CH628140A5 - Flow meter for a flowing medium - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strömungs- jede kreisringförmige Ausnehmung 16 und 18 bilden, ist ein messgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das unabhän- zylindrischer Umformer 24 und 26 angeordnet, von denen jeder gig von Änderungen in der Zusammensetzung oder der Tempe- eine zylindrische Innenbohrung hat, die durch ihn hindurchgeht ratur des Strömungsmittels ist, wobei das Strömungsmessgerät 45 und im wesentlichen sich gleichförmig mit den inneren zylindri-

sich automatisch auf derartige Änderungen unter Berücksichti- sehen Bohrungen 28 erstreckt, die sich zwischen den kreisringför-

gung der Schallgeschwindigkeit einstellt. migen Ausnehmungen des Traggliedes 14 erstrecken.

Das erfindungsgemässe Strömungsmessgerät für ein längs Umformer mit einer anderen Geometrie, wie gewölbte eines Weges strömendes Strömungsmittel ist gekennzeichnet Umformer, können ebenfalls mit geeigneten Änderungen an den durch eine Einrichtung zum Bestimmen eines die Strömungsmit- 50 übrigen Teilen der Umformeranordnung 10 benutzt werden, um telströmung einschliessenden Weges, längs des Weges angeord- eine zentral angeordnete Bohrung durch sie hindurch mit keinen nete erste und zweite Umformer, eine mit dem ersten und Hindernissen und keinen Hohlräumen in der Bohrungswand zu zweiten Umformer verbundene Umformersteuerschaltung, die erhalten, die ein Sammlungsort für Teilchenmaterial wären,

während eines ersten Sende-Empfangs-Zyklus bewirkt, dass der Innerhalb einer jeden kreisförmigen Ausnehmung 20 und 22

erste Umformer erste akustische Druckwellen in dem Strö- 55 jst ein Endring 30 und 32 jeweils angeordnet, der vorzugsweise mungsmittel erzeugt und der zweite Umformer bei Empfang aus einem Schall absorbierenden Material, wie einem Polyure-

dieser Druckwellen ein erstes Signal erzeugt und dass während than-Dämpfungsschaum, ähnlich dem Y-370 Schwingungsdämp-

eines zweiten Sende-Empfangs-Zyklus der zweite Umformer fungsband, das von der 3M-Corporation hergestellt ist, gefertigt zweite akustische Druckwellen in dem Strömungsmittel erzeugt ist. Materialien, die ähnliche schallabsorbierende Eigenschaften und der erste Umformer bei Empfang dieser Druckwellen ein 60 haben, können ebenfalls für die Endringe 30 und 32 benutzt zweites Signal erzeugt, durch eine Detektoreinrichtung zum werden. Die Endringe 30 und 32 haben jeweils eine zylindrische

Bestimmen einer ersten Geschwindigkeitsangabe während des Innenbohrung, die im wesentlichen sich fluchtend mit den ersten Sende-Empfangs-Zyklus und zum Bestimmen einer zwei- benachbarten Zylinderbohrungen 28 des Traggliedes 14 erstrek-

ten Geschwindigkeitsangabe während des zweiten Sende-Emp- ken. Der Strömungsweg durch die Umformeranordnung 10, wie fangs-Zyklus, durch eine Recheneinrichtung (66) zur Summen- 65 er durch die Pfeile 12 angegeben ist, hat daher eine im wesentli-

und/oder Differenzbildung aus der ersten und zweiten Geschwin- chen kontinuierliche Wand, so dass das durch ihn hindurchflies-

digkeitsangabe und durch eine mit der Umformersteuerschal- sende Strömungsmittel durch keine Vorsprünge oder Hohlräume tung verbundene Einrichtung zum Einstellen der Frequenz der behindert ist.

628 140 4

Die Umformer 24 und 26 können eine von einer Anzahl herkömmlicher Einrichtungen haben, die in radialer oder reifenförmiger Weise zum Erzeugen von akustischen Drücken innerhalb des Gases arbeiten, das durch die Anordnung 10 hindurchströmt. Beispiele geeigneter Materialien für die Umformer 24 5 und 26 umfassen zylindrische Körper, die aus Polyvinylfluoriden oder anderen hochpolymeren organischen, piezoelektrischen Materialien hergestellt sind, aus Bariumtitanat gefertigte cheramische Umformer, Bleizirkonattitanat oder andere polarisierte polykristalline ferroelektrische cheramische Materialien, Quarz, 10 Turmalin oder äquivalente elektromechanische Anordnungen umfassen, die dem Fachmann bekannt sind.

Die Innen- und Aussenflächen der Umformer 24 und 26 haben leitende Beschichtungen auf ihnen, die die elektrischen Speiseelektroden bilden .Die leitenden Beschichtungen auf den 15 Innenflächen der Umformer 24 und 26 sind jeweils über Leitungen 34 und 36 mit extern angeordneten Kristalltreiber/Empfängerschaltungen 38 und40 verbunden. Die leitenden Beschichtungen auf der Aussenfläche der Umformer 24 und 26 sind jeweils über Leitungen 42 und 44 mit den Kristalltreiber/Empfänger- 20 Schaltungen 38 und 40 verbunden. Die elektrischen Verbin-dungsleitungspaare 34,42 und 36,44 für die Umformer 24 und 26 treten jeweils durch Öffnungen 46 und 48 hindurch, die jeweils von aussen der Anordnung 10 mit den Umformern innerhalb der kreisringförmigen Ausnehmungen 16 und 18 verbunden sind. 25 Die Wirkungsweise der Umformeranordnung 10 in Verbindung mit der elektronischen Schaltung ist prinzipiell die gleiche, wie sie in derzuvor erwähnten US-PS4 003 252 beschrieben ist, so dass deren Offenbarung auch in dieser Hinsicht hier aufgenommen wird. Grundsätzlich ist die Umformeranordnung jedoch 30 über eine flexible Hülle, ein Rohr od. dgl. mit einer externen Strömungsmittelquelle verbunden, deren Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden soll. Das Strömungsmittel selbst kann entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit aufweisen, obwohl das gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung insbesondere zur 35 Messung der Gasströmung ausgelegt ist, wenn diese durch die Umformeranordnung 10 in einer axialen Richtung hindurch-fliesst, die durch die Pfeile 12 angegeben ist, oder aber in die entgegengesetzte Richtung. Eine Steuerschaltung 50 ist jeweils über Leitungen 52 und 54 mit den Umformer-Treiber/Empfän- 40 ger-Schaltungen 38 und 40 verbunden. Die Steuerschaltung 50 veranlasst einen der Umformer-Treiber/Empfänger-Schaltungen 38 oder 40 zum Aussenden eines elektrischen Signals an den jeweils mit ihr verbundenen zylindrischen Umformer 24 oder 26, während die andere Treiber/Empfänger-Schaltung 40 oder 38 ein 45 Signal von dem mit ihr verbundenen Umformer 26 oder 24 empfängt. Wie zuvor angegeben, sprechen die Umformer 24 oder 26, die elektrische Signale von einer Treiber/Empfänger-Schaltung erhalten, auf diese durch Erzeugung eines akustischen Druckes indem Strömungsmittel an. Gleichzeitig spricht der 5(1 andere mit der anderen Treiber/Empfänger-Schaltung 38 oder 40 verbundene Umformer auf die akustischen Drücke in dem Strömungsmittel durch Erzeugung eines elektrischen Signals an, das von der mit ihm verbundenen Treiber/Empfänger-Schaltung erfasst wird. 55

Die an einem der Umformer 24 oder 26 erzeugten akustischen Drücke benötigen eine endliche Zeit, um sich von dem sendenden Umformer zu dem empfangenden Umformer mit der Ausbreitungszeit auszubreiten, die von der Richtung und der Geschwindigkeit der Strömungsmittelströmung durch die 60 Umformeranordnung 10 und der Schallgeschwindigkeit in der Strömungsmittelströmung innerhalb der Anordnung 10 abhängt. Diese Beziehungen sind im einzelnen in der zuvor erwähnten US-Patentschrift beschrieben.

Als Alternative zu den zuvor beschriebenen Umformern 65 kann jeder Umformer 24 und 26 durch ein Paar von Umformern ersetzt sein, die in der Anordnung 10 in gleicherweise angeordnet sind. Von dem Paar von Umformern ist einer besonders zum

Senden, d. h. zum Erzeugen von akustischen Drücken, und der andere zum Empfangen, d, h. zum Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von akustischen Drücken in dem Gas ausgebildet.

