DE3016968A1

DE3016968A1 - Messanordnung fuer die geschwindigkeit von stroemungsfaehigen medien mittels laufzeitbestimmung von schallwellen

Info

Publication number: DE3016968A1
Application number: DE19803016968
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1980-05-02
Filing date: 1980-05-02
Publication date: 1981-11-26
Also published as: DE3016968C2; US4417481A

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung für die Geschwindigkeit von strömungsfähigen Medien mittels Laufzeitbestimmung von Schallwellen, bei der in dem Medium aus elektroakustischen Wandlern bestehende Schallsender/Empfänger in einem Abstand vorgesehen sind, deren Verbindungslinie eine Komponente in Richtung der zu messenden Geschwindigkeit hat, und bei der Impulsgeber Meßschallimpulse vorbestimmter Länge abwechselnd in der einen und der entgegengesetzten Richtung zwischen den Wandlern hin- und hergeschickt werden, wobei in einer Auswerteschaltung über die Laufzeiten der Schallimpulse in den beiden Richtungen die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird und die Laufzeitsignale für jede der beiden Richtungen nach dem Eintreffen und Auswerten eines Impulses in einem Hauptspeicher gespeichert als Meßgröße verwendet werden.

Bei derartigen Strömungsgeschwindigkeits-Meßgeräten (DE-OS 29 43 810) zeigt das empfangene Meßsignal häufig starke Störungen und Amplitudenschwankungen. Dies ist u.a. darauf zurückzuführen, daß beispielsweise bei Strömungsgeschwindigkeit smessungen an einem Rauchgaskamin ein großer Umgebungslärmpegel herrscht, so daß die Einstreuung von akustischen Störsignalen nicht ausgeschlossen- werden kann. Auch ist in technischen Anlagen, bei denen eine Strömungsgeschwindigkeitsmessung erfolgt, stets mit der Einstreuung von elektrischen Störsignalen zu rechnen. Die Amplitudenschwankungen sind eine Folge der Mehrwegeausbreitung des akustischen Signales zusammen mit Turbulenzen und Inhomogenitäten im strömenden Medium. Die betreffenden Störeinflüsse führen zu fehlerhaften Meßergebnissen, so daß die Zuverlässigkeit der bekannten Meßanordnungen bei nicht auszuschaltenden größeren Störeinflüssen begrenzt ist.

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine Meßanordnung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der mit geringem schaltungstechnischen Aufwand elektrische und akustische Störeinflüsse auf das gewünschte Strömungsgeschwindigkeits-Meßsignal

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weitgehend ausgeschaltet werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß ein über einen gesteuerten Hauptschalter an den Hauptspeicher angeschlossener Zwischenspeicher für das Laufzeitsignal vorgesehen ist und daß der Schalter nach Ablauf einer Meßzeitperiode, während der der Meßschaltimpuls erwartet wird, zur Weitergabe des Zwischenspeicherinhalts an den Hauptspeicher normalerweise schließt, jedoch beim Auftreten von mehr als einem Impuls oder keinem Impuls und/oder eines die vorbestimmte Länge über- bzw. unterschreitenden Impulses innerhalb einer vorbestimmten Zeitperiode geöffnet bleibt. Der Erfindungsgedanke ist also darin zu erblicken, daß ein im Hauptspeicher einmal festgehaltenes, zutreffendes Laufzeitsignal nach solchen Zeitperioden weiter als Meßgröße verwendet wird, in denen in Form des Auftretens meherer Impulse, oder keines Impulses und/oder eines die vorbestimmte Länge über- bzw. unterschreitenden Impulses eine äußere Störung des normalen Meßbetriebs festgestellt wurde. Da nämlich in der vorbestimmten" Zeitperiode erfindungsgemäß ein und nur ein Meßschallimpuls vorbestimmter Länge auftreten darf, wenn keine Störeinflüsse an der Meßanordnung bzw. auf der Meßstrecke vorliegen, kann bei Abweichung von diesem normalen, schaltungstechnisch auf einfache Weise erfaßbaren Zustand die Ausnutzung des entsprechenden Laufzeitsignals für die Strömungsgeschwindigkeitsanzeige unterbunden werden, während gleichzeitig das in der vorhergehenden_# einwandfreie Verhältnisse aufweisenden Zeitperiode im Hauptspeicher festgehaltene Laufzeitsignal durch Weiterlieferung der betreffenden Meßgröße die durch die ausgefallene Zeitperiode entstandene Lücke des Meßsignals überbrückt. Dies hat zwar zur Folge, daß innerhalb von zwei oder mehr Zeitperioden auftretende Änderungen des Strömungsgeschwindigkeitssignals, nicht erfaßt werden können, wenn die betreffenden Zeitperioden durch äußere Störeinflüsse für die

