DE1908511A1

DE1908511A1 - Ultraschall-Mengenmesser

Info

Publication number: DE1908511A1
Application number: DE19691908511
Authority: DE
Inventors: Jacques Dory
Original assignee: Realisations Ultrasoniques SA
Current assignee: Realisations Ultrasoniques SA
Priority date: 1968-02-26
Filing date: 1969-02-20
Publication date: 1969-09-18
Also published as: GB1235602A; US3641817A; FR95411E

Description

München, den 18„ 2. 1969 Mein Zeichen: 45 - 623

Beschreibung zu der Patentanmeldung der Firma

Realisations Ultrasoniques S₀A₀, 9 Chaussee de Paris 77 Meaux, Frankreich

betreffend
Ultraschall-Mengenmesser

Die Erfindung betrifft eine akustische Meßvorrichtung zum Messen von Durchflußmengen eines Strömungsmittels, wobei akustische Sonden in das Strömungsmittel eingetaucht und die Impulsfortpflanzungszeit zwischen einer Sende- und einer Empfängersonde gemessen werden.

Im allgemeinen werden dabei zwei Sondenpaare verwendet, die jeweils eine Sendesonde und eine Empfängersonde aufweisen, was jedoch den Nachteil aufweist, daß für verhältnismäßig genaue Messungen auch die Sonden sehr genau an ihren Ort gebracht werden müssen»

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Es ist bereits vorgeschlagen worden, ein einziges Sondenpaar zu verwenden, wobei jede Sonde zugleich als Sende- und als Empfängersonde diente Die Aussendung von Impulsen durch die beiden Sonden wird sodann synchronisiert, während der Empfang der Impulse um ein Zeitintervall verschoben ist, welches der Geschwindigkeit des Strömungsmittel proportional ist. Es ist bereits vorgeschlagen worden, das Zeitintervall dadurch zu messen, daß eine Zählung der Uhrimpulse im Augenblick des Empfanges des ersten Echbsignales ausgelöst wird, und daß die Zählung bei Empfang des zweiten Echosignales gestoppt wird. Es ist offensichtlich, daß unabhängig von der für die Zeitintervallmessung verwendeten Vorrichtung diese Messung einen gewissen Fehler in sich schließt, der daher rührt, daß die auf den beiden Empfangswegen übermittelten Impulse keine genaue Rechteckform haben, so daß der Augenblick, wo ihre Flanken ein vorbestimmtes Niveau erreichen, nicht genau definiert ist.

Bei der Messung ^ehr geringer Geschwindigkeiten in der Größe von cm oder mm pro Sekunde kann das Zeitintervall in die Größenordnung von Nanosekunden gelangen, so daß die Messung an sich sehr schwierig wirdο

Anstatt die Sendeimpulse durch eine einzige kurze Schwingung darzustellen und die Verschiebung zwischen den Anstiegsflanken der empfangenen Echosignale zu messen, kann man offensichtlich auch SchwingungszUge als Impulse verwenden und die Phasenverschiebung zwischen den entsprechenden empfangenen Signalen messen. Es handelt sich hierbei um eine einfache Variante eines Meßverfahrens zum Messen der zeitlichen Versehie· bung zwischen den ausgesandten und den empfanga-sian Zmpulsssu

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Dieses abgeänderte Meßverfahren ist offensichtlich nur bei sehr kleinen Geschwindigkeiten anwendbar, die zu einer kleineren Phasenverschiebung als 180° führen, weist jedoch den Vorteil auf, daß sich eine verhältnismäßig einfache Meßapparatur verwenden läßt«

Jedoch sind auch bei diesem Verfahren genau wie bei dem zuerst beschriebenen Meßverfahren, bei dem die zeitliche Verschiebung durch Zählen von Uhrimpulsen gemessen wird, gewisse Fehlerquellen vorhanden, die von Änderungen der Ultraschallstrahlungsleitungen oder der Ausbreitungsbedingungen herrühren, wobei auch eine Strömungsi»ichtungsumkehr nicht erfaßt werden kann,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Durchflußmengenmeßvorrichtung zu schaffen, bei der die Fehlerquellen und gewisse der oben erwähnten Beschränkungen ausgeschaltet sind.

