DE2316437C2 - Gerät zum Messen der Geschwindigkeit oder einer Geschwindigkeitskomponente der Strömung eines Strömungsmittels - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Messen der Geschwindigkeit oder einer Geschwindigkeitskomponente eines Strömungsmittels der ini Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Gattung.

In der britischen Patentschrift 12 85 175 ist ein Strömungsmesser beschrieben, der eine Ausgangsfrequenz aufweist, die proportional der Strömungsgeschwindigkeit ist. Diese Ausgangsfrequenz ist die Differenzfrequenz fd von »Stromaufwärts«- und »Stromabwärts«-»sing-around«-lmpulsketten. Mit »singaround«-lmpulsketten sind Impulszüge gemeint, die durch Wiederauslösen des Wandlers erzeugt werden, wenn ein Impuls durch den Empfänger empfangen wird.

Die Frequenz der »Stromaufwärts«-Impulskette
, 1 C-V

Die Frequenz der »Stromabwärtsw-Impulskette
1 C+V

Dabei ist

V — Geschwindigkeit des Strömungsmittels,
C = Geschwindigkeit des Schalls im Strömungsmittel,

L = Abstand zwischen den Wandlern,
/ι = »Stromaufwärts«-Laufzeit — d. h. Zeit der Übertragung von Impulsen vom Sender zum Empfänger,
t₂ = »StromabwärtSK-Laufzeit,

woraus folgt
fa = /ι

2 V

Die Ausgabezeit für einen derartigen Strömungsmesser ist die Zeit, die erforderlich ist, um /,/ bis zur erforderlichen Genauigkeit zu messen. Die langen Zeiten, die für diese Ausgabe bzw. für dieses Auslesen für geringe Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich sind, können in einigen Anwendungsfällen eine.i Nachteil bedeuten.

Die Ausgabezeil kann durch eine Technik reduziert werden, bei der frequenzvariable Oszillatoren verwendet werden, wie sie in der US-PS 36 25 057 oder US-PS 34 20 102 beschrieben .sind.

Ein Nachteil der bekannten Einrichtungen ist auf die Verwendung separater Wege durch das Strömungsmittel hindurch für Stromaufwärts- und Stromabwärtsmessungen zurückzuführen. Ganz kleine Turbulenzen in der Strömung oder kleine Schwankungen in der Strömungsmitteltemperatur oder -dichte zwischen den beiden Wegen können die durch Vergleich zwischen den beiden Wegen durchgeführten Messungen ungültig machen.

Die DE-OS 19 08 511 beschreibt ein System, bei dem der gleiche Weg durch das Strömungsmittel für Stromaufwärts- und Stromabwärtsmessungen verwendet wird. Dabei wird jedoch eine direkte Analog-Zeitimpulsmessung zum Vergleich der Differenz in den Fortpflanzungszeiten der jeweiligen Ultraschallimpulse im Strömungsmittel verwendet.

Es gibt jedoch eine Reihe von Schwierigkeiten, die mit den bekannten Geräten nicht ausreichend ausgeräumt werden. So gib; es viele Reflexionen von Ultraschall aus verschiedenen Teilen des Systems, wie Rohrwände, Turbulenz, Blasen oder andere Objekte im strömenden Medium. Diese können zu vielen unerwünschten Signalen oder zur Unterbrechung der gewünschten Signale führen. Die Genauigkeit ist in kritischem Maße abhängig vom genauen und konsistenten Aufbau der »sing-around«-Frequenz. Ein erneutes Triggern aus einem unerwünschten Signal kann einen Fehler erzeugen, der, selbst wenn er über eine große Anzahl von korrekt

ίο wiederausgelösten »sing-around«-Signalen gemittelt wird, im Vergleich zu dem kleinen gemessenen Wert immer noch groß ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf eine elegante und exakte Weise die geschilderten Schwierigkeiten mit einem Gerät zu überwinden, das mit guter Stabilität gegenüber den vielen unerwünschten oder anderen störenden Einwirkungen arbeitet, die so häufig den Ausgang von Ultraschall-Strömungsmeßsystemen ungenau oder gar unverständlich machen können.

Diese Aufgabe wird durch die Kennzeichnungsmerkmale des Patentanspruchs 1 gelös; Zweckmäßige Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Gerät nach der Erfindung ist insbesondere für die Messung der Gesamtströmung in Flüssen oder großen Rohren vorteilhaft, wobei die Wandler über die ganze Breue des Flusses oder Rohres auf Abstand angeordnet sind, und zwar auf einem geneigten Weg. um auf diese Weise eine Geschwindigkeitskomponente auf dem Weg einzuführen. Bei solchen großen Basislinien ist die An-Sprechzeit von Anlagen, wie sie beispielsweise in der britischen Patentschrift 12 85 175 beschrieben sind, unannehmbar langsam.

