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Die Erfindung betrifft eine ichvorrichtung für akustische
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Strömungsgeschwindigkeitsmeßgeräte mit elektro-akustischen Wandlern,
welche abwechselnd Trägerfrequenz-Impulspakete in entgegengesetzten Richtungen in
das strömende Medium mit wenigstens einer wesentlichen Komponente in Strömungsrichtung
aussenden, und mit einer elektronischen Auswertschaltung, welche aus den Laufzeiten
der Impulspakete bzw.
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den Schallgeschwindigkeiten in den beiden Richtungen die Strömungsgeschwindigkeit
ermittelt.
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Bei einem bekannten derartigen akustischen Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät
werden über zwei jeweils am Ende einer Meßstrecke angeordnete elektro-akustische
Wandler abwechselnd Trägerfrequenz-Impulspakete in der einen und der entgegengesetzten
Richtung durch das strömende Medium geschickt und vom jeweils gegenüberliegenden
Wandler empfangen (DE-OS 29 43 81d. In diesem Gerät erfolgt/Messung der unterschiedlichen
Laufzeiten bzw. Schallgeschwindigkeiten in den beiden entgegengesetzten Richtungen.
Hieraus wird nach bekannten Formeln die Strömungsgeschwindigkeit des von den Schall-Impulspaketen
durchlaufenen strömenden Mediums berechnet.
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Es ist jedoch relativ aufwendig, ein derartiges akustisches Geschwindigkeitsmeßgerät
mit ausreichender Genauigkeit zu eichen bzw. zu kalibrieren. Das für die Eichung
verwendete Medium, Z.B. ein bestimmtes Gas oder eine bestimmte Flüssigkeit, muß
dazu mit moglichst homogener Geschwindigkeitsverteilung über die Meßstrecke geleitet
werden.
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Dabei muß auf möglichst geringe Wirbelbildung geachtet werden. Die
Strömungsgeschwindigkeit muß zeitlich außerordentlich gut konstant sein. Die erlaubten
Geschwindigkeitsabweichungen
liegen unter 1 %. Zudem muß die mittlere
Geschwindigkeit mit einem unabhängigen Meßverfahren mit einer Genauigkeit von besser
als 1 « gemessen werden. Diese Messung muß dann in einem Geschwindigkeitsbereich
von 1 : 100 durchgeführt werden, um für alle vorkommenden Stromungbgew §c1windigkeitsbereiche
eine einwandfreie Kalibrierung zu erzielen. Bei Geschwindigkeitsmeßgeräten für die
Messung der Gasgeschwindigkeit in Kaminen und Kraftwerken oder anderen Großanlagen
muß die Meßstrecke bis zuZO m lang sein, und es müssen Gasgeschwindigkeiten bis
zu 50 m/s erzeugt werden.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, den erheblichen
Aufwand für die Eichung von akustischen Strömungsgeschwindigkeitsmeßgeräten der
eingangs genannten Gattung herabzusetzen und an jedem beliebigen Ort, insbesondere
auch am Meßort die Eichung durchführen zu können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor1 daß die einer bestimmten
Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden unterschiedlichen Laufzeiten der Impulspakete
in den beiden entgegengesetzten Richtungen durch elektronische Mittel simuliert
sind. Erfindungsgemäß wird also die Laufzeit des akustischen Signals auf der Meßstrecke
mit mindestens einer eletronischen Verzögerungsleitung nachgebildet, wobei die Grö3e
der Verzögerungszeit der elektronischen Verzögerungsleitung mit der Frequenz umgeschaltet
wird, mit der das Geschwindigkeitsmeßgerät die Übertragungsrichtung auf der aku:;tischen
Meßstrecke wechselt. Aus den Schallgeschwindigkeinen eines bestimmten Mediums und
den im gewünschten Geschwindigkeitsbereich liegenden Strömungsgeschwindigkeiten
können sämtliche für die Eichung erforderlichen Verzögerungszeiten errechnet und
dann in dem Verzögerungsglied eingespeichert werden.
