NL8600339A

NL8600339A - Inrichting voor de contactvrije meting van de snelheid van een bewegend medium.

Info

Publication number: NL8600339A
Application number: NL8600339A
Authority: NL
Original assignee: Endress Hauser Gmbh Co
Priority date: 1985-02-11
Filing date: 1986-02-11
Publication date: 1986-09-01
Also published as: SE8600566L; IT8619347A1; JPS61233320A; DE3504622C2; SE8600566D0; SE454300B; NL191639B; IT1188354B; FR2577322B1; JPH0415888B2; IT8619347A0; NL191639C; FR2577322A1; US4708021A; CH668839A5; DE3504622A1

Description

* Ν.0. 33.649 1

Inrichting voor de contactvrije meting van de snelheid van een bewegend medi urn._

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor de contactvrije meting van de snelheid van een bewegend medium met twee omzet-ters, waarvan de detectiegebieden in de bewegingsrichting van het medium onderling verschoven zijn en die elektrische signalen afgeven, waar-5 in inhomogeniteiten van het bewegend medium, afhankelijk van hun ruimtelijke positie, overeenkomstig verschillende ruimtelijke weegfunkties in zijn opgenomen, en met een inrichting voor het verwerven van de meetwaarde door correlatieve verknoping van de beide signalen.

Bij bekende meetinrichtingen van deze soort wordt de met het maxi-10 mum van de tijd-correlatiefunktie van de uitgangssignalen van de beide omzetters overeenkomende verschuivingstijd bepaald, die gelijk is aan de looptijd van de inhomogeniteiten van het medium van de eerste naar de tweede omzetter. Bij bekende onderlinge afstand van de omzetters kan men uit de looptijd de te meten snelheid afleiden. Aan dit meetproces 15 kleven in vele toepassingsgevall en onzekerheden, daar het meetresultaat afhankelijk is van het stromingsprofiel en daar het maximum van de kruiscorrelatiefunktie vaak weinig benadrukt is, zodat de plaats van het maximum niet nauwkeurig bepaald kan worden. Bij andere contactvrije meetwerkwijzen kunnen de stromingsrichtingen niet onderscheiden worden 20 en geven deze meetwerkwijzen geen verwerkbare aanwijzing bij de snelheid nul en bij zeer kleine snelheden.

Het is de opgave van de uitvinding om een meetinrichting van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen, die bij alle snelheden een van het stromingsprofiel onafhankelijk nauwkeurig meetresultaat levert en 25 waarvan het meetbereik ook de snelheid nul, zeer kleine snelheden en de omkering van de bewegingsrichting omvat.

Volgens de uitvinding wordt aan deze opgave hierdoor voldaan dat de detectiebereiken van de beide omzetters elkaar zodanig gedeeltelijk overlappen, dat de gradiënt van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunktie 30 van de ruimtelijke weegfunkties bij de ruimtelijke verschuiving nul verschillend is van de nul vector, en dat de meetwaarde uit de helling van de tijd-kruiscorrelatiefunktie van de beide signalen bij de tijd-verschuiving nul of uit het eerste moment van het kruisvermogendicht-heidsspectrum van de beide signalen wordt afgeleid.

35 De uitvinding is gebaseerd op het inzicht dat onder bepaalde voorwaarden niet alleen de plaats van het maximum van de tijd-kruiscorrela-tiefunktie maar ook de helling of stijging daarvan bij de tijd-ver-

* ' J

ï f 2 schuiving nul een maat voor de snelheid van het bewegende medium geeft. Daar deze meetwaarde bij de tijd-verschuiving nul bepaald wordt, is hij afkomstig van inhomogeniteiten die zich op dezelfde plaats bevinden. Hierdoor worden wezenlijke oorzaken voor onnauwkeurigheden bij de me-5 ting van de snelheid ondervangen. Verder is de contactvrije correlatieve snel heidsmeting ook in die gevallen mogelijk waarin de op de bepaling van het maximum van de kruiscorrelatiefunktie berustende snel-heidsmeting faalt. In het bijzonder is het mogelijk om van aanlooptra-jekten af te zien en om bijvoorbeeld een meetplaats direkt achter een 10 kromming aan te brengen. Het meetbereik is in principe niet ingeperkt en omvat in het bijzonder zeer langzame bewegingen, stilstand en omkering van de bewegingsrichting.

Voorwaarde voor de toepassing van dit meetprincipe is dat omzetters toegepast worden, die een signaal paar opwekken waarbij een niet-15 verdwijnende gradiënt in statische afhankelijkheid van de beide in de tijd niet verschoven signalen bestaat. Aan deze voorwaarde wordt voldaan wanneer de detectiebereiken van de beide omzetters elkaar zodanig voor een deel overlappen, dat de gradiënt van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunktie van de ruimtelijke weegfunkties bij de ruimtelijke 20 verschuiving nul verschillend is van de nul vector. Bij deze definitie gaat het om een onveranderlijke, door de uitvoering van de omzetters bepaalde geometrische eigenschap die voor elk omzetterpaar kenmerkend is.