Die Umformeranordnung 10 und die mit ihr verbundene Schaltung arbeiten in der folgenden Weise: die Steuerschaltung 50 bewirkt zuerst, dass einer der Umformer, entweder der Umformer 24 oder 26, akustische Drücke in dem Strömungsmittel erzeugt, und gleichzeitig, dass der andere Umformer, entweder 26 oder 24, die akustischen Drücke von dem ersten Umformer aufnimmt. Diese Arbeitsweise ist ein erster Sende-Empfangs-Zyklus. Ein Sendesignal wird gleichzeitig von der Steuerschaltung 50 über eine der Leitungen 52 oder 54 an eine Treiber/ Empfänger-Schaltung 38 oder 40 und über die Leitung 56 an einen Phasendetektor 58 gegeben. Ein empfangenes Signal von dem empfangenden Umformer 24 oder 26 wird über eine der Umformer-Treiber/Empfänger-Schaltungen 38 oder 40 über Leitungen 60 oder 62 j eweils an den Phasendetektor 58 gegeben. Der Phasendetektor 58 spricht auf das Sendesignal und das empfangene Signal durch Erzeugen eines Signals auf der Leitung 64 an, das die Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Signal angibt. Diese Information wird über die Leitung 64 an eine Recheneinrichtung in Form eines Phasenaddierers und -subtrahierers 66 gegeben, der eine Speicherein-richtungzum zeitweiligen Speichern der von dem Phasendetektor 58 empfangenen Phasendifferenz aufweist.

Die Steuerschaltung 50 bewirkt dann eine Vertauschung der Rollen der Umformer 24 und 26. Das heisst, der andere Umformer 24 oder 26 wird in seinen Sendebetrieb geschaltet, um akustische Drücke im Strömungsmittel zu erzeugen, und der erste Umformer 24 oder 26 wird in seinen Empfangsbetrieb geschaltet. Diese Arbeitsweise bildet einen zweiten Sende-Emp-fangszyklus. Der Phasendetektor 58 arbeitet während des zweiten Sende-Empfangs-Zyklus zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten Signal und dem empfangenen Signal und diese zweite Phasendifferenz wird über die Leitung 64 an den Phasenaddierer und -subtrahierer 66 gegeben, der auch diese zweite Phasendifferenz zeitweilig speichert.

Der Phasenaddierer und -subtrahierer 66 berechnet, nachdem beide Phasendifferenzen in ihm gespeichert sind, sowohl eine Summe als auch eine Differenz zwischen den beiden gespeicherten Phasendifferenzen. Die Differenz zwischen den beiden gespeicherten Phasendifferenzen mit einer weiteren Korrektur, die in Verbindung mit Fig. 6 erläutert wird, wird auf der Ausgangsleitung 68 angegeben, die, wenn das erfindungsgemässe Strömungsmessgerät abgeglichen ist, die Strömungsgeschwindigkeit durch die Umformeranordnung 10 angibt. Zusätzlich gibt das Vorzeichen der Differenz zwischen den beiden Phasendifferenzen, die von dem Phasendetektor 58 berechnet sind, die Strömungsrichtung durch die Umformeranordnung 10 an, wobei ein positives Vorzeichen eine beliebig gewählte Richtung der Strömungsmittelströmung durch die Anordnung 10 und ein negatives Vorzeichen die entgegengesetzte Richtung der Strömungsmittelströmung angeben.

Die Summe der beiden Phasendifferenzen, wie sie von dem Phasenaddierer und -subtrahierer 66 berechnet wird, wird auf der Ausgangsleitung 70 angegeben. Die Grösse des Signals auf der Leitung 70 ist proportional der Schallgeschwindigkeit in dem Gas, das durch die Anordnung 10 hindurchströmt, verglichen mit der Schallgeschwindigkeit in dem Bezugsgas, das für den Abgleich benutzt wird. Die Summe wird auch über die Leitung 72 an die Steuerschaltung 50 übertragen, die damit in einer später noch im einzelnen beschriebenen Weise benutzt wird. Zusätzlich wird sie zum Korrigieren des Strömungswertes auf der Leitung 68 benutzt. Der auf der Ausgangsleitung70 angegebene Wert ist ein relativer Wert und das erfindungsgemässe Strömungsmessgerät muss so abgeglichen werden, dass die Grösse des Wertes auf der Leitung 70 interpretiert werden kann.

628 140

Wie vorstehend allgemein angegeben ist, ist ein Versagen des in dem zuvor erwähnten US-PS 4 003 252 beschriebenen Strömungsmessgerät dadurch bedingt, dass dieses Strömungsmessgerät nicht bei Umgebungsbedingungen arbeitet, bei denen die Schallgeschwindigkeit in dem Gas, das durch die Umformer 5 hindurchgeht, während seiner Benutzung sich dynamisch ändert. Es wurde festgestellt, dass das zylindrische Umformersystem arbeitet, indem es ein starkes Resonanzecho über den Durchmesser der Röhre bei einer oder mehr Eigenfrequenzen aufbaut. So kann z. B. die Beziehung annähernd 2,3 X = D sein, wobei X dieio Wellenlänge des Schalls in dem Strömungsmittel in Zentimetern ist und D der Innendurchmesser des Kristalls und der Röhre in Zentimetern ist. Die Frequenz, bei der das Resonanzecho über dem Durchmesser D auftritt, wird die natürliche Hohlraumresonanzfrequenz der 02-Mode genannt. Andere nutzbare Fre- 15 quenzen, bei denen Resonanzechos auftreten, sind die, bei denen D im wesentlichen gleich 0,73 X, 1,4 X, 3,2 X oder 3,9 X ist. Der Grund für das zuvor beschriebene Versagen des Strömungsmessgerätes ist dann durch die Tatsache bedingt, dass die Geschwindigkeit der akustischen Drücke innerhalb des Gases, das durch 20 die Umformer hindurchströmt, sich als eine Funktion der Gaszusammensetzung ändert. Dieses bewirkt, dass die Amplitude der akustischen Drücke, die durch den Umformer der Anordnung erfasst werden, der sich im Empfangsbetrieb befindet, sich ändert, da der Innendurchmesser der Umformer nicht länger 25 gleich der Eigenwellenlänge ist, wodurch die Grösse des von dem empfangenden Umformer erzeugten Signals stark abfällt. Daher wird es schwieriger, das empfangene Signal zu erfassen, wodurch die Möglichkeit von Erfassungsfehlern oder einem vollständigen Versagen beim Erfassen von akustischem Druck gegeben ist. 30 Dieses Versagen kann durch Ändern der Innendurchmesser-Abmessungen der Umformer innerhalb der Anordnung oder durch Ändern der Frequenz der akustischen Drücke beseitigt werden, die von dem sendenden Umformer erzeugt sind. Da die Umformeranordnung selbst für eine Einstellung des Innendurch-3?_ messers der Umformer nicht geeignet ist, ist es selbstverständlich besser, dieses Problem durch Einstellen der Frequenz der akustischen Drücke zu lösen, die durch den sendenden Umformer erzeugt sind. Die Summe der Phasendifferenzen, wie sie von dem Phasenaddierer und -subtrahierer 66 berechnet sind, wird daher 40 über die Leitung 72 an die Steuerschaltung 50 gegeben. Wie zuvor angegeben, bezieht sich das Signal auf der Leitung 72 auf die Schallgeschwindigkeit in dem Gas, das durch die Anordnung 10 hindurchströmt. Dieses Signal wird von der Steuerschaltung 50 zum Ändern der Frequenz der akustischen Drücke benutzt, 45 die von dem sendenden Umformer während jedes Sende-Empfangs-Zyklus erzeugt werden, um damit die Wellenlänge konstant zu halten und das von dem empfangenden Umformer aufgenommene Signal so gross wie möglich zu machen.

Es wurde auch festgestellt, dass nach der Korrektur der so Frequenz zum Konstanthalten der Wellenlänge die auftretende Strömungsgeschwindigkeit mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert werden muss, um eine genaue Strömungsgeschwindigkeitsmessung unabhängig von der Änderung der Gaszusammen-setzungzu erzeugen. Versuche haben gezeigt, dass Strömungs- 55 messgeräte der in dem vorstehend genannten US-Patent beschriebenen Art manchmal Fehlern infolge einer Reflektion der akustischen Drücke von andern Teilen des Systems unterliegen, indem die Umformer angeschlossen sind. Diese Reflektio-nen ergeben sich häufig aus den akustischen Drücken, die an 60 anderen Strömungsmittelübertragungsanschlüssen abprallen, die mit der Umformeranordnung verbunden sind. Probleme haben sich auch ergeben, wenn der Umformer selbst in Atemluft-Analysegeräten benutzt wird, wo er in dichter Nachbarschaft zum Mund des Individuums physikalisch angeordnet ist, dessen 65 Atemluft zu analysieren ist.

Die vorliegende Erfindung beseitigt das Reflektionsproblem durch Vorsehen der Endringe 30 und 32, die an den einander gegenüberliegenden Enden der Anordnung 10 angeordnet sind. Diese Ringe 30 und 32 sind aus einem akustischen Dämpfungsmaterial, wie das zuvor erwähnte Material, das die Amplitude der akustischen Drücke wesentlich vermindert, die durch sie hindurchgeht. Tatsächlich ist die Grösse der durch sie bewirkten Dämpfung, wenn ein geeignetes Material für die Ringe 30 und 32 gewählt ist, ausreichend, so dass ein Ende der Anordnung 10 in unmittelbarer Nähe des Mundes eines Individuums angeordnet werden kann, dessen Atemluft zu analysieren ist, und die bei anderen akustischen Strömungsmessgeräten infolge von akustischen Reflektionen auftretenden Probleme sind damit im wesentlichen beseitigt. Die durch die Ringe 30 und 32 bewirkte Dämpfung beseitigt im wesentlichen auch die Probleme mit Reflektionen, wenn die Anordnung 10 in das Strömungsmittel tragenden Systemen eingekoppelt wird.