Die Ultraschall-Durchflußmengenmeßvorrichtung nach der Erfindung umfaßt mindestens ein Paar akustischer Sonden, deren aktive Oberflächen parallel und gegeneinander gerichtet angeordnet sind j Einrichtungen zum gleichzeitigen Aussenden eines kurzen akustischen Signals an jeder Sonde, Empfangsorgane für die an den beiden Sonden aufgenommenen akustischen Signaleρ nachdem diese das Strömungsmittel durcheilt haben, dessen Flußgeschwindigkeit gemessen vrerden soll, lind Maßeinrichtungen zum Messen der zeitlichen Verschiebung zvii™ schen den empfangenen akustischen Signalen, wobei das Wesen der Erfindung darin zu sehen ist, daß Umachalteinrichtungen vorgesehen sind zum periodischen Vertauschen der Anschlüsse zwischen den beiden Sonden und den Empfangs- und Meßorganenο

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Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschriebene

Fig, 1 zeigt ein Blockehaltbild eines Durchflußmengenmessers nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Meßvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 3 zeigt eine Kurvendarstellung zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Meßvorrichtung nach Fig₀ 2;

Fig» H und 5 zeigen gegenüber Figo 2 abgeänderte Ausführungsformen „

Fig. 1 zeigt zwei Wandler 1 und 2, deren aktive Oberflächen parallel zueinander angeordnet sind und sich in einer bestimm«=' ten Entfernung gegenüberliegen» Die Ausbreitungsrichtung des Ultrasehalls zwischen den beiden Wandlern bildet einen Winkel θ mit der Geschwindigkeit des Strömungsmittels 5, in dem die Wand« ler (im folgenden auch Sonden genannt) eingetaucht sindo

Die Wandler 1 und 2 sind an zwei elektrische'Inipulsgeneratoren 3 und «* zum Erzeugen wiederkehrender Impulse angeschlossen und durch einen gemeinsamen Taktgeber 17 synchronisierte

Durch eine passende Ausbildung der Wandler und dar Generatoren läßt sich erreichen, daß die ausgesandten akustischen Impulse jeweils eine einzige Schwingung von kurzer Dauer bilden,, die durch eine Hochfrequenzschwingung des betreffenden Generatops erzeugt werden. Derartige Vorrichtungen sind an sich bekannt«

Die von den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Wandler 2 und 1 aufgenommenen Impulse gelangen an zugeordnete Verstärker

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5 bzwr 6, und die Empfangszeiten t. bzw. t₂, die gegeneinander zeitlich versetzt sind, werden in einer Meßschaltung 7 miteinander verglichen.

Es läßt sich leicht zeigen, daß die zeitliche Verschiebung t_A - t₂ im wesentlichen proportional ν χ cos Θ ist»

Die Meßschaltung 7 mißt nämlich bei der in vollen Strichen dargestellten Sbhaltstellung den Wert M₁ = tg-t^+t+ At₂- At₁, wobei τ eine systematische Verzögerung (die im übrigen nicht unbedingt unerläßlich ist) bedeutet, welche durch ein Verzögerungsorgan 8 eingeführt wird, dessen Funktion weiter unten noch erläutert ist, und wobei At₁ und At₂ die Fehler darstellen, welche bei den der Meßvorrichtung 7 zugeleiteten Auslösezeiten vorhanden sind, die von den bei 3 und 4 empfangenen Impulsen abgeleitet sind, wobei diese Fehler von Ungenauigkeiten der Impulsform herrühren, insbesondere von den durch die Empfangsverstärker 5 und 6 herrührenden Verzögerungen....,

Die Durchflußmeßvorrichtung umfaßt einen Kommutator 9, der Umschaltkontakte 10 und 11 betätigt, welche eine abwechselnde Anschaltung des von der Sonde 2 empfangenen Echos an den Empfänger 3 oder 4 und des von der Sonde 1 empfangenen Echosignals an den Empfänger 4 oder 3 ermöglicht. In der zuerst genannten Stellung des Kommutators 9 erhält man daher M₂ β t_± - t₂ + τ + At₂ - At₁ Daraus folgt M₁ - M₂ s 2 (t₂ - t₁ -τ )

Da die Verzögerung τ einen bekannten Wert hat, läßt sich der Zeitunterschied t₂ - t₁ ohne Fehler ableiten.

