DE2654763A1

DE2654763A1 - Vorrichtung zum messen der ausflussgeschwindigkeit von fluiden

Info

Publication number: DE2654763A1
Application number: DE19762654763
Authority: DE
Inventors: Jean-Max Muraz; Michel Payre; Pierre Rampin
Original assignee: Crouzet SA
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1975-12-10
Filing date: 1976-12-03
Publication date: 1977-06-16
Also published as: US4114438A; GB1562698A; DE2654763C3; JPS5272264A; DE2654763B2; JPS5756024B2; IT1065050B; FR2334956B1; FR2334956A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Ausflußgeschwindigkeit von Fluiden mittels akustischer Wellen.

Bei derartigen bekannten Vorrichtungen, wie sie in der französischen Patentschrift Nr. 69 41 949 (2 070 438) beschrieben sind, sind zwei Sonden zum Aussenden und Empfangen von akustischen Wellen einander gegenüberliegend in dem Fluid-Auslaß angeordnet, an dem man die Auslaßgeschwindigkeit messen kann. Es sind ferner Generatoren vorgesehen, mit denen es mög-

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lieh ist, durch die beiden Sonden gleichzeitig eine Folge akustischer Wellen während einer Zeit auszusenden, die geringer als diejenige Zeit ist, die von diesen Wellen benötigt wird, um die Entfernung zu überbrücken bzw. zu durchlaufen, die die beiden Sonden voneinander trennt, wobei die Sonden sodann als Empfangssonden benutzt werden, um die Phasenverschiebung zwischen den Empfangssignalen zu messen, die von jeder der Sonden aufgenommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einrichtungen zum Erfassen und Auswerten der durch die Sonden empfangenen Signale derart zu verbessern, daß einerseits die Meßaenauigkeit

2 durch Kompensation der Schallgeschwindigkeit (C ) vergrössert und andererseits die Möglichkeit der Berechnung der Geschwindigkeit bei einem Fluid über mehrere Wege bzw. Kanäle durch Multiplexschaltung des Rechensystems auf eine Vielzahl von Sondenpaaren geschaffen wird, ohne deshalb die Einrichtungen zur Behandlung von Informationen, wie sie bei der Vorrichtung nach dem französischen Patent 69 41 949 (2 070 438) erforderlich wären, zu vergrößern.

Zu diesem Zweck geht die vorliegende Erfindung von einer Vorrichtung zum Messen der Ausflußgeschwindigkeit von Fluiden aus mit Sonden zum Aussenden und Empfangen von akustischen Wellen, die in dem Flüssigkeitsabfluß angeordnet sind, mit Einrichtungen zum Erzeugen von akustischen Wellen und mit Umformeinrichtungen zum Auswerten der elektrischen Signale, wie Verstärker, Zählschaltungen und integrierte Schaltkreise, und ist dadurch gekennzeichnet, daß erfindungsgemäß eine Vielzahl von Integratoren mit einer variablen Zeitkonstante vorgesehen ist, die periodisch auf Null zurückgeschaltet v/erden, nachdem ihre Ausgänge verglichen worden sind, und daß für diese Operationen Analogschalter bzw. -Kommutatoren vorgesehen sind.

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Zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden entlang zwei aufeinander senkrecht stehenden Achsen OX und Oli, wie dies bei der Ausführung eines Strömungsmessers der Fall ist, umfaßt die Vorrichtung zwei Paare von Sonden X₁ X„ und Y. ¥„, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind.

Ein zugeordneter Magnetkompaß zeigt die Ausrichtung dieser Achsen bzw. deren Abweichung gegenüber der Nordrichtung an.

Durch eine Programm-Schaltuhr können über die Paare von Magnetverstärkern bzw. Transduktoren X₁ X- und Y* ^₂ in synchroner Aufeinanderfolge Impulsketten ausgesandt werden, deren Ge samtdauer geringer ist als die Zeiten der Schallausbreitung in dem Raum zwischen den Sonden. Die Magnetverstärker bzw. Transduktoren arbeiten dann als Empfänger und man vergleicht die Laufzeiten t₁ und t_ in den beiden Richtungen zwischen je dem Paar von Sonden.