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Bei einer schaltungstechnisch sehr einfachen Ausührugsform sieht die
Erfindung vor, daß ein elektronisches Verzögeruncjsglied zwischen den Eingang des
Modulators und den Ausgang des Demodulators geschaltet ist und gesteuert in zwei
unter schiedliche Verzögerungszeiten umschaltbar ist, wobei der Steuereingang des
Verzögerungsgliedes im gleichen Rhythmus wie der Wandlerumschalter angesteuert ist.
In diesem Fall ist der schaltungstechnische Aufwand besonders gering. Es muß jedoch
dafür gesorgt sein, daß die Verzögerungszeiten der Meßwandler in beiden Übertragungsrichtungen
gleich groß sind. Zumindest müßten unterschiedliche Verzögerungszeiten bekannt und
bei der Einjustierung der Verzögerungsglieder berücksichtigt werden.
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Das Verzögeruncjsglied kann eine monostabile Kippschaltung oder ein
digitales Verzögerungsglied sein.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist jeweils ein elektrisches Verzögerungsglied
zwischen den Eingang des sendenden und den Ausgang des empfangenden Wandlers geschaltet.
Vor das Verzögeruncjsglied kann zur yerabsetzung des Signalpegels auf einen gewünschten
Wert noch ein Dämpfungsglied geschaltet sein. Auch bei dieser Ausführuncsform müssen
die Verzögerungszeiten der Wandler in den beiden übertragungsrichtungen gleich groß
oder bekannt sein.
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Einen etwas größeren Aufwand erfordert eine weitere Ausführungsform,
welche jedoch den Vorteil hat, daß die Verzögerungszeit der beiden Meßwandler beliebig
sein kann und nicht bekannt sein muß. Bei dieser Ausführungsform sind unmittelbar
an den sendenden und den empfanqenden Meßwandler elektroakustische Kalibrierungswandler
ankoppelbar, welche über ein Verzögerungsglied miteinander verbunden sind. Vor und/oder
nach dem Verzöqerunqsglied können Verstärker eingeschaltet sein.
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Eine spezielle bauliche Ausführung, bei der auf eine Verzögerungsleitung
mit mehreren hundert eingespeicherter Signalelemente verzichtet werden kann, kennzeichnet
sich dadurch, daß das Verzögerungsglied einen Demodulator,einen Schwellenwertdetektor,
eine monostaJile Kippschaltung, einen Impulsforller und einen von einem 'l'rSgerfrequenz-Oszillatol
beaufschlagen Modulator enthält.
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Um cie unterschiedlichen, den unterschiedlichen Laufzeiten entsprechenden
Verzögerungen in beiden Übertragungsrichtungen zu erzielen, kann nach einer ersten
praktischen Realisieruncj der Erfindung vorgesehen sein, daß für jede Senderichtung
ein gesondertes Verzögerungsglied mit den dazugehörigen Schaltelementen vorgesehen
ist und durch Umschalter im Rhythmus der Umschaltung der Meßwandler von Sendung
auf Empfang bzw. umgekehrt jeweils eine andere Verzc'3gerungsgruppe eingeschaltet
wird.
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Es ist aber auch möglich, daß für beide Senderichtungen nur eine Verzögerungsgruppe
vorgesehen ist, welche durch Umschalter im Rhythmus der Umschaltung der Meßwandler
von Sendung auf Empfang bzw. umgekehrt einschaltbar ist, wobei synchron das Ver..ögerungsglied
abwechselnd jeweils auf eine von zwei unterschiedlichen Verzögerungszeiten eingestellt
wird.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigt: Figur z ein Blockschaltbild einer ersten besonders
einfachen Ausführungsform einer Eic},vorrichtung für ein akustisches Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät,
Figur 2 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform,
Figur
3 eine Blockschaltbild einer mit zwei besonderen elektro-akustischen Kalibrierungswandlern
arbeitenden Ausführungsform, Figur 4 eine Abwandlung des Eichgerätes nach Fig. 3,
wobei im Gegensatz zu den Fig. 1 - 3 das akustische Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät
nicht mitdargestellt ist, Figur 5 ein Blockschaltbild analog Fig. 3 mit einer besonders
vorteilhaften Ausführungsform des Verzögerungsgliedes.