Die vorhergehend angeführte Überlegung ist natürlich nur richtig für den Fall, daß die Fortpflanzungszeiten des Ultraschalls

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sich bei der Messung von M. bis zur Messung M₂ nicht ändert» Um dies zu erreichen, genügt es, die Kommutierung genügend schnell auszuführen. Dies wird praktisch daduroh erreicht_s daß eine Umsehaltfrequenz (die der Frequenz des Taktgebers 17 entspricht) von beispielsweise 1 kMz verwendet wird₈ so daß die Umschaltung bei jedem zweiten Impuls erfolgt» Dasu wird der Kommutator 9 durch Impulse gesteuert, die ^/on ®in®m 1:2 Frequenzteiler 12 herrühren, der von dem Taktgeber.17 g©st©u° ert wird»

Der Kommutator 9 kann vorzugsweise ein elektromechanischen R©*= lais bilden, das praktisch keinen merklichen Obergangswid©»¹= stand aufweist. Dabei kann die Betätigungsfrequenz rnrnkw klsin sein, etwa 100 Hz, um die Trägheit des Relais zv<

Es können auch andere Kommutatoren mit geringem elektrischen Durchlaßwiderstand verwendet werden„

Die Einführung eines me^li^'hen Widerstandes bei der Komiautie rung würde dsm Nashtsil mit sich bringen, daß die der Empfangseinrichtung sich beim Obergang von der ersten zweiten Messung ändert, wodurch nicht kompensierte Fehler in die Zeitmessung eingeführt werden.

Die Kommutierung braucht natürlich nieht unbedingt an der Verbindungsstelle zwischen den Wandlern und den Empfängern ~ dux»eh<» geführt zu werden, sondern kann auch an beliebigen anderen Stellen der beiden Empfangssignalwege durchgeführt werden₀ Da» bei ist jedoch zu bedenken, daß die Fehler, di© an Stellen ws> den Umschaltern eingeführt werden, nicht ausgeglichen werden<>

Die Meßsehaltung 7 ist von üblicher Bauart_o Es läßt sich g₀B₀ ein Differentialverstärker 18 verwenden,, des⁰ vens gwei Kipp== Schaltungen 19 und 20 gesteuert wird» wob@i e

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Zustände durch einen Taktimpuls des Taktgebers i7 eingestellt wird und der andere stabile Zustand durch die Echosignale von den beiden Empfangswegen„ Der Differentialverstärker dient zugleich als Integriervorrichtung und weist au dem Zweck einen Kondensator 18a auf, der zwischen den Ausgang und Masse des Differentialverstärkers geschaltet sind» Es läßt sich zeigen, daß das Ausgangssignal des Verstärkers 18 die Form eines Rechteckimpulses hat_r dessen Amplitude proportional von M nach M„ ansteigtο Die Amplitude zwischen den Impulsgipfeln des Signals ist also proportional M^ - M«o

Mittels eines Hochpaßfilters 13 wird die Gleichspannungskomponente des Ausgangssignals ausgesiebt, während die Wechselspannungskomponente nach Verstärkung in einem Verstärker IM· an einen Synchrondetektor 15 gelangt₅ der die Spitzenamplitude genau mißt» An den Ausgang des Synchrondetektors ist eine Meßvorrichtung 16 angeschlossen» welche eine Ablesung der Geschwindigkeiten gestattet= Der Synchrondetektor schaltet schädliche Frequenzen aus, die in der Vorrichtung entstanden sein könnten, und weist außerdem den Vorteil auf, daß der Meßwert entsprechend dem Vorzeichen der Differenz M^-M- polaritätsgetreu angezeigt wird, je nach der Ströisrnngardehtung des Strömungsmittel, Zu dem Zweck wird eine Besugsphasenspannung an den Synchrondetektor gelegt, welche vom Ausgang des Frequenzteilers 12 abgenommen wird.

