DE2010742A1

DE2010742A1 -

Info

Publication number: DE2010742A1
Application number: DE19702010742
Authority: DE
Priority date: 1969-03-06
Filing date: 1970-03-06
Publication date: 1970-10-15
Also published as: US3623363A

Description

München, den 6. März 1970 Mein Zeichen : Ä5 - 733

Beschreibung zu der Patentanmeldung der Firma

kealisations Ultrasoniques, 9Chaussee de Paris, Villenoy^les-Meaux

Frankreich

betreffend

Strömungsmesser

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser, bei dem die Laufzeit akustischer Signale längs einer bestimmten Bahn zur Strömungsmittelquelle ausgenutzt wird,

Es ist bereits ein derartiges Meßverfahren bekannt zum Messen der Stromstärke eines Strömungsmittel, Dabei wird die Zeitdifferenz zwischen den Laufzeiten akustischer Signale, die von den beiden Enden einer bestimmten Meßstrecke an der Ströraungsmittelquelle ausgesandt werden, ausgenutzt, wobei diese Zeit" differenz proportional der Ströraungsstärke ist.

Man kann ferner eine derartige Messung verwenden zum Messen einer Temperaturdifferenz, einer Druckdifferenz, eines Konzentrationsunterschiedes , unterschiedlicher chemischer Beschaffenheit oder anderer Verschiedenartigkeiten inmitten einer Strömung.

Offensichtlich hängt dia Laufzeit von den Unterschieden der Pa~ rameter ab.

Q09842/111S

Bei verschiedenen Anwendungsfällen wird die Laufzeitdifferenz inmitten des Strömungsmittels von zwei akustischen Signalen gemessen, welche von zwei verschiedenen Stellen in der Flüssigkeit ausgehen und welche eine identische Meßstrecke in derselben zurücklegen .

Zu dem Zweck ist es bereits vorgeschlagen worden, wenigstens ein Paar Sende-Empfängerwandler zu verwenden, welche an zwei verschiedenen Stellen angeordnet sind und mit ihren aktiven Oberflächen in Berührung mit dem Strömungsmittel stehen (entweder direkt oder unter Zwischenschaltung einer Wand), und wenigstens gleichzeitig ein akustisches Signal in jedem Wandler zu erzeugen, wobei Empfangsorgane für die akustischen Signale vorgesehen sind, und zwar entweder auf einer direkten Bahn zwischen den Wandlern oder auf einer zwischen zwei mit dem Strömungsmittel in Berührung stehenden Flächen reflektierten Signal» Die Vorrichtung umfaßt ferner Meßeinrichtungen zum Messen der Zeit" differenz zwischen den empfangenen Signalen und zum periodischen Vertauschen der Verbindungen zwischen den beiden Wandlersonden und den Empfangsorganen,

Es ist Insbesondere ein Verfahren vorgeschlagen worden, gemäß den akustische Impulse ausgesandt werden, welche vorzugsweise aus einer einzigen Schwingung oder einer kleinen Anzahl von Schwingungen bestehen, und eine erste Zeitintervallbestimmung durchzuführen, welche die Anstiegsflanken der entsprechenden, auf zwei verschiedenen Wegen empfangenen Signale trennt, und danach die Verbindungen zwischen den beiden Empfangswegen und den Wandlern zu vertauschen und eine zweite Messung des Zeitintervalls durchzuführen und sodann die Differenz zwischen beiden Messungen zu bilden.

Diese Differontialmethode ist sehr genau, da sie die vollständige Ausschaltung von Fehlern ermöglicht, die auf die Anstiegsflanken einwirken, und die insbesondere von Verzögerungen

009842/1115

herrühren, welche in der Obertragung der Signale durch die Empfangsschaltung herbeigeführt werden.«

Die Erfindung befaßt sich mit einer Vereinfachung dieses Differenz tialverfahrens unter Verwendung eines einzigen Empfangsweges und einer Vertauschung zwischen dem Empfangsweg und den beiden Wandlern derart, daß die von den beiden Wandlern eingefangenen Signale aufeinanderfolgend an das Empfangsorgan während zwei aufeinanderfolgender Sendezyklen gelegt werden»

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform geschieht die Zeitintervallmessung zwischen dem Auftreten der beiden empfangenen Signale ä dadurch, daß eine Spannungsänderung entsprechend einem vorbe= stimmten Gesetz ausgelöst wird, vorzugsweise die Erzeugung einer Sägezahnspannung, und zwar zwischen dem Auftreten des ersten und des zweiten empfangenen Signales, und vorzugsweise nahe bei dem zweitenenpfangenen Signal, und daß dann der Wert der Spannung beim Auftreten des zweiten Empfangssignales gespeichert wird.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem AusfUhrungsbeispxel ergänzend beschrieben.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Strömungsmessers nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt die Wellenformen an verschiedenen ™

Stellen der Vorrichtung nach Fig. 1, und

Fig, 3 zeigt die Anordnung der Wandler für die

Vorrichtung nach Fig. 1 zur Messung von Heterogenitäten inmitten eines Strömungs» mittels.