De helling of stijging van de tijd-kruiscorrelatiefunktie van twee 25 signalen bij de tijd-verschuiving nul is mathematisch equivalent aan het eerste moment van het kruisvermogen dichtheidsspectrum van deze signalen. Het maakt daarom geen verschil of men de ene of de andere waarde berekent.

Voordelige vormen en de verdere uitvoeringen van de uitvinding 30 zijn in de onderconclusies gekenmerkt.

De uitvinding zal aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin: fig. 1 een schematische weergave toont van een meetinrichting van bekende soort voor de contactvrije correlatieve meting van de stro-35 mingssnelheid in een buislei ding; fig. 2 diagrammen van ruimtelijke funkties toont die voor de opbouw van de meetinrichting van fig. 1 kenmerkend zijn; fig. 3 diagrammen van tijd-funkties toont die voor de werking van de meetinrichting van fig. 1 kenmerkend zijn; 40 fig. 4 een het principe van de uitvinding realiserende gewijzigde r. ^ -·. Λ \· -Λ i 3 3 uitvoeringsvorm van de meetinrichting van fig. 1 toont; fig* 5 de met fig. 2 overeenkomstige diagrammen van ruimtelijke funkties voor de meetinrichting van fig. 4 toont; fig. 6 de met fig. 3 overeenkomstige diagrammen van de tijd-funk-5 ties voor de meetinrichting van fig. 4 toont; fig. 7 meerdere met dezelfde meetinrichting volgens de uitvinding voor verschillende snelheden opgenomen tijd-kruiscorrelatiefunkties toont; fig. 8 een optische meetinrichting volgens de uitvinding toont; 10 fig. 9 een zijaanzicht van de optische meetinrichting van fig. 8 toont; · fig. 10 een capacitieve meetinrichting volgens de uitvinding toont; fig. 11 een optische meetinrichting volgens de uitvinding met een 15 fotodiode-array toont; fig. 12 een analoge-signaalverwerkingsschakeling voor het verwerven van de meetwaarde bij een meetinrichting volgens de uitvinding toont; en fig. 13 een digitale-signaalverwerkingsschakeling voor het verwer-20 ven van de meetwaarde bij een meetinrichting volgens de uitvinding toont.

Fig. 1 toont als toepassingsvoorbeeld voor de correlatieve con-tactvrije snel heidsmeting een meetinrichting voor het meten van de stromingssnelheid van een medium, dat zich met de snelheid v door een 25 buisleiding 1 in de richting van de as z van de buisleiding beweegt. Op __ de buisleiding 1 zijn op een nauwkeurig bekende middenafstand D ten op zichte van elkaar twee omzetters W], en W2 aangebracht, die elektrische signalen Si(t) resp. $2(t) leveren, die door inhomogeniteiten van het bewegende medium beïnvloed worden. Al naar de soort en aard 30 van het bewegende medium kunnen de te benutten inhomogeniteiten van zeer verschillende aard zijn, maar berust hun werking uiteindelijk altijd hierop dat zij of een akoestisch of een elektromagnetisch veld beïnvloeden of opwekken. Voor de met elektromagnetische velden werkende werkwijze kan het totale spectrum van het elektrostatische veld over 35 het hoogfrequente- en microgolfbereik en het optische bereik tot aan de /-straling benut worden. Bij akoestische velden reikt het nuttige frequentiebereik van enkele KHz in gas tot aan 10 MHz of meer bij vloeibare draagmedia.

Gewoonlijk bestaat elke omzetter uit een zender die het door de 40 inhomogeniteiten van het medium te beïnvloeden veld opwekt, en uit ' 5 9 f » 4 een ontvanger die op het door de inhomogeniteiten beïnvloede veld aanspreekt en een de tijdveranderingen van het veld weergevend elektrisch signaal afgeeft. Zo bestaat in fig. 1 de omzetter Wi uit een zender Ti en een ontvanger Ri, en bestaat de omzetter W2 uit een 5 zender T2 en een ontvanger R2· De uitvoering van de zenders en ontvangers, al naar de aard van het benutte veld, is aan de vakman bekend. Zo kan bij toepassing van een in het optische bereik liggend elektrisch veld elke zender een lichtbron en elke ontvanger een fotodetector zijn. Bij toepassing van een in het ultrasone bereik liggend akoestisch veld 10 is elke zender een ultrasone opwekker en is elke ontvanger een ultrasone detector. Capacitieve sensoren vormen tegelijk een zender en ontvanger voor elektrostatische velden, enz..

Wanneer de inhomogeniteiten actief zijn en zelf een nuttig veld opwekken, kan men afzien van de zender zodat elke omzetter slechts uit 15 een ontvanger bestaat. Dit is bijvoorbeeld het geval wanneer de inhomogeniteiten door radioactieve deeltjes gevormd worden, waarvan de straling door de ontvangers van de omzetters opgevangen en in een elektrisch signaal omgezet wordt.