Das. Verzögerungsglied 8_S welches auch ebensogut in den anderen Empfangssignalzweig eingeschaltet sein kann, hat die Aufgabe» einen Betrieb des Differentialverstärkers in der Umgebung des Nullpunktee zu vermeiden, da dadurch heikle Betriebszustände entstehen könnten_e

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Die Meßvorrichtung gemäß Fig₀ 2 umfaßt im wesentlichen einen Impulsgenerator 21, der zwei Wandler 22 und 23 ,gegenphasig erregt, welche in das Strömungsmittel eingetaucht sind» dessen Fließgeschwindigkeit gemessen werden soll. Die Erregung erfolgt unter Zwischenschaltung eines Transformators 2**, dessen Sekundärwicklung eine Mittelanzapfung aufweist, die mit Masse verbunden ist» Es ist ferner ein Potentiometer 25 vorgesehen, dessen Enden mit den Wandlern 22 bzw= 23 verbunden sind und dessen Läufer 26 an den Eingang eines Verstärkers führt, dessen Ausgang an eine Torschaltung 28 mit zwei Eingängen führt» Der andere Eingang der Torschaltung ist mit dem Ausgang eines Rechteckgenerators 29 verbunden, während der Ausgang der Torschaltung mit einem Spitzendetektor 30 verbunden ist, der ein Meßgerät 31 für die Strömungsgeschwindigkeit speist, welches von bekannter Bauart sein kann.

Der Rechteckgenerator 29 ist vorzugsweise als Kippschaltung ausgebildet und durch einen monostabilen Vibrator 32 getrickert, der durch die Sendeimpulse gesteuert wird.

Die Meßvorrichtung nach Fig. 2 umfaßt ferner einen Kommutator und einen Phasenschieber. Der Phasenschieber bildet beispielsweise eine einstellbare Selbstinduktion 33, die mit ihrem einen Ende an einem Knotenpunkt angeschaltet ist, der das Ende A des Potentiometers 26 mit einem an Masse gelegten Kondensator· 3U verbindet. Die Selbstinduktion 33 läßt sich mittels eines Parallelschalters 35 kurzschließen»

Der zum schnellen Umschalten der Verbindung zwischen den Wandlern und dem Potentiometer dienende Kommutator kann mechanisch ausgebildet sein» Vorzugsweise wird jedoch ein Diodenquartett mit den Dioden 36, 37, 38, 39 verwendet, die ringförmig zusamraengeschaltet sind,

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Zwischen der Sekundärwicklung des Transformators 24 und einem der Wandler liegt eine einstellbare Selbstinduktion 40.

Der Ausgang des Spitzenspannungsdetektors 30 ist über ein Filter *+2 mit einem Synchrondemodulator 41 verbunden, der die Anzeigevorrichtung 31 speistο Der Ausgang des Spitzenspannungsdetektors 30 ist ferner an den Verstärkungsregelungsexngang eines Verstärkers 27 angeschlossen, und zwar über ein Filter 43.

Die Kommutierung wird durch einen Generator 44 gesteuert, während ein Kondensator 45 den Verstärker 7 gegenüber den Umschaltsignalen entkoppeltα

Die Wirkungsweise der Meßvorrichtung nach Fig, 2 ist anhand von Fig. 3 erläutert, welche die an dem Läufer 26 als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit ν auftretende Spannung V darstellt, wobei diese Spannung je nach der Flüßrichtung positiv oder negativ sein kann.

