CH672187A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Durchflussvolumenzähler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie z. B. in Wärmezählern verwendet werden.

Durchflussvolumenzähler dieser Art messen die Strömungsgeschwindigkeit und damit den Fluss eines Mediums durch ein Messrohr, basierend auf der Laufzeitdifferenz zweier Ultraschallwellenpakete von z. B. mehr als 100 Perioden, die gleichzeitig das Messrohr in entgegengesetzter Richtung einmal pro Messzyklus durcheilen. In einem gewählten Abschnitt der beiden Ultraschallwellenpakete wird in jeder Periode die Phasenverschiebung a zwischen den auf dem Weg durch das Messrohr von der Strömung verzögerten bzw. beschleunigten Ultraschallwellen mit einer Abtastfrequenz ausgemessen und die resultierenden Impulse in Mengeneinheiten umgerechnet.

Eine solche dem Stand der Technik entsprechende Einrichtung ist aus der CH-PS 604 133 bekannt.

Charakteristisch für diese Durchflussvolumenzähler ist eine vorgeschriebene Flussrichtung des Mediums, eine auswertbare Phasenverschiebung a von maximal 180 ° und ein Messfehler, der dadurch entsteht, dass der Zähler bei einem sehr kleinen oder gar keinem Durchfluss zu viele Mengeneinheiten registriert.

Dieser Messfehler begrenzt die minimale mit vorgegebener Genauigkeit messbare Durchflussmenge. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dynamik des Durchflussvolumenzählers, d. h. das Verhältnis grösster zur kleinster Durchflussmenge bei vorgegebener Messgenauigkeit, durch Beseitigung der Ursachen des obgenannten Messfehlers zu verbessern.

Eine genaue Analyse der Messmethode gemäss dem Stand der Technik zeigt, dass sich zum Fluss des Mediums im Messrohr eine kleine Flusskomponente in und entgegengesetzt zur vorgegeben Flussrichtung addiert, wenn die Säule des Mediums im Messrohr als Folge von Erschütterungen oder Pumpenvibrationen in Längsschwingungen versetzt wird. Die dem Stand der Technik entsprechenden Geräte registrieren nur den absoluten Betrag des Flusses basierend auf vielen Messungen von etwa 1 ms Dauer, so dass bei sehr kleinem oder gar keinem Durchfluss bei Schwingungen im Medium die Geräte fälschlicherweise eine Durchflussmenge, die sog. Schwappmenge, anzeigen. Dieser Sachverhalt führte auf die Lösung der Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 : eine Messanordnung eines Durchflussvolumenzählers oder als Teil eines Wärmemengenzählers,

Figur 2 : ein Zeitdiagramm eines Messzyklus,

Figur 3 : eine Ausführung eines Messgliedes und einer Zählvorrichtung,

Figur 4: eine Ausführung eines flankengetriggerten Phasendetektors,

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Figur 5: ein Zustandsdiagramm des Phasendetektors nach der Figur 4 und

Figur 6: ein Zeitdiagramm der Signale im Messglied und in der Zählvorrichtung.

Die Bezeichnung der Ein- und Ausgänge von standardisierten Logikschaltungen und deren zeichnerische Darstellung folgt dem «Handbuch für Hochfrequenz- und Elektrotechniker» von C. Rint, Bd. 3, p. 293 bis 295, Hüthing und Pflaum Verlag, München BRD. Für an sich bekannte Teilschaltungen wird auch auf «Advanced Elektronic Circuits» von U. Tietze und Ch. Schenk, Verlag Springer Berlin Heidelberg New York 1978, ISBN 3-540-08 750-8 hingewiesen. Allfällige in diesem Zusammenhang vorkommende, mit Querbalken überstrichene Buchstaben zur Kennzeichnung eines logisch invertierten Zustandes werden mit dem Index «BAR» gekennzeichnet, z. B. Rbar.

Der in Figur 1 dargestellte Durchflussvolumenzähler, wie er z. B. als Teil eines Wärmezählers gebraucht wird, besteht im wesentlichen aus einem Messwertgeber 1 mit einem Messrohr 2, in dem ein flüssiges Medium von einem Anschlussstutzen 3 zu einem Anschlussstutzen 4 in einer vorbestimmten, mit einem Pfeil 5 angegebenen Strömungsrichtung fliesst, und aus Messwandlern 6 und 7 für Ultraschall, einem Sendeglied 8, einem Steuerglied 9, einem Messglied 10 zur Bestimmung einer Laufzeitdifferenz t der Ultraschallwellen, einem Abtastgenerator 11 mit der Frequenz iz, einer Zähl Vorrichtung 12 mit einer Anzeigevorrichtung 13 und einem Impulsgeber 14 mit der Frequenz fo.