Für eine gegebene Meßachse X₁ X~ kann man, wenn <x der Winkel des Vektors V und Vdie Ausflußgeschwindigkeit eines Fluides in Bezug auf diese Achse ist, sofern diese zu messende Geschwin digkeit klein gegenüber der Schallgeschwindigkeit c in der in Betracht kommenden Umgebung ist, folgende Formel anwenden:

V cos

in der 4t = t- ~ ^i ^^ie Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellen ist, die auf den Sonden X₁ und X₂, die als Empfänger wirken, aufgenommen werden, ur.c. mit "d" der Abstand, der die beiden Sonden trennt, bezeichnet ist. Dieses Resultat zeigt den Einfluß der Schallgeschwindigkeit c auf die Genauigkeit der Messungen; um von diesem Faktor unabhängig zu sein,

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ist die Vorrichtung auch mit einer gedruckten elektronischen Schaltung ausgerüstet, die die Bezeichnung "Geschwindigkeitsausgleich" trägt. Diese Vorrichtung dient dazu, die Geschwindigkeit V des Fluids durch folgende Formel zu berechnen:

v cos oc: = I rAi

in der das Glied c nicht erscheint und die dadurch erlaubt, bei der Ilessung von V den Einfluß der Änderungen der Schallgeschwindigkeit c zu eliminieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Strömungsmessers dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 ein Vektordiagramm, in dem die Geschwindigkeit V des Fluids in Bezug auf die Achse eines Paares von Sonden X- X₂ zerlegt ist,

Fig. 2 ein synoptisches Schema eines Strömungsmessers gemäß der Erfindung,

Fig. 3 das elektrische Schaltschema der gedruckten Schaltung mit der Bezeichnung "Geschwindigkeitsausgleich",

Fig. 4 ein ergänzendes elektrisches Schaltschema für drei Meßkanäle,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm der ausgesandten und der empfangenen Signale und der Steuersignale und

Fig. 6 ein Zeitdiagramm der Messung von rc. At.

In Fig. 1 bestimmen die aussendenden und empfangenden Sonden X₁ und X₂, die in einem gegenseitigen Abstand d von etwa 2o cm

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angeordnet Bind, die X-Achse. Der Vektor V stellt die Ausflußgeschwindigkeit eines Fluids dar, die einen Winkel <* mit der X-Achse bildet. Wenn t.. und t₂ die Ausbreitungszeiten der akustischen Welle von einer Sonde zur anderen in beiden Richtungen sind, stellt Δ t die Verschiebung bzw. Ab weichung t₂ - t₁ dar.

Unter Berücksichtigung der Formel:

kann die Berechnung von V coscrf in drei Stufen zerlegt werden:

1) Berechnung von r·—π— oder Geschwindigkeitsausgleich;

^t1^t2

2) Ermittlung von Λ t, Summierung von m Elementarmessungen;

K A

3) Berechnung von ——r— m. Δ t.

Um dies durchzuführen, umfaßt die Strömungsmeßvorrichtung zwei Paare von Sonden X. X₂ und Y.. ^₂, die in einem ausreichenden Abstand von einem dichten Gehäuse 1 (Fig. 2) angeordnet sind. Dieses Gehäuse 1 besteht aus rostfreiem Stahl und enthält die elektronischen Einrichtungen, um die auftretenden Turbulenzen vernachlässigbar zu machen.

Das Gehäuse 1 enthält die verschiedenen elektronischen gedruckten Schaltungen, die für die Verarbeitung und Behandlung der elektrischen Signale erforderlich sind, wie:

2 die gedruckte Schaltung für das Aussenden und Empfangen von Signalen,

3 die gedruckte Programmschaltung,

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4 die gedruckte Schaltung für die Stromversorgung und

5 die gedruckten Analog-Rechenschaltungen für den Geschwindigkeitsausgleich.

Die Messungen erfolgen nacheinander über die verschiedenen Sondenpaare durch Multiplexschaltungen 6 und 7.

Der Geschwindigkeitsausgleich erfolgt durch einen Rechteckimpuls der Größe

K' _, _ K sowie eine Spannung V = τ—r—

^ ~ t₁ t₂ . *1 ^t2

mittels der Schaltung von Fig. 3.

Die Rechteckimpulse 0 -t- und 0-t₂ werden durch bekannte Einrichtungen mittels Kippschaltungen erzeugt, die im Moment 0 durch eine hohe Auslösefrequenz HFD in den Zustand 1 versetzt und vor dem Empfang der Signale in den Zustand 0 zurückgeschaltet werden. Das Signal ti ET bildet den sehr kleinen Rechteckimpuls 0-t₁ oder 0-t₂·

Unter der Annahme von zum Beispiel (0-t-) ^Z (0-t₂) integriert man die Spannung V von. 0 bis t- (Signal tTTT) und erhält ein Signal V₁ der Form -—ES£- * t, dessen Endwert -—^^- t₁ ist.