Die Wandler 22 und 23 werden gegenphasig mit einer Impulsfolge von 100 Hz beispielsweise erregt und senden bei jedem Impuls einen Ultraschallimpulszug mit hoher Frequenz f von beispielsweise 100 MHz aus. Jeder Impulszug umfaßt mehrere zehn gedämpfte Schwingungen und dauert beispielsweise 4 micosec Der von jedem Wandler ausgesandte Impulszug wird von dem anderen Wandler empfangen, so daß bei der Fließgeschwindigkeit null die von beiden Wandlern ausgesandten Impulszüge gleichzeitig empfangen werden, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit in beiden Richtungen die gleiche ist. Dabei entsteht am Läufer 26 die Summe der beiden kurzen elektrischen Signale von 4 microsec» Dauer und hoher Frequenz, welche genau gegenphasig zueinander liegen_s so daß bei einer bestimmten Stellung des Läufers 26 die Spannung V am Verstärker gleich null ist»

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Wenn hingegen die Strömungsgeschwindigkeit von null abweicht, werden die beiden Impulszüge mit einer' zeitlichen Verschiebung Δ empfangen, welche im wesentlichen proportional zu der Geschwindigkeitskomponente in der Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls liegt. Daraus ergibt sich eine Phasenverschiebung Δ¹F der beiden Signale und entsprechend: Δ¥ ^s 2n f-Δ t _o ■

Es läßt sich zeigen, daß die Amplitude ν mit wachsendem At und also mit wachsender Geschwindigkeit zunimmt _a Der Spitzenspannungsdetektor 30 erzeugt ein Gleichspannungssignal, welches proportional dieser Amplitude ist, so daß die Anzeigevorrichtung 31 ein einfaches Meßinstrument sein kann, das in Geschwindigkeitsmaßen geeicht ist° Das Potentiometer 25, dev Verstärker 27 und der Spitzenspannungsdetektor 30 bilden eignen Analog-Phasenmesser und sind in bekannter Weise aufgebaute

Die Torschaltung 28 dient zum Ausschalten von Restsignalen ₉ die am Ausgang des Verstärkers 27 auftreten können, wenn die beiden an die Wandler» geleg-- "«■ F%»r©g©rimpulse sich nicht genau aufhebsü! „ Dio^fc Irapulse haben natürlich eine viel größere Amplitude als di© empfangenen Signale (lOOV gegenüber 10 bis 20 mV ZoBo), so daß es äußerst wichtig ist_s ihren Einfluß su unterdrücken= Zu diesem Zweck erzeugt des? Monovibrator 32 ei·= nen Rechteckimpuls, dessen Vorderflanke mit dem Errogerimpuls zusammenfällt und dessen Dauer unterhalb der· Fortpflanzungs™ zeit in dem Strömungsmittel liegt= Die normalerweise in dea Zu= stand 1 liegende Kippschaltung 29 wird durch den Rechteckig=· puls in den Zustand 0 umgekippt, so daß die Übertragung des von dem Verstärker 27 ausgehenden Signal durch die Torschal= tung während der Dauer des Rechtecksigsnals unterdrückt wird,, Die Drossel 33 und der Kondensator 3^ ermögliehen eine zusatz= liehe Phasenverschiebung Φ_Λ zwischen daa k«2»s©a lioelifx»eqiia©a= ten Signalen der beiden Wandler»₉ so daB di© Kurv©_a die

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bestimmten Stellung des Kommutators entspricht, beispielsweise wenn der Wandler 22 mit dem Anschluß A und der Wandler 23 mit dem Anschluß B in Fig.« 2 verbunden ist, einer Spannung V entspricht, die bis auf einen positiven Wert ν ^ der Strömungsgeschwindigkeit abnimmt und die jenseits dieses Wertes wieder ansteigt» Der Wert v* entspricht der Phasenverschiebung Δψ , die der zusätzlichen Phasenverschiebung Φ genau entgegengesetzt ist₀

Wenn also die gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten unterhalb V₁ bleiben, ist die Spannung V immer größer als V für eine negative Strömungsrichtung und immer kleiner als V für eine positive Strömungsrichtung. Man kann also einen einfachen Phasenmesser verwenden mit den Organen 25 bis 27 und 30 und mit einer in positive und negative Geschwindigkeiten geeichte Anzeigevorrichtung 31.