Die Messwandler 6,7 stehen einander gegenüber und senden periodisch gleichzeitig Ultraschallwellenpakete aus, d. h. je ein Wellenpaket eilt in Richtung des Pfeiles 5 und ein Wellenpaket entgegengesetzt dazu. Die am Ende des Messrohres 2 befindlichen Messwandler 7 bzw. 6 empfangen daher ein durch die Strömung beschleunigtes bzw. verzögertes Ultraschallwellenpaket.

Das Sendeglied 8 enthält einen Oszillator 15 mit einer Frequenz fi. Ein Taktsignal 16 des Oszillators 15 wird im vorzugsweise aus einer Zählkette bestehenden Steuerglied 9 benutzt, um ein Kommandosignal 17 für einen Umschalter 18 und ein Freigabesignal 19 für das Messglied 10 und die Anzeigevorrichtung 13 zu erzeugen.

Ein vorzugsweiser schmaler Impuls 20 aus dem Impulsgeber 14 veranlasst das Steuerglied 9, einen Messzyklus 21 (Figur 2) zu beginnen. Der Messzyklus 21 besteht aus einer Sendephase 22, einer Empfangsphase 23 und einer Ruhephase 24. Der nachfolgende Impuls 20 beendet die Ruhephase 24 und ein neuer Messzyklus 21 ' beginnt.

Die Frequenz fo der Impulse 20 (Figur 1) wird vorteilhaft der Temperatur des Mediums im Messrohr 2 entsprechend zur Kompensation der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit des Mediums co geeignet verändert im Falle eines reinen Durchflusszählers. Bei einem Wärmemengenzähler hingegen hängt die Frequenz fo der Impulse 20 vorzugsweise noch zusätzlich von der Differenz zwischen der Vorlauftemperatur eines Wärmeverbrauchers und dessen Rücklauftemperatur ab.

Die Sendefrequenz f i gelangt über den vom Kommandosignal 17 gesteuerten Umschalter 18 während einer vorbestimmten Dauer, z. B. während 128 Perioden, als ein Sendesignal 25 über einen gemeinsamen Einspeisepunkt 26 und Ankopplungsglieder 27 auf die Messwandler 6 und 7. Die Messwandler 6 und 7 erzeugen im Medium pro Messzyklus 21 (Figur 2) je ein Ultraschallwellenpaket der vorbestimmten Dauer. Die Sendefrequenz f i liegt vorzugsweise im Bereich von 0,9 bis 1,2 MHz.

In der Figur 1 wird der gemeinsame Einspeisepunkt 26

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vom Umschalter 18 während der Empfangsphase 23 (Figur 2) vorzugsweise geerdet. Für die Auswertung ist es vorteilhaft, nur einen mittleren Teil des empfangenen Ultraschallwellenpaketes auszuwerten, z. B. die mittleren 64 Perioden. Diese s Auswahl ist durch die zeitliche Lage und die Länge des Freigabesignales 19 vorgegeben. Die Figur 2 zeigt die zeitliche Abfolge der Signale 17,19,20,28 und 29 während eines Messzyklus 21.

Die beiden Ultraschallwellenpakete durchlaufen die Mess-l« strecke im Messrohr 2 (Figur 1) mit den Geschwindigkeiten Co + Cm (flussabwärts, bezogen auf die mit dem Pfeil 5 angenommene Strömungsrichtung) und Co - Cm (flussaufwärts), wobei Cm für die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums steht. Der Messwandler 6 empfängt die flussaufwärts (= UP 15 stream) eintreffende Ultraschallwelle und erzeugt ein elektrisches UP-Empfangssignal 28. Der Messwandler 7 empfängt die flussabwärts (= DOWN stream) eintreffende Ultraschallwelle und erzeugt ein elektrisches DOWN-Empfangssignal 29. Solange Cm einen Wert grösser als Null aufweist, ergibt 20 sich eine positive Phasenverschiebung a zwischen dem DOWN-Empfangssignal 29 und dem UP-Empfangssignal 28. Nach CH-PS 604133 gilt in erster Näherung für die Laufzeitdifferenz t <» 2*b*Cm/co2, wobei b für die Länge der Messstrecke steht, und für die Phasenverschiebung a ergibt dies 25 a = t*f i*360 °. Fliesst während der Zeit vom Aussenden bis zum Empfang der Ultraschallwellen das Medium in der dem Pfeil 5 entgegengesetzten Richtung, weist cm einen Wert kleiner als Null auf, und es stellt sich ein negativer Wert für die Phasenverschiebung a ein.

