DE2429822A1

DE2429822A1 - Ultraschall-stroemungsmesser

Info

Publication number: DE2429822A1
Application number: DE2429822A
Authority: DE
Inventors: Hidakazu Asada; Masaharu Maki; Miaki Yamamoto
Original assignee: Tokyo Keiki Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1973-06-23
Filing date: 1974-06-21
Publication date: 1975-02-13
Also published as: US3954008A; JPS5433542B2; JPS5021763A; DE2429822B2

Description

Ib 2932

Kabushiki Kaisha Tokyo Eeiki

Tokyo, Japan

Ultraschall-Strömungsmesser

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungsmesser mit zwei Ultraschall-Resonatoren, welche an einem von der zu messenden Flüssigkeit durchströmten Rohr angeordnet sind, mit einer ersten an die beiden Ultraschall-Resonatoren angeschlossenen Ultraschall-Einrichtung und mit einer zweiten an die Ultraschall-Resonatoren angeschlossenen Ultraschall-Einrichtung, welche einen Ultraschall-Impuls in entgegengesetzter Richtung zur Fortpflanzungsrichtung des Ultraschall-Impulses in der ersten Ultraschall-Einrichtung abgibt.

'Zs ist bereits ein Ultraschall-Strömungsmesser beschrieben worden, der nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 rind 2 näher erläutert ist. Dieser Strömungsmesser bereitet jedoch Schwierigkeiten bei der Unterscheidung der Impulse dor verschiedenen Systeme bzw. Einrichtungen. Außerdem nuß bei dieser vorgeschlagenen Anordnung die Messung innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls ausgeführt werden, so daß die Empfindlichkeit gering ist.

Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall-Strömungsmesser zu schaffen, der die ITach-

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teile des vorgeschlagenen Strömungsmessers vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einrichtung zur Erfassung einer Phasendifferenz zwischen den Ultraschall-Impulsen der ersten und zweiten Ultraschall-Einrichtung, durch eine Steuereinrichtung zur ständigen Steuerung einer Verzögerung der Ultraschall-Impulse der ersten und zweiten Ultraschall-Einrichtungen zur Konstanthaltung der Phasendifferenz durch ein erfasstes Ausgangssignal der die Phasendifferenz erfassenden Einrichtung und durch eine Einrichtung zur Feststellung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in Abhängigkeit von der gesteuerten Phasendifferenz.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei den Ultraschall-Einrichtungen handelt es sich um sogenannte Ultraschall-"Sing-Around"-Systeme.

Die Erfindung schafft vorteilhafterweise einen Ultraschall-Strömungsmesser, mit dem die Geschwindigkeit der Flüssigkeit positiv gemessen werden kann. Der erfindungsgemäße Ultraschall-Strömungsmesser weist zwei Ultraschall-Resonatoren auf, die an einem Rohr angeordnet sind, durch welche die zu messende Flüssigkeit fließt.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

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Pig. 1 eine schematische Darstellung eines vorgeschlagenen Ultraschall-Strömungsmessers,

Pig. 2A -und 2B Diagramme zur Erläuterung der Arbeits weise des Strömungsmessers gemäß Ifig. 1,

Fig. 3 eine scliematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, und

Pig· ^A bis 4-G Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung.

Es wurde bereits das sogenannte "Sing-Around"-Verfahren zur Ultraschall-Strömungsmessung vorgeschlagen. Dieses Verfahren wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 näher erläutert. In Pig. 1 bezeichnet 1 ein Rohr, durch welches eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser 2 in der durch einen Pfeil a gezeigten Richtung fließt. 3 "und 4-bezeichnen Ultraschall-Wandler, von denen jeder ein Ultraschall-Signal bzw. einen -Impuls überträgt und empfängt - diese Wandler werden im folgenden lediglich als Resonatoren bezeichnet - . Die Resonatoren 3 "und 4 sitzen gegenüber der Plußrichtung des Wassers an der Stromauf- und Stromabseite. Ultraschall-"Sing-Around"-Systeme A und B werden von Schaltungen oder Sende-Empfängern 5a bzw. 5b dargestellt.

