SE503614C2 - Sätt vid mätning i ett fluidum med hjälp av sing-around- teknik, anordning vid mätinstrument av sing-around-typ och mätinstrument av sing-around-typ - Google Patents

Description

503 614 10 15 20 25 30 35 2 perioden tl i nedströmsriktningen ges av: L C+V'COSC tl = och sing-around-perioden t2 1 uppströmsriktningen ges av: L C-V°COSG Om avståndet L mellan givarna samt vinkeln a mellan res- pektive givare och röret är kända och sing-around-perio- derna tl och tz mäts kan alltså fluidumhastigheten v be- stämmas enligt följande formel: L (1 1 ) 2 cos a t t 1 2 Fluidumhastigheten v kan användas för att bestämma exempelvis massflödet i röret 1.

Med hjälp av sing-around-perioderna tl och t2 kan vidare ljudhastigheten c i fluidet bestämmas enligt formeln: L 1 1 c = - - + - 2 t t 1 2 I praktiken bestäms sing-around-perioderna tl och t genom att den tid T1 resp T2 det tar för ultraljudspul- 2 serna att göra N varv i sing-around-slingorna mäts och divideras med N. Härvid måste en tidskorrektion för för- dröjningen i elektroniken göras vid beräkning av fluid- hastigheten och ljudhastigheten, eftersom T = N(t1+t 1 al) 10 15 20 25 30 35 503 614 3 och T2 = N(t2+td2), där tdl och tdz är tidsfördröjningen 1 elektroniken 1 nedströms- resp uppströmsriktningen.

Ett problem 1 samband med sing-around-tekniken är att den kräver noggrann tidsmätning samt stor tidstabilitet 1 sing-around-slingan. För att kunna mäta en vattenflödes- hastighet av 3 cm/s med ett givaravstånd på 55 mm med en noggrannhet på 2% krävs exempelvis en noggrannhet i tids- mätningen av 15 ps. Summan av osäkerheten i tidmättekniken och osäkerheten i mätsignalen på grund av brus skall allt- så vara mindre än 15 ps.

Osäkerheten 1 mätsignalen beror dels på yttre påver- kan, såsom turbulens i fluidumflödet och temperaturvaria- tioner, dels på brus och drift 1 elektroniken. drift kan med modern förstärkarteknik hållas tillräckligt lågt för att en tidsnoggrannhet på ps-nivå skall kunna åstadkommas.

När det gäller tidmätningen kan en tidsupplösning som är bättre än en eller ett par ps åstadkommas, användning av mycket snabb CMOS-teknologi.

Genom att detektera mottagandet av ultraljudspulserna Brus och t ex genom med hjälp av nollgenomgångarna kan vidare tillräcklig tid- stabilitet erhållas 1 sing-around-slingan.

Ett problem uppkommer emellertid när ultraljuds- sändaren och ultraljudsmottagaren är akustiskt sett anord- nade mittför varandra, dvs när de är så placerade att en ultraljudssignal kan reflekteras mellan sändaren och mot- tagaren. En liten del av den av sändaren utsända ultra- ljudspulsen kommer då först att reflekteras vid mottagaren och därefter vid sändaren innan den mottas av mottagaren.

Denna multipelreflekterade ljudpuls kommer att mottas ungefär samtidigt som den del av den senast utsända ljud- pulsen som mottas direkt av mottagaren och sålunda inter- ferera med denna, varigenom noggrann detektering av den direktmottagna pulsen försvåras.

I fig 2A visas schematiskt hur mottagningen av en direktmottagen puls D och en multipelreflekterad puls M sker 1 tiden i detta fall. Såsom framgår i figuren kommer 503 614 10 15 20 25 30 35 4 mottagandet av de båda pulserna att delvis sammanfalla i tiden och de kommer således att interferera med varandra.