Jedoch ist das erfindungsgemäße Gerät außerdem für die Strömungsmessung in kleinen Rohrleitungen vorteühaft. Wandler können an der Ausgangsseite der Rohrleitung abgebracht werden, so daß auf diese Weise keine Störung für die Strömung eingeführt wird. Die Wandler werden axial versetzt angeordnet und so gewinkelt und mit der Rohrleitung gekoppelt, daß bei Berücksichtigung von Brechungen an den verschiedenen "^wischenflächen die Ultraschallimpulse einen entsprechenden Weg, und zwar so steil wie möglich zur radialen Richtung geneigt, im fließenden Strömungsmittel nehmen. Eine Strömung von etwa 1 cm/Sekunde in einer Rohrleitung von etwa 10 cm Durchmesser würde eine Ansprechzeit in Minuten erfordern, wenn ein »singaro'jnd«-System und eine Koinzidenzzählung verwendet werden. Bei dem Gerät nach der Erfindung kann die Ansprechzeit ohne weiteres auf einen Bruchteil einer Sekunde herabgesetzt werden.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform,

Fig.2 ein B'ockschaltbild einer weiteren Ausfühningsform,

Fig.3 ein Blockschaltbild in größeren Einzelheiten eines Teils der Konstruktion nach F i g. 1,
F i g. 4 verschiedene Wellenformen zur Veransrhaulichung der relativen Zeitgabe verschiedener Vorgänge oder Operationen, während

Fig.5 ein Blockschaltbild einer Abänderungsform der Konstruktion nach F i g. 1 wiedergibt.

In Fig. I sind die wesentlichen Bestandteile eines Strömungsmessers dargestellt.

Der Ausgang dieses Strömungsmessers ist die Differenzfrequenz von zwei spannungsgesteuerten frequenzvariablen Oszillatoren VFOI und VFO2, deren Fre-

quenzen genau auf

gcnen Impuls sein, so daß

N x

und /Vx-

durch Steuerschaltungen eingestellt werden, welche t\ mit/VfvFoi und außerdem h mit Mvfcm vergleichen.

'vfoi. fvFO2 sind die Zeitspannen der beiden gesteuerten Oszillatoren.

Die Ausgangsfrequenz ist proportional der Strömungsgeschwindigkeit.

Ί h

2NV

Für eine ähnliche Wassergeschwindigkeit und einen ähnlichen Wandlerabstand führt diese Methode zu einer Äusgsiigsfrcqusnz, die proportional einer Wassergeschwindigkeit von N mal derjenigen des in der britischen Patentschrift 12 85175 verschriebenen Verfahrens ist so daß ein Herauslesen im —-fachen der Zeit

erfolgen kann. A/ kann jede zweckmäßige Zahl sein, beispielsweise 100 oder 1000.

Bei der Anordnung nach F i g. 1 werden die Wandler nicht so eingerichtet, daß sie ein »sing-around« erzeugen; der Sender wird nicht durch einen empfangenen Impuls erneut getriggert. sondern durch einen Impuls von einem Haup'os/.illator 11, dessen Schwingungsperiode größer als (i oder tj ist

Die Geschwindigkeitsauflösung dieses .Strömungsmessers wird, in Grenzen, bestimmt durch die kleinste Zeitdifferenz, die zwischen /| und /Vivroi oder zwischen fj und Mvfo2 aufgelöst werden kann.

Elektromechanische Ultraschallwandler I und 2 sind im Abstand voneinander so angeordnet, daß sie Schallwellenimpulse durch das Strömungsmittel hindurch in der Richtung übertragen, in welcher die Geschwindigkeitskomponente gemessen werden soll.

Es erscheint zweckmäßig, die Betriebsweise der Anordnung nach F i g. I für die eine Übertragungsrichtung zu beschreiben, wobei die entgegengesetzte Richtung ähnlich ist

Der Hauptoszillator U liefert eine Kette von »Start«-Impulsen, deren Periode zweckmäßig etwa

10% oder 20% länger als -p ist, wobei

L der Abstand zwischen den Wandlern 1 und 2 und C die Schallgeschwindigkeit im Strömungsmittel ist

Jeder »Start«-Impuls ermöglicht einen Triggerimnuls für den Wandler I über eine Treiberschaltung TXI, sobald der nächste Impuls vom Oszillator VFOl nach diesem »Starte-Impuls erscheint Der resultierende Ultraschallimpuls vom Wandler 1 pflanzt sich durch das Strömungsmittel hindurch zum Wandler 2 fort.

Eine logische !-Schaltung vergleicht die Laufzeit des empfangenen Impulses vom Wandler 2 über einen Verstärker RXl mit der Zeit zu der der /V-te Impuls vom Oszillator VFOl erscheint In Abhängigkeit davon, ob der empfangene Impuls vor oder nach dem /V-ten VFOl-Impuls erscheint wird eine Steuer-!-Schaltung veranlaßt eine kleine Änderung in der Steuerspannung zum Oszillator VFOl vorzunehmen, um dessen Frequenz jeweils zu erhöhen oder zu erniedrigen. Nach einer Anzahl von Übertragungen wird der Af-te VFOl-Impuls in Zeitübereinstimrnung mit dem empfan ist, worin

fi die Zeit ist, die der Ultraschallimpuls auf seinem Weg zwischen den Wandlern braucht.