Die vorstehende Erläuterung in Verbindung mit Fig. 1 hat allgemein die Schaltung und die Arbeitsweise der Erfindung beschrieben. Die Schaltungen der Fig. 2 und 4 bis 6 zeigen eine tatsächliche Anwendung der Erfindung in Verbindung mit einem Atemluft-Versuchsgerät, jedoch erkennt der Fachmann sofort, dass andere Schaltungen benutzt werden können und auch die Bauelemente geändert werden können, um die Schaltung für eine Benutzung bei anderen Anwendungen für die Erfindung zu optimieren.

Die Schaltung der Fig. 2 weist einen Impulsgenerator zum Erzeugen von Steuerimpulsen auf, um die in den Fig. 4 bis 6 gezeigten Schaltungen zu betätigen. Fig. 3 zeigt andererseits ein Impulsdiagramm, das die Impulsfolge für unterschiedliche Ausgangssignale der Schaltung der Fig. 2 zeigt. Die Schaltung der Fig. 2 weist eine Integratorschaltung CD4047auf, mit der ein 121K-Widerstand und ein 4700PF-Kondensator zum Steuern der Ausgangsfrequenz verbunden ist, die bei dem erwähnten Widerstand und Kondensator 400 kHz beträgt. Zwei in Reihe geschaltete J-K-Flip-Flops, die jeweils eine Hälfte einer integrierten Schaltung CD4027 darstellen, werden zur Erzeugung von Zeitgeberimpulsen benutzt, deren Geschwindigkeit geringer ist als die von dem aus der integrierten Schaltung CD4047 gebildeten Oszillator erzeugt. Die von dem Oszillator erzeugten Signale und die Flip-Flops werden durch UND- und NAND-Glieder der Fig. 2 zusammengefasst, um jeweils Impulsketten zu erzeugen, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind. Ein Impulsdiagramm für den Ausgang Qo ist in Fig. 3 nicht gez.eigt, jedoch führt er ein Rechtecksignal mit einer Frequenz, die doppelt so gross als für Q1 ist, und eine ins Positive gehende Vorderflanke eines Impulses auf der mit Q() bezeichneten Leitung tritt zur gleichen Zeit auf, wie die ins Positive gehende Vorderflanke eines Imnpulses an dem Ausgang Qi der Schaltung CD4047.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, bildet eine integrierte Schaltung CD4046 einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), der ein Rechtecksignal am Ausgang 4 erzeugt, dessen Frequenz durch die Widerstände bestimmt ist, die in Reihe zwischen den Anschluss 11 und Erde geschaltet sind, wie auch durch die an den Anschluss 9 gegebene Spannung. Für die bestimmten, in Fig. 5 gezeigten Widerstände und einer Spannung von etwa + 7,5 Volt am Anschluss 9 ist die Frequenz des Rechtecksignals am Ausgang 4 des spannungsgesteuerten Oszillators nominal 51 kHz. Eine Änderung der am Eingang 9 erscheinenden Spannung bewirkt eine Verschiebung der Frequenz des spannunggesteuerten Oszillators. Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung bewirkt eine dynamische Änderung der Frequenz des VCO in Abhängigkeit von Änderungen der Schallgeschwindigkeit in dem Gas in einer später noch näher beschriebenen Weise.

Das Rechtecksignal von dem spannungsgesteuerten Oszillator am Anschluss 4 gelangt über eine Leitung 100 an den Anschluss 3 der Schaltung CD4046, die intern einen Phasendetektor (0DET) bildet. Das Rechtecksignal gelangt auch über eine Leitung 102 an ein NAND-Glied, dessen Ausgang mit einem Operationsverstärker LM318 und einem Operationsmultiplizie-

628 140 6

rer XR2208 verbunden ist. Die Funktion dieser Schaltungen ist mer 24 oder 26 verbundene Empfängerschaltung 116 oder 118

es, ein Sinussignal am Anschluss 104 zu erzeugen, das die gleiche wirksam, da das zugehörige Verknüpfungssignal Q3 oder Q3

Frequenz wie das auf der Leitung 102 erscheinende Rechtecksi- Erdpotential zeigt. So befindet sich z.B. während eines ersten gnal hat. Der Fachmann erkennt jedoch sofort, dass die Schal- Sende-Empfangs-Zyklus der Umformer 24 im Sendebetrieb und tung zwischen der Leitung 102 und dem Anschluss 104 nur eine 5 erhält Signale vom Eingangsanschluss AC, der Transistor Q7 ist

Schaltung vieler bekannter Schaltungen zum Umformen eines durch das Signal Q3 leitend, um den Empfänger 116 durch die

Rechtecksignals in ein Sinussignal darstellt, so dass auch andere Erdleitung 112 abzuschalten, und die Empfängerschaltung 118 ist

äquivalente Schaltungen benutzt werden können. wirksam mit dem Umformer 26 verbunden, da der Transistor Q8

Zwischen dem Anschluss 104 und dem Ausgangsanschluss infolge des sich auf Erdpotential befindenden Verknüpfungssi-

AC sind drei aus den Schaltungstypen LM318 und 8043C gebil- io gnals Q3 leitend ist. Gleichzeitig befindet sieh das Verknüpfungs-

dete Operationsverstärker vorgesehen. Der Operationsverstär- signal Y auf Erdpotential, wodurch es verhindert, dass das am ker LM318 verstärkt das Sinussignal am Anschluss 104. Die zwei Eingangsanschluss AC erscheinende Signal über den Transistor

Operationsverstärker 8043C stellen die Phase des Signals, das am Q6 an den Umformer 26 gelangen kann. Der zweite Sende-

Ausgangsanschluss AC erscheint, mit Einstellwiderständen 106 Empfangs-Zyklus tritt auf, wenn der Umformer 26 Signale von und 108 ein, mit denen die Phase des Signals am Ausgangsan- 15 dem Einfangsanschluss AC erhält, der Transistor Q7 durch Q3

schluss AC um etwa 360° eingestellt werden kann. Diese Wider- gesperrt ist, der Tansistor Q8 durch Q3 leitend geschaltet ist, das stände werden während des Abgleichs des Strömungsmessgerä- Verknüpfungssignal Y positiv ist und das Verknüpfungssignal X

tes eingestellt und werden vorzugsweise so eingestellt, dass das sich auf Erdpotential befindet. Daher befindet sich der Umfor-

Signal am Anschluss 9 der Schaltung CD4046 + 7,5 Volt ist, mer 26 im Sendebetrieb, der Empfänger 116 ist wirksam und der wobei keine Luft durch die Übertrageranordnung 10 (Fig. 1) 20 Empfänger 118 ist unwirksam.

strömt. Die folgende Beschreibung beschreibt den Mechanis- Die mit dem Umformer 24 verbundene Empfängerschaltung mus, durch den die Phaseneinstellung des Signals am Ausgangs- 116 weist zwei Operationsverstärker 120 und 122 auf, die in anschluss AC eine Änderung der Spannung am Anschluss 9 Reihe geschaltet sind und immer dann wirksam sind, wenn der bewirkt. Transistor Q7 nicht leitend ist, um irgendein auf der Eingangslei-

Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung weist Umformer-Treiber/ 25 tung 112 erscheinendes Signal zu verstärken. Das verstärkte

Empfänger-Schaltungen auf und zeigt, wie diese mit den Umfor- Signal erscheint am Anschluss 6 des Operationsverstärkers 122,

mern 24 und 26 verbunden sind. Die Schaltung der Fig. 4 ist in der mit dem invertierenden Eingang einer Vergleicherschaltung einen Treiberteil, der links von der gestrichelten Linie 110 124 verbunden ist. Die Vergleicherschaltung 124 ist immer dann gezeigt ist, und einen Empfängerteil unterteilt, der rechts von der wirksam, wenn das Verknüpfungssignal A sich auf einem logi-

gestrichelten Linie 110 gezeigt ist, die Umformer 24 und 26 30 sehen Pegel von 0 befindet, wodurch das Ausgangssignal am jedoch nicht enthält. Anschluss 7 erscheinen kann. Das Ausgangssignal am Anschluss

Das Sinussignal von der Schaltung der Fig. 5 wird an den 7 ist eine positive Spannung von etwa + 15 Volt, wenn das Sinus-

Eingangsanschluss AC in Fig. 4 und anschliessend an zwei Eingangssignal am Anschluss 3 der Vergleicherschaltung 124 ein

Umformer-Treiberschaltungen gegeben, wobei die erste Trei- negatives Potential hat, und liegt bei 0 Volt, wenn das Eingangs-

berschaltung Q5 und die zweite Treiberschaltung Q6 enthält. 35 signal am Anschluss 3 ein positives Potential hat. Die Verglei-