Es ist jedoch vorzuziehen, beispielsweise mit der Folge der Erregerimpulse die Umschaltung der Wandler an das Potentiometer vorzunehmen. Die Ruhespannung V kann sich nämlich als Folge von Änderungen der Leistungen des Generators 1 oder der Ausbreitungsbedingungen der Ultraschallwellen ändern, wodurch Meßfehler entstehen» Durch die Kommutierung lassen sich diese Meßfehler vermeiden»

Wenn nämlich der Wandler 22 an den Anschluß B und der Wandler 23 an den Anschluß A angeschaltet sind, ergibt sich die in Fig» 3 gestrichelt dargestellte Kurve, so daß sich die Phasenwinkel Aif>und Φ addieren anstatt sich zu substrahiereiu

Die beiden Kurven schneiden sich an der Stelle V und sind

symmetrisch in Bezug auf die Ordinate₀

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Für einen bestimmten Wert von v, etwa V₂» erhält man also nacheinander an dem Läufer 26 zwei Amplituden V„ und V_2b (Fig. 3), wobei V_2a kleiner als V_2b ist. Hingegen, erhält man für einen negativen Wert V₃: V₃ ^v V₃. . Man erhält also am Läufer 26 kurze, modulierte Hochfrequenzsignale mit einer Amplitude in der Nähe von V (wenn ν zwischen v* und V·.. liegt)* wobei die augenblicklichen Änderungen proportional zu V sind und die den Werten von ν entsprechenden Signale symmetrisch zum Abszissenursprung liegen und gegenphasig sind. Die beiden kurzen Signale folgen in einem Abstand aufeinander, der gleich dem Abstand der Erregerimpulse ist» Die Breite ist gleich der Dauer der Impulszüge, also bei dem AusfUhrungsbeispiel gleich U laicrosec. Der SpAtzenspannungs-' detektor 30 ist von üblicher Bauart und mißt die Spitzenspannung der Signale, während dee die Signale trennenden Zeitraumes. Die Rückstellung auf null geschieht am Ende eines Zeitintervalls mittels eines Erregerimpulses, der über die Leitung U6 zugeführt wird» Am Ausgang des Detektors 30 liegt also eine Gleichspannung von Rechteckcharakter mit den aufeinanderfolgenden Amplituden V«- und Vg_b C für ν st v₂) und mit dem Mittelwert Vo. Die Wechselspannungskomponente dieser Ausgangsspannung wird über ein Filter ^2 an den Synchrondemodulator gegeben, während die durch den Filter 43 abgetrennte Gleichspannungskomponente, die porportional Vo ist, als Steuerspannung für die Verstärkungsregelung des Verstärkers 27 dient, so daß Änderungen von Vo ausgeregelt werden können und Fehlermöglxchkeiten aufgrund dessen ausgeschaltet sind.

Der Demodulator Ul ist von bekannter Bauart» Er gibt eine Gleichspannung ab, die proportional der Amplitude von Spitze zu Spitze der Rechteckimpulee ist und also eine Funktion der

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Geschwindigkeit ν darstellt, so daß das Anzeigeinstrument 31 direkt in Strömungsgeschwindigkeiten geeicht werden kann«,

Pas Vorzeichen der Spannung hängt ab von der Phasenlage der Rechteckimpulse in Bezug auf das Kommutierungssignal, das an den Demodulator 11 gelangt, welches als Bezugsphasenspannung dient. Das Anzeigeinstrument 31 zeigt also auch die Strömungsrichtung an.

Die Wirkungsweise der Kommutierungsvorrichtung ist folgende= Der Generator UU erzeugt eine rechteckförmige Gleichspannung mit einer Frequenz gleich der Frequenz der Erregerimpulse. Während des positiven Wertes der Rechteckimpulse sind die Dioden 37 und 39 leitend und die Dioden 36 und 3« gesperrt, während der Zustand der Dioden bei negativen Spannungswerten umgekehrt ist»

Die Selbstinduktion UO dient zum Kompensieren von Phasenverschiebungen des Transformators 24_o Der normalerweise offene Schalter 35 ermöglicht nach dem Schließen eine Eichung der Vorrichtung. Bei geschlossenem Schalter ist die zusätzliche Phasenverschiebung Φ aufgehoben. Dabei fallen die in Fig. ι 3 gestrichelt sowie voll ausgezogenen Kurven zusammen, und es ist V« - V«_b· Das von dem Spitzenspannungsdetektor 30 ausgehende Signal weist daher keine Wechselspannungskomponente mit der Kommutierungsfrequenz auf, und die Ausgangsspannung des Synchrondetektors ist null, unter der Bedingung, daß die zur Korrektur dienende Selbstinduktion UO genau eingestellt ist.