Ähnliche Übertragungen werden in der entgegengesetzten Richtung vom Wandler 2 zum Wandler 1 durchgeführt, um eine VFO2-Frequcnz von

zu erhalten.

Die Einzelteile für diesen Vorgang sind gleich den entsprechenden, oben beschriebenen Einzelteilen mit Bezugszeichen versehen, jedoch unter Verwendung der Indexziffer 2 anstelle der Indexziffer 1.

Eine Differenzschalutng 12 liefert einen Ausgang, dessen Frequenz proportional der Geschwindigkeit des Strömungsmittels zwischen den Wandlern ist.

/vfoi ~/vfo2

2NV

Ein Abtaster 13 erzeugt einen Impuls, der jedem

jo Startimpuls nach einer festgelegten Zeitverzögerung folgt, die durch eine Verzögerungsschaltung 14 eingestellt wird. Die Abtastperiode ist so eingerichtet, daß sie die erwartete Ankunftszeit eines empfangenen Impulses umfaßt. Wenn kein empfangener impuls in dieser Ab tustzcit infolge eines Hindernisses im Strömungsmittel weg ankommt, so wird dies durch die logische Schallung als ein Fehlerzustand erkannt, und keine Änderung in der VFO-Steuerspannung wird vorgenommen. Eine vorübcrghende Behinderung oder Störung, die nur we-

nigc Übertragungen beeinträchtigt, kann zugelassen werden. Eine permanente Störung wird erkannt und das Herauslesen gesperrt.

F i g. 3 zeigt einige Teile der F i g. 1 mehr im einzelnen. Wieder wird der Vorgang nur in der einen Übertra- gungsrichtung betrachtet. Die VFO-Frequenz muß genau

/Vx-L
t\

sein, wobei J₁ die Zeit ist, die ein Ultraschallimpuls auf seinem Weg von dem sendenden Wandler zum empfangenden Wandler braucht

Der sendende Wandler wird in Zeitübereinstimmung mit einem VFO-Impuls getriggert und ein Vergleich wird durchgeführt zwischen der Zeil bis zu den /V-ten VFO-Impulsen und der Zeit die verstreicht bevor ein Impuls am empfangenden Wandler empfangen wird. Jede Differenz zwischen diesen Zeiten erzeugt eine Fehlerspannung, welche die VFO-Frecjuenz steuert Nach einer ausreichenden Anzahl von Übertragungen wird eine Zeitübereinstimmung zwischen dem N-ten VFO- und dem empfangenen Impuls erzielt d. h. /vr> ist genau gleich

/vx-L

Mit Bezug auf Fig.3 und Fig.4 ist der Vorgang folgender:

Ein Startimpuls (in den F i g. 3 und F i g. 4 mit »Rückstellung« bezeichnet) vom Hauptoszillator 11 stellt Flipflop-Schaltungen 15 und 16 zurück, stellt den -f -N-ZAh- ler 17 zurück und stellt den Start-Flipflop 18 zurück.

Am Ende des Rückstellimpulses fängt der -=--A/-Zäh-Lt.' 17 an zu zählen.

Wenn ein nächster VFO-Impuls (n·=]) dem -f--/V-Zähier 17 zugeführt wird, so wird die »Start«-Flipflop- schaltung 18 eingestellt, und deren Ausgang (siehe TX-TRIGGER in Fig.4) triggert die Treiberschaltung TX des Senders, d. h. der sendende Wandler wird in Zeitübereinstimmung mit einem VFO-Impuls angesteuert.

Entweder kann der /V-te VFO-Impuls (Ausgang vom -7· -Zähler) die Flipflop-Schaltung 16 einstellen, oder der empfangene Impuls RX kann die Flipflop-Schaltung 15 einstellen, je nachdem, welcher zuerst erscheint. Die erste Fiiptiop-Einsteiiung verhindert die andere.

Je nachdem, ob die Flipflop-Schaltung 16 oder die Flipflop-Schaltung 15 arbeitet, erfordert dann der VFO eine Steuerspannungszunahme, um jeweils seine Frequenz zu reduzieren oder zu erhöhen.

Wenn die Flipflop-Schaltung 15 arbeitet, so wird dadurch eine monostabile Schaltung 19 getriggert, die über eine Pegel-Verschiebeschaltung 21 einen Eingangsstrom für einen Integrator 22 einschaltet, der seinen Ausgang um eine kleine positive Zunahme ändert. Diese Änderung in der VFO-Steuerspannung erhöht etwas die VFO-Frequenz.

Wenn, andererseits, die Flipflop-Schaltung 16 arbeitet, dann liefert deren monostabile Schaltung 23 über eine Pegel-Verschiebeschaltung 24 einen Eingangsstrom von entgegengesetzter Polarität, um auf diese Weise den Integratorausgang um eine kleine negative Zunahme zu ändern und die VFO-Frequenz herabzuset-

Nach einer Anzahl von Übertragungen wird die VFÖ-Frequenz sehr genau auf

,vx-L

40

eingeregelt, und aufeinanderfolgende Übertragungen erzeugen Fehler von entgegengesetzter Polarität, so daß die VFO-Frequenz abwechselnd etwas niedriger und höher als

so

eingeregelt wird.