Diese Transistoren Q5 und Q6 verknüpfen das Sinussignal von cherschaltung 124 formt daher das Sinus-Eingangssignal in ein dem Eingangsanschluss AC an die jeweils verbundenen Umfor- Rechteck-Ausgangssignal um. Die mit dieser verbundene Ver-

mer 24 oder 26, wodurch diese in ihren Sendebetrieb gelangen. gleicherschaltung 126 ist während der Dauer der Wirksamkeit

Die Verknüpfungssignale werden von Transistorpaaren Q1, Q3 der Vergleicherschaltung 124 unwirksam und vice versa, und Q2, Q4 und den jeweils verbundenen Schaltungen erzeugt, 40 Der Empfänger 118 weist zwei in Reihe geschaltete Opera-

die die Schaltung der Fig. 2 zum Erzeugen der Verknüpfungssi- tionsverstärker 130 und 132 auf, die das auf der Eingangsleitung gnale umfassen, die an den Anschlüssen Xund Y erscheinen. Da 114 erscheinende Signal verstärken und dieses verstärkte Signal die Verknüpfungssignale an den Anschlüssen X und Y zu unter- an den Ausgang 6 des Operationsverstärkers 132 geben. Dieses schiedlichen Zeitpunkten auftreten und sich abwechseln, wie Ausgangssignal am Anschluss 6 des Verstärkers 132 wird an den dieses in Fig. 3 gezeigt ist, werden die Umformer 24 und 26 45 invertierenden Eingang der Vergleicherschaltung 126 gegeben,

abwechselnd in ihren Sendebetrieb geschaltet. die immer dann wirksam ist, wenn das Verknüpfungssignal B sich

Die Empfängerschaltungen 116 und 118 sind auch unmittel- auf einem logischen Pegel von 0 befindet. Das Ausgangssignal bar jeweils mit den Umformern24 und26 verbunden, jedoch sind am Anschluss7 der Vergleicherschaltung 126 ist ein Rechtecksi-

die Empfängerschaltungen 116 und 118 entweder wirksam oder gnal mit einer Spannung von etwa + 15 Volt, wenn immer das unwirksam, um auf Signale anzusprechen, die durch die mit 50 Eingangssignal am Anschluss 3 negatives Potential hat, und von ihnen verbundenen Umformer 24 oder 26 erzeugt werden, in etwa 0 Volt, wenn immer das Eingangssignal am Anschluss 3

Abhängigkeit davon, ob der jeweils mit ihnen verbundene, einen positives Potential hat. Da die Verknüpfungssignale A und B zu

Kurzschluss bewirkende Transistor Q7 oder Q8 leitend oder unterschiedlichen Zeitpunkten erscheinen, beeinflusst die gesperrtist. DerTransistorQ7wirdz. B. durch ein Verknüp- Arbeitsweise der Vergleicherschaltung 124 oder 126 nicht die fungssignalQ3gesteuertundverbindetdieLeitungll2mitErde,55 Arbeitsweise der anderen Vergleicherschaltung 126 oder 124. wenn das Signal Q3 positiv ist. In gleicher Weise verbindet der Die Vergleicherschaltungen 124 und 126 sind daher unabhän-

Transistor Q8 die Leitung 114 mit Erde, wenn das Verknüpfungs- gig voneinander wirksam, um Rechtecksignale an ihren jeweili-

signal Q3 positiv ist. Aus dem Impulsdiagramm der Fig. 3 ist zu gen Ausgängen aus den Sinussignalen zu erzeugen, die an den erkennen, dass Q3 immer dann positiv ist, wenn X positiv ist, so jeweils mit ihnen verbundenen Umformern 24 oder 26 immer dass damit der Empfänger 116 immer unwirksam ist, wenn sich 60 dann erzeugt werden, wenn sich der Umformer im Empfangsbe-

der Umformer 24 in seinem Sendebetrieb befindet und Signale trieb befindet und die erforderlichen Verknüpfungssignale vor-

von dem Eingangsanschluss AC empfängt. In gleicherweise ist handen sind, um die Empfängerschaltungen 116 oder 118 zu der Empfänger 118 immer dann unwirksam, wenn Q3 positiv ist, betätigen. Da die Ausgangsanschlüsse der Vergleicherschaltun-

wenn sich der Umformer 26 im Sendebetrieb befindet. Wenn gen an dem Anschluss SIG zusammengeschaltet sind, gibt das an daher ein gegebener Umformer 24 oder 26 sich im Sendebetrieb 65 dem Anschluss SIG erscheinende Signal die logische UND-

befindet, so ist die jeweils mit ihnen verbundene Empfänger- Verknüpfung der an den Ausgängen der Vergleicher 124 und 126

schaltungll6oderll8unwirksam.Befindetsichjedocheinerder erscheinenden Signale an.

Umformer im Sendebetrieb, so ist die mit dem anderen Umfor- Das Ausgangssignal von den Empfängerschaltungen 116 und

7 628140

118 wird über den in Fig. 4 mit SIG bezeichneten Anschluss an für ein UND-Glied 14(1, dessen Ausgang mit einer Integrator-den zugeordneten und in Fig. 5 mit SIG bezeichneten Eingangs- Schaltung 142 verbunden ist. Der zweite Eingang des UND-anschluss und dann an den Anschluss 14 der integrierten Schal- Gliedes 140 erhält ein die Integration ermöglichendes Signal IE, tung CD4046 gegeben, die intern mit der in ihr enthaltenen das eine logische 1 immer dann ist, wenn entweder das Verknüp-

Phasendetektorschaltung verbunden ist. Der Phasendetektor 5 fungssignal A oder das Verknüpfungssignal B eine logische 0 ist, selbst arbeitet genauso wie eine EXCLUSIV-ODER-Schaltung, was ein Zustand ist, der angibt, dass das Ausgangssignal des deren Ausgang intern mit einem Anschluss 2 der integrierten Phasendetektors der Phasendifferenz zwischen einem ausgesen-

Schaltung CD4046 verbunden ist und einen Ausgangspegel von deten und einem empfangenen Signal entspricht. Auf diese einer logischen 1 immer dann hat, wenn nur ein Eingang des Weise wird das impulsbreitenmodulierte Signal über das UND-

Phasendetektors einen Pegel mit einer logischen 1 erhält. Das am io Glied 140,zugeführt, wenn es durch das die Integration ermögli-Anschluss 2 der integrierten Schaltung CD4046 erscheinende chende Signal IE leitend ist. Das Ausgangssignal der Integrator-Signal ist daher ein Rechtecksignal, das impulsbreitenmoduliert Schaltung 142 erscheint am Ausgang 6 des Operationsverstärkers ist, wobei die Breite eines jeden Impulses auf die Phasendifferenz LM318 und hat einen integrierten Pegel während der Dauer des zwischen dem gesendeten Signal, d. h. dem Signal auf der die Integration ermöglichenden Signals, dessen endgültiger

Leitung 100, und dem empfangenen Signal ist, d. h. dem am 15 Pegel zu der Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten Signal Anschluss 14 der integrierten Schaltung CD4046 erscheinenden von einem Umformer und dem empfangenen Signal von dem Signal. anderen Umformer zugeordnet ist und über eine Leitung 144 an

Bei der normalen Arbeitsweise des erfindungsgemässen Strö- einen Eingangsanschluss 5 von zwei unterschiedlichen Abtast-mungsmessgerätes ist, wenn die Zusammensetzung des durch die und Halteschaltungen 146 und 148 gegeben wird. Jede Abtast-Umformeranordnung 10 hindurchströmenden Gases sich gegen- 20 und Halteschaltung 146 oder 148 tastet die am Anschluss 5 über der ändert, bei der das Strömungsmessgerät abgeglichen erscheinende Spannung ab, wenn ein Verknüpfungssignal an wurde, die Phase des an dem Eingangsanschluss SIG in Fig. 5 jeden der jeweiligen Steuereingänge am Verknüpfungsanschluss erscheinenden Signals unterschiedlich zu der Signalphase, die an 6 gegeben wird. Die abgetastete Spannung erscheint am diesem Eingangsanschluss erscheint, wenn die Schaltung abgegli- Anschluss 11 und hat den gleichen Pegel, wie er am Anschluss 5 chen wurde. Das Ausgangssignal des Phasendetektors wird 25 erscheint, wenn das Verknüpfungssignal vorgelegen hat. Die daher anders, wodurch die Spannung über dem lMF-Kondensa- Spanung am Anschluss 11 einer jeden Abtast- und Halteschal-tor eines Tiefpassfilters, das einen 1MQ-Widerstand und einen tung 146 oder 148 bleibt zwischen Verknüpfungsimpulsen am IMF-Kondensator aufweist und mit dem Ausgang des Opera- Anschluss 6 unverändert. Die Abtast- und Halteschaltung 146 tionsverstärkers 156 verbunden ist, gegenüber der Spannung wird zu ihrem Abtastbetrieb immer dann angesteuert, wenn das ändert, bei der das Strömungsmessgerät in einer Weise abgegli- 30 am Eingangsanschluss U erscheinende Signal eine logische 1 ist. chen wurde, die später im einzelnen beschrieben wird. Diese In gleicher Weise wird die Abtast- und Halteschaltung 148 immer

Spannungsänderung über dem IMF-Kondensator bewirkt, dass dann in ihren Abtastbetrieb angesteuert, wenn der Eingangsan-die Spannung am Anschluss 9 der integrierten Schaltung CD4046 schluss D eine logische 1 führt.

sich ändert, wodurch die Frequenz des von dem spannungsge- Zwischen dem Abtastbetrieb, entweder der Abtast- und steuerten Oszillator erzeugten Signals sich ebenfalls ändert. Das 35 Halteschaltungen 146 oder 148, erscheint ein Integrator-RückSystem setzt die Einstellung des spannungsgesteuerten Oszilla- setzsignal am Eingangsanschluss IR, das einen Transistor Q12 tors hinsichtlich seiner Frequenz fort, bis die Phasendifferenz leitend schaltet, um einen Kondensator zwischen dem Anschluss zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Signal nicht 6 und dem Anschluss 2 des Operationsverstärkers innerhalb der länger eine Spannungsänderung über dem IMF-Kondensator im Integratorschaltung 142 kurzzuschliessen. Dieses setzt den Inte-dem Tiefpassfilter bewirkt. 40 grator zurück, so dass seine Ausgangsspannung gleich 0 ist.