Auswertung einer Spannung, die proportional ist zu t.. t₂: Von 0 bis t₁ befinden sich die beiden Unterbrecher Sw2 und Sw3 in der unteren Stellung. Die Widerstände R2 und R3 sind also in Parallelschaltung. Man integriert dann V- von 0 bis t..

einer Zeitkonstante ·=■

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Der Endwert im Moment t.. ist:

ν· = 1 fⁱ _t. _dt„V_ref-.

^{2 τ} J ^{r τ2}

Zwischen t- und t₂ integriert man die Konstante V ref —-mit der Zeitkonstante Γ .

'^fc2 t.

^V"2⁼Y I ^{V ref} γ dt = ^fc1 -2-1'

Im Moment t_ hat man also V' + V, = -— t. t_.

Auswertung des Rechteckimpulses von der Größe -Θ-: Die Kippschaltung 0-Θ A₅ wird im Moment O (Beginn der Signalaussendung) auf 0 geschaltet, was zur Kommutierung V₂ durch Sw6 führt.

Von 0 bis t.. integriert man V₃ mit einer Zeitkonstante Γ ₁ (R₄, R₅, R, sind parallel).
Von t. bis t₂ integriert man V₂ mit einer Zeitkonstante T₂ (R₅ und Rg sind parallel).

Von t₂ bis θ integriert man V₂ mit einer Zeitkonstante T. (R₆ allein).

Die Spannung am Ausgang des Integrators wird mit einer Bezugsspannung verglichen. Wenn sie diese Schwelle erreicht, geht der Vergleicher bzw. Komparator auf die Spannung + V max, Die Kippschaltung geht in den Zustand 1, was den ganzen Integrationsvorgang unterbricht (Sw6 befindet sich in der oberen Stellung).

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Die Spannung V. hat im Moment θ die Form:

(a - b) t₁ ³ + (c- d) t₁ t₂ ² + e. t₁ t₂ θ

Die Auswahl der Zeitkonstanten erlaubt es, die Glieder

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t.. und t₁ t₂ zu annulieren, um nur noch das Glied t.. t„ θ zu beachten.

Man erhält also: t₁ t, θ = konstant,

oder θ = .

^I ^r2

Fig. 5 zeigt ein Zeitdiagramm für die Aussendung und den Empfang von Signalen bzw. Steuersignalen, wobei

a das ausgesandte Signal ist,

b das Rückstellsignal auf Null von A.., A₂, A₃,Ag (auf niedrigem Niveau)

und das Signal zur Auslösung der Kippschaltung A₅ (positive Wellenfront t = 0) ist,

£ das Rückführungssignal auf Null von A_ß (auf niedrigem Niveau) ist, wobei der positive Zustand die minimale Ausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt,

d - £ die Empfangssignale sind,

f_ der Prüfbefehl am Ausgang X (oder ¥ ... oder n) und

£ der Prüfbefehl des Verminderungsfaktors (PSC) ist.

Auswertung einer Proportionalspannung zu r—r— s

Der Rechteckimpuls Θ wird integriert durch den Verstärker A_g. Das Geschwindigkeits-prüfsignal PSC erlaubt es, das Endresultat der Integrierung zu speichern. Die Spannung V_fi bil-

K
det also den Faktor τ—r— . Es ist also gleich der Spannung V_, die mittels des Verstärkers A_ und der Kapazität C erhalten worden ist.

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Nachdem dieser Verminderungsfaktor gespeichert worden ist, werden die Integratoren Α., A₂, A₃ und A„ auf Null zurückgeschaltet.

Hervorhebung von At durch Summierung von m Elementarmessungen (Fig. 6).

4t ; Verschiebung zwischen den beiden empfangenen Wellenzügen.

Nach Division der Frequenz dieser Wellenzüge bzw. Irrpulsketten durch eine Zahl 2n und Phasenverschiebung eines Signals gegenüber dem anderen erhält man die Signale S₁ und S₂-

5₁ : m Rechteckimpulse der Größe ■— - /st.

nT A

5₂ : m Rechteckimpulse der Größe γ- +4t

Die Periodizität von S₁ und S₂ ist 2 nT.

Die Parameter m und η werden durch die Zählweise bestimmt, die mit Mitteln bewirkt wird, wie sie in dem französischen Patent Kr. 2 070 348 erwähnt sind.

Integration (gedruckte Analog-Rechenschaltung): Bezeichnen wir den Beginn des Rechteckimpulses -γ- - ^t als "Moment G" und bestimmen wir die Form des Signals am Eintritt des Integrators, das durch die Widerstände Rg und Rg erhalten wird»

Vor dem Moment. 0 sind S₁ und S₉ bei 0, zwischen O und ~ - Ά t bsfinösfc sich Sw8 in der oberen Stel lung und Sw9 in der unterer* Stellung.