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In allen Ausführungsbeispielen wird die erfindungsgemäße Eichvorrichtung
33 bei einem akustischen Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerat 34 mit zwei elektro-akustischen
Wandlern 16, 17 angewendet, wie es aus der DE-OS 29 43 810 bekannt ist, In Fig.
1 sind von diesem bekannten Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät auch noch der Modulator
12, der Demodulator 13 und der Umschalter 15, 15' aiigedeutet, welcher in einem
vorbestimmten Rhythmus abwechselnd den Wandler 16 auf Sendung, d.h. an den Modulator
12, den Wandler 17 auf Empfang, d.h. an den Democulator 13 schaltet und umgekehrt.
Ein Impulsgeber 35 steuert diese periodische Umschaltung.
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Die erfindungsgemäße Eichvorrichtung 33 umfaßt bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 lediglich ein gesteuertes Verzögerungsglied 11, welclles einfach als
monostabile Kippschaltung oder ein digitales Verzögerungsglied ausgebildet sein
kann. Sein Eingang ist übr einen ersten Steckkontakt 36 mit dem Eingang des Modulators
12 des Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerätes 34 verbindbar, sein Ausgang über einen
Steckkontakt 37 mit dem Ausgang des Denodulators 13.
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Außerdem ist dcr Steuereingang 14 des Verzögerungsgliedes 11 über
einen Steckkontakt 38 an dem I!!pulsgeber 35angeschlossen.
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Das Verzögerungsglied 11 wird hierdurch im gleichen Rhythmus wie der
Umschalter 15, 1S' auf jeweils eine etwas andere Verzögerungszeit eingestellt. Die
Umschaltung erfolgt derart, daß bei der einen Stellung des Umschalters 15, 15' eine
Verzögerungszeit tI und bei der anderen Schalterstellung eine Verzögerungszeit tII
vorliegt.
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Wesentlich für die Erfindung ist nun, daß die beiden unterschiedlichen
Verzögerungszeiten im Verzögerungsglied 11 mit der Strömungsgeschwindigkeit v, auf
die das Meßgerät geeicht werden soll, wie folgt zusammenhängt:"'
Dabei sind wie gesagt t1 und tlI die Verzögerungszeiten des Verzögerungsgliedes
11 in den beiden Schaltstellungen des Umschalters 15, 15' einschließlich der Verzögerungszeiten
der Verstärker usw. vor dem Modulator 12 bzw. nach dem Demodulator 13. L ist die
Länge der Meßstrecke, für die das Geschwindigkeitsmeßgerät geeicht werden soll.
£ ist der Winkel zwischen den Schallvektor und dem Strömungsgeschwindigkeitsvektor
auf der Meßstrecke, welche in Fig. 1 mit 39 bezeichnet ist.
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An dem Verzögerungsglied 11 ist auch ein Einstellknopf 40 vorgesehen,
mit dem erfindungsgemäß wenigstens eine der beiden Verzögerungszeiten des Verzögervngsgliedes
11 variiert werden kann. Hierdurch können wahlweise verschiedene Geschwindigkeiten
simuliert werden. Die erfindungsgemäße Eichvorrichtung getattet somit auch die Messung
der Linearität.
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Nach Fig. 2 ist der Steckkontakt 36 erst hinter dem Modulator, also
unmittelbar am Eingang des elektro-akustischen Wandlers 16
abgezweigt.
Der Steckkontakt 36 führt über einen Umschalter 29 und ein Dämpfungsglied 18 zu
dem erfindungsgemäßen Verzögerungsglied 11, dessen Ausgang über einen weiteren Umschalter
3 an einen Steckkontakt 37 angeschlossen ist, der mit dem Ausgang des elektro-akustischen
Wandlers 17 in Verbindung steht.
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Von dem zweiten Umschaltkontakt des Umschalters 30 führt eine Leitung
über ein weiteres Dampfungsglied 18' zu einem weiteren Verzögeruncsglied 11', dessen
Ausgang an den anderen Kontakt des Umschalters 29 angelegt ist.