30 Wird das UP-Empfangssignal 28 im Messglied 10 durch elektronische Mittel verzögert, wird zur Phasenverschiebung a eine zusätzliche, konstante positive Phasenverschiebung 8a addiert, d. h. es tritt eine Nullpunktsverschiebung T ein. Die Zähl Vorrichtung 12 wandelt die Summe der Phasen ver-35 Schiebungen, eine Phasendifferenz a + Sa, für jeden Messzyklus 21 (Figur 2) in eine Summe von Mengeneinheiten um. Zur Korrektur der Nullpunktsverschiebung T vermindert anschliessend die Anzeigevorrichtung 13 diese Summe um eine konstante, der zusätzlichen Phasenverschiebung 8a ent-40 sprechende Zahl und addiert das Ergebnis zu den bereits gespeicherten ablesbaren Mengeneinheiten. Daher kann das Messglied 10 (Figur 1) auch in bezug auf den Pfeil 5 negative Strömungsgeschwindigkeiten cm feststellen, solange die Phasendifferenz a + 8a grösser als Null bleibt.

45 Gemäss der Figur 3 wird jedes der Empfangssignale 28 und 29 zu einem Eingang eines Schwellwertschalters 30 bzw. 31 des Messglieds 10 geleitet. Zur Ermittlung der Laufzeitdifferenz t der beiden Ultraschallwellen wird die Phasenverschiebung a zwischen dem DOWN-Empfangssignal 29 und dem so UP-Empfangsignal 28 gemessen. Der Schwellwertschalter 30 wandelt das analoge Signal 28 in ein digitales Ausgangssignal 32, der Schwellwertschalter 31 das analoge Signal 29 in ein digitales Ausgangssignal 33 um. Jeder Schwellwertschalter 30 bzw. 31 erzeugt während der positiven Halbwelle des Emp-55 fangssignals 28 bzw. 29 ein Ausgangssignal 32 bzw. 33 mit logisch «H» und während der negativen Halbwelle des Empfangssignals 28,29 ein Ausgangssignal mit logisch «L».

In einer Auswerteschaltung gemäss dem Stand der Technik bestimmen Signallaufzeiten in den verschiedenen 60 Torschaltungen die kleinste feststellbare Phasenverschiebung a und damit den minimalen Fluss des Mediums. Mit Vorteil werden für die weitere Signalverarbeitung die Ausgangssignale 32 und 33 jedoch zu Abtastimpulsen 34 des Abtastgenerators 11 synchronisiert. Die logischen Zustände 65 der Ausgangssignale 32 und 33 werden beim Wechsel des logischen Zustandes des Abtastimpulses 34 von «L» nach «H» von den weiter unten beschriebenen Synchronisations-FLIP-FLOPs an deren D-Eingang übernommen. Damit

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bestimmen nicht mehr die Gatterlaufzeiten die kleinste feststellbare Phasenverschiebung et, sondern die um eine Grös-senordnung kleineren Vorbereitungszeiten der Takt- und Dateneingänge der Synchronisations-FLIP-FLOPs und die Frequenz f2 der Abtastimpulse 34. Da gemäss dem Stand der Technik die Frequenzen f i und f : keine ganzzahligen Verhält-nisse bilden dürfen, wird die Phasenverschiebung a trotz der Quantisierung in Einheiten der Periodendauer der Abtastfrequenz f: über eine längere Messzeit genau ermittelt. Die Synchronisation der Signale erlaubt die Verwendung symmetrischer Rechteckimpulse anstelle von eher nadeiförmigen gemäss dem Stand der Technik und damit einer höheren Frequenz f2, d. h. die Messeinrichtung kann kleinere Mengeneinheiten feststellen und daher genauer zählen, ohne die stromsparende CMOS-Technik für die Auswerte-Elektronik zu verlassen. Dies ist beispielsweise für eine aus einer Batterie gespeiste Ausführung des Messgerätes besonders vorteilhaft.

Die Synchronisierung der Ausgangssignale 32 und 33 ermöglicht zudem eine mit einfachen Mitteln zu erzeugende vorteilhafte Nullpunktverschiebung T in positiver Zählrichtung durch Verzögern des Ausgangssignals 32 um n Taktperioden gegenüber dem Ausgangssignal 33, wobei n eine positive ganze Zahl ist.

Für eine derartige Synchronisation kann eine aus «Advanced Electronic Circuits» von U. Tietze und Ch. Schenk auf Seite 313 bekannte D-FLIP-FLOP-Schaltung gewählt werden. In einer bevorzugten Ausführung des Messgerätes (Figur 1) sind daher die Abtastimpulse 34 aus dem Abtastgenerator 11 für die synchrone Verarbeitung der Signale 28, 29 zu einem Eingang 35 des Messglied 10 und zu einem Eingang 36 der Zählvorrichtung 12 geleitet. Mittels Leitungen 37,38 wird das Messergebnis vom Messglied 10 zur Zähl Vorrichtung 12 geleitet. Dazu ist noch eine Rücklei-tung 39 von der Zählvorrichtung 12 zum Messglied 10 nötig.