Die Möglichkeit, die Arbeitsfrequenz in Abhängigkeit von Währen des Betriebs sind die Abtast- und Halteschaltungen einer Änderung der Gaszusammensetzung zu ändern, ist im 146 und 148 wirksam, um Gleichspannungen zu speichern, die

Hinblick auf die vorliegende Erfindung besonders wichtig, da die Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten Signal an dem dieses die bisherigen Systeme nicht können. Es kann gezeigt einen Umformer und dem empfangenen Signal an dem anderen werden, dass die erfindungsgemässsen Umformer eine maximale 45 Umformer angeben. Im Falle der Abtast- und Halteschaltung Energieübertragung von dem sendenden zum empfangenden 146, die von einem Ansteuersignal am Eingangsanschluss U Umformer bewirken, wenn sie bei ihrer Eigenfrequenz betrieben angesteuert wird, wird eine Spannung gespeichert, die nach werden, die von dem Innendurchmesser des Umformers Massgabe einer beliebigen Definition der Phasendifferenz zwi-

abhängt. Ist daher Luft das Gas in der Umformeranordnung, sehen dem von dem stromab liegenden Umformer 26 gesendeten wenn das Strömungsmessgerät abgeglichen wird, so entspricht so Signal und dem in Abhängigkeit davon an dem stromauf liegen-die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators der, die den Umformer 24 erzeugten Signal entspricht, nämlich einer akustische Drücke mit einem Bruchteil der halben Wellenlängen sogenannten Stromauf-Phasendifferenz. Ist andererseits die über den Umformerdurchmesser in Luft erzeugen, was einer Abtast- und Halteschaltung 148 in Abhängigkeit von einem Eigenfrequenz entspricht. Ändert sich danach die Gasdichte, so Ansteuersignal D wirksam, um eine Spannungzu speichern, so ändert sich auch die Geschwindigkeit der Schalldrücke in diesem, 55 entspricht diese der Phasendifferenz zwischen dem von dem wodurch eine unterschiedliche Phasendifferenz von dem Phasen- stromab liegenden Umformer 24 ausgesendeten Signal und dem detektor erfasst wird. Dieses bewirkt eine Änderung der Fre- in Abhängigkeit davon von dem stromab liegenden Umformer 26 quenz der akustischen Drücke, die von dem spannungsgesteuer- erzeugten Signal, nämlich der sogenannten Stromab-Phasendif-ten Oszillator erzeugt wird, in einer später näher beschriebenen ferenz.

Weise, und es kann gezeigt werden, dass die neue Frequenz einer 60 Das Ausgangssignal von den Abtast- und Halteschaltungen solchen entspricht, bei der der Durchmesser jedes Umformers 146 und 148 wird jeweils an den invertierenden und den nichtin-erneut die Eigenwertanzahl der halben Wellenlängen bei der vertierenden Eingangeines Operationsverstärkers 150 gegeben,

neuen Frequenz bei dem sich dann in der Umformeranordnung der eine Spannung an seinem Ausgangsanschluss 14 erzeugt, die befindenden Gas ist. Auf diese Weise wird eine maximale gleich der Differenz zwischen der Spannung, die seinem nichtin-

Energieübertragung zwischen einem sendenden und einem emp- 65 vertierenden Eingangsanschluss zugeführt wird und der Spanfangenden Umformer aufrechterhalten. nung ist, die an seinem invertierenden Eingangsanschluss

Das impulsbreitenmodulierte Signal, das an dem Ausgang des erscheint (0D—0U). Wie früher angegeben wurde, gibt diese Phasendetektors erscheint, ist eines von zwei Eingangssignalen Differenz die nicht korri"'' =rte Strömungsgeschwindigkeit eines

628 140

Gases durch die Umformeranordnung 10 (Fig. 1) an. Um das Strömungsmessgerät in geeigneter Weise abzugleichen, hat der nichtinvertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers ein insgesamt mit 152 bezeichnetes Einstell-Netzwerk, das mit ihm verbunderj ist, um die Spannung an dem nichtinvertierenden 5 Eingangsanschluss so einzustellen, dass die an dem Ausgangsan-schluss 14 erscheinende Spannung immer dann gleich 0 ist, wenn die Strömungsgeschwindigkeit durch die Umformeranordnung 10 gleich 0 ist. Diese Einstellschaltung 152 kompensiert verschiedene Schaltungsabgleichfehler, besonders solche der Abtast- und10 Halteschaltungen 146 und 148.

Das Ausgangssignal der Abtast-und Halteschaltungen 146 und 148 wird je weils über einen 20 K-Widerstand an den Eingangsanschluss 5 einer weiteren Abtast- und Halteschaltung 154 gegeben. Da die Ausgangssignale der Abtast- und Halte- 15 Schaltungen 146 und 148 in der gezeigten Weise weitergegeben werden, beträgt die Spannung am Anschluss 5 der Abtast- und Halteschaltung 154 die Hälfte der Summe der Zweiphasendifferenzen. die in den beiden Abtast- und Halteschaltungen 146 und 148 gespeichert sind. Diese Summe wird innerhalb der Abtast- 20 und Halteschaltung 154 in Abhängigkeit von einem Summiersignal gepeichert, das an dem Eingangsanschluss 5 erhalten wird. Das Ausgangssignal der Abtast- und Halteschaltung 154 wird über einen weiteren Operationsverstärker 156 weitergegeben, der eine Gleichspannung am Ausgangsanschluss 8 erzeugt, die auf die Summe der Phasendifferenzen bezogen ist, die in den Abtast- und Halteschaltungen 146 und 148 zu dem Zeitpunkt gespeichert sind, wenn das Ansteuersignal erscheint. Wie zuvor bereits angegeben wurde, weist diese am Ausgangsanschluss 8 des Verstärkers 156 auftretende Spannung (0D+0U) eine relative Angabe für die Schallgeschwindgkeit in dem Gas innerhalb der Umformeranordnung 10 auf.

Die an dem Anschluss 8 des Verstärkers 156 erscheinende Spannung (0D4-0U) wird an ein Tiefpassfilter zurückgekoppelt, das einen 1MQ-Widerstand und einen IMF-Kondensator aufweist. Die an diesem IMF-Kondensator auftretende Spannung wird an einen Anschluss 9 der Schaltung CD4046 gegeben, die intern mit dem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden ist und damit seine Betriebsfrequenz einstellt. Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators wird daher mit einer Änderung der Schallgeschwindigkeit in dem Gas innerhalb der Umformeranordnung 10 geändert.

Die Schaltungen der Fig. 4 und 5 in Verbindung mit den Schaltungen der Fig. 2 erzeugen ein Signal an dem Ausgangsanschluss 14 des Verstärkers 150, das der nicht korrigierten Strömung durch die Umformeranordnung 10 entspricht, und ein weiteres Ausgangssignal am Anschluss 8 des Verstärkers 156, das der Schallgeschwindigkeit in dem Gas innerhalb der Umformeranordnung 10 entspricht. Nach Massgabe der Regeln bei der Bestimmung des Umformers 24 als stromauf liegender Umformer und des Umformers 26 als stromab liegender Umformer bedeutet immer, wenn die am Ausgang 14 des Verstärkers 150 erscheinende Spannung negativ ist, diese negative Spannung,

dass das Strömungsmittel tatsächlich durch die Umformeranordnung in einer Richtung von dem stromauf liegenden Umformer 55 24 zu dem stromab liegenden Umformer 26 strömt. Ausserdem kann die Grösserer an dem Anschluss 14 des Verstärkers 150 erscheinenden.Spannung auf die in Fig. 6 gezeigte Schaltung bezogen und vörr dieser korrigiert werden, um die Strömungsgeschwindigkeit des die Anordnung 10 passierenden Strömungsmittels anzugeben. Ist andererseits die Spannung an dem Anschluss 14 desVerstärkers 150 poisitiv, so gibt dieses an, dass das Strömungsmittel durch die Anordnung 10 in einer Richtung von dem stromab liegenden Umformer 26 zu dem stromauf liegenden Umformer 24 strömt. Auch hier entspricht die Grösse 65 der am Anschluss 14 des Verstärkers 150 erscheinenden Spannung der nicht korrigierten Strömungsgeschwindigkeit durch die Umformeranordnune 10.