Elke inhomogeniteit van het bewegende medium beïnvloedt volgens 20 een vooraf bepaalde ruimtelijke weegfunktie het uitgangssignaal van een omzetter, wanneer deze inhomogeniteit zich in het detect!ebereik daarvan bevindt. Bij het toepassingsvoorbeeld van fig. 1 is het omvattings-. ’ of detect!ebereik van de omzetter Wi een meetvol urne, dat in de richting van de z-as de lengte Li en loodrecht op de z-as de dwarsdoor-25 snede van de buislei ding 1 of een door de omzetter omvat deel van deze dwarsdoorsnede heeft. Op gelijke manier is het detect!ebereik van de omzetter W2 een meetvolume met de lengte L2 en een overeenkomstige dwarsdoorsnede. Daar men in het algemeen geïnteresseerd is de over de dwarsdoorsnede gemiddelde snelheid te detecteren, zal men de omzetters 30 al naar de mogelijkheid zodanig uitvoeren dat zij een gelijkmatige weegbewerking van de buisdwarsdoorsnede realiseren.

Het diagram van fig. 2 toont in geïdealiseerde weergave als funktie van de coördinaat z de ruimtelijke weegfunktie gi(z) van de omzetter Wi, d.w.z. de uitwerking van een puntvormige inhomogeniteit 35 op het uitgangssignaal van de omzetter Wi in afhankelijkheid van zijn ruimtelijke positie langs de z-as. Wanneer de puntvormige inhomogeniteit zich buiten het detect!ebereik van de omzetter Wi bevindt, beïnvloedt hij niet het uitgangssignaal Si(t) en heeft de ruimtelijke weegfunktie gi(z) de waarde 0. Wanneer de puntvormige inhomogeniteit 40 zich in het detectiebereik van de omzetter W], bevindt, beïnvloedt 1

. ' ·*, -¾ ' J

.. J V- U

* V

5 zij daarentegen met een vooraf bepaalde, van nul verschillende waarde het uitgangssignaal Sx(t), zodat de ruimtelijke weegfunktie gi(z) voor het totale detectie- of omvattingsbereik een van nul verschillende waarde aanneemt.

5 Op overeenkomstige manier toont het diagram B van fig. 2 de ruim telijke weegfunktie g2(z) van de omzetter Wg. Wanneer de beide om-zetters Wi en W2 op gelijke manier uitgevoerd zijn, heeft de ruimtelijke weegfunktie g2(z) dezelfde krommevorm als de ruimtelijke weegfunktie gi(z), maar onderscheidt zich daarvan door zijn andere 10 positie ten opzichte van de abscisas z. Overeenkomstig de rangschikking van de omzetters in fig. 1 zijn de ruimtelijke weegfunkties gi(z) en g£(z) ten opzichte van elkaar over de waarde D verschoven en tussen hen bestaat een interval met de waarde E.

Het diagram C van fig. 2 toont de ruimtelijke kruiscorrelatiefunk-15 tie $i2(u) van de ruimtelijke weegfunkties gi(z) en g2(z). De ruimtelijke kruiscorrelatiefunktie heeft de mathematische vorm +00 $12(u) = ƒ 92(z) gi(z+u) dz (1)

-CO

Dat wil zeggen dat de waarden van de weegfunktie g2(z) met de over een ruimtelijke verschuiving u verschoven waarden van de ruimte-20 lijke weegfunktie gi(z) vermenigvuldigd worden en dat de gemiddelde waarde van de produkten over het gewaardeerde bereik Z gevormd wordt.

Voor elke waarde van de ruimtelijke verschuiving u verkrijgt men een steun- of hulpwaarde van de ruimtelijke correlatiefunktie. De ruimtelijke verschuiving z = 0 komt overeen met de in de diagrammen A en B 25 weergegeven uitgangsstand van de ruimtelijke weegfunkties, dus de ruimtelijke stand of positie van de omzetters Wi en W2 van fig. 1, en toenemende waarden van u komen overeen met een vermindering van de onderlinge verzetting of verplaatsing van de met elkaar gecorreleerde waarden van de beide ruimtelijke weegfunkties. Voor u - 0 heeft de 30 kruiscorrelatiefunktie de waarde nul, daar altijd ten minste een van de beide met elkaar vermenigvuldigde waarden van elk waardepaar gelijk aan nul is. Bij u = E begint de onderlinge overlapping van de van nul verschillende gedeelten van de beide weegfunkties, en de kruiscorrelatiefunktie neemt toe. Voor u = D zijn de beide weegfunkties gi(z) en 35 92(z) congruent, en de ruimtelijke kruiscorrelatiefunktie bereikt zijn maximum.

*·» - — 1V

, Λ t ·' * ί 6

Zowel de ruimtelijke weegfunkties gi(z), g2(z) en ook de kruiSGorrelatiefunktie ¢12(u) daarvan zijn onveranderlijke ken-grootheden van de omzetters Wi en W2, die door de geometrie van de omzetters bepaald en dus voor de karakterisering daarvan geschikt 5 zijn.