Zur Null-Einstellung der Meßvorrichtung reicht es also aus, den Schalter 35 zu schließen und die Selbstinduktion UO einzustellen, Lis die AusgangsSpannung des Synchrondetektors verschwindet.

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Figo H zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer Vorrichtung nach Fig. 2, wobei die Hilfsbauteile 29, 32, 35 und dgl. nicht dargestellt sind. Die Steuerung der Torschaltung 28 ist durch einen Rechteckimpuls symbolisiert, während die Meßschaltung (30, 42, Hl, 31) durch ein Rechteck H 7 symbolisiert istο Fig. 2 zeigt, wie ein weiteres Paar Wandler 22a und 23a an die Sekundärwicklung"des Transformators 24 angeschlossen werden kann» Die von den beiden Wandlerpaaren abgegebenen Spannungen V und V· gelangen an den Eingang

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des Verstärkers 27, sodann an die Torschaltungen 28 und '28a und an zwei identische Meßschaltungen 47 bzw. 47a«

Damit die Spannungen V und V, in Form von getrennten Impuls-

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zügen durch die beiden Meßschaltungen auswertbar sind, reicht es, wenn die Entfernungen zwischen den Wandlern 22 und 23 einerseits und 22a und 23a andererseits sich etwas unterscheiden«

Man kann auch eine dritte Meßschaltung vorsehen und ein drittes Wandlerpaar an die Sekundärwicklung des Transformators 4 anschließen. Die Vorrichtung ermöglicht dann die Messung verschiedener Komponenten der Strömungsbewegung, was insbesondere für die Untersuchung von Meeresbewegungen interessant ist,

Fig. 5 zeigt eine gegenüber Fig. 2 abgeänderte Ausführungsform einer Meßvorrichtung, bei der die Lage des Transformators 24 und des Potentiometers 25 vertauscht sind» Die Wirkungsweise unterscheidet sich dadurch nicht wesentlich. Da jedoch der Widerstand des Potentiometers klein gegenüber der Impedanz des Wandlers sein muß, um die Erregerimpulse mit einer genügenden Leistung an letztere zu übertragen, wirkt

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der Widerstand als eine Art KurEsehluß für die Primärwicklung des Transformators 24. Zur Vermeidung dieses Nachteiles sind in jedem Zweig jeweils ein Paar antiparallel geschalteter Dioden 48, «9; 50, 51 eingeschaltet. Die Dioden sind durchlässig für Erregerinipulse mit bestimmter Amplitude und stören daher die Übertragung nicht. Hingegen bilden 8ie einen großen Widerstand gegenüber den schwachen Empfangsimpulsen der Wandler» so daß das Potentiometer 25 für Empfangssignale entkoppelt ist.

Die Meßvorrichtung nach Fig. 5 weist noch Drosseln 52, 53, SH, Ableitwiderstande 55, 56 und Koppelkondensatoren 57, 58 auf.

Die Wandler brauchen nicht unbedingt in eine Flüssigkeit eingetaucht zu sein. Die können beispielsweise auch in der Wand eines Rohres oder Gefäßes angeordnet sein» Dabei genügt es, wenn das von einer Sonde ausgesandte Ultraschallbündel die Leitung» das Gefäß, einen Fluß oder dgl. schräg durchsetzt und auf eine gegenüberliegende, symmetrisch angeordnete Sonde auf trifft.

Die Sonden können ein akustisches Prisma bilden, die von einer Wand transversale Wellen aussenden, die gegenüber der Normalen einen Winkel von beispielsweise 50 bis 80° bilden« Diese transversale Welle wird an der Trennfläche Wand -Flüssigkeit gebrochen und erzeugt eine Welle, deren Neigung '•on dem Auftreffwinkel und dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten in der Wand und in der Flüssigkeit abhängt.