Die Figur 3 zeigt eine mögliche Ausführung des Messglieds 10. Das Ausgangssignal 33 des Schwellwertschalters 31 wird zum D-Eingang eines ersten D-FLIP-FLOPs 40 und das Ausgangssignal 32 des Schwellwertschalters 30 zum D-Eingang eines zweiten D-FLIP-FLOPs 41 geleitet. Der Q-Aus-gang des ersten D-FLIP-FLOPs 40 ist mit einem Eingang eines ersten NICHT-Tors 42 und mit einem Eingang 43 eines ersten flankengetriggerten Phasendetektors 44 verbunden. Der Ausgang des NICHT-Tors 42 steht mit einem Eingang 45 eines zweiten flankengetriggerten Phasendetektors 46 in Verbindung. Der Q-Ausgang des zweiten D-FLIP-FLOPs 41 ist mit dem D-Eingang eines n-stufigen Schieberegisters 47 verbunden, wobei n eine ganze, positive Zahl ist. Signale des Q-Ausgangs des Schieberegisters 47 werden zu einem Eingang 48 des Phasendetektors 44 und zu einem Eingang eines zweiten NICHT-Tors 49 geleitet. Der Ausgang des NICHT-Tors 49 ist mit einem Eingang 50 des zweiten Phasendetektors 46 verbunden. Ein Ausgang 51 des ersten Phasendetektors 44 und ein Ausgang 52 des zweiten Phasendetektors 46 stehen mit dem D-Eingang eines dritten D-FLIP-FLOP 53 bzw. eines vierten D-FLIP-FLOP 54 in Verbindung. Über den Eingang 35 erhält das Messglied 10 die Abtastimpulse 34 zur Synchronisation. Diese Abtastimpulse 34 aus dem Taktgenerator 11 werden zu T-Eingängen der Schaltbausteine 40, 41,44,46,47, 53 und 54 geleitet.

Eine Auswerteschaltung 55 im Messglied 10 erkennt Werte der Phasendifferenz a + ôa im Bereich von 0 ° bis 360 °. Bei der in der Figur 3 gezeigten vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Q-Ausgänge der D-FLIP-FLOPs 53 und 54 mit den beiden Eingängen eines ersten NAND-Tores 56, mit den beiden Eingängen eines ersten EXCLUSIVE-ODER-Tores 57 und mit den beiden Eingängen eines ersten ODER-Tores 58 verbunden. Der Ausgang des EXCLUSIVE-ODER-

Tors 57 steht mittels der Leitung 37 mit der Zählvorrichtung 12 in Verbindung. Die Rückleitung 39 und der Ausgang des ODER-Tores 58 sind mit den bei den Eingängen eines zweiten NAND-Tores 59 verbunden, die Ausgänge der beiden NAND-Tore 56 und 59 hingegen mit den beiden Eingängen eines dritten NAND-Tores 60. Der Ausgang des NAND-Tores 60 ist mittels der Leitung 38 ebenfalls zur Zählvorrichtung 12 geführt.

Eine Ausführungsform der Zählvorrichtung 12 ist in der Figur 3 dargestellt. Sie weist in der ersten binären Zählstufe einen aus einem fünften D-FLIP-FLOP 61 und einem zweiten EKCLUSIVE-ODER-Tor 62 bestehenden Synchronzähler 63 und in der zweiten Zählstufe einen aus einem sechsten D-FLIP-FLOP 64 und einem dritten EXCLUSIVE-ODER-Tor 65 bestehenden zweiten Synchronzähler 66 auf. Im ersten Synchronzähler 63 sind der Q-Ausganq des D-FLIP-FLOPs 61 und der Eingang 37 der Zähl Vorrichtung 12 zu den beiden Eingängen des EXCLUSIVE-ODER-Tores 62 geführt. Der Ausgang des Tores 62 ist mit dem D-Eingang des D-FLIP-FLOPs 61 verbunden. Der Q-Ausgang des D-FLIP-FLOPs 61 ist auch über die Rückleitung 39 zu einem Eingang des NAND-Tors 59 geführt. Beim zweiten Synchronzähler 66 ist der Q-Ausgang des D-FLIP-FLOPs 64 mit dem Eingang der nachfolgenden binären Zählstufen 67 und einem ersten Eingang des dritten EXCLUSIVE-ODER-Tores 65 verbunden. Der Eingang 38 der Zählvorrichtung 12 ist zu einem zweiten Eingang des Tores 65 geführt. Der Ausgang des Tores 65 ist mit dem D-Eingang des D-FLIP-FLOPs 64 verbunden. Die Q-Ausgänge der D-FLIP-FLOPs 61 und 64 sowie Ausgänge der nachfolgenden binären Zählstufen 67 stehen mit der Anzeigevorrichtung 13 in Verbindung. Über den Eingang 36 sind die T-Eingänge der beiden D-FLIP-FLOPs 61 und 64 mit dem Abtastgenerator 11 als Taktgeber verbunden.