Der Integrator 22 wird so eingestellt, daß er eine ausreichend kleine Zunahme ergibt, wenn er durch die Pegel-Verschiebeschaltung 21 oder die Pegel-Verschiebeschallung 24 getriggert wird, um die beste Auflösung zu erzielen, die mit der erforderlichen Ansprechzeit und den anderen Fehlerquellen im System verträglich ist Solche kleinen Zunahmen können jedoch zu einer langen Verzögerung beim Erzielen einer Koinzidenz beim anfänglichen Aufbau führen, wenn anfänglich eine weitläufige Abweichung zwischen den Ankunftszeichen des empfangenen RX-Impulses und des »A/-ten VFOw-Impulses vorliegt Der Integrator 22 ist daher bei diesem Aüsführungsbeispic! mit einer manuell betätigbaren Steuerung für das Erhöhen der Größe der Zunahme versehen, so daß eine angenäherte Koinzidenz schnell erzielt werden kann.

Die kleinste Zeitdifferenz, die zwischen empfangenen RX- und »W-ten VFO«-Impulsen aufgelöst werden kann, beträgt etwa 6 Nanosekunden, und dies ergibt eine Geschwindigkeitsauflösung, die besser ist als die für die meisten Anwendungsfälle erforderliche.

Die tatsächlich erzielte Geschwindigkeitsauflösung ist immer besser als aus der Betrachtung des Zeitauflösevermögens der Schaltung angedeutet. Selbst bei stillstehenden Strömungsmitteln oder sehr konstanten Strömungsgeschwindigkeiten gibt es stets Änderungen in den Übertragungszeiten des Ultraschalls um die mittlere Zeit herum. Obwohl diese Zeitänderungen zu einer größeren Schwingung der VFO-Frequenz um den wahren Mittelwert herum führen als die oben beschriebenen abwechselnden positiven oder negativen Fehler, so liegt doch die Durchschnitts-VFO-Frequenz dichter an diesem Mittelwert.

Liegt ein Hindernis oder eine Störung zwischen den Wandlern vor und wird kein RX-impuls empfangen, sü erfolgt keine Korrektur der VFO-Frequenz. Dieses Hindernis bzw. diese Störung wird durch eine Fehlerschaltung (nicht dargestellt) erkannt, welche den Betrieb der Flipflop-Schaltung 26 sperrt. Der Integrator hat eine lange Abklingkonstante, so daß eine kleine Anzahl von »Fehlw-Übcrtragungcn einen vernachlässigbaren Fehler erzeugt. Eine Störung für mehr als ein paar Übertragungen wird durch die »Fehler«-Schaltung erkannt, und die Geschwindigkeitsablesung wird verhindert, bis der Fehler beseitigt ist.

F i g. 2 zeigt eine andere Anordnung, bei welcher die Geschwindigkeitsauflösung auf Kosten der Ansprechzeit verbessert ist. Bei diesem Verfahren werden wiederum zwei spannungsgesteuerte frequenzvariable Oszillatoren VFOl und VF02 verwendet, wobei deren Frequenzen so gesteuert werden, daß sie

und

sind, wobei jedoch die Steuerspannung durch einen Vergleich zwischen Mti und A/Mvfoi und zwischen AZf₂ und MNtVfO₂ erhalten wird. M bedeutet wieviel mal jedem Kanal die Möglichkeit gegben wird, ein »singaround« nach jedem Hauptoszillator-Impuls durchzuführen. Die Periode dieses Oszillators muß größer als Mt\ oder Mh sein. Auf diese Weise wird die Geschwindigkeitsauflösung um einen Faktor M über das System (wie in F i g. 1) verbessert wobei vervielfachende VFO¹S ohne »sing-around« verwendet werden. Durch entsprechende Wahl von M kann ohne weiteres ein zufriedenstellender Kompromiß zwischen der Geschwindigkeitsauflösung und der Ansprechzeit für jede gewählte Messung eingestellt werden.

Wie bei F i g. 1 ist es zweckmäßig, den Betrieb für die eine Übertragungsrichtung zu beschreiben, wobei die entgegengesetzte Richtung ähnlich ist

Der Hauptoszillator 25 liefert eine Kette von Impulsen, deren Periode größer als ~q~ ist

Jeder Start-Impuls vom Hauptoszillator 25 her gibt einer Sender-Treiberschaltung TXl die Möglichkeit einen Treiberimpuls an den Wandler 1 zu liefern, sobald der nächste VFOl-Impuls nach diesem Start-Impuls erscheint.