Deze karakterisering van de omzetters door de ruimtelijke weegfunkties en de ruimtelijke kruiscorrelatiefunktie is niet tot het geval beperkt, dat het detectiebereik van elke omzetter een meetvolume is. De karakterisering geldt eveneens voor het geval dat de voor de meting van 10 de snelheid benutte inhomogeniteiten zich aan het oppervlak van het bewegende medium bevinden en de omzetters telkens een bepaald oppervlak-bereik van het medium aftasten. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de meting van de snelheid van papierbanen, textielbanen of blikplaten in walsstraten het geval. Het detectiebereik van elke omzetter is dan geen 15 volume maar een oppervlakbereik. De eerder gestelde beschouwingen over de ruimtelijke weegfunkties en de ruimtelijke correlatiefunktie daarvan gelden onbeperkt ook voor dit geval.

De diagrammen A en B van fig. 3 tonen het verloop in de tijd van de uitgangssignalen Si(t) en S2(t) van de omzetters Μχ, W2. De 20 schommelingen van deze signalen zijn afkomstig van de door de detectie-bereiken van de omzetters gaande inhomogeniteiten van het bewegende medium. Onder de veronderstelling dat deze inhomogeniteiten op de weg van de eerste naar de tweede omzetter ten minste voor een deel blijven bestaan, hebben de door hen veroorzaakte schommelingen van de uitgangs-25 signalen van de beide omzetters bepaalde gelijksoortigheden die onderling over een tijdinterval verschoven zijn, dat gelijk is aan de looptijd van de inhomogeniteit van de eerste naar de tweede omzetter. Dit feit wordt voor de meting van de snelheid door correlatieve verknoping van de beide signalen benut.

30 Het diagram C van fig. 3 toont de kruiscorrelatiefunktie

Rl2( ) in de tijd van de beide signalen Si(t) en S2(t). De kruiscorrelatiefunktie in de tijd heeft de mathematische vorm:

T

Rl2(r) = limi Γ S2(t) Si(t+ ) dt (2) T*co 1 J o o

Dat wil zeggen dat de ogenblikkelijke waarden van het signaal 35 S2(t) met de over een verschuivingstijd t verschoven ogenblikkelijke waarden van het signaal Si(t) vermenigvuldigd worden en dat de gemid- , fr * 7 delde waarde van de produkten over het bereik van de waarneemt!jd T gevormd wordt. Voor elke waarde van t* verkrijgt men een steun- of hulp-waarde van de tijd-kruiscorrelatiefunktie. Voor het beschouwde toepas-singsgeval heeft de kruiscorrelatiefunktie een maximum bij een bepaalde 5 verschuivingstijd die gelijk is aan de looptijd van de inhomoge-niteiten van het medium van de omzetter Wi naar de omzetter W2, indien dus geldt: = f (3)

Bij bekende afstand D kan uit de verschuivingstijd direkt de 10 snelheid v van de inhomogeniteiten berekend worden, die gewoonlijk gelijk is aan de snelheid van het medium.

Ter bepaling van de kruiscorrelatiefunktie worden de signalen Si(t) en S2(t) na de vereiste voorbehandeling in een signaalverwer-kingsschakeling 2 aan een correlator 4 toegevoerd. Een met de correla-15 tor 4 verbonden waardeerschakeling 5 onderzoekt de kruiscorrelatiefunktie naar het maximum en geeft de met de looptijd overeenkomstige verschuivingstijd Tm of de hieruit berekende snelheid v af. Oeze schakelingen en hun werking zijn bekend. Bij voorkeur neemt een passend geprogrammeerde microcomputer de funkties van de correlator 4 en de waar-20 deerschakeling 5 over. In dit geval bevat de signaalverwerkingsschake-ling 2 een analoog-digitaalomzetter die de analoge uitgangssignalen Si(t) en S2(t) in digitale signalen omzet die voor de verwerking in de microcomputer geschikt zijn.

Fig. 4 toont in een met fig. 1 overeenkomstige schematische weer-25 gave een correlatieve snel heidsmeetinrichting, die het aan de uitvinding ten grondslag liggende principe belichaamt. Voor de met de inrichting van fig. 1 overeenkomstige onderdelen en afmetingen zijn dezelfde aanduidingen als in fig. 1 toegepast. Het wezenlijke verschil ten opzichte van de inrichting van fig. 1 is hierin gelegen dat de detectie-30 bereiken van de beide omzetters Wi en W2 elkaar gedeeltelijk overlappen. Dit moet door een overeenkomstige uitvoering van de omzetters bereikt worden, hetgeen bij de schematische weergave van fig. 4 hierdoor aangeduid is dat ook de zenders Ti, T2 en de ontvangers Ri, R2 van de beide omzetters elkaar gedeeltelijk overlappen.