Die in Fig. 1 dargestellte Meßvorrichtung umfaßt einen Impulsgenerator 1 zum Erzeugen wiederkehrender Impulse. Es handelt sich dabei um einen Hochfrequenzgenerator (z.B. 5 mHz), der durch Impulse mit einer wesentlich niedrigeren Impulsfolge (beispielsweise 1 kHz) moduliert wird, die von einem Taktgeber 2 kommen»

009842/1115

Die von dem Generator 1 ausgesandten Impulse gelangen gleichzeitig an zwei Wandler 3 und U, deren aktive Oberflächen 3a bzw. 4a parallel zueinander angeordnet sind, so daß ein akustisches Signal von einem zum anderen Wandler längs der Bahn d gelangen kann.

Die Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls zwischen den beiden Wandlern schließt z.B. den Winkel θ mit der Strömunjjsrichtung V des Strömungsmittels ein„

Durch eine passende Ausbildung der Wandler und des Generators 1 ist dafür gesorgt, daß die von den Wandlern ausgehenden akustischen Impulse jeweils eine einzige Hochfrequenzschwingung kurzer Dauer bilden oder eine sehr geringe Anzahl von Schwingungen. Eine derartige Ausbildung ist an sich bekannt. Man erhält auf diese Weise sehr kurze Impulse, die beispielsweise kleiner als 1 Mikrosekunde sein können.

Der Generator 1 ist mit den Wandlern über antiparallel geschaltete Diodenpaare 5, 6 bzw. 7, 8 verbunden. Diese Dioden übertragen die Sendeimpulse, die einen verhältnismäßig hohen Pegel haben, ohne Deformierung von dem Generator 1 zu den Wandlern, sperren jedoch Impulse mit niedrigem Pegel, welche beim Empfang von Impulsen des jeweils anderen Wandlers auftretenο

Diese Empfangsimpulee werden über einen Kommutator 10 an einen Empfangeverstärker 9 geleitet.

Dabei ist vorzugsweise ein elektronischer Kommutator verwendet» der durch die von dem Taktgeber 2 ausgehenden Impulse Über eine Leitung 11 gesteuert wird. Derartige elektronische Kommutatoren sind an sich bekannt»

Das Ausgangssignal des Verstärkers 9 ist in Fig. 2 durch die Kurve a dargestellt. Man erkennt aufeinanderfolgende Sendeimpuls«

009842/1115

E₁, Ε*, . = ., welche in dem betrachteten Beispiel einen zeit«' liehen Abstand von 1000 MikroSekunden voneinander haben. Während des Zyklus E.E- verbindet der Kommutator 10 2,B. den Wandler 3 mit dem Empfängerverstärker 9, so daß dör Empfangs» impuls R₁ der Ultraschallaufzeit von der Oberfläche Ua bis zur Oberfläche 3a entspricht, d«h„ der Laufzeit ih Strömungsrichtung ο Das Zeitintervall t* - E^R₁ ist also glfeich d/(c+V cosd), wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in der ruhenden Flüssigkeit ist.

Während des folgenden Zyklus verbindet der Kommutator 10 f

den Wandler Ha mit dem Empfängerverstärker 9, so daß das Zeitintervall t₂ = ^E2^R2 ^entsP^rechend d/(c~V cosG ) der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls vom Wandler 3a zum Wandler «4a gegen die Strömungsrichtung entspricht ο

Es ist ein Gatter ET12 vorgesehen, das auf einem Eingang das Signal und auf dem anderen Eingang eine Rechteckspannung b eines Monovibrators 13 empfängt« Dieser Monovibrator wird durch die Taktimpulse (d»h. während deren Aussendung) in den Zustand 1 umgekippt und bleibt hierin während eines vorbestimmten Zeitintervalls t , welches merklich kleiner ist als t₁ oder t„. , |

Die Ausbildung eines derartigen Monovibrators ist an sich bekannt. Um den Wert t hinreichend festzulegen, genügt es, die Größenordnung der Strömungsgeschwindigkeit V und «Sie Schallgeschwindigkeit in dem Strömungsmittel zu wissen.