Der resultierende Ultraschaüimpuls wandert durch das Strömungsmittel hindurch vom Wandler 1 zum Wandler 2. Der empfangene Impuls am Verstärker-RXl-Ausgang triggert sofort die Treiberschaltung TXl,

9 10

ν um einen weiteren Antriebsimpuls für den Wandler 1 zu Für jeden Fehlerzustand wird ein Triggerimpuls für die

■ j erzeugen; d. h, das System führt ein »sing-around« aus. Treiberschaltung TX erzeugt, um das »sing-around«

Ϊ Der M-lc empfangene Impuls am Verstärker RXI trig- aufrechtzuerhalten, aber es erfolgt keine Änderung der

gert die Treiberschaltung TX1 nicht erneut, so daß nur VFO-Steuerspaimung.

f.' M »sing-arounds« erscheinen. Bei diesem Ausführungs- s Eine zeitweilige bzw. flüchtige Störung, die nur ein

beispiet wird t/ so gewählt, daß nicht so viele »sing- paar Übertragungen beeinträchtigt, kann geduldet wer-

i|: arounds« vorhanden sind, als daß irgendeine Wahr- den. Eine längere Störung wird erkannt, und die AbIc-

;':: scheinlichkeil der Koinzidenz zwischen Aussenden und sung bzw. Ausgabe wird verhindert.

is'j Empfangen an einem der Wandler eingeführt wird. Da die Wandler nicht gleichzeitig Impulse empfan-

Sk Die logische 1-Schaltung vergleicht die Ankunftszeit io gen, ist es möglich, einen einzigen Verstärker als Ersatz

§ des M-ten empfangenen Impulses mit der Zeit, zu der für die Verstärker RXl AMP und RX2 AMP in F i g. 1

\\^l der MxN-te VFOl-Impuls nach dem Start-Impuls er- zu verwenden. Eine entsprechende Umgestaltung der

. ■; scheint; d. h, es findet ein Vergleich zwischen Mt und Schaltung ist in F i g. 5 dargestellt, die einige zusätzliche

p] AWl VFOi statt Verbesserungen zeigt.

Φ je nachdem, ob der empfangene Impuls vor oder nach 15 Nach F i g. 5 liefert ein Hauptoszillator 35 eine Kette

s| dem MAAten erscheint, wird eine kleine Änderung in von Impulsen, deren Periode größer als L/Cist, an jeden

fjj der Spannung durch die Steuer-1-Schaltung ausgeführt, der Trigger TXl und TX2, wobei die Impulse zum Trig-

t| um die VFOl-Frequenz jeweils zu erhöhen oder herab- ger TX2 relativ zu den Impulsen zum Trigger TXl zeit

£ zusetze». versetzt sind; um ein Aufeinandertreffen von Empfangs-

:, Nach einer Anzahl dieser Perioden der »sing- 20 und Sendeimpulsen an den Wandlern zu vermeiden.

j! arounds« befindet sich der ΛίΛΖ-te VFOl-Impuls in Zeit- Ein Impuls vom Hauptoszillator 35 steuert den

koinzidenz mit dem M-ten Impuls vom Verstärker RXI TXl-Trigger an, der die Treiberschaltung TXl beim

'< her, so daß, wie beim vorhergehenden Verfahren, nächsten VFOl-Impuls triggert. Der Ausgang vom

Trigger TXl stellt außerdem den 4·-ZV-Zähler 36 auf

/yjQ, mfifxJ- [/, - *■ ) 25 n-1 zurück.

; t\ \ C-V) Der resultierende Ultraschallimpuls wandert durch

das Strömungsmittel hindurch vom Wandler 1 zum

ist Wandler 2. Der empfangene Impuls wird zum Vcrstär-

In ähnlicher Weise werden Übertragungen in der ent- ker 37 weitergeleitet.

gegengesetzten Richtung vom Wandler 2 zum Wandler 30 Ein genauer Zeitbezug wird bei diesem empfangenen

1 durchgeführt, um Impuls durch einen Nulldurchgangs-Detektor 38 aufge-

. ν baut. Dies ist ein Merkmal, welches eine verbesserte

/vfoj -Nx- (I₇ - ~—) Auflösung ermöglicht.

/j \ C+V/ Der Ausgang vom Nulldurchgangs-Detektor 38 wird

35 über einen geschaltetes Abtaster-UND-Tor 39 zur logi-

zu erhalten. sehen !-Schaltung und zur Steuer-1-Schaltung übermit-

Der Strömungsmesser-Ausgang, proportional der telt, die im Betrieb den Bauteilen entsprechen, die in Wassergeschwindigkeit, ist die Differenz-Frequenz der F i g. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. So