35 De gedeeltelijke overlapping van de detectiebereiken van de omzetters Wi, W2 heeft tot gevolg dat ook de in de diagrammen A en B van fig. 5 aangegeven ruimtelijke weegfunkties gi(z) en g2(z) elkaar over een waarde F gedeeltelijk overlappen. Dientengevolge heeft de in .....

* V i 8 diagram C van fig. 5 aangegeven ruimtelijke kruiscorrelatiefunktie δχ2(u) bij de ruimtelijke verschuiving u = 0 een van nul verschillende waarde en een gradiënt, die verschillend is van de nul vector. De ruimtelijke kruiscorrelatiefunktie neemt pas de waarde nul aan 5 bij een negatieve ruimtelijke verschuiving u = -F, en zij bereikt haar maximum bij de positieve ruimtelijke verschuiving u = D.

De diagrammen A en B van fig. 6 tonen weer het verloop in de tijd van de signalen Sx(t) en S2(t), die door de omzetters Wi respectievelijk W2 van fig. 4 afgegeven worden. Deze signalen hebben in 10 principe dezelfde eigenschappen als de in fig. 3 aangegeven signalen Sx(t), S2(t) van de meetinrichting van fig. 1.

Daarentegen verschilt de in diagram C van fig. 6 aangegeven tijd-kruiscorrelatiefunktie Ri2(Tr) van de signalen Si(t) en S2(t) van die van het diagram C van fig. 3 hierin dat hij bij de verschui-15 vingstijd T = 0 een van nul verschillende waarde en een van nul verschillende helling heeft. Deze wordt door de hoek α tussen de tangent aan de tijd-kruiscorrelatiefunktie in het doorsnedepunt met de in het punt = 0 getekende coördinaatas en de horizontaal gerepresenteerd.

20 Het maximum van de tijd-kruiscorrelatiefunktie ligt weer bij de verschuivingstijd T'jn = D/v en kan, zoals bij de inrichting van fig.

1, voor de meting van de snelheid van het bewegende medium bepaald worden. Het bijzondere van de meetinrichting van fig. 4 is echter hierin gelegen dat de meetwaarde van de snelheid niet uit de met het maximum 25 van de tijd-kruiscorrelatiefunktie overeenkomstige verschuivingstijd * m maar uit de helling van de tijd-kruiscorrelatiefunktie bij de verschuivingstijd ^ = 0 afgeleid wordt.

Deze maatregel is gebaseerd op het inzicht dat er een eenduidige, mathematisch definieerbare samenhang tussen de helling van de tijd-30 kruiscorrelatiefunktie bij de verschuivingstijd t = 0 en de snelheid van het medium bestaat. Fig. 7 toont de met dezelfde meetinrichting voor verschillende snelheden νχ, V2, V3 van het medium bepaalde tijd-kruiscorrelatiefunkties. Zoals te zien is, snijden alle kruiscor-relatiefunkties de door T = 0 gaande ordinaatas in hetzelfde punt ech-35 ter met verschillende hellingen. Hierbij is de helling des te groter naarmate de snelheid groter is. Ter verdere veraanschouwelijking kan men zeggen dat bij veranderingen van de snelheid de kruiscorrelatiefunktie als een trekharmonikabalg uitzet en in elkaar stuit.

De mathematische samenhang tussen de snelheid v en de helling van 40 de tijd-kruiscorrelatiefunktie wordt door de volgende vergelijking ge- ·-> --7 -7 i, .·. ·. ./ -i v 9 geven: *12(0) * (°) m v‘d_ * Ri2(0) - /U1/U2 du 12 n u=0

Hierin zijn: ¢12(0): de waarde van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunktie 5 bij de ruimtelijke verschuiving u = 0; d_ , du au lc u_g. ^ van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunktie bij de ruimtelijke verschuiving u = 0;

Rl2(0): de gradiënt van de tijd-kruiscorrelatiefunktie bij de verschuivingstijd T= 0; 10 Rl2(0): de tijd-kruiscorrelatiefunktie bij de verschuivingstijd Ί = 0; /ui, /U2: de gemiddelde waarden van de signalen Si(t) en S2(t).

De eerste faktor in het rechter deel van de vergelijking (4) is 15 een eenmalig te bepalen geometrieterm, die, zoals aan de hand van fig.

4 en fig. 5 toegelicht werd, ontstaat uit de opbouw en de rangschikking van de omzetters. De tweede faktor drukt de helling van de tijd-kruiscorrelatiefunktie uit, waarbij de deling door Rl2(0)-/Ul/U2 voor de normering dient. Wanneer de uitdrukking 20 Ri2(0)-/ui/u2 gelijk is aan nul, kan de normering op het eigen of autovermogen van een van de beide signalen $i(t), S2(t) of op de wortel uit het produkt van de eigenvermogens van de beide signalen plaats vinden.

De vergelijking (4) geeft aan dat de gradiënt van de ruimtelijke 25 kruiscorrelatiefunktie niet mag verdwijnen daar hij in de noemer staat. Aan deze voorwaarde wordt slechts dan voldaan wanneer de detectieberei-ken van de omzetters elkaar op de aan de hand van fig. 4 en 5 toegelichte manier overlappen.