Es lassen sich auch Longitudinalwellen in der Wand fortleiten, jedoch bilden in diesen Fall die in der Flüssigkeit gebrochenen Wellen einen wesentlichegrößeren Winkel mit der Achse der Leitung oder dgl., so daß die Genauigkeit verringert ist.

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Claims

Patentansprüche

Ultrasehall-Durchflußmengenmeßvorrichtung mit jnindestens einem Paar akustischer Sonden, deren aktive Oberflächen parallel und gegeneinander gerichtet angeordnet sind, mit Einrichtungen zum gleichzeitigen Aussenden eines kurzen akustischen Signals an jeder Sonde, Empfangsorganen für die an den beiden Sonden aufgenommenen akustischen Signale, nachdem diese das Strömungsmittel durcheilt haben, dessen Flußgeschwindigkeit gemessen werden soll, und mit Meßeinrichtungen zum Messen der zeitlichen Verschiebung zwischen den empfangenen akustischen Signalen, dadurch gekennzeichnet , daß Umsehalteinrichtungen vorgesehen sind zum periodischen Vertauschen der Anschlüsse zwischen den beiden Sonden und den Empfangs- und Meßorganen.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Meßorgane eine Einrichtung zum Erzeugen einer ersten Gleichspannung aufweisen mit zwei aufeinanderfolgenden Amplituden, welche der direkten sowie der inversen Anschaltung entsprechen, und daß Einrichtungen zum Erzeugen einer zweiten Gleichspannung vorgesehen sind, welche proportional dem Spitzenspannungsabstand der rechteekartigen Impulse ist, und daß diese Einrichtung so beschaffen ist, daß die zweite Spannung eine Polarität aufweist, die von der Phase der rechteckartigen Spannung in Bezug auf eine Phasenvergleichsspannung abhängt«

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η "--zeichnet , daß die Einrichtung zum Erzeugen der zweiten Gleichspannung einen Synchrondemodulator aufweist und daß die Einrichtung zum periodischen Vertauschen der Verbindung

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von einem Kommutierungssignal gesteuert wird, welches an den Synchrondemodulator als Phasenbezugsspannung angelegt ist.

¹K Meßvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das kurze akustische Signal einen einzigen Impuls bildet und die Empfangsorgane zwei getrennte Empfangskanäle aufweisen, die mit den beiden Sonden verbunden sind, dadurch gekenn ζ eich net, daß die Meßorgane zwei Kippschaltungen aufweisen, die durch die Sendeimpulse in den einen stabilen Zustand gesteuert werden und durch die in den Empfangskanälen auftretenden Impulse jeweils in den anderen stabilen Zustand, und daß die Ausgänge der Kippschaltungen mit einem Differentialverstärker verbunden sind.

Si Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η, η zeichnet, daß die beiden Sonden jedes Sondenpaares mit einer vorbestimmten Phasenverschiebung gegeneinander zum Senden erregt werden und daß die Meßorgane Einrichtungen zum Messen der Phasenverschiebung der von den beiden Sonden empfangenen Impulse aufweisen, wobei diese Phasenmeßeinrichtung wenigstens einen Analogaddierer aufweist, der derart eingestellt ist, daß er bei der Strömungsgeschwindigkeit null eine vorbestimmte elektrische Spannung abgibt, und daß eine Spitzenspannungsmeßeinrichtung an den Ausgang der Meßeinrichtung angeschlossen ist.

6 ο Meßvorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Umsehaltvorrichtung zum Umschalten der Verbindungen der beiden Sonden mit dem Analogaddierer und durch mindestens einen Phasenschieber in dem Signalweg von einer Sonde zu dem Analogaddierer„

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7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mindestens zwei Sende-Empfangssonden, die an einen einzigen Sender angeschlossen sind, und die eine gemein· same Empfangseinrichtung mit Phasenschieber und Analogaddierer aufweisen, und durch die unterschiedlich weit entfernte Anordnung der Sonden bei den unterschiedlichen Sondenpaaren.

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ORIGINAL INSPECTED