Das System A oder der Sende-Empfänger 5a sendet einen Impuls Pa (Pig. 2A) am Ausgangsanschluß 6a zur Zeit t^, wie dies in Pig. 2B dargestellt ist. Der Impuls Pa kommt über den Resonator 3» das Wasser 2 und den Resonator 4 am

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Eingangsanschluß 7α des Sende-Eapfängers 5 an, wird dann im Sende-Empfänger 5a verstärkt und wieder vom Ausgangsanschluß 6a des Sende-Empfängers 5a am Zeitpunkt t« gemäß Fig. 1B gesendet. Dieser Zyklus wird anschliessend wiederholt.

Die Einrichtung B ist von der Einrichtung A hinsichtlich der Flußrichtung bzw. Bewegungsrichtung des Impulses Pb verschieden. Dies heißt, daß der Impuls Pb, der von Ausgangsanschluß 6b des Sende-Empfängers 5b zur Zeit t¹. abgegeben wird, Über den Resonator 4, das Wasser 2 und den Resonator 3 am Eingangsanschluß 7b ankommt, dann im Sende-Empfänger 5b verstärkt und zur Zeit t' (Fig. 2B) am Ausgangsanschluß 6b wieder abgegeben wird. Dieser Zyklus wird anschließend ebenfalls wiederholt. Das Bezugszeichen Ta in Fig. 2A stellt eine Periode des Impulses Pa und Tb gemäß Fig. 2B eine Periode des Impulses Pb dar.

Die Impulsperioden Ta und Tb sind einander gleich (Ta = Tb), wenn das Wasser 2 steht; wenn das Wasser 2 fließt oder die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers ungleich Null ist, wird die Periode Ta (in Vorwärtsrichtung) verkürzt und die Periode Tb (in RUckwärtsrichtung) verlängert, und zwar proportional zur Geschwindigkeit; dies bedeutet, daß Ta = Tb. Die Fig. 2A und 2B veranschaulichen letzteren Fall.

Wird die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers 2 im Rohr mit v(m/s), die Geschwindigkeit der Ultraschall-Impulse Pa und Pb im Wasser mit c(m/s) , der Abstand zwischen den

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Resonatoren 3 und 4, zwischen welchen sich die Ultraschall-Impulse ausbreiten, mit L(m) und der Winkel
zwischen der Strömungsrichtung a und der Fortpflanzungsrichtung der Ultraschall-Impulse im Wasser 2 mit 0 bezeichnet, dann ergeben sich die Impulsperioden Ta und Tb wie folgt:

Ta Tb -

c+vcosö L

C-VCOSO

Die Wiederholungsfrequenzen f und f-^ der zugeordneten
Impulse Pa und Pb können folgendermaßen dargestellt
werden!

	Λ -Ta-	c+vcosO	* _ 2vcosO
a	1 TB	Jj	D Jj
	c-vcosO
	■ ^h
Die Differenz	/If zwischen den Fr
gibt sich zu:
	a

er-

Aus vorstehender Gleichung ergibt sich, daß die
Frequenzdifferenz At nur eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit ν ist und somit die Strömungsgeschwindigkeit ν durch Messung von ΔΪ erhalten werden kann. Da somit in diesem Fall das Zeitintervall, in welchem sich der Impuls durch die elektrische Schaltungsanordnung bewegt,

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gegenüber demjenigen Zeitintervall sehr klein ist, in welchem sich der Impuls durch das Wasser 2 fortpflanzt, kann dieses Zeitintervall vernachlässigt werden.

Da die Perioden Ta und Tb unterschiedlich sind, wie es sich aus Pig. 2A und 2B ergibt - dies ist auch der Fall, wenn die ersten Impulse Pa und Pb von den Einrichtungen A und B an verschiedenen Zeiten t. und t'„. abgegeben werden - wird bei der vorgeschlagenen Anordnung gemäß Fig. 1 der Pail auftreten, daß die Impulse Pa und Pb zur gleichen Zeit oder nahezu zur gleichen Zeit nach erstmaliger Abgabe der Impulse abgegeben werden. Hierbei wird es schwierig, festzustellen, welcher Impuls welcher Einrichtung A und B zuzuordnen ist, so daß Schwierigkeiten zwischen den Einrichtungen A und B auftreten können.