Ter bepaling van de helling van de tijd-kruiscorrelatiefunkties 30 kunnen bij de meetinrichting van fig. 4 de uitgangssignalen Si(t) en S2(t) weer na voorbehandeling in een signaalverwerkingsschakeling 2 aan een correlator 4 toegevoerd worden, die de tijd-kruiscorrelatiefunktie berekent. Bij de correlator 4 behoort echter nu een waardeer-schakeling 6, die de helling van de tijd-kruiscorrelatiefunktie bij de 35 verschuivingstijd ^ = 0 bepaalt en hieruit de snelheid van het medium 10 afleidt. De correlator 4 en de waardeerschakeling 6 kunnen natuurlijk ook in dit geval door een geschikt geprogrammeerde microcomputer gevormd zijn.

Er zijn talrijke mogelijkheden om de omzetters zodanig uit te voe-5 ren dat hun detectiebereiken elkaar overlappen. De fig. 8 en 9 tonen als voorbeeld een optische meetinrichting voor het meten van de stromingssnelheid van een door een plexiglasbuis 10 stromend medium. De omzetter Wi bevat als zender een lichtbron 11 en als ontvanger een fo-todiode 12. De omzetter W2 bevat als zender een lichtbron 13 en als 10 ontvanger een fotodiode 14. Elke omzetter is zodanig uitgevoerd dat met inachtname van de lenswerking van de plexiglasbuis 10 een in ruime mate homogene weegbewerking van de buisdwarsdoorsnede bereikt wordt. De optische assen van de beide omzetters kruisen elkaar rechthoekig. Zoals fig. 9 toont, zijn de lichtbronnen 11, 13 en de fotodioden 12, 14 van 15 de beide omzetters langs de bui sas z onderling wat verschoven aangebracht zodat de detectiebereiken van de beide omzetters elkaar voor de helft ongeveer overlappen. Ter verduidelijking is de uitstrekking van de lichtbronnen 11, 13 en van de fotodioden 12, 14 in de richting van de bui sas z in fig. 9 overdreven groot voorgesteld. De overlapping van 20 de detectiebereiken wordt in dit geval door de gekruiste rangschikking van de omzetters mogelijk gemaakt.

Fig. 8 toont ook de uitvoering van de beide signaalverwerkings-schakelingen, waaraan de uitgangssignalen Si(t) en S2(t) van de omzetters Wi en W2 toegevoerd worden. In elke signaalverwerkingsscha-25 keling wordt het uitgangssignaal van de bijbehorende omzetter eerst in een voorversterker 15 versterkt en dan in een hoogdoorlaatfilter 16 gefilterd, waardoor de gemiddelde waarde van het signaal onderdrukt wordt. Na opnieuw een versterking in een versterker 17 wordt elk signaal aan een analoog-digitaal omzetter 18 toegevoerd, die het gemiddel-30 de-waardevrije analoge signaal in een voor de verwerking in de microcomputer geschikt digitaal signaal omzet. Op de analoog-digitaal omzetter 18 sluit een microcomputer 19 aan, die de funkties van de correlator 4 en de waardeerschakeling 6 van fig. 4 uitvoert.

Een andere mogelijkheid voor het realiseren van de gedeeltelijk 35 overlappende detectiebereiken bestaat hierin, dat elke omzetter uit meerdere omzetterelementen bestaat, die nauw met de omzetterelementen van de andere omzetter onderling verbonden zijn. Fig. 10 toont als voorbeeld hiervoor een meetinrichting met capacitieve omzetters voor het meten van de snelheid van een door een buis 20 stromend medium. De 40 omzetter Wi bestaat uit vijf omzetterelementen 21, 22, 23, 24, 25, ' ‘ v Λ ** · 11 waarvan elk element op de gebruikelijke manier door twee aan de omtrek van de buis 20 diametraal tegenover elkaar gelegen elektroden gevormd is. De omzetterelementen 21, 22, 23, 24, 25 zijn langs de buisas op onderlinge afstanden aangebracht zodat er tussen hen gaten bestaan. De 5 omzetter W2 bestaat op dezelfde manier uit vijf omzetterelementen 31, 32, 33, 34, 35, die langs de bui sas op onderlinge afstanden zijn aangebracht zodat er tussen hen gaten bestaan. De omzetterelementen 31 en 32 van de omzetter W2 liggen in de gaten tussen de omzetterelementen 23 en 24 respectievelijk 24 en 25 van de omzetter Wi, waardoor de ge-10 wenste overlapping van de detectiebereiken van de beide omzetters Wi en W2 verkregen wordt.