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Messung ausfallen. Der hierdurch entstehende Meßfehler ist jedoch außerordentlich geringfügig, weil derartige Meßanordnungen von vornherein so ausgelegt sind, daß innerhalb einer oder weniger Zeitperioden Schwankungen der Meßgröße kaum auftreten. Die bei den bekannten bzw. älteren Meßanordnungen (DE-OS 29 43 810) von äußeren Störeinflüssen hervorgerufenen Strömungsgeschwindigkeits-Meßsignalechwankungen sind demgegenüber wesentlich größer, so daß insgesamt eine noch ausreichend genau arbeitende, von Störeinflüssen aber so gut wie unabhängige Meßanordnung geschaffen wird.

Eine erste praktische Verwirklichung des Erfindungsgedankens kennzeichnet sich dadurch, daß der Meßschallimpuls über einen nur während der vorbestimmten Zeitperiode geschlossenen Hilfsschalter an einen Zähler angeschlossen ist, der über einen die Zäh!erstellung 1 von allen anderen Zählerstellungen unterscheidenden Komparator an eine den Hauptschalter ansteuernde Steuerschaltung angeschlossen ist, welche im Anschluß an den Ablauf der vorbestimmten Zeitperiode kurzzeitig für die Übertragung eines Schließwegsignals an den Hauptschalter dann, wenn der Komparator einen und/oder nur einen Impuls festgestellt hat, empfindlich gemacht wird. Diese Ausführungsform gestattet nur die Feststellung, ob statt - wie gewünscht - eines Impulses kein oder mehrere Impulse auftreten.

Eine weitere Verfeinerung der Meßanordnung wird dadurch erzielt, daß über dem Hilfsschalter an die Steuerschaltung auch eine Impulslängen-Feststellstufe angeschlossen ist, welche die Steuerschaltung für die Übertragung eines Schließwegsignals nur dann, wenn die Impulslänge innerhalb einer vorbestimmten Grenze liegt, empfindlich macht. Hier kann also auch noch die von der Norm abweichende Impulslänge für die Unterbindung der Weitergabe des Laufzeitsignals an den Hauptspeicher ausgenutzt werden.

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Die Steuerschaltung is-t vorzugsweise ein UND-Gatter, welches an den Ausgang des !Comparators und einen Impulsformer angeschlossen ist, der einen kurz vor der vorbestimmten Zeitperiode beginnenden Impuls abgibt, welcher so lange dauert, daß in dieser Zeit der Zwischenspeicherinhalt vollständig in den Hauptspeicher übertragen werden kann.

Zur zusätzlichen Feststellung einer abweichenden Impulslänge kann an das UND-Gatter auch noch der Ausgang der Impulslängen-Feststellungsstufe angeschlossen werden. Der Hilfsschalter ist vorzugsweise von einem Verzögerungsglied angesteuert, das an den Impulsgeber der Anordnung angeschlossen ist. Durch die Schließperiode des Hilfsschalters wird so ein Zeitfenster geschaffen, innerhalb dessen das Vorliegen keines Impulses, mehrerer Impulse bzw. einer von der Norm abweichenden Impulslänge festgestellt wird.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Zwischenspeicher eine solche Zeitkonstante hat, daß er bei normalen Geschwindigkeits-Schwankungen im wesentlichen linear arbeitet, bei längeren Zeitdifferenzen zwischen der Ankunft des Meßimpulses und des Referenzimpulses jedoch eine Sättigung zeigt.

Diese Ausführungsform bringt dann einen wesentlichen Vorteil, wenn der Meßschallimpuls ausfällt und statt dessen die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen des Meßschallimpulses und des internen Referenzimpulses erheblich größer als normal ist. Normalerweise ist diese Zeitdifferenz sehr klein (z.B. 100 ,us). Sie wird verursacht durch Geschwindigkeitsschwankungen innerhalb einer so kurzen Zeit, daß der mittelwertsbildende Hauptspeicher nicht folgen kann, sowie durch das Rauschen des Verstärkers. In diesem Fall würde ohne die vorstehend definierte bevorzugte Ausführungsform in dem Zwischenspeicher ein gegenüber dem Normalzustand wesentlich erhöhter Wert gespeichert werden. Die vorstehende Ausfuhrungsform begrenzt jedoch diesen Speicherwert auf eine Größe, welche den normalen Schwankungen entspricht, so daß ein derartiger Störimpuls keine wesentliche Schwankung des