25

30

35

40

45

50

60

Bei der in Fig. 5 gezeigten Schaltung ist jedoch das Ausgangssignal des Verstärkers 156 lediglich eine auf die Schallgeschwindigkeit in dem Gas sich beziehende Angabe. Um zu bestimmen, ob die Geschwindigkeit grösser oder kleiner als die ist, für die das Strömungsmessgerät abgeglichen wurde, muss die Amplitude zum Zeitpunkt des Abgleichs aufgezeichnet werden und dann mit der laufenden Ablesung verglichen werden. Die Schaltung kann jedoch in einfacher Weise so modifiziert werden, dass die Ausgangsspannung immer dann gleich 0 ist, wenn das Abgleich-strömungsmittel in der Umformeranordnung vorhanden ist. Ändert sich dann die Schallgeschwindigkeit in dem Strömungsmittel, so wird die Ausgangsspannung entweder positiv oder negativ und das Vorzeichen der Spannung entspricht dem Unterschied, ob die Schallgeschwindigkeit verglichen mit dem Strömungsmittel, bei dem das Strömungsmessgerät abgeglichen wurde, angestiegen oder gefallen ist. Die Grösse der Ausgangsspannung entspricht dann der relativen Differenz zwischen der Schallgeschwindigkeit in dem Gas, das augenblicklich durch die Umformer hindurchgeht, und der Schallgeschwindigkeit in dem Gas, das bei dem Abgleich durch die Umformer hindurchgegangen ist. Um die Ausgangsspannung für eine Anzeige der relativen Schallgeschwindigkeit zu benutzen, sind mehr Schaltungen erforderlich, da das Ausgangssignal des Verstärkers 156 zur Benutzung als ein Fehlersignal vorgesehen ist, um die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO einzustellen, sowie als ein Eingangssignal für die Schaltung der Fig. 6.

Eine weitere andere Ausbildung ermöglicht, dass die Ausgangsspannung gleich dem Wert 1 eingestellt wird, wenn z. B. Luft in der Umformeranordnung vorhanden ist. Wenn sich die Schallgeschwindigkeit des durch die Umformeranordnung fliessenden Gases ändert, entspricht die Grösse der Ausgangsspannung der Geschwindigkeit in dem Gas bezogen auf die Geschwindigkeit in Luft.

Die Schaltung der Fig. 6 weist eine Schaltung zur Annahme der nicht korrigierten Strömungsgeschwindigkeit vom Ausgangssignal des Verstärkers 150 in Fig. 5 auf und erzeugt ein die korrigierte Strömungsgeschwindigkeit angebendes Ausgangssignal. Es wurde festgestellt, dass das Ausgangssignal des Verstärkers 150 einen Fehler hat, der proportional zu f]/f2 ist, wobei f[ die anfängliche Abgleichfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators in Fig. 5 ist und f2 die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators ist, wenn ein Gas sich in dem Umformer befindet, das eine unterschiedliche Schallgeschwindigkeit hat. Die Schaltung der Fig. 6 multipliziert das Ausgangssignal der nicht korrigierten Strömungsgeschwindigkeit des Verstärkers 150 mit f2/fj, um ein Signal für die korrigierte Strömungsgeschwindigkeit am Anschluss 7 des Verstärkers LM324B in Fig. 6 zu erzeugen.

Die Fehlerspannung des spannungsgesteuerten Oszillators, die am Ausgang des Verstärkers 156 in Fig. 5 erscheint, ist proportional der Frequenz und wird zum Erzeugen eines Korrekturfaktors zum Korrigieren der Strömungsgeschwindigkeit benutzt. Der Operationsverstärker LM308 der Fig. 6 wirkt als ein Signalformer, und erhält die Fehlerspannung (0D+0U) des spannungsgesteuerten Oszillators. Durch Einstellen des mit dem Verstärker LM308 verbundenen Widerstandes zum Abgleich auf 0 wird am Anschluss 6 eine Ausgangsspannung von 0 Volt erzeugt, wenn die Fehlerspannung den Nominalpegel von +7,5 Volt hat. Der Signalformer erzeugt eine Ausgangsspannung von ± 1,05 Volt pro Abweichung von ± 5 kHz.

Das Ausgangssignal am Anschluss 6 des Verstärkers LM308 moduliert dann einen Einsatzzyklus-Modulator, der aus Verstärkern LM324A und LM311 und die mit diesen verbundene Schaltung gebildet ist. Wenn der spannungsgesteuerte Oszillator auf der Abgleichfrequenz arbeitet, ist das Ausgangssignal am Verstärker LM308 gleich 0 und der Einstellwiderstand für den Einsatzzyklus, der mit dem Verstärker LM324A verbunden ist, wird auf 50 % eingestellt, wobei die Feldeffekttransistor-Schalter Q14undQ15 für 50% der Zeit gesperrt und für 50% derZeit

9 628140

leitend sind. Als Folge davon ist die Verstärkung des Verstärkers Gas-Strömungs-Messgerät z.B. dazu benutzt werden, um eine LM324B1 und es wird keine Korrektur für die nicht korrigierte Proportionalmessung des Anteils von Kohlendioxid in der ausge-Strömung vom Verstärker 150 in Fig. 5 eingeführt, und das atmeten Atemluft, verglichen mit dem in der eingeatmeten

Ausgangssignal am Anschluss 7 des Verstärkers LM324B gibt die Mischung bewirkt werden.

Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch den Umformer an. 5 Da die Schallgeschwindigkeit gegeben ist durch:

Wenn die Arbeitsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators sich ändert, so erscheint eine Spannung am Anschluss 6 des

Verstärkers LM308 in Fig. 6, die positiv für einen Abfall der _ j ykT j^eter/sec

Frequenz und negativ für einen Anstieg der Frequenz ist. Diese C — V M

Spannung moduliert den Einsatzzyklus-Generator, wodurch sich xo

dei Einsatzzyklus ändert. Die Änderung des Einsatzzyklus ist, wobei bewirkt eine Änderung der Verstärkung des Verstärkers y = das Verhältnis der spezifischen Wärme bei konstantem

LM324B in Abhängigkeit von einer Änderung der Frequenz des Druck zu dem bei konstantem Volumen,

spannungsgesteuerten Oszillators, so dass das Signal für die nicht k = die Boltzmann'sche Konstante von 1,38 xlO 23 Joule/0C, korrigierte Strömungsgeschwindigkeit von Fig. 5 durch den Ver- 15 T = die absolute Temperatur °C und stärker LM324B geändert wird, so dass das Ausgangssignal M = die Masse der Moleküle in dem Gas in kg sind,

proportional zur Strömungsgeschwindigkeit durch den Umfor- ist zu erkennen, dass das Molekulargewicht proportional zu c2 ist mer ist. und der Fachmann erkennt sofort, dass ein elektrisches Aus-

Die vorstehende Beschreibung eines akustischen Strömungs- gangssignal erzeugt werden kann, das proportional zu Änderun-messgerätes hatte eine besondere Betonung auf eine bevorzugte 20 gen des Molekulargewichts ist, während die anderen Variablen elektronische Schaltung, die mit einer Umformeranordnung konstant bleiben. Es ist klar, dass dieser einfache Fall ausgedehnt zusammenwirkt, um nicht nur die Gasströmung und -richtung, werden kann, um Änderungen in den spezifischen Wärmen und sondern auch eine Messung der relativen Schallgeschwindigkeit Temperaturen mit Änderungen im Molekulargewicht zusam-in dem strömenden Gas zu bewirken. menzufassen, so dass die Gasmischung A durch eine Gruppe von

Die Beschreibung hat auch etwas die Tatsache betont, dass 25 Bedingungen und die Gasmischung B durch eine weitere Gruppe die Erfindung für ein Strömungsmessgerät geeignet ist, mit dem von Bedingungen spezifiziert werden kann, die Strömungsrichtung, die Strömung und die Schallgeschwindig- Wenn ausserdem der Druck oder die Dichte sich stark ändert, keit in einem Gas zu messen ist, jedoch ist das Gerät in gleicher kann die volumetrische Strömung auf annähernd Standardbedin-Weise auch für die Messung der Strömungsrichtung, der Strö- gungen oder die tatsächliche Massenströmung korrigiert werden, mungundder Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten geeignet, 3" indem eine Druckmessung mit Parametern kombiniert wird, die obwohl dann einige Schaltungselemente in ihren Werten eine von dem beschriebenen Strömungsmessgerät zu erhalten sind. Änderung erfordern können, um die Wirksamkeit des Strö- Die Massenströmung ist gegeben durch mungsmessgerätes auch für andere Anwendungen zu optimie- _ __

ren, bei denen nicht die Strömungsrichtung, Strömung und M = V mp/kT Kilogramm/sec