Außerdem muß die Messung gemäß der vorgeschlagenen Anordnung in einem bestimmten Zeitintervall ausgeführt werden, so daß die Empfindlichkeit niedrig ist.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4A bis 4-C eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Strömungsmessers erörtert, wobei mit den Fig. 1, 2A und 2B übereinstimmenden Teile usw. mit gleichen Bezugszifferen bzw. Bezugszeichen versehen sind.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden die Ultraschall-Impulse Pa und Fb von beiden Einrichtungen A und B oder Sende-Empfängern 5a und 5"b an einen Phasenkomparator 18 angelegt, welcher

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die Phasen der Impulse Pa und Pb vergleicht und ein Vergleich-Ausgangssignal W erzeugt, welches in Fig. 4-C dargestellt ist. Das Ausgangssignal W wird an eine Inteferationsschaltung 9 angelegt und wird als integrierte Spannung oder Durchschnittsspannung V wiedergegeben, wie sie in Fig. 4-C durch die gestrichelte Linie 10 dargestellt ist. Die Amplitude E des Ausgangssignalε W des Komparators 8 wird immer konstant gehalten; die Breite tp dieses Signals wird in Abhängigkeit von dem Intervall zwischen den Impulsen Pa und Pb¹ geändert, worauf die integrierte Spannung V geändert wird. Ein RS-Plip-ITlop kann als Phasen-Komparator bzw. -Vergleicher benutzt werden, welcher durch den Impuls Pa als Setzimpuls und durch den Impuls Pb als Rückstell-Impuls angesteuert wird. Infolgedessen kann die integrierte Spannung V folgendermaßen dargestellt werden:

Erfindungsgemäß sind ferner eine Quelle 11 für eine konstante Bezugsspannung sowie ein Differentialverstärker 12 vorgesehen. An den Differentialverstärker wird eine Bezugspannung V_R von der Bezugsspannungsquelle 11 und die integrierte Spannung V von der
Integrationsschaltung 9 angelegt; der Differentialverstärker 12 erzeugt eine Differenzspannung Vq aus diesen beiden Spannungen (V₀ « G(V - V_R)), wobei G die Verstärkung .des Differentialverstärkers 12 darstellt. Die Differenzspannung V_Q wird als Steuerspannung an eine Schaltung 13 zur Periodensteuerung

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angelegt. Das Ausgangssignal der St euer schaltung 13 wird cn einen der Sende-üipfänger 5^a und 5b der 3inrichtungen A und 3, "beispielsweise an den Senöe-Srapfänger 5b der Einrichtung B geführt, um die Laufzeit des Impulses P"b durch die Einrichtung B oder die Zeit zu steuern, an der der Impuls Pb am Ausgangsanschluß 6b des S ende-Emp fänger s 5b mit der Folge abgegeben wird, daß die Abgabezeit des Impulses Pb gegenüber der Abgabezeit des Impulses Pa konstant wird.

Zur Steuerung der Laufzeit des Impulses Pb durch den Sende-Empfanger 5b kann es ausreichen, daß eine nichtdargestellte Verzögerungsleitung oder Schaltung für den Impuls Pb im Sende-Empfänger 5t> vorgesehen ist und die variable Verzögerungsleitung über die Zeit-Steuerschaltung 13 durch die Spannung V_c gesteuert wird. In der Praxis sind in den Sende-Smpfängern *?&■ bzw. 5"b nicht dargestellte Verzögerungsschaltungen mit teilweiser bzw. halber Voreinstellung vorgesehen. Die Impulse Pa und Pb der Einrichtungen A und B werden in gleicher Po-chtung durch Betätigung eines Schalters 14-cbgegeben und die Verzögerungsschaltung mit teilweiser Voreinstellung in den Sende-Iänpfängern 5a und 5"b werden eingestellt, damit die Perioden Ta und Tb einander gleich werden, d.h. Ta « Tb.