Interferensen kommer att variera med ljudhastigheten, fluidumhastigheten, temperaturen, etc. Den kommer att förstöra signal-brusförhållandet på ett okontrollerbart sätt. Ändamålet med föreliggande uppfinning är följaktligen att föreslå ett förbättrat sing-around-förfarande, som eliminerar ovan beskrivna problem och som därmed möjliggör mätning med högre tidsnoggrannhet.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en anordning för genomförande av sättet. Ändamålen uppnås med ett sätt och en anordning som har de i patentkravet 1 resp 6 angivna kännetecknen.

Problemet med interferensen från den multipelreflek- terade ljudpulsen kan lösas genom att avgivandet av nästa ljudpuls från sändaren utlöses med en förutbestämd för- dröjning från detekteringen av mottagandet av den senast utsända ljudpulsen. Fördröjningen av avgivandet av den följande ljudpulsen medför nämligen en motsvarande för- dröjning av direktmottagandet av denna puls och om för- dröjningen är tillräckligt stor kommer den multipelreflek- terade ljudpulsen och den direktmottagna ljudpulsen att separeras i tiden, såsom visas i tidsschemat i fig 28.

Företrädesvis åstadkommes en fördröjning för varje direkt- mottagen puls, men i princip räcker det med en för var- annan direktmottagen puls om fördröjningen görs tillräck- ligt lång.

Såsom nämnts ovan måste tidstabiliteten i sing- around-slingan vara mycket hög, vilket i sin tur betyder att den introducerade fördröjningen måste vara ytterst stabil. Det blir emellertid mycket dyrt att åstadkomma en sådan stabilitet med konventionella analoga fördröjnings- ledningar. Enligt uppfinningen skapas istället fördröj- ningen med hjälp av den mottagna ljudpulsens frekvens.

Härigenom kan fördröjningen realiseras på ett billigare sätt med ett fåtal kretsar som är enkla att integrera. 10 15 20 25 30 35 ”S03 614 5 Eftersom ljudpulsens frekvens är mycket stabil erhålles dessutom en mycket stabil fördröjning.

I en utföringsform av uppfinningen mäts tiden mellan mottagandet av den multipelreflekterade ljudpulsen och den direktmottagna ljudpulsen. Om denna tid ändrar sig är detta en indikation på att något har hänt mellan sändaren och mottagaren. I vissa tillämpningar kan exempelvis en beläggning uppkomma på väggarna i röret. Ovannämnda tid kan då användas för att övervaka tillväxten av belägg- ningen.

Det skall i detta sammanhang påpekas att det i pa- tentlitteraturen är tidigare känt att åstadkomma fördröj- ningar i sing-around-slingor. Syftena med dessa fördröj- ningar är emellertid andra än i föreliggande uppfinning och fördröjningarna åstadkommes på annat sätt.

I US 3 710 621 visas ett ultraljudsmätinstrument av sing-around-typ, i vilket en nivådetektor känner av en förutbestämd nivå i den mottagna signalen och via en styr- signalgeneratorkrets öppnar en grind, vilken också mottar den mottagna signalen, under en förutbestämd tid. Utsigna- len från denna grind matas till en DC-utjämningskrets, från vilken erhålles en likspänningssignal, som används för att stabilisera amplituden för den mottagna signalen och sålunda hindra den från att variera. Med hjälp av styrsignalgeneratorkretsen fördröjs vidare avgivandet av följande ultraljudspuls med samma tid som ovannämnda grind hålls öppen. Syftet med fördröjningen anges i patentet vara att man skall förhindra samtidig utsändning av en signal och mottagning av en signal, vilket i sin tur skall säkerställa stabilare detektering av den mottagna signa- lens amplitud än i det fall då den sända signalen och den mottagna signalen uppträder samtidigt. Styrsignalgenera- torkretsen realiseras med hjälp av en monostabil vippa.

Osäkerheten i tidpunkten för vippans omslag ligger idag på nanosekundsnivå.

I US 3 974 693, US 3 882 722 och US 3 954 008 visas ultraljudsflödesmätare med två samtidiga sing-around- 503 10 15 20 25 30 35 614 6 slingor. I dessa ultraljudsflödesmätare fördröjs starten: för den ena slingan i förhållande till den andra slingan för att förhindra att mottagning och sändning sker sam- tidigt. Det är alltså inte fråga om fördröjning av av- givandet av en puls i förhållande till mottagandet av en' puls i en och samma sing-around-slinga.