Schallgeschwindigkeit in einem Gas gemessen werden soll. Aus- 35

serdem erkennt der Fachmann sofort, dass andere Modifikatio- wobei p = der Druck in der Newton/Meter2 ist.

nen des Strömungsmessgerätes möglich sind, ohne dass dabei Aus der vorstehenden Gleichung für die Schallgeschwindig-

jedoch der allgemeine Erfindungsgedanke und der in den Patent- keit c ergibt sieh dann __ __

ansprächen angegebene Schutzumfang verlassen wird. So kann M = V p y/c2

z.B. anstelle des Phasendetektors und der Phasensummen- und 40

Differenzrechnern auch eine andere äquivalente Einrichtung Für den Fachmann ist es sofort klar, dass ein Druckumformer benutzt werden, um eine Grösse zu berechnen, die proportional benutzt werden kann, um den absoluten Druck in dem Strö-oder gleich der Geschwindigkeit der akustischen Drücke in dem mungsmessgerät zu messen. Ausserdem wird das Ausgangssignal Umformer sind, die von dem sendenden zu dem empfangenden des Druckumformers mit der volumetrischen Strömung V aus Umformern wandern. Jede berechnete Geschwindigkeit hat zwei 45 dem Strömungsmessgerät multipliziert und durch das Quadrat Komponenten, von denen eine die Geschwindigkeit der Strö- der Schallgeschwindigkeit c dividiert, so dass auch ein Signal von mungsmittelströmung und die andere die Geschwindigkeit der dem Strömungsmessgerät zusammen mit geeigneten Konstanten akustischen Drücke in dem Strömungsmittel ohne Strömungs- einen Näherungswert für die tatsächliche Massenströmung erge-mittelströmung sind. Einer dieser äquivalenten Geschwindig- ben kann.

keitsrechner kann eine Einrichtung zum Bestimmen der Zeitdif- so Während ein konstanter Wert für y einen Fehler in dem Wert ferenz zwischen dem Start der akustischen Drücke an einem für einige Änderungen in der Gasmischung ergibt, gibt es viele sendenden Umformer und dem Zeitpunkt, zu dem der empfan- Fälle, wo Änderungen im Wert von y unbedeutend sind. Die gende Umformer ein Empfangssignal in Abhängigkeit von den Benutzung der zuvor beschriebenen Parameter zum Erzeugen akustischen Drücken erzeugt. Jede berechnete Zeitdifferenz ist eines Signals für die volumetrische Strömung, vermindert auf auch proportional zur Geschwindigkeit der akustischen Drücke, 55 eine Standardtemperatur und einen Standarddruck ist für den die von dem sendenden zu dem empfangenden Umformer wan- Fachmann ebenfalls offensichtlich, dem. Nachdem ein Strömungsmessgerätesystem zum genauen

Weitere Vorteile des beschriebenen Strömungsmessgerätes Messen der Strömungsgeschwindigkeit unabhängig von der können durch Zusammenfassung oder erneutes Anordnen der Zusammensetzung beschrieben wurde, ist es klar, dass diese die verschiedenen Parameter angegebenen Signale erhalten wer- 60 Technik auch mit Vorteil bei anderen akustischen Strömungs-den. So bewirken z. B. Änderungen in der Gaszusammenset- messgeräten benutzt werden kann, bei denen die Umformer zung, die eine Änderung im Molekulargewicht der Gasmischung nicht zylindrisch oder bogenförmig sind, sondern sich in dem bewirken, auch eine Änderung in der Schallgeschwindigkeit. Auf Strömungsweg befinden oder gewisse Hindernisse oder Ausneh-diese Weise kann ein Übergang von einer Gasmischung A mit mungen längs des Strömungsweges bilden. Das heisst, jedes einem durchschnittlichen Molekulargewicht M A zu einer Gasmi- 65 akustische Strömungsmessgerät kann aus dieser Technik Vorsehung B mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht MB teile ziehen, wenn Fehler durch Änderungen in der Schallge-und der Anteil der Gasmischung A gemischt mit der Gasmi- schwindigkeit in dem Strömungsmittel bedingt sind.

schung B gemessen werden. Eine solche Technik kann mit einem Der Fachmann erkennt, dass das zuvor beschriebene akusti-

628 140

sehe Strömungsmessgerät das prinzipielle Ziel der Erfindung erfüllt, d. h. die Genauigkeit des Strömungsmessgerätes ist relativ unabhängig von Änderungen in der Gaszusammensetzung. Der Fachmann erkennt auch, dass die zuvor angegebenen

10

und weitere Änderungen in der beschriebenen Schaltung vorgenommen werden können, um äquivalente Wirkungen zu erzielen, ohne dass dabei der allgemeine Erfindungsgedanke verlassen wird, wie er in den Patentansprüchen angegeben ist.

M

5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

628 140 2 PATENTANSPRÜCHE fluoriden, Bariumtitanat, Bleizirkonattitanat, Quarz, Turmalin, hochpolymere organische piezoelektrische Materialien oder

1. Strömungsmessgerät für ein längs eines Weges strömendes polarisierte polykristalline ferroelektrische Keramikmaterialien Strömungsmittel, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14, aufweisenden Gruppe hat.

28) zum Bestimmen eines die Strömungsmittelströmung ein- 5 9. Strömungsmessgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 8,

schliessenden Weges, längs des Weges angeordnete erste und dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (VCO) zum auto-

zweite Umformer (24,26), eine mit dem ersten und zweiten matischen Einstellen der Frequenz der akustischen Drücke einen

Umformer verbundene Umformersteuerschaltung (38,40,50), Oszillator zum Erzeugen eines Signals bei einer Frequenz hat, die die während eines ersten Sende-Empfangs-Zyklus bewirkt, dass zumindest teilweise durch die Summe der ersten Phasendifferenz der erste Umformer (24) erste akustische Druckwellen in dem 10 und der zweiten Phasendifferenz bestimmt ist.

Strömungsmittel erzeugt und der zweite Umformer (26) bei 10. Strömungsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

Empfang dieser Druckwelle ein erstes Signal erzeugt und dass dadurch gekennzeichnet, dass die Umformer-Steuerschaltung während eines zweiten Sende-Empfangs-Zyklus der zweite (50) eine Einrichtung (Qi bis Q6) zum kontinuierlichen Umschal-

Umformer (26) zweite akustische Druckwellen in dem Strö- ten zwischen dem ersten Sende-Empfangs-Zyklus und dem zwei-

mungsmittel erzeugt und der erste Umformer (24) bei Empfang is ten Sende-Empfangs-Zyklus hat.

dieser Druckwellen ein zweites Signal erzeugt, durch eine Detek- 11. Strömungsmessgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 10,

toreinrichtung (58) zum Bestimmen einer ersten Geschwindig- dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (146,148) zum keitsangabe während des ersten Sende-Empfangs-Zyklus und Speichern der ersten Phasendifferenz und der zweiten Phasendif-

zum Bestimmen einer zweiten Geschwindigkeitsangabe während ferenz vorgesehen ist.

des zweiten Sende-Empfangs-Zyklus, durch eine Recheneinrich- 20 12. Strömungsmessgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 11,

tung (66) zur Summen- und/oder Differenzbildung aus der ersten gekennzeichnet durch eine auf das Differenzsignal ansprechende und zweiten Geschwindigkeitsangabe und durch eine mit der Einrichtung (Fig. 6) zum Korrigieren des Differenzsignals in ein

Umformersteuerschaltung (38,40,50) verbundene Einrichtung korrigiertes Strömungsgeschwindigkeitssignal.

(VCO) zum Einstellen der Frequenz der von dem ersten bzw. 13. Strömungsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12,

zweiten Umformer (24,26) erzeugten akustischen Druckwellen 25 gekennzeichnet durch akustisches Dämpfungsmaterial (30,32),

auf die Resonanzfrequenz. das längs des Weges an einer Stelle angeordnet ist, um die von

2. Strömungsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn- den Umformern (24,26) ausgesandten und reflektierten akusti-zeichnet, dass die Detektoreinrichtung (58) eine Messeinrich- sehen Druckwellen an den Enden der Einrichtung (24,28) zum tung (58) zum Messen einer ersten Phasendifferenz zwischen den Bestimmen des Weges wesentlich zu dämpfen.

vom ersten Umformer (24) erzeugten ersten akustischen Druck- 30 14. Strömungsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13,

wellen und dem ersten vom zweiten Umformer (26) erzeugten dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Bestimmen

Signal während jedes ersten Sende-Empfangs-Zyklus und zum des die Strömungsmittelströmung einschliessenden Weges einen

Messen einer zweiten Phasendifferenz zwischen den vom zweiten rohrförmigen Körper (14) aufweist.