beiden VFÖ's. vergleicht die logische 1 -Schaltung die Zeit der Ankunft

ν ν 0 vi/ ⁴⁰ ^^{β8 em}Pfangenen Signals vom Wandler 2 her mit der

/* -/vpoi -/vfo2 ----- H—. Zeit, zu welcher der A/-te Impuls vom Osr'lator VFOl

*i h L, her erscheint. Je nachdem, ob der empfangene Impuls

vor oder nach dem A/-ten VFOl-Impuls erscheint, wird

Es ist ersichtlich, daß die Schaltung der F i g. 1 und 3 die Steuer-1-Schaltung veranlaßt, eine kleine Änderung ohne weiteres for dieses begrenzte »sing-around-Ver- 45 der Steuerspannung für den Oszillator VFOl vorzunehfahren geeignet ist. Der Betrieb ist ähnlich, mit der Aus- men, um jeweils dessen Frequenz zu erhöhen oder hernähme, daß nach jedem Hauptoszillator-Triggerimpuls abzusetzen. Nach einer Anzahl von Übertragungen ein Zähler durch Λ/Λ/teilen muß, und die Flipflop-Schal- wird sich der A/-te VFOl-Impuls in Zeitübereinstimtungcn arbeiten beim MN-ttn VFO-lmpuls und beim mung mit dem empfangenen Impuls befinden. M-ttn empfangenen RX-Impuls. 50 Das Signal vom Hauptoszillator 35 her steuert außer-Für einen gegebenen Fehler in der VFO-Frequenz ist dem das geschaltete Abtaster-UND-Tor 39 über eine die Zeitdifferenz der Eingänge zu den Flipflop-Scha!- Verzögerungseinrichtung 41 und einen Abtaster 42, Das tungen somit M mal so groß, was einen effektiven Zeit- verzögerte Abtastsignal dient dazu, sowohl das Anspre-

vergleich zwischen i, und M_VFO1 ergibt, was dem i-fa- =^hen· ^außef ^um.^die erwartete Ankunftszeit eines emp-^{6 6} M 55 fangenen Impulses nerum, zu sperren als auch den cherc demjenigen entspricht, der ohne begrenztes »sing- Schalter zu betätigen, um das empfangene Signal an die around« möglich ist Man erzielt somit eine Zunahme logische 1-Schaltung weiterzuleiten, von M bei der Strömungsgeschwindigkeitsauflösung. Der Betrieb für eine Übertragung vom Wandler 2 her Jeder Triggerausgang zur Treiberschaltung TX er- erfolgt parallel zu demjenigen für den Wandler 1, mit zeugt außerdem einen Abtastimpuls, der so verzögert 60 der Ausnahme, daß das empfangene Signal vom Wandwird, daß ein empfangener Impuls innerhalb dieser Ab- ler 1 über das geschaltete Abtaster-UND-Tor 39 an die tastzeit ankommt Der Trigger wird gesperrt, außer logische 2-Schaltung weitergeleitet wird, während des Abtastimpulses, um soweit wie möglich ein Die Ausgänge, die mit VFOl O/P, entsprechend Mi, erneutes Triggern durch ungewollte Signale zu verhin- und mit VF02 O/P, entsprechend Mi, bezeichnet sind, dem, Wird kein Impuls während des Abtastimpulses ic werden einer logischen Differenzschaltung 43 zugeempfangen, und zwar wegen seines Hindernisses bzw. führt Die Strömungsrate wird durch einen Differenzeiner Störung im Strömungsmittelweg zwischen den ausgang (Mi—Mj) angezeigt Bei diesem Ausführungs-Wand· im, so wird dies als ein Fehlerzustand festgestellt beispiel wird die Strömungsrichtung durch logische

Ausgänge angezeigt, die entweder Nf\ > Nf₂ oder Nf\ < Nf₂ zeigen.

Wie bsi der Anordnung nach Fig. 1 hat der Integrator eine ausreichende Zeitkonstante, wobei es ihm nichts ausmacht, wenn einige Impulse behindert werden. Die empfangenen Impulse werden vom Verstärker 37 her überwacht und, als RXl 0/P und RX2 0/P angedeutet, an eine logische Fehlerschaltung 44 übermittelt. Diese Schaltung zeigt einen Fehler an und sperrt das Herauslesen, wenn weniger als ein voreingestellter Mindestprozentsatz von Impulsen empfangen wird. Im tpyischen Fall hat es sich als zufriedenstellend herausgestellt, die Fehlerschaltung so einzustellen, daß sie in Tätigkeit tritt, wenn weniger als 10% der ausgesendeten Impulse von einem der Wandler empfangen werden. In is der Praxis stellt sich gewöhnlich heraus, daß entweder alle Impulse empfangen werden oder irgendeine Störung vorhanden ist, wenn keine empfangen werden. Eins vorübsr^cfi"h£r!dfi, flüchtige Störung wie beisⁿielsweise ein voi beifahrendes Boot, wo die Flußströmung zu überwac'Sen ist, kann einige Impulse unierbrechen, wird jedoch im allgemeinen die Ablesung nicht beeinträchtigen.

Es versteht sich, daß die Anordnung nach F i g. 2 abgeändert werden kann, um einen einzigen Verstärker in einer der F i g. 5 ähnlichen Weise zu verwenden.