I US 3 625 057 visas en ultraljudsflödesmätare med tvà sing-around-slingor, som var och en innehåller en för- dröjningskrets med inställbar fördröjning. Fördröjningen används för att åstadkomma olika sing-around-frekvenser i de bàda slingorna när fluidhastigheten är noll. E Föreliggande uppfinning skall nu beskrivas genom ett utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig 1, som redan har diskuterats, är en schematisk vy som visar principen för sing-around-tekniken; fig 2A och B, som också redan diskuterats, visar hur mottagningen av en direktmottagen puls och en multipel- reflekterad puls sker i tiden enligt den kända tekniken resp enligt uppfinningen; fig 3 är ett blockschema för en utföringsform av upp- finningen och visar hur en fördröjning skapas i en sing- around-krets; och fig 4 är ett signaldiagram och visar de i blocksche- mat i fig 3 förekommande signalerna.

I fig 3 visas ett arrangemang av elektroniska kretsar som utgör en del av en sing-around-slinga. Detta arrange- mang är inkopplat mellan en mottagare och en sändare i sing-around-slingan. Insignalen till arrangemanget utgörs av den av mottagaren mottagna signalen och utsignalen från arrangemanget utgörs av en exciteringssignal till sända- ren.

Närmare bestämt innefattar detta arrangemang en första komparator 10, vilken har en första ingång 11 för en referensnivàsignal och en andra ingàng 12, som är för- bunden med ultraljudsmottagaren i slingan, eventuellt via ej visade förstärkare. Den första komparatorn 10 har 10 15 20 25 30 35 sos 614 7 vidare en utgång 13, som är förbunden med en första ingång 14 till en andra komparator 15, vilken har en andra ingång 16 för en referenssignalnivå och en tredje ingång 17, som är förbunden med ultraljudsmottagaren i slingan. Den andra komparatorn 15 har vidare en utgång 18 som är förbunden med en ingång 19 till en fördröjningskrets 20. Fördröj- ningskretsen 20 innefattar en räknare 21 och en signal- konditioneringskrets 22. Den har en utgång 23 som är för- bunden med ultraljudssändaren i sing-around-slingan.

I det följande skall funktionen hos det i fig 3 visade arrangemanget beskrivas. När mottagaren i sing- around-slingan mottar en ultraljudssignal förstärks denna och matas till den andra ingången 12 till den första kom- paratorn 10. Utseendet hos signalen på den andra ingången 12 visas i fig 4a. sinusformad. Dess amplitud ökar först och avtar sedan.

Såsom framgår i denna figur är signalen An- talet perioder i signalen kan variera. Antalet beror på ultraljudssändaren och dess omgivning.

Den första komparatorn 10 jämför amplituden för den mottagna ultraljudssignalen med referenssignalnivån på den första ingången ll. Referenssignalnivån är lämpligen in- ställd på en nivå som ligger väl över normalt förekommande brusnivåer och över den multipelreflekterade signalens amplitud. När den mottagna ultraljudssignalens amplitud blir lika med referensnivån sätter den första komparatorn 10 sin utsignal, som visas i fig 4b, till en logiskt posi- tiv nivå.

Den logiskt positiva utsignalen på den första kompa- ratorns 10 utgång 13 aktiverar den andra komparatorn 15 till att jämföra ultraljudssignalen på dess tredje ingång 17 med en nollreferens på dess andra ingång 16 för att finna nollgenomgångar i ultraljudssignalen. Vid varje på- träffad nollgenomgång ändras tillståndet på utgången 18 från den andra komparatorn 15, så att en pulsformad signal erhålles, Utseendet för denna signal visas i fig 4c. i vilken varje flank markerar en nollgenomgång. 503 614 10 15 ,2O 25 30 35 8 Utsignalen från den andra komparatorn 15 matas till ingången 19 till räknaren 21, vilken räknar ett förut- bestämt antal pulser 1 denna signal. När det förutbestämda antalet pulser uppnås avges en signal till signalkonditio- neringskretsen 22, som formar signalen på lämpligt sätt och avger en exciteringssignal, som visas i fig 4d, på ut- gången 23 från fördröjningskretsen 20, som alltså i detta fall utgör ett exciteringsorgan. När exciteringssignalen övergår till en logiskt negativ nivå, sätts även utsigna- len från den första komparatorn 10 till en logiskt negativ nivå, varigenom den andra komparatorn 15 spärras tills den första komparatorn på nytt detekterar en mottagen signal.