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Meßergebnisses nach sich zieht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zeitkonstknte des Zwischenspeichers wesentlich kleiner als der Zeitfensterbereich ist, damit Störernpfangsimpulse mit ungewöhnlicher zeitlicher Lage keinen wesentlich größeren Einfluß auf den Regelkreis haben als Empfangsimpulse, deren Lage dem eingelaufenen Zustand entspricht. Im einfachsten Fall kann der Zwischenspeicher aus einem RC-Glied bestehen. Insbesondere soll der Zwischenspeicher einen Löscheingang aufweisen, welcher jeweils vor dem frühestmöglichen Eintreffen eines Meßschallimpulses betätigt wird, damit der Zwischenspeicher jeweils einen definierten Anfangsspeicherinhalt aufweist.

Mit besonderem Vorteil wird die Erfindung bei einer Meßanordnung nach der DE-OS 29 43 810 angewendet. In diesem Fall ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Zwischenspeicher und der Hilfsschalter zwischen den Phasendetektor und den Tiefpaß bzw. Integrator geschaltet ist. Hierdurch arbeiten die bei der Meßanordnung nach der älteren Anmeldung vorhandenen Frequenzgeneratoren im Falle eines äußeren Störeinflusses mit der zuvor eingestellten Frequenz weiter, so daß das schließlich gebildete Laufzeitsignal in den durch Störeinflüsse beeinträchtigten Zeitperioden unverändert bleibt. Die Wirkung der Frequenzgeneratoren kann mit der eines weiterlaufenden Schwungrades verglichen werden.

Bei Anwendung der Erfindung auf die Meßanordnung nach der DE-OS 29 43 810 ist der Hilfsschalter zweckmäßigerweise an den Meßeingang des Phasendetektors angeschlossen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß für beide Schallrichtungen nur ain Phasendetektor und gegebenenfalls nur·-ein Zwischenspei- * eher vorgesehen ist, an den Meßschallimpulse beider Schallrichtungen angelegt sind und daß der Ausgang des Phasen-

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detektors "bzw. des Zwischenspeichers parallel an zwei, vor den Eingängen der Tiefpässe liegende Hauptschalter angelegt ist. Da die Meßstrecke in den beiden Schallrichtungen zu unterschiedlichen Zeiten von den Schallimpulsen beaufschlagt wird, kann erfindungsgemäß ein einziger Phasendetektor und gegebenenfalls Zwischenspeicher verwendet werden, welcher nacheinander von dem Schallsignal· in der einen bzw. anderen Richtung beaufschlagt wird. Auch die erfindungsgemäß für die Feststellung von Störeinflüssen erforderlichen elektronichen Bauelelemente brauchen aus diesem Grund für beide Schallrichtungen auch nur ein einziges mal vorgesehen zu . sein, da sie doppelt ausgenutzt werden können. Hierdurch wird eine wesentliche Einsparung an elektronischen Bauteilen erzielt. ."..---._

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Figur 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Meßanordnung, :

Figur 2 ein mehr ins einzelne gehendes Schaltbild der Meßanordnung nach Fig. 1 und

Figur 3 eine bevorzugte Kennlinie für den Phasendetektor bzw. den Zwischenspeicher der Meßanordnung nach den Fig. lund 2.

In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszahlen die entsprechenden Bauelemente wie in der DE-OS 29 43 810. Die in den Fig. lund 2 dargestellten Schaltungen stellen einen Ausschnitt des Schaltbildes nach Fig. 1 der vorgenannten Offenlegungsschrift dar. Soweit dies im folgenden nicht anders beschrieben wird, sind die Schaltungen nach den Fig. und 2 durch die zur Vereinfachung der Darstellung nicht

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gezeigten Bauelemente zu ergänzen.

Nach Fig. 1 liegt entsprechend der DE-OS 29 43 810 der mit dem Setzeingang 15 ausgestattete Frequenzgenerator 13, welcher von dem Tiefpaß bzw. Integrator 17 in seiner Frequenz entsprechend der DE-OS 29 43 810 gesteuert wird an dem einen Eingang des Phasendetektors 16 an. Dem anderen Eingang ist das Signal E von der Meßstrecke zugeführt.