Die Erfindung ist. nicht auf Einzelheiten der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise wird es vorgezogen, zwei frequenzvariable Oszillatoren und zugeordnete Steuerschaltungen zu verwenden, so daß die Messungen in den entgegengesetzten Richtungen parallel fortschreiten können, wobei die einzige Bedingung in einer ausreichenden Differenz in der Zeitgebung zwischen Einzelimpulsen besteht, um ein Zusammenfallen des Aussendens und des Empfangens an irgendeinem Wandler zu vermeiden, mit der folgenden Empfängersperrung. Die Vorteile dieser Art von Messung sind prinzipiell folgende:

(1) Die Ultraschall-Meßimpulse pflanzen sich fast völ-Mg gleichzeitig über den Strömungsmittelweg hinweg fort, so daß auf diese Weise irgendwelche möglichen Auswirkungen auf die Transit-Geschwindigkeitsmessung infolge Temperatur-, Dichte- oder anderer Änderungen im Strömungsmittel auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, und

(2) es ist eine direkte und einfache Sache, eine Differenzfrequenz zwischen zwei gleichzeitig arbeitenden Oszillatoren anzuzeigen, und der Ausgang ist eine kontinuierliche Anzeige für die Strömungsgeschwindigkeit Obwohl Strömungsgeschwindigkeitsänderungen nicht sofort gefolgt wird, wird ihnen doch sehr schnell gefolgt, insbesondere bei der Ausführungsform nach Fig. 1.

55

Falls erwünscht, wäre es jedoch möglich, einen einzigen spannungsgesteuerten Oszillator mit zugeordneter Steuerschaltung zu verwenden und aufeinanderfolgende Bestimmungen von, anfänglich, der Frequenz, die erforderlich ist, damit N Impulse in die Zeitdauer hineinpassen, die von Schallweilen gebraucht wird, um vom V/andler 1 zum Wandler 2 zu gelangen, und, nachfolgend, der Frequenz, die erforderlich ist, damit N Impulse in die Zeitdauer hineinpassen, die Schallwellen brauchen, um vom Wandler 2 zum Wandler 1 zu gelangen. Ein solches System würde einen. Speicher erfordern, um die erste Frequenz festzuhalten, während die zweite Frequenz bestimmt wird, wonach die Differenzfrequenz durch Subtraktion gefunden werden kann.

Außerdem ist es zweifellos äußerst zweckmäßig und einfach, die Anzahl Λ/νοη Impulsen des frequenzvariablen Oszillators so einzurichten, daß sie innerhalb jeder Zeitperiode die gleiche ist, so daß die Differenzfrequenz eine einfache Proportionalität zur Strömungsgeschwindigkeit hat. Jedoch könnte man eine andere Anzahl von Impulsen, beispielsweise N\ Impulse für die Stromaufwärtsmessung und Nj Impulse für die Stromabwä. ?»- messung, verwenden. Es würde dann einfach nur notwendig sein, den Differenzausgang um einen konstanten Faktor bei der Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit einzuregeln.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Gerät zum Messen der Geschwindigkeit oder einer Geschwindigkeitskomponente der Strömung s eines Strömungsmittels, bestehend aus einer ersten und einer zweiten Einheit, die voneinander auf Abstand angeordnet sind und je Schallwellen aussenden und empfangen, die Ober einen Weg durch das Strömungsmittel hindurch in der Richtung verlaufen, in welcher die Geschwindigkeit oder Geschwindigkeitskomponente zu messen ist, aus einer Zeitsteuereinrichtung, aus einer Triggereinrichtung zur Steuerung der Übertragung von Impulsen in beiden Richtungen über den Weg zwischen der ersten und zwei- ten Einheit sowie aus einer Einrichtung, die einen Ausgang liefert, der zur Differenz der Laufzeiten der Impulse in den jeweils entgegengesetzten Richtungen auf dem Weg in Beziehung steht dadurch gekennzeichnet, daß die Triggereinrichtung (TRIG; TRIGGER 1, TRIGGER 2; TX1 -TRIGGER, TX2-TRIGGER) unter der Steuerung der Zeitsteuereinrichtung (11; 25; 35) arbeitet, damit Schallwellen von der ersten Einheit (Wandler 1) zur zweiten Einheit (Wandler 2) separat, aber über den gleichen Weg durch das Strömungsmittel wie von der zweiten Einheit (Wandler 2) zur ersten Einheit (Wandler