Exciteringssignalen, som matas till sändaren i sing- around-slingan, är alltså fördröjd med ett förutbestämt antal nollgenomgångar i förhållande till mottagandet av den senaste ultraljudssignalen vid mottagaren i sing- around-slingan. Genom denna fördröjning förlängs sing- around-perioden. Fördröjningen påverkar emellertid inte periodtiden för en ultraljudssignal som reflekteras mellan sändaren och mottagaren. Det kommer alltså ta längre tid för en puls att gå två varv i sing-around-slingan än för en puls att reflekteras en gång fram och tillbaka mellan sändaren och mottagaren, vilket i sin tur betyder att att osäkerheten i den direkt-mottagna signalen minskar, var- dessa båda pulser separeras i tiden. Detta medför igenom högre stabilitet åstadkommes i slingan och noggran- nare tidsbestämning kan göras.

Antalet pulser som skall utgöra en fördröjning beror på tillämpningen och kan ställas in separat för varje tillämpning. Normalt ligger antalet pulser i intervallet 1-200, vilket alltså motsvarar 1/2-100 perioder av den mottagna ljudpulsen. Fördröjningen skall vara åtminstone lika lång som halva längden av den multipelreflekterade signalen för att den direktmottagna signalen skall sepa- reras från denna om fördröjning sker vid varje direktmot- tagen puls. 10 15 20 25 30 35 503 614 9 I en fördelaktig utföringsform av uppfinningen kan det i fig 3 visade arrangemanget även innehålla en krets för mätning av tiden mellan mottagandet av en direkt ultraljudspuls och mottagandet av en multipelreflekterad ultraljudspuls. Tidsskillnaden T mellan mottagandet av dessa signaler ges av följande formel: L L b2 b2 T = 2 -- + -- + td Cm Cbz där Lbl och Lbz är tjockleken av en eventuell beläggning på den första resp den andra väggen, cbl och cbz är ljud- hastigheten i beläggningarna och td är den fördröjning som skapas av de i fig 3 visade kretsarna.

Såsom framgår av ovanstående formel kan en ändring av tidsskillnaden T indikera att tjockleken av beläggningarna på väggarna i röret där mätningen sker har ändrat sig.

Den multipelreflekterade pulsen kan detekteras med en krets som motsvarar den första komparatorn 10 i fig 3, men vilken mottar en referenssignalnivå som är anpassad till amplituden för den multipelreflekterade pulsen. Tidsskill- naden T mellan den multipelreflekterade pulsen och den direktmottagna pulsen kan mätas med en konventionell timer, som mottar utsignalen från ovannämnda krets för detektering av den multipelreflekterade pulsen och utsig- nalen från den första komparatorn 10 som insignaler.

Ovanstående beskrivning avser ett exempel med en sing-around-utrustning som utnyttjar ultraljud, vilket är det gärna utnyttjas i sing-around-applikationer som utnyttjar vanligaste fallet. Uppfinnningen kan emellertid lika ljud av annan frekvens.

Slutligen skall påpekas att en anordning enligt upp- finningen även kan användas vid pulsekomätning när sing- around-teknik utnyttjas. I detta fall är i regel sändaren och mottagaren anordnade i en och samma enhet.