Erfindungsgemäß ist zwischen den Phasendetektor 16 und den Integrator 17 ein Zwischenspeicher 44 und ein Schalter 45 geschaltet. Der Zwischenspeicher 44 enthält ein RC-Glied 53 und weist einen Löscheingang 52 auf, welcher beispielsweise von dem Impulsgeber 12 angesteuert wird und zu Beginn einer Meßperiode betätigt wird, um den Zwischenspeicher 44 auf einen vorgegebenen Grundspeicherwert zu setzen.

Das Signal E von der Meßstrecke wird außerdem über einen Hilfsschalter 47, einen Zähler 48, einen Komparator 49 an ein UND-Gatter 50 angelegt, dessen Ausgang den Hauptschalter 45 ansteuert. Der zweite Eingang des UND-Gatters ist über eine Impulsformerstufe 46 an den Ausgang der Verzögerungssehaltung 28 angelegt, welcher außerdem den Hilfsschalter 47 ansteuert. Am Ausgang des Zeitverzögerungsglieds 28 erscheint gemäß der DE-OS 29 43 810 ein Zeitfenstersignal, welches innerhalb einer vorbestimmten Zeitperiode, innerhalb der Meßschallimpulse E von der Meßstrecke erwartet werden, den Hilfsschalter 47 schließen. Die Impulsformerstufe 46 ist erfindungsgemäß als monostabiles Flip—Flop ausgebildet, welches von der hinteren Flanke des Zeitfensterimpulses aus der Verzögerungsstufe 28 gesetzt wird und dann einen so langen Impuls abgibt, daß das UND-Gatter 50 beim Anliegen einer 1 am anderen Eingang so lange geöffnet bleibt und den Schalter 45 schließt, bis der Inhalt des Zwischenspeichers 44 in den Integrator 17 vollständig übertragen ist.

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Das Signal E kann über den Schalter 47 auch noch an eine Impulslängen-Feststellungsstufe 41 angelegt sein, welche nur bei der richtigen Impulslänge am Ausgang eine 1 abgibt und ebenfalls an das UND-Gatter 50 angeschlossen ist. In dieser, in Fig. 1 nur gestrichelt angedeuteten Ausführung wird also auch noch die Impulslänge für die Schließung des Schalters 45 berücksichtigt.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1, welche in jedem der beiden Schaltkreise 11 bzw. 11' nach der DE-OS 29 43 810 eingeschaltet sein kann, ist wie folgt:

Immer dann, wenn durch die Verzögerungsstufe 28 im Erwartungsbereich eines Meßschallsignals E das Zeitfenster geöffnet wird, schließt der Hilfsschalter 47, so daß innerhalb der das Zeitfenster definierenden vorbestimmten Zeitperiode alle zum Eingang des Phasendetektors 16 gelangenden Impulse auch zum Zähler 48 geleitet werden. Der Zähler 48 kann erfindungsgemäß sehr einfach ausgebildet sein, weil er zur Lösung der Erfindungsaufgäbe nur bis 2 zählen können muß. Es wird also bevorzugt ein derartiger einfacher Zähler verwendet. Der Komparator 49 stellt nun einen Vergleich dahingehend an, ob der Ausgang des Zählers 48 1 ist oder von 1 abweicht. Der Ausgang des !Comparators ist 1, wenn der Ausgang des Zählers 48 1 ist. Der Ausgang des !Comparators 49 ist dagegen 0, wenn der Ausgang des Zählers 48 von 1 abweicht. Auf diese Weise ist der Ausgang des Komparators 49 ein Maß dafür, ob· ein ,und nur ein Impuls innerhalb der vorbestimmten Zeitperiode zum Phasendetektor 16 gelangt. Stellt der Komparator 49 nur einen Impuls fest, so liefert er an den einen Eingang des UND-Gatters 50 eine 1.

Nachdem über die Impulsformerstufe 46 beim Schließen des Zeitfensters ebenfalls für einen vorbestimmten Zeitraum

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eine 1 an den zweiten Eingang des UND-Gatters 50 geliefert wird, liegt in diesem Fall am Ausgang ebenfalls die 1 an, und der Schalter 45 schließt. Nunmehr wird während der durch die Impulsformerstufe 46 bestimmten Zeit der Inhalt des Zwischenspeichers 44 an den Integrator 17 übertragen. Der Frequenzgenerator 13 wird dann entsprechend dem Ausgangssignal des Integrators 17 auf die der Laufzeit des Impulses E über die Meßstrecke entsprechende Frequenz eingeregelt.