Das Freigabesignal 19 wird zu einem RßAR-Eingang der D-FLIP-FLOPs 40 und 41, der Phasendetektoren 44 und 46 und der Anzeigevorrichtung 13 geleitet.

Die Figur 4 zeigt eine Ausführung der Phasendetektoren 44 und 46. Die Nummerierung und Bezeichnungen der Ein-und Ausgänge der Schaltung entsprechen der gleichen Nummerierung und den gleichen Bezeichnungen für den Phasendetektor 44 bzw. 46 in der Figur 3. Diese Phasendetektoren 44 bzw. 46 arbeiten synchron zu den Abtastimpulsen 34. In der Figur 4 ist der Eingang 35 mit dem T-Eingang eines siebten D-FLIP-FLOPs 68, eines achten D-FLIP-FLOPs 69 und eines neunten D-FLIP-FLOPs 70 verbunden. Das Freigabesignal 19 wird zum RßAR-Eingang der D-FLIP-FLOPs 68, 69 und 70 geleitet. Der Eingang 43,45 ist mit dem D-Eingang des D-FLIP-FLOPs 68 und mit einem Eingang eines vierten NAND-Tores 71 verbunden. Der Qbar-Ausgang des D-FLIP-FLOPs 68 ist zu einem zweiten Eingang des Tores 71 geführt. Der Ausgang des Tores 71 ist zu einem Eingang des zweiten ODER-Tores 72 geleitet. Eine Verbindung besteht zwischen dem Eingang 48, 50, dem D-Eingang des D-FLIP-FLOPs 70 und dem Eingang eines dritten NICHT-Tores 73. Der Ausgang des Tores 73 ist mit einem Eingang eines NOR-Tores 74, ein zweiter Eingang des NOR-Tores 74 mit dem Q-Ausgang des D-FLIP-FLOPs 70 verbunden. Der Ausgang des Tores 74 ist auf einen Eingang eines dritten ODER-Tores 75 und auf einen zweiten Eingang des ODER-Tores 72 geleitet. Jeder Ausgang der Tore 72 und 75 ist mit einem Eingang eines fünften NAND-Tores 76 verbunden. Eine Verbindung besteht zwischen dem Ausgang des Tores 76 und dem D-Eingang des D-FLIP-FLOPs 69. Der qßar-Ausgang des D-FLIP-FLOPs 69 ist zu einem zweiten Eingang des ODER-Tores 75 geführt. Der Q-Ausgang der Schaltung 69 ist mit dem Ausgang 51, 52 verbunden.

Der Phasendetektor 44 bzw. 46 weist acht verschiedene,

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von der Vorgeschichte abhängige Zustände auf. In der Figur 5 sind diese Zustände als Kreise 77 dargestellt. In der oberen Hälfte jedes Kreises ist der mit einem Buchstaben a, b, c, d, e, f, g und h bezeichnete Zustand eingetragen, in der unteren Hälfte steht das logische Symbol des Signals am Ausgang 51, 52 (Figur 4) der Schaltung. Richtungspfeile 78 (Figur 5) sind mit (x, y)-Symbolpaaren 79 versehen, wobei x der logische Zustand des Eingangs 43,45 (Figur 4) und y der logische Zustand des Eingangs 48, 50 im Zeitpunkt des Eintreffens des Abtastimpulses 34 bedeuten. Solange das Freigabesignal 19 im Zustand «L» ist, sind die D-FLIP-FLOPs 68,69 und 70 rückgestellt, d. h. deren Q-Ausgänge weisen ein logisch «L», deren Qbar-Ausgänge ein logisch «H» auf. Der Zustand der beiden Phasendetektoren 44 bzw. 46 ist «a». Sobald das Freigabesignal 19 den Zustand «H» aufweist, wird beim Eintreffen des Abtastimpulses 34 der Zustand der Schaltung entsprechend den logischen Zuständen der Eingänge 43,48 bzw. 45,50 verändert. In der Figur 5 weist der Richtungspfeil 78 mit dem entsprechenden Symbolpaar 79 zum Kreis 77 mit dem neuen Zustand des Phasendetektors 44 bzw. 46 hin.