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Außerdem ist durch eine von einem weiteren Steckkontakt 38 zwischen
der Vorrichtung 33 und den Strömungsgeschwindigketsmeßgerät 34 ausgehende, gestrichelte
Steuerleitung angedeutet, daß die Umschalter 29, 30 synchron im Rhythmus der Umschalter
15, 15' (Fig. 1) umgeschaltet werden, so daß in der einen Schaltstellung der Umschalter
15, 15' (Fig. 1) die Verzögerungsgruppe 18, 11 durch die Umschalter 29, 3Q an'die
Steckkontakte 36, 37 angelegt ist (in diesem Falle sendet der Wandler 16 und empfängt
der Wandler 17); in der anderen Schaltposition, wenn der Meßwandler 17 sendet und
der Meßwandler 16 empfängt, ist der Steckkontakt 37 über den Umschalter 30 an die
Verzögerungsgruppe 11', 18' angeschlossen, welche über den Umschalter 29 mit dem
Steckkontakt 36 verbunden ist.
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Die Verzögerungszeiten tI, tII der Verzögerungsglieder 11, 11' sind
unter Berücksichtigung der Verzögerungszeiten der Verstärker, Schalter und Wandler
in dem jeweiligen Übertragungskanal gemäß der obigen Formel (1) bestimmt.
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Bei den Au:führungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 wird aLso nicht
die gesamte Meßstrecke des akustischen Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerätes simuliert,
sondern das elektronische Signal
wird bereits im Inneren des a}:ustisctlen
Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerätes 34 abgenommen bzw. eingeführt. In den Fällen
nach den Fig. 1 und 2 muß die Verzögerungszeit der Meßwandler 16, 17 in beiden Übertragungsrichtungen
gleich gro sein.
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Weil die Bandbreiten der Wandler 16, 17 durch die an sie angeschlossenen
Schaltungen beeinflußt werden, ist diese Voraussetzung jedoch nicht immer erfüllt.
Gegebenenfalls müßte dann ein Abgleich auf Gleichheit der Verzögerungszeiten der
Wandler vor der Kalibrierung durchgeführt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird die gesamte akustiche
Meßstrecke des Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerätes simuliert. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind in der Eichvorrichtung zwei elektro-akustische Kalibrierungswandler 19, 20
angeordnet, welche in unmittelbaren akustischen Kontakt mit den elektro-akustischen
Meßwandlern 16, 17 des akustischen Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerätes bringbar
sind.
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über analog dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 geschaltete Umschalter
29, 30 sind die elektro-akustischen K=librierungswandler 19,20 über Verstärker 21,
21', Verzögerungsglieder 11, 11' und weitere Verstärker 22, 22' an den jeweils anderen
Wandler 20 bzw. 19 anschließbar.
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In der einen, in Fig. 1 dargestellten Position des Umschalters 15
empfängt der elektro-akustische Kalibrierungswandler 19 das vom Meßwandler 16 ausgesandte
akustische Signal. Über den in der Pos. nach Fig. 3 befindlichen Umschalter 29 gelangt
das Impulssignal zum Verstärker 21 und dann zu dem als Verzöcerungsleitung ausgebildeten
Verzögerungsglied 11. Die Verzögerungsleitung ist erfindungsgemäß bevorzugt als
Analogschieberegister (z.B CCD- oder Bucket-Brigade-Verzögerungsleitung) ausgebildet.
Das verzögerte Signal wird dann im weiteren Verstärker 22 verstärkt und über den
Schalter 30 an
den elektro-akustischen Kalibrierungswandler 20
angelegt, welcher den akustischen Impuls dem elektro-akustischen Meßwandler 17 des
Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerätes 34 zustrahlt.