Wird dagegen innerhalb der vorbestimmten Zeitperiode, während der der Hilfsschalter 47 geschlossen ist, kein Impuls festgestellt oder tritt mehr als ein Impuls auf, so erscheint am Ausgang des Komparators 49 und am Ausgang des UNB-Gatters die 0 und der Schalter 45 bleibt geöffnet. In dieser Zeitperiode erfolgt also keine Änderung der Frequenz des Frequenzgenerators 13 und damit auch keine Änderung des durch diese Frequenz repräsentierten Laufzeitsignals.

Entsprechend würde eine von der Norm abweichende Impulslänge über die Impulslängen-Feststellungsstufe 41 das UND-Gatter 50 sperren.

Fig. 2 zeigt eine etwas abgewandelte Schaltung, bei der für die beiden Meßkreise 11, 11' nach der DE-OS 29 43 810 nur ein Phasendetektor 16 und ein Zwischenspeicher 44 sowie eine einzige Störeinfluß-Feststellungsstufe 47, 48, .49 verwendet wird. Zu diesem Zweck ist der Ausgang des Zwischenspeichers 44 über einen vorzugsweise noch vorgesehenen Verstärker54 parallel an die Hauptschalter 45, 45' der beiden Tiefpässe bzw. Integratoren 17, 17' angeschlossen. Die Ausgänge der Integratoren 17, 17' steuern wieder die Frequenzgeneratoren 13, 13' mit den Setzeingängen 15, 15· an, welche analog der DE-OS 29 43 810 ausgebildet sind.

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Die beiden Ausgänge der Frequenzgeneratoren 13, 13" werden nun über einen im Rhytmus der Impulse umschaltenden Umschalter 55 abwechselnd an den durch eine gestrichelte Linie umrahmten Phasendetektor 16 angeschlossen, dem der ebenfalls gestrichelt angedeutete Zwischenspeicher 44 nachgesehaltet ist.

Die analog Fig. 1 geschalteten UND-Gatter 5O, 50' werden unmittelbar bzw. über eine Invertierungsstufe 56 von dem Hauptimpulsgeber 12 angesteuert, der auch mit der Verzögerungsstufe 28 verbunden ist. Der Zweck der Invertierungsstufe 56 ist es, daß immer nur eines der UND-Gatter eine 1 am Eingang hat, also immer nur eines der Gatter für das Signal von 49 durchlässig ist.

Der Phasendetttktor 16 und die Störeinfluß-Feststellungsstufe 47, 48, 49 der Schaltung nach Fig. 2 weisen D-Flip-Flops 1, 2, 3 und 8 auf. Liegt an dem D-Eingang eines jeden D-Flip-Flops eine 1 (positiv) an, dann wird sie an den Ausgang Q1 (weiß) übertragen, wenn eine 1 an dem T-Eingang (Takteingang) und am Setzeingang eine 1 anliegt. Liegt an dem an der Schmalseite dargestellten Setzeingang die 0 an, so erseheint am Ausgang Q2 (schwarz) die 1 und am Ausgang Q1 (weiß) die O.

Die öffnung des Zeitfensters bzw. Beginn und Ende der vorbestimmten Zeitperiode werden durch eine 1 am Ausgang der Verzögerungsstufe 28 definiert. Aufgrund der bekannten Extremwerte der Schallgeschwindigkeit und der verschiedenen festzustellenden Betriebszustände kann ungefähr vorhergesagt werden, in welchem zeitlichen Bereich die Meßschallimpulse auftreten werden. Dementsprechend wird Lage und Breite des Zeitfensters voreingestellt.

Das Zeitfenstersignal aus der Verzögerungsstufe 28 liegt an den Setzeingängen der D-Flip-Flops 1 und 2 sowie über

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ein Invertierungsglied 4 an dem T-Eingang des D-Flip-Flops 8 an. Hierdurch werden die D-Flip-Flops 1 und 2 innerhalb der vorbestimmten Zeitperiode freigegeben.

Am Ende oder bevorzugt kurz vor dem Ende des Zeitfensterbereiches erscheint am Ausgang der Impulsformerstufe 46 eine 1 während einer solchen Zeitdauer, daß das im Zwischenspeicher 44 gespeicherte Laufzeitsignal in die Integratoren 17, 17' übertragen werden kann.

An die T-Eingänge der D-Flip-Flops 2, 3 ist der Impuls E von der Meßstrecke angelegt.

Die zeitlich erste Vorderflanke eines jeden Meßstreckenimpulses E setzt innerhalb des Zeitfensterbereiches des D-Flip-Flop 2, welches aufgrund des Anschlusses seines Q1-Ausgangs an den Setzeingang des D-Flip-Flops 3 den Rücksetzzwang für das D-Flip-Flop 3 beendet. Jede weitere Vorderflanke eines ankommenden Meßstreckensignals wird nun.das D-Flip-Flop 3 setzen, wodurch mehrere Während der Öffnung des Zeitfensters in den Phasendetektor 16 eintretende Impulse registriert werden.