In der Figur 3 werden die Ausgangssignale 32 bzw. 33 mittels der durch die Abtastimpulse 34 der Abtastfrequenz fz getakteten D-FLIP-FLOPs 41 bzw. 40 synchronisiert, da von D-FLIP-FLOPs nur das zum Zeitpunkt der positiven Flanke der Abtastimpulse 34 am D-Eingang anstehende Ausgangssignal 32 bzw. 33 an den Q-Ausgang der D-FLIP-FLOPs weitergegeben wird. Der D-FLIP-FLOP 40 erzeugt am Ausgang ein DOWN-Signal 80, der D-FLIP-FLOP 41 ein UP-Signal 81. Das DOWN-Signal 80 und das im NICHT-Tor 42 invertierte Signal 80' sind Eingangssignale zu den beiden Phasendetektoren 44,46. Das UP-Signal 81 erfährt durch das n-stufig ausgeführte Schieberegister 47 eine Verzögerung entsprechend der vorbestimmten zusätzlichen Phasenverschiebung 8a um n Perioden der Abtastfrequenz f2. Das um n Takte verzögerte UP-Signal 81 gelangt als ein DD-Signal 82 zum Eingang 48 des flankengetriggerten Phasendetektors 44 und als invertiertes Signal 82' nach dem NICHT-Tor 49 zum Eingang 50 des flankengetriggerten Phasendetektors 46.

Die Dauer der Verzögerung bzw. die Anzahl Stufen des Schieberegisters 47 hängt von der Wahl des Messbereiches ab. Bei einer zusätzlichen konstanten Phasenverschiebung 8a = 1800 beispielsweise ist der Messbereich des Durchflusszählers symmetrisch um den Nullpunkt, d. h. der Zähler kann im angegebenen Bereich Flüsse des Mediums in und entgegengesetzt zur Richtung des Pfeiles 5 in Figur 1 messen. Eine Ausführung mit Schieberegister 47 (Figur 3) weist in diesem Fall eine Stufenzahl entsprechend der auf die nächste ganze Zahl auf- oder abgerundeten Hälfte des Verhältnisses fîzufi auf.

Eine bevorzugte Ausführung des Durchflussvolumenzählers für die Messung des Flusses in einer vorbestimmten Richtung weist bei einem Verhältnis f i zu f i von etwa 10 ein einstufiges Schieberegister 47 auf. Somit beträgt die konstante zusätzliche Phasenverschiebung 8a etwa 30 °. Diese Ausführung misst daher im Bereich einer Phasenverschiebung a von etwa — 300 bis + 330 ° und erreicht die notwendige Nullpunktsverschiebung T, um die durch Vibrationen und Erschütterungen erzeugten Schwappmengen richtig zu erfassen, ohne den Messbereich zu stark einzuschränken.

Bei jeder positiven Flanke der Abtastimpulse 34 verändern die Phasendetektoren 44,46 den logischen Zustand am Ausgang 51,52 entsprechend dem logischen Zustand der Signale an den Eingängen 43,45,48, 50 gemäss der Figur 5. Ein Signal am Ausgang 52 (Figur 3) des Phasendetektors 46 ist wegen der NICHT-Tore 42,49 um 180 ° gegenüber dem Signal am Ausgang 51 des Phasendetektors 44 verschoben, dies ist allerdings erst von der zweiten verarbeiteten Periode der Signale 80,81 (Frequenz fi) an der Fall. Die Ausgangssig-

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naie 51 bzw. 52 werden bei der nächsten positiven Flanke der Abtastimpulse 34 von den D-FLIP-FLOPs 53 bzw. 54 an die Auswerteschaltung 55 als ein «-»-Signal 83 bzw. als ein «+»-Signal 84 weitergegeben.

Der zeitliche Ablauf der Signale bei der Verarbeitung im Messglied 10, das mit einem einstufigen Schieberegister 47 ausgerüstet ist, ist in der Figur 8 dargestellt. Die linke Hälfte der Figur 6 enthält die Signalfunktionen bei einer Phasenverschiebung a kleiner 180 ° (z. B.a 40 °), die rechte Hälfte die Signalfunktionen für a grösser als 180 ° (z. B.a^ 280 °) unmittelbar nach Eintreffen des Freigabesignales 19. Das Freigabesignal 19 erscheint sowohl asynchron zu den Abtastimpulsen 34 als auch zu den Empfangssignalen 28,29. Die Numerierung und die Bezeichnungen der Signale in der Figur 6 entsprechen in Numerierung und Bezeichnung den Signalen in der Figur 3.