Umformer (26) erzeugten zweiten akustischen Druckwellen und 15. Strömungsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14,

dem vom ersten Umformer (24) erzeugten zweiten Signal, wäh- 35 dadurch gekennzeichnet, dass die Umformersteuerschaltung je rend jedes zweiten Sende-Empfangs-Zyklus ist und dass die eine dem ersten und dem zweiten Umformer (24,26) zugeord-

Recheneinrichtung (66) die Differenz aus der ersten und zweiten nete Treiber-Empfängerschaltung (38, 40) umfasst. Phasendifferenz bildet, wobei die Grösse des Differenzsignals 16. Strömungsmessgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 15,

auf die augenblickliche Strömungsmittel-Strömungsgeschwin- dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der akustischen digkeit direkt bezogen ist und das Vorzeichen des Differenzsi- 40 Druckwellen auf einen solchen Wert gehalten ist, dass der gnals die Richtung der Strömungsmittelströmung längs des Durchmesser (D) im wesentlichen gleich 2,3 k ist, wobei X die

Weges angibt. Wellenlänge der von den Umformern (24,26) in dem Strömungs-

3. Strömungsmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch mittel erzeugten Druckwellen ist.

gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz für die von den

Umformern (24,26) erzeugten akustischen Druckwellen, die 45

natürliche Hohlraum-Resonanzfrequenz der 02-Mode ist, die das

Auftreten eines Resonanzechos über den Durchmesser (D) eines Die Erfindung betrifft ein Strömungsmessgerät für ein längs jeden der Umformer (24, 26) bewirkt. eines Weges strömendes Strömungsmittel.

4. Strömungsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, Ein typisches, mit akustischen Wellen arbeitendes Strö-dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Umformer 50 mungsmessgerätistinderUS-PS3 109 112 beschrieben. Dieses (24,26) jeweils voneinander getrennte, sendende und empfan- Strömungsmessgerät hat ein Paar von Umformern zum Erzeugen gende Umformer besitzen. und Empfangen von Druckwellen entweder im hörbaren oder

5. Strömungsmessgerät nach einem der Ansprüche 2bis 4, Ultraschall-Frequenzbereich. Diese Umformer sind innerhalb gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anzeigen der eines Gehäuses angeordnet, durch das das Strömungsmittel Summe der ersten Phasendifferenz und der zweiten Phasendiffe-55 fliesst. Die Umformer befinden sich abwechselnd in Sende- und renz, wobei die Grösse der angezeigten Summe sich auf die Empfangsbetriebsweise, so dass Druckwellen durch den senden-Schallgeschwindigkeit in dem Strömungsmittel bezieht. den Umformer, indem Gas erzeugtwird,undvon dem anderen

6. Strömungsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, Umformer empfangen werden. Durch Messung der Phasendiffe-dadurch gekennzeichnet, dass jeder Umformer (24,26) einen renz zwischen den ausgesendeten und empfangenen Wellen in zylindrischen Körper aufweist, dessen Innenmantelfläche im 60 beiden Richtungen wird die Geschwindigkeit des durch die wesentlichen fluchtend mit der Einrichtung (14,28) zum Bestim- Umformer hindurchgehenden Gases bestimmt.

men des die Strömungsmittelströmung einschliessenden Weges Eine Modifikation des in der vorstehend genannten US-

ausgebildet ist, so dass die Umformer (24,26) die Strömungsmit- Patentschrift beschriebenen Strömungsmessgerätes beruht auf telströmung nicht behindern. Umformern, die mit einem Sende- und einem Empfangsteil

7. Strömungsmessgerät nach Anspruch 6, dadurch gekenn- 65 ausgestattet sind, um irgendwelche Probleme infolge von Ände-zeichnet, dass jeder Umformer (24, 26) einen Kristall aufweist, rungen in der Gaszusammensetzung oder Temperatur des Gases

8. Strömungsmessgerät nach Anspruch 7, dadurch gekenn- im wesentlichen auszuschliessen.

zeichnet, dass das Kristallmaterial ein Material aus der Polyvinyl- Die vorstehend angegebene bekannte Vorrichtung erfordert,

3 628 140

dass der Umformer in dem Strömungsweg des Gases angeordnet von dem ersten bzw. zweiten Umformer erzeugten akustischen ist, dessen Geschwindigkeit gemessen werden soll oder in einem Druckwellen auf die Resonanzfrequenz.

Hohlraum in der Leitungswand angeordnet ist. Bei jeder Anord- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nung wird die normale Strömung des Strömungsmittels wesent- Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

lieh geändert, wenn es an dem Umformer vorbeiströmt, wodurch 5 Fig. 1 eine schematische Darstellung des Strömungsmessgerä-die Genauigkeit des Strömungsmessgerätes leidet. Ausserdem tes, einschliesslich einer Umformer-Anordnung, und ein Blockkönnen Feststoffteilchen in dem Strömungsmittel od. dgl. sich Schaltbild der ihm zugeordneten Schaltung;

um die Umformer herum sammeln, wodurch die Sende- und Fig. 2 eine detaillierte Schaltung eines Zeitimpulsgenerators

Empfangseigenschaften der Umformer verschlechtert werden. zum Steuern der Arbeitsweise der in den Fig.

4 und 5 gezeigten

Bei einem Versuch, diese und weitere Schwierigkeiten der io Schaltung;

bekannten akustischen Strömungsmessgeräte zu beseitigen, Fig. 3 ein Zeit-Impuls-Diagramm für die Schaltung der Fig. 2,

wurde ein Strömungsmessgerät entwickelt, das keine Hinder- und nisse längs des Strömungsweges hat und in der US-Patentanmel- Fig. 4 bis 6 detaillierte Schaltungen einer Ausführungsform dung Serial No. 599 245 vom 24. Juli 1975 beschrieben ist, der die der erfindungsgemässen Strömungsmessgerätschaltung, die die

US-PS 4 003 252 entspricht. Bei diesem Strömungsmessgerät 15 von der Schaltung der Fig. 2 erzeugten Zeitimpulse benutzt,

haben die Umformer eine im wesentlichen zylindrische Form und Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist das erfindungsgemässe Strö-

sind innerhalb der Wände der Strömungsleitung angeordnet, mungsmessgerät eine Umformeranordnung 10 auf, die im Längs-

wodurch alle Hindernisse in dem Strömungsweg wie auch Hohl- schnitt gezeigt ist, einen im wesentlichen zylindrischen Körper räume in der Leitungswand beseitigt sind, in denen sich Ablage- mit einer zentrischen Bohrung aufweist, die sich durch die rangen sammeln könnten. 20 Anordnung 10 erstreckt und durch die Gas in einer durch die

Obwohl dieses Strömungsmessgerät Hindernisse in dem Strö- Pfeile 12 angegebenen Richtung strömt. Diese Pfeile 12 geben mungsweg des Strömungsmittels wie auch Hohlräume in der die Gasströmung durch die Umformeranordnung 10 in einer

Leitungswand beseitigt, kann es ungenau werden oder vollstän- Richtung von links nach rechts in Fig. 1 an. Jedoch kann Gas dig ausfallen, wenn die Zusammensetzung des durch es hindurch- durch die Anordnung 10 auch in der entgegengesetzten Richtung fliessenden Gases unterschiedlich zu der ist, für das das Strö- 25 strömen, wenn dieses gewünscht ist.

mungsmessgerät abgeglichen ist. Tatsächlich ist dieses ein Die Umformeranordnung 10 ist im wesentlichen nach Massgemeinsames Problem bei den meisten akustischen Strömungs- gäbe der Beschreibung in der US-PS 4 003 252 ausgebildet, messgeräten, da die Geschwindigkeit der akustischen Druckfort- deren Offenbarung hiermit in die Beschreibung einbezogen wird, pflanzung innerhalb eines Gases eine Funktion seiner chemi- So kann die Umformeranordnung 10 der vorliegenden Erfindung sehen Zusammensetzung ist, so dass die Genauigkeit von typi- 30 zusätzlich ein zylindrisches Gehäuse aus Metall oder einem sehen akustischen Strömungsmessgeräten von seinem Abgleich anderen geeigneten Material, das in Fig. 1 nicht gezeigt ist,

für das bestimmte Gas abhängt, dessen Strömung zu messen ist. umfassen, das das Tragglied 14 umgibt. Das Tragglied 14 selbst

Das Erfordernis eines erneuten Abgleiches jedesmal dann, wenn ist vorzugsweise aus Polyurethanschaum, Schaumgummi oder das Strömungsmessgerät für ein anderes Gas benutzt werden einem anderen Material gefertigt, das gute akustische Dämp-

soll, ist bestenfalls zumindest unbequem. Bei Anwendungen, bei 35 fungseigenschaften hat. Zwei kreisringförmige Ausnehmungen denen die Gaszusammensetzung sich während der Benutzung 16 und 18 sind in der Innenwand des Traggliedes 14 ausgebildet des Strömungsmessgerätes ändert, z. B. bei Lungentätigkeits- und mit Abstand zueinander längs des Weges der Strömungsmit-

Funktionsanalysegeräten, sind akustische Strömungsmessgeräte telströmung angeordnet, die durch die Pfeile 12 angegeben ist.

ungenau, sofern keine korrigierende Rückkopplung von einem Zwei zusätzliche kreisförmige Ausnehmungen 20 und 22 sind an

Gasanalysegerät vorgesehen ist, um eine Änderung der Gaszu- 40 den entgegengesetzten Enden des Traggliedes 14 angeordnet,

sammensetzung zu kompensieren. Jeweils innerhalb und in Berührung mit den Oberflächen, die