Die Vorderflanke des von den Frequenzgeneratoren 13 bzw. 13" kommenden Signals setzt das D-Flip-Flop 1, wenn die durch das Reziproke der Generatorfrequenz gegebene Vergleichzeit (gegegebenenfalls zuzüglich einer konstanten Systemzeit) seit Auslösung des Meßstreckensignals vergangen ist.

Das an den Ausgang Q2 des D-Flip-Flops 1 angeschlossene Exklusiv-ODER-Gatter 5 liegt außerdem an dem Ausgang Q2 des D-Flip-Flops 2 an, so daß es feststellt, ob die beiden D-Flip-Flops in verschiedenen Zuständen sind. Hat das Exklusiv-ODER-Gatter 5 einen unterschiedlichen Zustand festgestellt, so wird ein sogenanntes Tri-State-Glied 7 aktiviert, das an den Ausgang Q1 des D-Flip-Flops 2 angeschlossen ist und mit seinem Ausgang

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den Zwischenspeicher 44 speist. Mit der Durchschaltung des D-Flip-Flops 2 gibt das Tri-State-Glied 7 einen hohen (bzw. tiefen) Pegel ab, wenn zuerst die Vorderflanke des Meßstreckensignals bzw. Frequenzgeneratorsignals ankam.

Der Löscheingang 52 des Zwischenspeichers 44 steuert einen Löschchalter 57, der parallel zu dem Kondensator des RC-Gliedes 53 geschaltet ist. Nach Fig. 1 wird der Löscheingang 51 vom Impulsgeber 12 so gesteuert, daß der Schalter 57 vor dem öffnen des Zeitfensters kurzzeitig geschlossen wird, um den Kondensator des RC-Gliedes 53 zu entladen.

Das mit seinem Ausgang den Ausgang des Phasendetektors 16 darstellende Tri-State-Glied 7 liefert an das RC-Glied 53 des Zwischenspeichers 44 einen Impuls, dessen Länge gleich der Zeitdifferenz zwischen dem Vergleichssetzimpüls vom Frequenz- ■ generator 15, 150 und der Flanke des Schallmeßimpulses E von der Meßstrecke ist. Das Ausgangssignal des Phasendetektors wird beispielsweise +5 V, wenn· der Schallmeßimpuls E zu früh kommt, und es ist 0 V, wenn es zu spät kommt. In den Zeiten zwischen den Impulsen ist der Ausgang des Phasendetektors 16 mit der Folgeschaltung nicht verbunden; er ist dann hochohmig.

Nach Fig. 2 ist der Kondensator an eine Referenzspannung von 2,5 V angelegt, auf welche er in den Impulspausen aufgeladen wird, über den Widerstand des RC-Gliedes 53 wird nun der Kondensator beim Auftreten "eines Impulses am Ausgang des Phasendetektors 16 umgeladen. Je größer die Impulsbreite am Ausgang des Phasendetektors ist, umso größer ist die am Kondensator des RC-Gliedes 53 auftretende Spannungsänderung.

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Die maximale Abweichung der Spannung des Kondensators des RC-Gliedes 53 relativ zur Referenzspannung von 2,5 V beträgt jedoch nur + 2,5 V. Weiter ist die Zeitkonstante des RC-Gliedes 53 erfindungsgemäß wesentlich kleiner als die Öffnungsdauer des Zeitfensters. Das bedeutet, daß Empfangsimpulse mit ungewöhnlicher zeitlicher Lage keinen wesentlich größeren Einfluß auf den Regelkreis haben als Empfangsimpulse, die innerhalb der Zeit entsprechend der' Zeitkonstante eintreffen. Empfangsimpulse mit ungewöhnlicher zeitlicher Lage werden in der Regel Störimpulse sein, die nur deshalb als Nutzsignale behandelt werden, weil der richtige Empfangsimpuls ausgefallen ist. Es wird so vermieden, daß trotz der erfindungsgemäßen Maßnahmen noch wirksame Störimpulse einen zu großen Einfluß auf den Regelkreis ausüben.

Noch günstiger als eine Begrenzung der maximalen Regelspannung ist es, wenn bei großen Zeitfehlern der Einfluß auf den Regel- · kreis wieder sinkt. Eine dementsprechend bevorzugte Kennlinie für den Zwischenspeicher 44 ist in Fig. 3 dargestellt.