Venn die Bedingung c$>v in der Einrichtung A erfüllt wird, kann die Periode Ta folgendermaßen ausgedrückt werden:

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t, - ^A

c+vcoso ⁺ *a - T - -7F- ^{v +} *a " *0

Hinsichtlich der Einrichtung B kann der Zeitabschnitt Tb in ähnlicher Weise ausgedrückt werden:

+ *b ♦ *e ■ 5 *

"V 4*- **„ + *„

In dieser Gleichung sind t_n = L/c, Ät =y-2LcosQ/c . t_ und t, stellen hierbei die Verzögerungszeiten der Impulse Pa und Pb der teilvoreingestellten Verzögerungsschaltungen in den Sende-Empfängern 5a und 5c und t die Verzogerungszeit des Impulses aufgrund der variablen Vcrzogerungsschaltung im Sende-Smpfänger 5"t> dar.

Die Steuerspannung V« und die gesteuerte Verzögerungszeit t stehen im xiresentliehen in linearer Beziehung

zueinander, so daß gesetzt werden kann t β kV^, wobei k der Steuerempfindlichkeit der Perioden-Steuerschaltung Ί3 entspricht. Bei vorstehender Anordnung wird durch die Steuerspannung V₀ erreicht, daß Ta = Tb, so daß die Steuerspannung V^ und die Breite t der Ausgangsspannung V in nachstehender Weise darstellbar sind:

Tr **<j + tb — ta
v₀ » -j-

, Ta λτγ . ^YG >

Wenn somit bei der ersten Einstellung erreicht xtfird, daß t m t^, läßt sich die Steuersijannung Y„ durch nachstehende Gleichung ausdrucken:

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V_r = Δ t/k = ^gL,.^cosQ

Vorsteliender Ausdruck ergibt, daß die Steuer spannung Vq der Strömungsgeschwindigkeit ν des Wasser 2 proportional ist. Gemäß der Erfindung wird somit die Steuerspannung V„ in einem nicht dargestellten Voltmeter zur Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit ν des Wassers 2 wiedergegeben·

Vorstehende Beschreibung bezieht sich auf den EaIl, in dem der erfindungsgemäße Strömungsmesser stationär arbeitet. Sofort, nachdem eine elektrische Leistung an diese Einrichtung bzw· an diesen Strömungsmesser angelegt wird oder wenn die Einrichtung bzw. der Strömungsmesser in seiner Arbeitsweise durch Zufälle gestört wird, kann das Pliasenverhältnis zwischen den Impulsen der Einrichtung A und B nicht in dem normalen Verhältnis beibehalten werden. In diesem Fall wird die Phase des Impulses Pb in der Einrichtung B durch ein Signal von der Einrichtung A gesteuert, welche normalerweise über eine Startschaltung 15 arbeitet. In diesem Fall wird angenommen, daß die "Sing-Around"-Frequenzen beider Einrichtungen A und B gleich sind und die Phasendifferenz zwischen diesen beiden Einrichtungen im stationären Zustand sehr klein ist. Wenn die gesamte Einrichtung im wesentlichen den stationären Zustand erreicht hat, arbeitet ein nicht dargestelltes Heiais in der Startschaltung 15 derart, daß die Einrichtung B unabhängig die geeignete Funktion ausführt. Dieses Zeitintervall wird in der Praxis durch die Schaltungskonstante

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im voraus festgelegt. Die Arbeitsweise der Anordnung kann in einen normalen Zustand verbracht v/erden, ohne daß nach dem vorstehenden Prozeß eine Störung auftritt.

Ss ist besser, in Verbindung mit dieser Anordnung eine Einrichtung zur Korrektur der Schallgeschwindigkeit vorzusehen. Die erfindungsgemäße Anordnung schafft ein "Sing-Around"-STstem, welches sich zur Hecstmg der Schallgeschwindigkeit eignet, oo daß eine Korrektur der Schallgeschwindigkeit leicht erreicht werden kann.