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Sobald der Umschalter 15, 15'nach Fig. 1 in die andere Position umgeschaltet
ist, ändert sich im Strömungsgeschwindigkeitsneßgerät 34 die Signalausbreitung,
so daß nun der Wandler 17 einen akustiscJn Impuls abgibt, der dann vom Wandler 16
entpfangen wird. a ir gleichen Rhythmus auch der Umschalter 29, 0 in die andere
losition umgeschaltet hat, verläuft jetzt ein Signalschluß in der Eichvorrichtung
33 von dem Meßwandler 17 zum Kalibrierungswandler 20 und über den Verstärker 21',
das weitere VerögerungSglied 11' und den Verstärker 22' sowie den Umschalter 29
zum Kalibrierungswandler 19, der den akustischen Impuls zum elektro-akustischen
Meßwandler 16 abstrahlt.
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Die Verzögerungszeiten t1 und t ha.-.ngen wieder in der oben anhand
von Formel (1) dargestel11ten Weise miteinander zusammen.
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Auch an einem oder beiden Verzögerungsgliedern 11, 11'nach den Fig.
2 und 3 können Regelknöpfe 40 zum Verändern der Verzögerungszeit vorgesehen sein.
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Während bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2und 3 für jede
Übertragungsrichtung des Strömuncsgeschwindigkeitsmeßgerätes 34 zwei getrennte Verzögerungsgruppen
11, 18 und 11', 18 bzw. 21, 11, 22 und 21', 11', 22' vorgesehen sind5 kann man nach
Fig. 4 grundsätzlich auch mit einer einzigen Verzögerungsgruppe auskommen. In Fig
4 ist beispielsweise nur eine aus Verstärkern 21, 22 und einem Verzögerungsglied
11 entstehende Verzögerungsgruppe dargestellt, welche über Umschalter 31, 32 abwechselnd
in der einen oder anderen Richtung zwischen die Kalibrierungswandler 19, 20 einschaltbar
sind. Die Umschalter 31, 32 sind wieder mit dem Steuersteckkontakt 38 des Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerätes
34
verbunden, so daß sie im selben Rhythmus wie die Umschalter
15, 15' nach Fig. 1 hin- und hergeschaltet werden.
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Um auch bei Verwendung nur einer Verzögerungsgruppe in unterschiedlichen
Übertragungsrichtungen unterschiedliche Verzögerungszeiten tI, tII zu erhalten,
muß bei der Umschaltung der ;Jmschalter 31, 32 auch die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes
11 mitumgeschaltet werden, was durch eine gestrichelte Linie zwischen dem Steuersteckkontakt
38 und dem Verzögerungsglied 11 in Fig. 4 angedeutet ist.
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Während bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 in den Verzögerungsleitungen
11, 11' mehrere hundert Signalelemente gespeichert werden müssen, kann man bei dem
ähnlichen Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 mit wesentlich geringerem Aufwand auskommen.
Hierzu sind in den Verzögerungsgliedern 11, 11' nacheinander vorgesehen: Lin Demodulator
23, der das empfangene trägerfrequente Impulssignal demoduliert; ein Schwellenwertdetektor
24, in dem ein Impuls geformt wird, dessen Bezugsflanke (in der Regel die Vorderflanke)
in einem anschließenu sflankenverzögerungsgliod z.B.
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de~ynonostabilen Kippschattung 25 verzögert wird; ein Impulsformel
26, in dem von der verzögerten Flanke aus der Kippschaltung 25 ausgelöst ein Impuls
geformt wird, der einen anschließenden Modulator 28 ansteuert; ein Oszillator 27,
der das Trägerfrequenzsignal für den Modulator 28 liefert.
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In Fig. 5 ist nur das Blockschaltbild des Verzögerungsgliedes 11 im
einzelnen dargestellt; das Verzögerungsglied 11' ist in cleicher Weise ausgebildet.
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Die beschriebenen Eichvorriciitungen sind sinngemäß auch bei akustischen
Geschwindigkeitsmeßgeräten anwendbar, bei denen auf jeder Seite der Meßstrecke mehr
als zwei elektroakustische Wandler angeordnet sind. Weiterhin ist es möglich, die
Eichvorrichtung innerhalb des akustischen Geschwindigkeitsmeßgerätes fest anzuordnen
und ggfs. in vorgegebenen Zeitabständen automatische Eichungen durchzuführen.
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