1) übertragen werden, daß eine Steuereinrichtung (Steuerung 1; Steuerung 2) die Frequenz einer frequenzvariahlen OsziIlatoreinrichtung(VFOl;VFO2) steuert, um eine vorbestimmte Vielzahl ΛΛ von Schwingungen oder .impulse-", in einer ersten Zeitspanne, die derjenigen entspricht, die ein Schallwellenimpuls auf seinem Weg ve ; der ersten Einheit (Wandler 1) zur zweiten Einheit (Wandler 2) braucht und eine vorbestimmte Vielzahl Ni von Schwingungen oder Impulsen in einer zweiten Zeitspanne zu erzeugen, die derjenigen entspricht, welche ein Schallwellenimpuls auf seinem Weg von der zweiten Einheit (Wandler 2) zur ersten Einheit (Wandler 1) braucht und daß die Einrichtung zur Lieferung eines Ausganges (12; Nf\—AWj; 43) die Differenz in acT Frequenz zwischen den Schwingungen oder Impulsen, die in der ersten Zeitspanne erzeugt werden, und den Schwingungen oder Impulsen, die in der zweiten Zeitspanne erzeugt werden, bestimmt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Steuereinrichtung (Steuerung 1; Steuerung 2) eine logische Schaltung (15,16) zum Vergleichen der Erscheinungszeiten der N\ -ten Schwingung odsr des Λ/ι-ten Impulses mit der Ankunftszeit des Schallwellenimpulses an der zweiten Einheit (Wandler 2) und zum Vergleichen der Erscheinungszeit der Λ/2-ten Schwingung oder des /vVten Impulses, einer gegebenen Impulsübertragung folgend, und der An- ss kunftszeit des Schallwellenimpulses an der ersten Einheit (Wandler 1) aufweist, wobei die Schwingungs- oder Impulswiederholungsfrequenz so eingeregelt ist daß sie das Bestreben hat, diese Erscheinungszeiten der N\ «ten oder /Vrten Schwingung bo oder des Λ/ι-ten oder /Vj-ten Impulses in Übereinstimmung mit der Ankunftszeit des entsprechenden Schallwellenimpulses zu bringen, wobei die Differenzbestimmungseinrichtung (12; Nf\ — Nfr, 43) die Differenz in der Frequenz zwischen den in der er- (,5 sten Zeitspanne erzeugten Schwingungen oder Impulsen und den in der zweiten Zeitspanne cr/cugicn Schwingungen oder Impulses anzeigt.

3. Gerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Sperreinrichtung (LOGIC 1; LOGIC 2) zum Sperren der Einstellung der Schwingungs- oder Impulswiederholungsfrequenz für den Fall, daß kein Schallwellenimpuls innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer empfangen wird, welche die zu erwartende Ankunftszeit umfaßt

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß N\ — Λ/2— Ν ist

5. Gerät nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Steuereinrichtung (Steuerung 1; Steuerung 2) die Frequenz der frequenüvariablen Oziüatoreinrichtung (VFOl; VFO2) durch eine festgelegte Schrittänderung in der Frequenz bei jedem Aussenden und Empfangen eines Schallwellenimpulses einregelt

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß eine Einrichtung zum vorübergehenden Einregeln der Größe der Schrittänderung in der Frequenz vorgesehen ist

7. Gerät nach einem der Ansprüche ί bis 5, dadurch gekennzeichnet daß der Betrieb so gesteuert ist daß jeder folgende SchallweHenimpuls über den Weg durch das Strömungsmittel in der zum vorangehenden Schallwellenimpuls entgegengesetzten Richtung verläuft

8.G erät nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet daßdieTriggereinrichtungeinenarsten(TRlGGERl) undeinenzweiten(TRIGGER2)Triggeraufweist,daß erste Triggersicuereinrichtungen (RX 1,-fMJ vorgesehen sind, die den ersten Trigger (TRIGGER 1) der Triggereinrichtungen veranlassen, die erste Einheit (Wandler 1) bei Empfang eines Impulses durch die zweite Einheit (Wandler 2) erneut zu triggern, und die den ersten Trigger (TRIGGER 1) an einem weiteren erneuten Triggern hindern, wenn eine vorbestimmte Vielzahl M\ von Impulsen von der ersten Einheit (Wandler 1) zur zweiten Einheit (Wandler 2) übertragen worden ist, daß zweite Triggersteuereinrichtungen (RX2, -r- M) vorgesehen sind, die einen zweiten Trigger (TRIGGER 2) veranlassen, die zweite Einheit (Wandler 2) bei Empfang eines Impulses durch die erste Einheit (Wandler I) erneut zu triggern, und die den zweiten Trigger(TRlGGER 2)an einem weiteren erneuten Triggern hindern, wenn eine vorbestimmte Vielzahl Mi von Impulsen von der zweiten Einheit (Wandler 2) zur ersten Einheit(Wand!er!)übertragen worden ist,daßdieZeitsteucreinrichtung(25)in bezug auf die Vielzahlen M\ und Mi so eingestellt wird, daß jede Wahrscheinlichkeit der Koinzidenz zwischen Aussenden und Empfangen an jeder Einheit vermieden wird, und daß die frequenzvariable Oszillatoreinrichtiing (VFO 1, VF02) so gesteuert wird, daß sie eine Vielzahl M\N\ von Schwingungen oder Impulsen in der Zeit erzeugt, die von M\ »sing-around«-Übertragung«:n von Schallwellenimpulsen von der ersten Einheit zur zweiten Einheit benötigt wird, und eine Vielzahl M2N2 von Schwingungen oder Impulsen in der Zeit zu erzeugen, die für M₂ »sing-around«-Übcrtragungcn von Schallwellenimpulsen von der zweiten Einheit zurersten Einheit benötigt wird.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitbezugswert bei empfangenen Schallwellenimpulsen durch einen Nullcliirchgangs-Detektor (38) aufgebaut wird.