Das am Ausgang des Gatters 12 auftretende Signal c enthält also nur die Empfangsimpulse R₁ und R₂. Diese Impulse dienen zur Steuerung des elektronischen Unterbrechers 14, der in dem durch die Empfangsimpulse R. und R„ bestimmten Zeitbereich den Augenblickewert e einer Spannung am Ausgang einer Integratorschaltung 15 überträgt.

0 09842/1115

Die Integratorschaltung umfaßt ζ. Β» in an sich bekannter Weise einen Operationsverstärker mit einer Kapazität im Gegenkopplungszweig. Sie wandelt eine REchteckspannung ara Eingang in eine trapezförmige Spannung mit vorbestimmten Maximal·» und Minimalwerten um.

Die Rechteckspannung d wird von einem Monovibrator 20 erzeugt, der durch die Urimpulse in den Zustand 1 gebracht wird und in weiter unten noch beschriebener Weise in den Zustand Null einer Zeit Δ t₁ oder Δ t₂ vor einem Echosignal R₁ bzw, R₂ zurückgeschaltet wird, wobei die Zeitintervalle Δ t* oder Δ t₂ kurz gegenüber t- oder t« sind«. Die Breite der Rechteckimpulse an" dert eich von Zyklus zu Zyklus nur vernachlässigbar.

Die Anstiege" und Abfallflanken der Rechteckwellen werden durch den Integrator 15 in geneigte Flanken mit konstanter Neigung verwandelt, die der trapezförmigen Spannung e zwischen dem Maxi" mum Vw und dem Minimum V entspricht, während zur Zeit R₂ die Amplitude V„ erreicht wird.

Der Ausgang des elektronischen Unterbrechers nimmt also die Spannungen V₁ und V₂ in den Augenblicken R₁ bzw. R₂ an, so daß die Ladung eines Kondensators 16, der mit dem Ausgang des Unterbrechers verbunden ist, der Kurvenform f entspricht. Die Amplitude von Spitze zu Spitze der Kurve f ist V₁ + V₂ und damit proportional zu t₂ - t,. und entspricht damit der zu messenden Geschwindigkeit V unter der Bedingung, daß die Schallgeschwindigkeit sich nicht ändert,

Ein Synchrondetektor 17 mißt die Amplitude und erzeugt ein proportionales Signal, dessen Vorzeichen *2"'*1 ^ent^sP^ri°h* ^unc* alao der Strömungarichtung des Strömungsmittels.

Die zum Betrieb des Synchrondetektors erforderliche Besugsphase wird von dem Taktgeber 2 hergeleitet, und zwar über die Leitung

009842/1118 ^BAD original

Die gemessene Geschwindigkeit wird von einem Meß- oder Registriergerät 19 angezeigt.

Es sei bemerkt, daß die Empfangsschaltungen für die beiden Empfangssignale R^ und R₂ gleich sind, so daß die Ubertragungsverzögerungen in diesen Schaltungen aus der Zeitöiffe renz to^l vollständig ausgeschaltet sind.

Da die Kommutierungsfolge hoch ist (beispielsweise 1000 Hz), sind mögliche Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit von einem Meßzyklus zum anderen vernachlässigbar, so daß die μ

Messung sehr genau ist» "

Da die Zeitdifferenz t_o-t₁ sehr klein ist gegenüber der Lauf" zeit t- und t₂, z.B. in der Größenordnung von 10 see, während die Laufzeiten bei einigen 10 Mikrosekunden liegen, sind die Amplituden V- und V₂ nicht groß genug für eine bequeme Messung, wenn nicht die Neigung der Abfallflanken der trapezförmigen Spannungen e sehr schroff ist. Daher ist es wesentlich, daß die Intervalle At₁ und Δ t₂< gegenüber den Zeiten tj und t„ sehr klein sind.