Eine Ausführungsform, der Korrektureinrichtung für die Schallgeschwindigkeit wird nachstehend beschrieben. Als erstes ist ein Gleichstrom-Ausgang in der Einrichtung A vorgesehen, der proportional zur "Sing-Around"-Frequenz oder. Schallfrequenz sein kann. Die "Sing-Around-Arbeitsweise in der Einrichtung A unterscheidet sich etwas in Abhängigkeit davon, ob die Flüssigkeit fließt oder nicht; die Differenz kann jedoch in der Praxis vernachlässigt werden. Dies bedeutet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers meistens etwa 0,1% der Schallgeschwindigkeit im Wasser 2 beträgt. In jedem Fall wird

ρ die Gleichspannung proportional zu c aufgrund der "Sing-Around"-Arbeitsx'ieise der Einrichtung A erhalten, wobei c die Schallgeschwindigkeit im Wasser darstellt; die somit erhaltene Gleichspannung wird an die Korrekturschaltung. 16 für die Schallgeschwindigkeit zusammen mit der Steuerspannung V~ angelegt, um in der Schaltung 16 ausgewertet bzw. berechnet zu werden. Die Korrekturschaltung 16 liefert dann ein Ausgangssignal, welches der genauen Wassergeschwindigkeit ν entspricht.

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Venn die St euer spannung Y„ bei einer Wassergeschwindigkeit von Null gleich Null ist, ist eine Messung nur dann möglich, wenn das V/asser nur in .einer Richtung fließt. Wenn jedoch der Wert der Steuerspannung V^ ungleich Null, jedoch mit einem geeigneten Wert gewählt wird, läßt sich die Messung auch "bei in entgegengesetzter Richtung fließendem Wasser ausführen.

Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rohr gemessen wird, kann der Strömungs- bzw. Durchflußwert leicht erhalten werden, weil die Querschnittsfläche des Rohrs leicht gemessen oder im voraus ausgemessen werden kann.

Durch die Erfindung kann somit offensichtlich vorteilhafterweise ein Kalorimeter geschaffen werden, da die Wassertemperatur aufgrund der Schallgeschwindigkeit im Wasser gemessen und die Wärme des Wassers in Abhängigkeit von der Wassertemperatur und dem Durchflußwert gemessen wird.

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Claims

it 2932

-ö-

Patentansprüche

Ultraschall-Strömungsmesser mit zwei Ultraschall-Resonatoren, welche an einem von der zu messenden Flüssigkeit durchströmten Rohr angeordnet sind, mit einer ersten an die "beiden Ultraschall-Resonatoren angeschlossenen Ultraschall-Einrichtung und mit einer zweiten an die Ultraschall-Resonatoren angeschlossenen Ultraschall-Einrichtung, welche einen Ultraschall-Impuls in entgegengesetzter Richtung zur Fortpflanzungsrichtung des Ultraschall-Impulses in der ersten Ultraschall-Einrichtung abgibt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (8) zur Erfassung einer Phasendifferenz zwischen den Ultraschall-Impulsen der ersten und zweiten Ultraschall-Einrichtung (A, B), durch eine Steuereinrichtung (13) zur ständigen Steuerung einer Verzögerung der Ultraschall-Impulse der ersten und zweiten Ultraschall-Einrichtungen zur Konstanthaltung der Phasendifferenz durch ein erfasstes Ausgangssignal der die Phasendifferenz erfassenden Einrichtung (3) und durch eine Einrichtung (3, 4) zur Feststellung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in Abhängigkeit von der gesteuerten Phasendifferenz.
2. Ultraschall-Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (16) zur Korrektur der Schallgeschwindigkeit vorgesehen ist.
3. Ultraschall-Strömungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (16) zur

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Korrektur der Schallgeschvjindigkeit eine elektrische Schaltung zur Korrektur der Scliallgeschwindigkeit ist, welche mit einer dem Quadrat der Schallgeschwindigkeit proportionalen Gleichspannung sowie einer Steuerspannung gespeist wird.

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