In plaats van elke omzetter van de beide omzetters met eigen omzetterelementen uit te voeren, is het ook mogelijk om de uitgangssignalen van de gelijke omzetterelementen op verschillende manier samen te 15 vatten teneinde de elkaar overlappende detectiebereiken van twee omzetters te realiseren. Fig. 11 toont een meetinrichting met een array van fotodioden 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, die langs de bewegingsrichting z van het bewegende medium aangebracht zijn en het licht van een gemeenschappelijke lichtbron 40 ontvangen. Elke fotodiode vormt in sa-20 menhang met de lichtbron een omzetterelement en geeft een door de indoor de inhomogeniteiten van het bewegende medium beïnvloed elektrisch uitgangssignaal S41, $42, ... S48 af· De uitgangen van de fotodioden zijn verbonden met de ingangen van twee sommeerscha-kelingen 51 en 52, die de uitgangssignalen van de fotodioden voor het 25 vormen van de beide te correleren signalen $i(t) en S2(t) met verschillende voortekenwaardering samenvoegen. De signalen Si(t) en S2(t) kunnen bijvoorbeeld op de volgende manier gevormd zijn:

Si(t) = +S41+S42-S43-S44+S45+S46-S47-S4& 30 S2(t) =* -S41+S42+S43-S44-S45+S46+S47-S48

Deze realisering van de elkaar overlappende detectiebereiken geeft het voordeel dat de signalen Si(t) en S2(t) vrij zijn van gemiddelde waarde zodat de noodzaak voor een hoog doorlaatfiltering wegvalt. Verder wordt de inwerking van concentratieschommelingen op het meetre-35 sultaat onderdrukt. Dezelfde maatregel kan in plaats van met fotodioden natuurlijk even goed met akoestische, capacitieve of andere omzetterelementen uitgevoerd worden.

In plaats van de signaal verknoping gelijktijdig met twee sommeer- ^ ' * v λ

. j J

k 12 schakelingen uit te voeren, kan deze verknoping ook in tijdmultiplex met dezelfde sommeerschakeling plaats vinden.

De met de inrichtingen van fig. 10 of fig. 11 verkregen signalen Si(t) en S2(t) kunnen dan op de eerder toegelichte manier verder 5 verwerkt worden teneinde de tijd-kruiscorrelatiefunktie te vormen, de helling daarvan bij de verschuivingstijd c = 0 te bepalen en hieruit de meetwaarde van de snelheid v af te leiden.

In plaats van deze bewerkingen in een microcomputer uit te voeren is het ook mogelijk om het resultaat door direkte verwerking van de 10 elektrische signalen in een hardware-schakeling te doen plaats vinden.

Fig. 12 toont een hiervoor geschikte analoge-signaalverwerkings-schakeling 60 met twee ingangen 61 en 62, waaraan de uitgangssignalen Si(t) respectievelijk S2(t) van een van de eerder beschreven omzet-tersystemen toegevoerd worden. Het aan de ingang 61 toegevoerde analoge 15 signaal Sx(t) wordt in een different!eerschakeling 63 naar de tijd gedifferentieerd. De uitgang van de different!eerschakeling 63 is met de ene ingang van een vermenigvuldigerschakeling 64 verbonden, die aan de andere ingang het signaal S2(t) ontvangt. Het uitgangssignaal van de vermenigvuldigerschakeling 64 wordt via een laagdoorlaat 65 aan de 20 ene ingang van een deel schakeling 66 toegevoerd. Het aan de ingang 62 aanliggende signaal S2(t) wordt aan de beide ingangen van een tweede vermenigvuldigerschakeling 67 toegevoerd, die derhalve aan de uitgang een signaal afgeeft dat met het kwadraat van het signaal S2(t) overeenkomt. Dit signaal wordt via een tweede laagdoorlaat 68 aan de andere 25 ingang van de deel schakeling 66 toegevoerd.

De vermenigvuldiging van de signalen in de vermenigvuldigerschakeling 64 komt met de vorming van de kruiscorrelatiefunktie bij de ver-schuivingstijd 't' = 0 overeen, waarbij het resultaat als gevolg van de eerder uitgevoerde differentiatie van het signaal Si(t) rechtstreeks 30 met de helling van de kruiscorrelatiefunktie overeenkomt. De opvolgende deling door het kwadraat van het signaal S2(t) levert de normering op het ei genvermogen van dit signaal op. Het uitgangssignaal van de deel-schakeling 66 stelt derhalve de helling van de genormeerde kruiscorrelatiefunktie bij de verschuivingstijd ^ = 0 voor en kan bijvoorbeeld 35 in een overeenkomstig geijkt aanwijsapparaat 69 direkt voor de aanwijzing van de te meten snelheid v dienen.

Zoals bij de gebruikelijke correlatieve meetwerkwijzen is het niet nodig om de totale informatie-inhoud van de analoge uitgangssignalen van de omzetters voor de vorming en de waardering van de kruiscorrela-40 tiefunktie toe te passen. In vele gevallen is een zogenaamde polari- 1 Λ 9 * ί · 13 teitscorrelatie voldoende, waarbij de analoge ingangssignalen alleen gebinariseerd, dat wil zeggen met een bit gekwantiseerd worden. Deze binarisering kan zowel bij de signaalverwerking door een microcomputer als ook bij de signaalverwerking door een hardware-schakeling toegepast 5 worden. Als voorbeeld toont fig. 13 een hardware-schakeling 70, die volgens hetzelfde principe als de analoge-signaalverwerkingsschakeling 60 van fig. 12 werkt, maar voor de verwerking van gebinariseerde signalen uitgevoerd is.