Dies erreicht man mittels einer Gegenkopplungsschleife, die auf den Monovibrator 20 wirkt, und die einen Tiefpaßfiltar (| 21 umfaßt, der zwischen den Ausgang des Unterbrechers m und den Monovibrator geschaltet ist» Dieser Filter legt" an. eine · Steuerelektrode des Monovibrators den Mittelwert der Spannung f, der von der Breite der Rechteckspannung abhängt. Aus dieser Rückwirkung folgt, daß. der mittlere Wert konstant gehal·" ten wird, so daß die Breite des Rechtecks d auf einem mittleren konstanten Wert gehalten wird und die Empfangseignale R«. und R₂ in den Grenzen der hinteren Flanken der Trapezwellen e konstant gehalten werden, und zwar trotz Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit c, etwa aufgrund von Temperatur« änderungen des Strömungsmittel!?,,

009842/1115

Die elektronischen Unterbrecher 10 und 1Λ umfassen z.B. zwei gleichartige, antiparallel geschaltete Transistoren, die durch an die zusammengeschalteten Basiselektroden gelegte Steuerspannungen durchgesteuert werden, oder mittels einer Ringdiodenanordnung .

Unter den möglichen Änderungen sei erwähnt, daß bei der Anordnung nach Fig. 1 auch zwei Wandler verwendet werden, deren aktiven Flächen in ein und derselben Ebene (3a- >ia in Fig» 3) angeordnet sind und die sich gegenüber zwei Reflektionsflächen 3b - 4b befinden, welche in Berührung mit dem Strömungsmittel stehen und deren Entfernungen in beiden Fällen gleich sind. Jeder Wandler empfängt also ein Echosignal, welches durch Reflektionan der gegenüberliegenden Fläche zustandekoramt. Die Funktion der Vorrichtung ist dabei jedoch nicht geändert.

Außer zur Strömungsmessung läßt sich die Vorrichtung auch für andere Anweridungsfälle verwenden. Man kann z.B. die Laufzeitdifferenz zwischen identischen akustischen Signalen längs zwei gleichen Bahnen inmitten eines Strömungsmittels messen und dadurch Inhomogenitäten verschiedenster Art bestimmen.

Bei der Vorrichtung nach Fig., 1 können die Wandler auch ent» sprechend Figur 3 auf einem Bereich einer Leitung C angeordnet sein, und zwar in Berührung mit der Leitung längs einer Erzeugenden derselben, so daß sich das Auftreten einer anderen Flüssigkeit in dem Rohr feststellen läßt.

009842/1115

Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Messen von Laufzeitdifferenzen kurzer akustischer Signale zwischen zwei Stellen eines Strömungsmittels, wobei akustische Signale von zwei verschiedenen Stellen über eine identische Strecke in dem Strömungsmittel ausgesendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Empfangsweg für die Signale verwendet wird und daß eine Verbindung zwischen dem Empfangsweg und den beiden Sendeorganen derart hergestellt wird, daß die an den beiden Stellen empfangenen Signale aufeinanderfolgend wäh- λ rend zweier aufeinanderfolgender Sendezyklen an das Empfangsorgan geleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -zeichnet, daß die Messung des Zeitintervalls zwischen zwei aufeinanderfolgenden EmpfangsSignalen an den beiden Empfangsstellen durch Auslösen einer sich ändernden Spannung durch geführt wird, welche sich nach einem vorbestimmten Gesetz ändert, und zwar während des Auftretens des ersten und des zweiten Empfangssignales, und daß die beim Auftreten des zweiten Empfangssignals vorhandene Spannung gespeichert wird.
3. Vorrichtung zum Messen von Laufzeitdifferenzen akustischer Wellen, insbesondere zur Strömungsmessung, g e k e η η ~ zeichnet durch einen elektronischen Unterbrecher, der beim Empfang der übertragenen Signale den augenblicklichen Wert einer Spannung speichert, die sich entsprechend einem vorbestimmten Gesetz änderte

009842/111S

jio

U. Vorrichtung nach Ansprach 3, gekennzeichnet durch einen Monovibrator, dec von den durch einen Integrator und der von den Rechteckiinpulsen des Monovibrator^ abgegebenen Signalen gesteuert wird, wobei die augenblickliche Spannung über ein« Gegenkopplungssah.uiife an den Monovibrator gelegt wird, so daß die mittlere Dauer der REchteckwellen konstant gehalten wird»

5» Vorrichtung nach Anspruch f, insbesondere zum Messen von Heterogenitätan in Strömungsmitteln, gekennzeich η e t durch zwei akustische Sende- und Enipfangssonden» welche an zwei Stellen angeordnet a.ind und mit ihren aktiven Oberflächen gege:i m.lt aera Stxbuui-cisiwxtt·»! in 3<3rührung stehenden Keflektionijflachen orientier·.:

BAD ORIGINAL

009842/1115

ÜA

Leerseite