Die Auswerteschaltung 55 weist zwei Betriebszustände auf. Für Phasendifferenzen a + 8a zwischen 00 und 180 °, zählt die über das EXCLUSIV-ODER-Tor 57 und die erste Leitung 37 angesteuerte erste Stufe mit dem Synchronzähler 63 in den Bereichen 0 ° bis a + 8a und 1800 bis 180 ° + (a + ôa) einer jeder Periode des Signales 84 im Takt der Abtastimpulse 34. Die t|berträge dieser Zählstufe werden über die Rückleitung 39 mit dem ODER-Signal 86 im NAND-Tor 59 verknüpft. Das Ergebnis dieser Verknüpfung ist ein NAND-Signal 87. In diesem ersten Betriebszustand ist das Ergebnis der Verknüpfung im NAND-Tor 56, d. h. ein a > 180 °)-Signai 85, immer logisch «H», während das ODER-Signal 86 am Ausgang des ODER-Tores 58 zum Zeitpunkt des Übertrages immer logisch «H» ist. Über das NAND-Tor 60 und die zweite Leitung 38 werden die Überträge in den zweiten Synchronzähler 66 und den folgenden binären Zählstufen 67 aufgezählt. Für Phasendifferenzen a + 8a zwischen 180 ° und 360 ° befindet sich die Auswerteschaltung 55 in einem zweiten Betriebszustand. Der zweite Synchronzähler 66 wird über das NAND-Tor 56 durch das Tor 60 zusätzlich angesteuert. Das ODER-Signal 86 und der Übertrag aus dem Synchronzähler 63 auf der Rückleitung 39 steuern über das NAND-Tor 59 mittels des NAND-Signales 87 das Tor 60. In den Bereichen 0 ° bis a + 8a — 180 ° und 180 ° bis a + Sa des Signales 84 ist das (a > 180 °)-Signal 85 auf logisch «L» und das Signal auf der zweiten Leitung 38 auf logisch «H». Der Synchronzähler 66 zählt daher im Takt der Abtastimpulse 34, während der Synchronzähler 63 gesperrt ist. Da die Stufen 63,66 und 67 die binäre Zählkette in aufsteigender Ordnung bilden und der Synchronzähler 66 die zweite Stufe bildet, werden im Bereich 0 ° bis a + Sa — 180 ° und 180 ° bis a + 8a des Signales 84 die Abtastimpulse 34 mit dem doppelten Gewicht gezählt. Für die übrigen Bereiche zwischen a + Sa — 180 ° und 180 ° bzw. a + 8a und 360 ° des Signales 84 ist das(a > 1-80 °)-Signal 85 und das Signal auf der ersten Leitung 37 auf logisch «H». Der über das Tor 57 angesteuerte erste Synchronzähler 63 zählt im Takt der Abtastimpulse 34 und leitet die Überträge zum Synchronzähler 66 wie im ersten Betriebszustand. Damit wird erreicht, dass in aufeinanderfolgenden Halbwellen des Signales 84 für Phasendiffererenzen a + 8a von 0 ° bis 3600 die richtige Anzahl Abtastimpulse 34 in der Zählvorrichtung 12 aufsummiert werden.

Die durch die Laufzeit der Ultraschallwellen bedingte Phasenverschiebung a kann nach jedem Messzyklus 21 (Figur 2) in der Anzeigevorrichtung 13 (Figur 3) durch Subtrahieren der durch die zusätzliche Phasenverschiebung Sa erzeugten Nullpunktsverschiebung F vom Zählerstand in der Zählvorrichtung 12 erhalten werden. Das Ergebnis dieser Subtraktion wird anschliessend zum Stand eines Anzeigeregisters 88 hinzugezählt. Zu einem späteren Zeitpunkt werden die Stufen 63,66 und 67 der binären Zählkette auf Null zurückgestellt. Beispielsweise kann der Impuls 20 über eine in der

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Figur 1 nicht eingezeichnete Leitung zwischen dem Impulsgeber 14 und der Zählvorrichtung 12 erfolgen, wobei der in einem ebenfalls nicht eingezeichneten vierten NICHT-Tor invertierte Impuls 20 auf die RßAR-Eingänge der Zählkettenelemente 63,66 und 67 wirkt.

In einer bevorzugten Ausführung ist das Schieberegister 47 einstufig. Da in jedem Messzyklus 21 (Figur 2) 64 Perioden ausgewertet werden, summiert die Zählvorrichtung zusätzliche 128 Abtastimpulse auf, d. h. nach jedem Messzyklus 21 (Figur 2) muss die Anzeigevorrichtung 13 (Figur 3) die Nullpunktsverschiebung F = 128 vom Zählerstand der Zählvorrichtung 12 subtrahieren und das Ergebnis ins Anzeigeregister 88 addieren.