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η Τ a
Zwischen -j- - ίλ t und nT ist Sw8 in der unteren Stellung und Sw9 in der oberen Stellung. Rg und R- bewirken eine Suinxnierung,

Nach einer Zeit nT hat man;

nT - At 2

-V₇ dt

.' ΪΙ (- ψ. + At + ητ - ψ ₊Δ t) = ^l (2At)

Integration über m Perioden; yvr Die Integration von m Signalen ergibt -—— m.At.das die Forn

£—r— hat und somit die gesuchte Geschwindigkeit "C cosoC" dar-

^r1 ^r2
stellt.

Während PSDx _f Prüfsignal ■ ^am Kanal x, wird die Spannung am Ausgang des Integrators (nach A_g) eingespeichert in die Kapazität Gx, um das Signal Sx zu geben.

Während PSDy, Prüfsignal am Kanal y, wird die Spannung am Ausgang eingespeichert in die Kapazität Cy_p um das Signal Sy zu geben.

Die Rückschaltung des Integrators A_g auf Null erfolgt, um schließlich das Empfangsfenster (FR) zu schließen.

Die Verstärker A₁₀ und A^_-. geben die Ausgangssignale Sx - Sy unter schwacher Impedanz.

Y Die Berechnung des Verminderungsfaktors r—hr- auf jedem

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Kanal und seine Anlegung an den Unterbrecher Ä_g in gewohnter Weise an den gleichen Kanal stellt die Abtrennung der Messungen auf die verschiedenen Kanäle sicher» Das einzige Gebot

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ist, daß die Ausbreitungszeiten, die bei den verschiedenen Messungen auftreten, der gleichen Größenordnung angehören. Dies erlaubt, beispielsweise bei der Durchflußmossung, durch Multiplexschaltung ipit nur einer einzigen Pechenschaltung Messungen auf η Kanälen durchzuführen.

Fig. 4 ist ein schematisches Ausführungsbeispiel für eine Anzahl von η = 3 Meßwegen bzT?. -kanälen.

In dieseir. Falle wird das Resultat der Berechnung des Verminderungsfaktors, die auf einem Meßkanal durchgeführt worden ist (x zum Beispiel) vorweggenommen und in einem Zwischenspeicher A₁₄ gehalten durch einen Kommutator Pw14, während gleichzeitig der vorher auf dem Kanal y errechnete Verminderungsfaktor, der bis dahin in dem Speicher A₁₆ gehalten worden ist, durch Sw17 in den Speicher A- übertragen wird. Die durch den Intearator A_Q auf dem Kanal ν auf ent-

sprechende Weise durchgeführte Berechnung führt also in die Berechnung den Verminderungsfaktor ein, der zuvor auf dein gleichen Wege berechnet worden ist. Im Verlaufe dieses letzten Zyklus wird der Verminderungsfaktor, der auf dem Kanal y berechnet worden ist, durch Sv/16 vorweggenommen und durch den Speicher A₁₆ gehalten, während der Verminderungsfaktor des folgenden Kanales ζ auf A₇ übertragen wird durch Sw19 für die Berechnung des folgendes Zyklus über den Kanal ζ.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung erlaubt die Messung der Ausflußgeschwindigkeit eines Fluids ir.it einer großen Genauigkeit unabhängig von Änderungen der Schallgeschwindigkeit in diesem Fluid.

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Eine besonders interessante Anwendungsform kann in der Ausführung eines Strömungsressers mit zwei Paaren von senkrecht bzw» rechtwinklig aufeinanderstellenden Sonden bestehen, deren entsprechende Signale durch Multiplexierung behandelt werden, was gegebenenfalls erlaubte die Erfindung nicht auf zwei Meßrichtungen zu begrenzen, son= dern auf "n" Meßkanäle bei Verwendung einer einzigen Rechenschaltung anzuwendenο

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Messen der Ausflußgeschwindigkeit von Fluiden mit Sonden zum Aussenden und Empfangen von akustischen Wellen, die in dem Flüssigkeitsabfluß angeordnet sind, mit Einrichtungen zum Erzeugen von akustischen Wellen und mit Umformeinrichtungen zum Auswerten der elektrischen Signale, wie Verstärker, Zählschaltungen und integrierte Schaltkreise, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Integratoren (A₁, A_ ...) mit einer variablen Zeitkonstante vorgesehen ist, die periodisch auf Null zurückgeschaltet werden, nachdem ihre Ausgänge verglichen worden sind, und daß für diese Operationen Analogschalter bzw. -Kommutatoren (Sw1, Sw2 ...) vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Anordnung der Integratoren:

Ein erster Integrator A₁, der eine Bezugsspannung integriert zwischen den Momenten 0 bei Aussendebeginn und t.. - oder t_, wenn t«·^ t.. ist -, wobei t. und t₂ die Ausbreitungszeiten der akustischen Welle von einer Sonde zur anderen in den beiden Richtungen darstellen, und wobei diese Spannung bei ihrem Eingang durch einen Umschalter bzw. Kommutator Sw1 kommutiert wird;

ein zweiter Integrator A₂, der die Spannung am Ausgang des ersten Integrators A₁ integriert zwischen 0 und t₁ - oder t₂, wenn t₂ <^ t.. ist, - mit einer Zeitkonstante -^ , und zwischen t₁ und t₂ - oder t₂ und t*.., wenn t₂ ^ t₁ - mit einer Zeitkonstante Γ / wobei diese Spannung bei ihrem Eingang durch Umschalter bzw. Kommutatoren Sw2 und Sw3 kommutiert wird ;

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ORfGlNAL !NSPECTED

ein dritter Integrator A~, der die Ausgangnspnnnung den Integrators A₂ integriert, die dann durch die Umschalter bzw. Kommutatoren Sw4, Sw5 oder Sw6 kommutiert wird, zwischen 0 und t.. - oder t₂, wenn t₂ K t.. - mit einer Zeitkonstante U-, zwischen t₁ und t₂ - oder t₂ und t₁ , vrenn t₂ K. t₁ mit einer Zeitkonstante T„, und bis zum Moment Θ mit einer Zeitkonstante T , wobei der Moment θ oder der Vergleich der Ausgangsspannung gegenüber einer Bezugsspannung in einen Vergleicher A. das Ende der Dauer θ des Rechteckimpulses auf einer Kippschaltung A₁. bestimr.it, ausgelöst durch den Moment 0 (Aussendebeginn), wobei die Zeitkonstanten U ^₂, ^₃ ausgewählt werden zur Annulierung, am Auscranq von A-,, der Glie-

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der bei t.. und t..t₂ - oder t₂ und t₂t.. , wenn t₂<. t.. - und nur die Glieder t₁t_ θ gespeichert werden, wobei das Umkippen bzw. Umschalten am Ausgang des Integrators A_ die öffnung von Sw6 und Sw7 bewirkt, was die Intearation auf A₀ und A, sperrt;

ein vierter Integrator A,, der eine Bezugs .«spannung integriert zwischen den Momenten 0 und θ, wobei sein Ausgang nach einer Verzögerung, die größer als die maximale Dauer von Θ ist, gespeichert wird durch die Prüf-Sperr-Schaltunas-Anordnung, die gebildet ist durch Sw12, A₇ und £, und daß die Integratoren A₁, A₂, A-. und A_fi anschließend auf Null zurückgeschaltet v/erden vor einer neuen Rechenfolge, wobei der Ausgang des Inte-

grators A₇ dann eine Spannung V₇ bei r— hält;

/ / t₁ C₂

ein fünfter Integrator A_fi, der durch Umschalter bzw. Kommutatoren Sw8 und Sw9, die durch die Signale von Zäh!schaltungen gesteuert werden, Rechteckimpulse empfängt, die durch V₇ amplitudenmoduliert sind und in der Größe durch At = t„ - t. - oder

Δ t

t₁ - t„, wenn t« -<C t₁ ist - und der das Produkt k r—τ— liefert, wobei ein Verstärker A_n anschließend eine Meß-Scnaltuna ent-

sprechend einer Spannung V bewirkt, die nach einer Zeit, die langer als die maximale Ausbreitungszeit ist, geprüft und auf dem Ausgang gespeichert wird entsprechend dein verwendeten

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Meßkanal bei χ oder bei y_ mit Schaltern oder Kommutatoren Sw10, Sw11, mit Kondensatoren Cx, Cy und Verstärkern

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Prüf-Sperr-Schaltungs-Anordnung Sw12, £ ersetzt ist durch eine Vielzahl von η Anschlüssen mit Kontakten und Zwischenspeichern, wie Sw14, A₁₄, Sw15 - Sw16, Sw17, usw., die dem Speicher A₇ nachgeschaltet sind und gestatten, für jeden Kanal den zuvor auf dem gleichen Wege berechneten Verminderungsfaktor in die Berechnung einzubeziehen.

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