Claims (9)

503 10 15 20 25 30 35 614 10 PATENTKRAV

1. Sätt vid mätning i ett fluidum med hjälp av sing- around-teknik, enligt vilken en sändare repetitivt avger ljudpulser i fluidet, tagare, som akustiskt vilka ljudpulser mottas av en mot- sett är anordnad mittför sändaren, mottagandet av en ljudpuls vid mot- av en följande ljudpuls från varvid detektering av tagaren utlöser avgivandet sändaren, k ä n n e t e c vartannat mottagande av en ljudpuls skapas en fördröjning genom att ett förutbestämt mottagna ljudpulsen räknas antal nollgenomgàngar i den och utlöses avgivandet av den följande ljudpulsen fràn sändaren med denna fördröjning.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att fördröjningen ligger i intervallet 1/2-100 gånger ljudperiodtiden för ljudpulsen.

3. Sätt enligt krav l eller 2, av att en del av en av sändaren utsänd ljudpuls k ä n n e t e c k - n a t mottages direkt av mottagaren som en direktmottagen ljudpuls, att en del av nämnda ljudpuls reflekteras först vid mottagaren och därefter vid sändaren och sedan mottages vid mottagaren som en multipelreflekterad ljud- puls, och att tiden mellan mottagandet av en multipel- reflekterad ljudpuls och mottagandet av en direktmottagen ljudpuls mäts.

4. Sätt enligt krav 3, att den mätta tiden mellan mottagandet av en multipel- reflekterad ljudpuls och mottagandet av en direktmottagen ljudpuls används för att bedöma tjockleken på en belägg- ning mellan givarna och fluidumet. k ä n n e t e c k n a t av

5. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att nämnda ljudpulser är ultraljuds- pulser.

6. Anordning vid mätinstrument av sing-around-typ, vilket mätinstrument innefattar en sändare (2: 3), som är anordnad att repetitivt utsända ljudpulser i ett fluidum; k n a t av att vid varje eller- 10 15 20 25 30 35 503 614 ll en mottagare (3: 2), som är anordnad att akustiskt sett vara placerad mittför sändaren och anordnad att motta de av sändaren utsända ljudpulserna; varvid anordningen innefattar mottagningsdetekteringsorgan (10) för detekte- ring av mottagandet av en ljudpuls vid mottagaren; excite- ringsorgan (23), som är anordnade att som gensvar pá mot- tagningsdetekteringsorganens detektering av ett mottagande av en ljudpuls excitera sändaren till att sända ut en ljudpuls; k ä n n e t e c k n a d av nollgenomgångs- detekteringsorgan (15) som har en ingång (17) från mottagaren och som är anordnade att detektera nollgenom- gångar i de ljudpulser som mottas av mottagaren, och fördröjningsorgan (20), som innefattar en räknare, som har en ingång från nollgenomgångsdetekteringsorganen (15) och som är anordnad att räkna ett förutbestämt antal noll- genomgångar för att skapa en fördröjning så att excite- ringsorganens excitering av sändaren fördröjs med denna fördröjning.

7. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av tidmätorgan som är anordnade att mäta tiden mellan mottagandet av en multipelreflekterad ljudpuls och en direktmottagen ljudpuls, varvid den direktmottagna ljud- pulsen är en del av en av sändaren utsänd ljudpuls som mottages direkt av mottagaren och den multipelreflekterade ljudpulsen är en del av en av sändaren utsänd ljudpuls som reflekteras först vid mottagaren och därefter vid sändaren och sedan mottages vid mottagaren.

8. Anordning enligt krav 6 eller 7, t e c k n a d av att mottagningsdetekteringsorganen ut- görs av en första komparator (10) som har en första ingång (ll), på vilken en referenssignal mottas, en andra ingång (12), som är ansluten till mottagaren (3: 2), och en utgång (13), som är ansluten till nollgenomgångsdetekte- k ä n n e - ringsorganen (15).

9. Mätinstrument av sing-around-typ, innefattande en sändare (2: 3), ljudpulser i ett fluidum; en mottagare (3: 2), som är an- som är anordnad att repetitivt utsända 503 614 12 ordnad att akustiskt sett vara placerad mittför sändaren och anordnad att motta de av sändaren utsända ljudpulser- na, k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar en anordning enligt något av kraven 6-8. 10 15 20 25 30 35