6 in the electronic transmission unit 4 ,
  • - That the electrical pulse in the transmitter converter 1 triggers an acoustic pulse and
  • - That the trigger pulses on the trigger line 6 represent the pulse repetition frequency.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß eine Impulsstufe mit einem Triggerimpuls auf die Triggerleitung 6 die Impulsfolge anregt und
  • - daß ein Triggerimpuls dann erzeugt wird, wenn keine regelmäßige Impulsfolge vorhanden ist.
4. The device according to claim 3, characterized in
  • - That a pulse stage with a trigger pulse on the trigger line 6 excites the pulse train and
  • - That a trigger pulse is generated when there is no regular pulse train.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Schwingungen als Dauersignale übertragen werden.5. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the acoustic vibrations are transmitted as continuous signals. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustische Meßstrecke mit dem elektroakustischen Sendewandler 1, der akustischen Meßstrecke 3 und dem elektroakustischen Empfangswandler 2 das Mitkopplungsnetzwerk eines elektroakustischen Oszillators bildet.6. The device according to claim 5, characterized in that the electroacoustic measuring section with the electroacoustic transmitter transducer 1 , the acoustic measuring section 3 and the electroacoustic receiving transducer 2 forms the positive feedback network of an electroacoustic oscillator. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Oszillator aus einem elektronischen Breitbandverstärker 7 und der elektroakustischen Meßstrecke 1, 2 und 3 gebildet wird. 7. The device according to claim 6, characterized in that the electroacoustic oscillator is formed from an electronic broadband amplifier 7 and the electroacoustic measuring section 1, 2 and 3 . 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eingang des Verstärkers 7 ein elektronischer Teiler 9 mit dem Teilfaktor N und nach dem Ausgang des Verstärkers 7 ein elektronischer Multiplizierer 8 mit demselben Faktor N angeordnet ist, so daß die Frequenz des akustischen Dauersignals das N-fache der Folgefrequenz des elektroakustischen Oszillators beträgt.8. The device according to claim 7, characterized in that before the input of the amplifier 7, an electronic divider 9 with the sub-factor N and after the output of the amplifier 7, an electronic multiplier 8 is arranged with the same factor N , so that the frequency of the acoustic continuous signal is N times the repetition frequency of the electroacoustic oscillator. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß ein oder zwei Bandpaß-Filter 10 oder 10′ in das Mitkopplungsnetzwerk des elektroakustischen Oszillators vor dem Eingang oder nach dem Ausgang des elektronischen Verstärkers 7 eingefügt sind, so daß die elektroakustische Meßstrecke die N-fache Folgefrequenz überträgt und
  • - daß der elektronische Breitband-Verstärker 7 die N-fache Folgefrequenz so verstärkt, daß die Schwingbedingung erfüllt wird.
9. The device according to claim 7, characterized in
  • - That one or two bandpass filters 10 or 10 ' are inserted into the positive feedback network of the electroacoustic oscillator before the input or after the output of the electronic amplifier 7 , so that the electroacoustic measuring section transmits the N times the repetition frequency and
  • - That the electronic broadband amplifier 7 amplifies the N- fold repetition frequency so that the oscillation condition is met.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Breitband-Verstärker 7 durch eine Phasenregelschleife gebildet wird, wobei die Phasenregelschleife im Eingang aus einem Phasendetektor 11, einem nachfolgenden Tiefpaßfilter oder PI-Regler 12 und im Ausgang aus einem spannungsgesteuerten Oszillator 13 besteht und wobei der eine Eingang des Phasendetektors 11 als interne Rückführung direkt mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 13 verbunden ist und der zweite Eingang des Phasendetektors 11 als externe Rückführung bzw. Mitkopplungsnetzwerk mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 13 verbunden ist. 10. The device according to claim 7, characterized in that the electronic broadband amplifier 7 is formed by a phase locked loop, the phase locked loop in the input from a phase detector 11 , a subsequent low-pass filter or PI controller 12 and in the output from a voltage controlled oscillator 13 and wherein one input of the phase detector 11 is connected as an internal feedback directly to the output of the voltage-controlled oscillator 13 and the second input of the phase detector 11 is connected as an external feedback or positive feedback network to the output of the voltage-controlled oscillator 13 . 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Teiler 15 mit dem Teilfaktor N in die interne Rückführung der Phasenregelschleife eingefügt ist, so daß die Ultraschall-Schwingungen das N-fache der Folgefrequenz betragen.11. The device according to claim 10, characterized in that an electronic divider 15 is inserted with the sub-factor N in the internal feedback of the phase locked loop, so that the ultrasonic vibrations are N times the repetition frequency. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Teiler 16 mit dem Teilerfaktor N in die externe Rückführung der Phasenregelschleife eingefügt ist.12. The apparatus according to claim 11, characterized in that an electrical divider 16 with the divider factor N is inserted into the external feedback of the phase locked loop. 13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die interne Rückführung ein elektronischer Phasenschieber 14 eingefügt ist, so daß das Signal durch die interne Rückführung um dieselbe Zeitdauer bzw. Phase verzögert wird, wie das Signal durch die externe Rückführung infolge der elektrischen und elektronischen Baugruppen - wie der elektroakustische Sendewandler 1, der elektroakustische Empfangswandler 2, die zugehörigen Zuführungsleitungen zu den Wandlern und evtl. vorhandene elektronische Verstärker und Teiler, so daß nur noch die akustische Meßstrecke 3 die Folgefrequenz bestimmt.13. The apparatus according to claim 10, characterized in that an electronic phase shifter 14 is inserted in the internal feedback, so that the signal is delayed by the internal feedback by the same time period or phase as the signal by the external feedback due to the electrical and electronic assemblies - such as the electroacoustic transmission transducer 1 , the electroacoustic reception transducer 2 , the associated supply lines to the transducers and any existing electronic amplifiers and dividers, so that only the acoustic measuring section 3 determines the repetition frequency.
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