Die Zeitkonstante entspricht dem Zeitfehler, der sich zusammensetzt aus Beiträgen des Rauschens, mangelnder Flankensteilheit (Amplitudenschwankungen), normalem Störschall und Geschwindigkeitsschwankungen, die schneller sind, als sie am Ausgang der Meßanordnung wiedergegeben werden sollen. Der Zeitfensterbereich umfaßt etwa 3 ms, die Zeitlagenbegrenzung dagegen etwa 3 us.

Der Schalter 57 wird von einem Löschimpuls betätigt, nachdem jeweils am Ende eines Meßzyklus die Information über die Haupt-

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schalter 45, 45' in die beiden Integratoren 17, 17' übertragen wurden. Die Ausgangsspannung der Integratoren 17, 17' steuert die Frequenzen der Frequenzgeneratoren 13 bzw. 13', bis der Ausgangsimpuls der Frequenzgeneratoren bzw. des darin enthaltenen Frequenzteilers (siehe DE-OS 29 43 810) in Koinzidenz mit dem Meßschallimpuls E bzw. E' ist. Wie in der vorgenannten Offenlegungsschrift beschrieben, ist die Frequenzdifferenz der beiden Frequenzen der beiden Schallrichtungen proportional zur Geschwindigkeit des strömenden Mediums auf der Meßstrecke.

Das an den Ausgang Q 2 des D-Flip-Flops 3 und den Ausgang Q1 des D-Flip-Flops 2 angeschlossene UND-Gatter 6 hat an seinem Ausgang die 1, wenn seit Beginn der vorbestimmten Zeitperiode bzw. der Öffnung des Zeitfensters ein und nur ein Meßstreckensignal angekommen ist. Diese 1 wird beim Ende der vorbestimmten Zeitperiode bzw. beim Schließen des Zeitfensters über die Invertierstufe 4 in das D-Flip-Flop 8 eingegeben, welches durch den Anschluß seines Setzeingangs an die Impulsformerstufe 46 kurz vor dem Schließen des Zeitferisters aus dem Rücksetzzwang entlassen wurde. Am Ausgang des D-Flip-Flops 8 liegt jetzt also die 1 an, welche an den einen Eingang der UND-Gatter 50 bzw. 50" angelegt ist. Am anderen Eingang der Gatter 50, 50' liegt von der Impulsformerstufe 46 her das kurz vor dem Schließen des Zeitfensters einsetzende Übertragungssignal an, so daß beim Vorliegen eines und nur eines Meßstreckenimpulses während der vorbestimmten Zeitperiode die Gatter 50, 50' während des Vorliegens des Übertragungssignals geöffnet sind. Die Schalter 45 bzw. 45' sind jetzt geschlossen, und der im Zwischenspeicher 44 gespeicherte Wert wird über den Verstärker 54 in dem Integrator 17 bzw. 17' gespeichert.

Die Schaltung nach Fig. 2 ermöglicht es also, die Störeinfluß-Feststellungsstufe 47, 48, 49, den Phasendetektor 16 und den Zwischenspeicher 54 sowie den Verstärker für die in beiden

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Schallrichtungen gewonnenen Schallmeßxmpulse E zu verwenden, indem wahlweise nur der Schalter 45 oder nur der Schalter 45' geschlossen wird. Die beiden Schalter 45, 45' können also niemals gleichzeitig geschlossen sein. Im Normalfall öffnen und schließen sie gegensinnig. Im Falle der Feststellung einer Störung (kein Impuls, mehrere Impulse und/oder unnormale Impulslänge sind jedoch zeitweise beide Schalter 45, 45' geöffnet, und zwar der eine Schalter im Verlauf seines normalen ÖffnungsZyklus und der andere Schalter aufgrund des festgestellten Störeinflusses.

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Claims

Patentansprüche

.) Meßanordnung für die Geschwindigkeit von strömungsfähigen Medien mittels Laufzeitbestimmung von Schallwellen, bei der in dem Medium aus elektroakustischen Wandlern bestehende Schallsender-Empfänger in einem Abstand vorgesehen sind, deren Verbindungslinie eine Komponente in Richtung der zu messenden Geschwindigkeit hat, und bei der Impulsgeber Meßschallimpulse vorbestimmter Länge abwechselnd in der einen und der entgegengesetzten Richtung zwischen den Wandlern hin- und hergeschickt werden, wobei in einer Auswerteschaltung über die Laufzeiten der Schallimpulse in den beiden Richtungen die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird und die Laufzeitsignale für jede der beiden Richtungen nach dem Eintreffen und Auswerten eines Impulses in einem Hauptspeicher gespeichert als Meßgröße verwendet werden, dadurch g e k e η η -