De schakeling 70 ontvangt aan de ingang 71 het analoge signaal 10 Si(t) en ontvangt aan de ingang 72 het analoge signaal $2(t). Het analoge signaal Sl(t) wordt eerst gedifferentieerd in een differenti-eerschakeling 73 gedifferentieerd, waarvan het uitgangssignaal in een digitaliseringsschakeling 74 gebinariseerd wordt. Het gebinariseerde uitgangssignaal van de digital iseringsschakeling 74 wordt aan de ene 15 ingang van een XQR-schakeling 75 toegevoerd. Het aan de ingang 72 toegevoerde analoge signaal S2(t) wordt na hoogdoorlaatfiltering in een hoogdoorlaat 76 in een tweede digitaliseringsschakeling 77 gebinariseerd. Het gebinariseerde uitgangssignaal van de digitaliseringsschake-1ing 77 wordt aan de tweede ingang van de XOR-schakeing 75 toegevoerd.

20 De verknoping van de binaire signalen in de XQR-schakeling 75 komt op bekende manier met de correlatieve vermenigvuldiging overeen. Een normering op het eigen- of autovermogen is niet nodig daar de binarisering automatisch de normering op de wortel uit het produkt van de autovermo-gens van de beide signalen oplevert. Het uitgangssignaal van de X0R-25 schakeling 75 stelt dus na filtering in een laagdoorlaat 78 de helling van de genormeerde kruiscorrelatiefunktie bij de verschuivingstijd ^ = 0 voor en kan aan een overeenkomstig geijkt aanwijsapparaat 79 voor de direkte aanwijzing van de te meten snelheid toegevoerd worden.

De helling van de genormeerde kruiscorrelatiefunktie bij de ver-30 schuivingstijd '7r = 0 is mathematisch equivalent aan het eerste moment van het kruisvermogendichtheidsspectrum van de signalen Si(t) en S2(t). Het is daarom ook mogelijk om de microcomputer zodanig te programmeren respectievelijk de in zijn plaats toegepaste hardware-schakeling zodanig uit te voeren dat een resultaat verkregen wordt, dat met 35 het eerste moment van het kruisvermogendichtheidsspectrum overeenkomt.

Uit deze waarde kan dan de te meten snelheid v op dezelfde manier afgeleid worden als uit de helling van de genormeerde kruiscorrelatiefunktie bij de verschuivingstijd = 0.

**» 'j

Claims

1. Inrichting voor de contaetvrije meting van de snelheid van een bewegend medium met twee omzetters, waarvan de detectiebereiken in de bewegingsrichting van het medium onderling verschoven zijn en die elek- 5 trische signalen leveren, waarin inhomogeniteiten van het bewegende medium, afhankelijk van hun ruimtelijke positie, overeenkomstig verschillende ruimtelijke weegfunkties in zijn opgenomen, en met een inrichting voor het verwerven van een meetwaarde door correlatieve verknoping van de beide signalen, met het kenmerk, dat de detectiebereiken van de bei- 10 de omzetters (Wi, W2) elkaar zodanig gedeeltelijk overlappen, dat de gradiënt van de ruimtelijke kruiscorrelatiefunktie (¢12(u)) van de ruimtelijke weegfunkties (gi(z), g2(z)) bij de ruimtelijke verschuiving nul verschillend is van de nul vector, en dat de meetwaarde uit de helling van de tijd-kruiscorrelatiefunktie (Rl2(cr)) van de 15 beide signalen (Si(t), S2(t)) bij de tijd-verschuiving nul of uit het eerste moment van het kruisvermogendichtheidsspectrum van de beide signalen (Si(t), S2(t)) afgeleid wordt.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de beide omzetters (11, 12; 13, 14) met elkaar kruisende assen uitgevoerd en met 20 onderlinge overlapping in de bewegingsrichting ten opzichte van elkaar verschoven aangebracht zijn.

3. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat elke omzetter (Wi, W2) uit meerdere langs de bewegingsrichting aangebrachte omzettere!ementen (21 tot 25; 31 tot 35) bestaat, en dat voor het 25 verschaffen van elkaar overlappende detectiebereiken omzettere!ementen (24, 25; 31, 32) van de beide omzetters nauw onderling verbondejwi jn.

4. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de elkaar overlappende detectiebereiken van de beide omzetters (W]_, W2) door verschillende samenvoeging van de uitgangssignalen van meerdere langs 30 de bewegingsrichting aangebrachte omzetterelementen (41 tot 48) gerealiseerd zijn. ******** ' t A ; o v