In einer bevorzugten Ausführung der Anzeigevorrichtung 13 wird für die Nullpunktskorrektur daher ein programmierbares Rechenwerk eingesetzt, das auch für andere Korrekturen bzw. Umrechnungen eingesetzt werden kann. Bei-5 spielsweise können Wärme- oder Durchflussmengen mit Hilfe vorbestimmter, z. B. zeitabhängiger Tarifeinheiten in Kosten umgerechnet werden, damit ein Wärme- oder Durch-flussmengenbezüger direkt die Bezugskosten ablesen kann, oder das Rechenwerk kann ein z. B. zum Verschliessen des io Eingangs am Anschlussstutzen 3 dienendes elektrisch steuerbares Ventil schliessen, sobald eine von einer Kassierstation vorgegebenen Bezugsmenge erreicht ist.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Elektronischer Durchflussvolumenzähler für flüssige Medien mit einer Ultraschallmessstrecke in einem Messrohr (2) und zwei Messwandlern (6 ; 7) für Ultraschall, die mit einem eine Sendefrequenz (fi) erzeugenden Oszillator (15) eines Sendeglieds (8) zur periodisch wiederholten gleichzeitigen Ansteuerung und mit einem Messglied (10) verbunden sind, das die auf der Ultraschallmessstrecke im Messrohr (2) durch die Strömung des Mediums verursachte Laufzeitdifferenz eines Ultraschallsignals zwischen dem ersten Messwandler (6) als Sender und dem zweiten Messwandler (7) als Empfänger einerseits und der Laufzeit eines Ultraschallsignals zwischen dem zweiten Messwandler (7) als Sender und dem ersten Messwandler (6) als Empfänger andererseits misst, einem Impulsgeber (14) zum wiederholten Auslösen eines Messzyklus (21), einem Steuerglied (9), einem Abtastgenerator (11) und einer Zählvorrichtung (12) mit einer Anzeigevorrichtung (13) zur Umwandlung der durch die Laufzeitdifferenzen verursachte Phasenverschiebung (a) der Schallwellen in Einheiten proportional zum Volumen des pro Zeiteinheit durch das Messrohr (2) fliessenden Mediums und zum Aufsummieren und Anzeigen dieser Einheiten, dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied (10) eine Schaltung zum Verzögern eines vom ersten Messwandler (6) empfangenen UP-Empfangssignales (28) um eine zusätzliche konstante Phasenverschiebung (8a) enthält und die Anzeigevorrichtung (13) mit Mitteln zu einer nach jedem Messzyklus (21) vorzunehmenden Korrektur der dadurch entstehenden Nullpunktsverschiebung (r) ausgerüstet ist, so dass Strömungen in beiden Richtungen richtig erfassbar sind.
2. 2. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied (10) eine die Phasenverschiebung (a) der Schallwellen im Bereich zwischen 0 ° und 360 ° ausmessende Auswerteschaltung (55) enthält.
3. 3. Durchflussvolumenzähler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied (10) eine Empfangssignale (28 ; 29) der Messwandler (8 ; 7) zu Abtastimpulsen (34) synchronisierende Schaltung (41 ; 40) enthält, wobei die Abtastimpulse (34) im Abtastgenerator

   (11) erzeugt werden, und zusammen mit der Zählvorrichtung

   (12) und der Anzeigevorrichtung (13) eine mittels Abtastimpulsen (34) getaktete Schaltung bildet.
4. 4. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangssignale (32; 33), die in Schwellwertschaltern (30 ; 31) aus den Empfangssignalen (28 ; 29) erzeugt werden, zu den Abtastimpulsen (34) synchronisierende Schaltung ein mittels Abtastimpulsen (34) getak-teter D-FLIP-FLOP (41 ; 40) ist.
5. 5. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied (10) ein aus dem UP-Empfangssignal (28) durch Synchronisieren mittels des D-FLIP-FLOPs (41) erhaltene UP-Signal (81) um n Abtastperioden verzögerndes, n-stufiges Schieberegister (47) enthält, dessen Taktfrequenz die Abtastfrequenz (fc) ist, wobei n eine positive ganze Zahl ist.
6. 6. Durchflussvolumenzähler nach einem der Ansprüche 3,4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied (10) zwei flankengetriggerte Phasendetektoren (44; 46) enthält.
7. 7. Durchflussvolumenzähler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (13) ein programmierbares Rechenwerk enthält.
8. 8. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschliessen des Messrohres (2) ein durch das programmierbare Rechenwerk elektrisch steuerbares Ventil an einem der Anschlussstutzen (3 ; 4) angebracht ist zur Steuerung des Mediumdurchflusses.
9. 9. Durchflussvolumenzähler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Bezugsmenge vorgebende Kassierstation mit dem programmierbaren Rechenwerk verbunden ist.
10. 10. Wärmemengenzähler mit einem Durchflussvolumenzähler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das programmierbare Rechenwerk zum Umrechnen von Wärmemengen mit Hilfe von vorbestimmten Tarifeinheiten in Bezugskosten vorgesehen ist.