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GRAMKOW ■ ROTERMUND ■ 7000 STUTTGART 50 (BAD CANNSTÄTT) ■ SEELBERGSTR. 23/25 · TEL· (0711) 5672 61 ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN ■ MÜNCHEN · KONTO-NUMMER 7270 · POSTSCHECK: MÖNCHEN 77062-805

zeichnet , daß ein über einen gesteuerten Hauptschalter (45) an den Hauptspeicher (13) angeschlossener Zwischenspeicher (44) für das Laufzeitsignal· vorgesehen ist und daß der Schalter (45) nach Ablauf einer Meßzeitperiode, während der der Meßschaltimpuls erwartet wird, zur Weitergabe des Zwischenspeicherinhalts an den Hauptspeicher (13, 13') normalerweise schließt, jedoch beim Auftreten von mehr als einem Impuls oder keinem Impuls und/oder eines die vorbestimmte Länge über- bzw. unterschreitenden Impuls - innerhalb einer vorbestimmten Zeitperiode geöffnet bleibt.
2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichn e t , daß der Meßschallimpuls (E, E¹) über einen nur während der vorbestimmten Zeitperiode geschlossenen Signalweg, insbesondere Hilfsschalter (47) an einen Zähler (48) angeschlossen ist, der über einen die Zählerstellung 1 von allen anderen ZählerStellungen unterscheidenden Komparator (49) an eine den Hauptschalter (45) ansteuernde Steuerschaltung (50) angeschlossen ist, welche im Anschluß an den Ablauf der vorbestimmten Zeitperiode kurzzeitig für die Übertragung eines Schließwegsignals an den Hauptschalter (45) dann, wenn der Komparator (49) einen und/oder nur einen Impuls festgestellt hat, empfindlich gemacht wird.
3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet;, daß über dem Hilfsscha^er (47) an "die Steuerschaitung (50) auch eine Impulslängen-Feststellstufe (51) angeschlossen ist, welche die Steuerschaltung (50) für die Übertragung eines Schließwegsignals nur dann, wenn die Impulslänge innerhalb einer vorbestimmten Grenze liegt, empfindlich macht.

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4. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung ein UND-Gatter (5O, 50') ist, welches an den Ausgang des Komparators (49) und einen Impuls, former (46) angeschlossen ist, der einen kurz vor der vorbestimmten Zeitperiode beginnenden Impuls abgibt, welcher so lange dauert, daß in dieser Zeit der Zwischenspeicherinhalt vollständig in den Hauptspeicher (13, 13') übertragen werden kann.
5. Meßanordnung nach Snpruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß an das UND-Gatter (50) auch der Ausgang der Impulslängen-Feststellungsstufe (51) angeschlossen ist.
6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Hilfsschalter (47.) von einem Verzögerungsglied (28) angesteuert ist, das an den Impulsgeber

(12) der Anordnung angeschlossen ist.
7. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ■ gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher eine solche Zeitkonstante hat, daß er bei normalen Geschwindigkeitsschwankungen im wesentlichen linear arbeitet, bei längeren Zeitdifferenzen zwischen der Ankunft des Meßimpulses und des Referenzimpulses jedoch eine Sättigung zeigt.
8„ Meßanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher (44) ein RC-Glied (53) aufweist.
9. Meßanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Zwischenspeicher (44) einen Löscheingang (52) aufweist, welcher jeweils vor dem frühestmöglichen Eintreffen eines Meßschallimpulses betätigt wird.

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10. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und

einem oder mehreren Ansprüchen der Patentanmeldung P 29 43 810.6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher (44) und der Hilfsschalter (45, 45¹) zwischen den Phasendetektor(16, 16')und den Tiefpaß (17, 17«) geschaltet sind.
11. Meßanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsschalter (47) an den Meßeingang des Phasendetektors (16, 16') angeschlossen ist.
12. Meßanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß für beide Schallrichtungen nur ein Phasendetektor (16) und gegebenenfalls nur ein Zwischenspeicher (44) vorgesehen ist, an den Meßschallimpulse (E, E') beider Schallrichtungen angelegt sind und daß der Ausgang des Phasendetektors (16) bzw. des Zwischenspeichers (44)parallel an zwei vor den Eingängen der Tiefpässe (17, 17') liegende Hauptschalter (45, 45') angelegt ist.

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