DE2552315A1 - Kontrollverfahren und einrichtung fuer den fluessigkeitsdruck in rohrleitungen - Google Patents
Kontrollverfahren und einrichtung fuer den fluessigkeitsdruck in rohrleitungenInfo
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Description
NACKQEREfCHT]
530-24.994P 21. 11. 1975
1. Eleonora Draitrievna Krylova (Kiseleva), MOSKAU - UdSSR
2. Nikolai Ivanovich Brazhnikov, MOSKAU - UdSSR
KüfiTSUlIiV.ßiiEÄHfiäN 0^0 EINRICHTUNG FÜR DEN FLÜSSIGKEITSDRUCK IN
ROHRLEITUNGEN
Die vorliegende Erfindung betrifft die .Anwendung von Ultraschallschwingungen
zur automatischen Fernkontrolle für Parameter flüssiger Medien bei technologischen Kontrollverfahren, insbesondere
ein Kontrollverfahren für den Flüssigkeitsdruck in Rohrleitungen .
und Einrichtungen zu dessen Durchführung auf der Basis von Ultraschallschwingungen·
Die Erfindung kann in der Flugzeug-, chemischen, Hütten-, Schiffbauindustrie und fur andere technische Anwendungen zur automatischen
kontaktlpsen Überwachung des flussigkeitsdrucke in Bohrleitungen
eingesetzt werden»
Es sind Kontrollmeßverfahren fur den Flüssigkeitsdruck in
ten -^ Rohrleitungen Dekanat» Darunter hatr eine oreite Anwendung Druck-Meßverfahren
nach der Verformung eines elastischen Elementes gefunden· Dieses Verfahren besteht darin, daß in eine zu überwachende
Rohrleitung mittels einer Eilfsarmatur ein elastisches Fühlelement
530- (P. 6297 Vl) -HdSl
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NACHaEREICHT
in Form einer Membran, eines »»ellrohres oder einer Rohrfeder eingebaut wird, dessen Verformung proportional dem Druck in der zu überwachenden
Flüssigkeit ist.
Aufbauend auf diesem Verfahren sind Manometer für eine sicht- und Fernkontrolle (s· beispielsweise D.i. Ageikin u.a. "Geber fur
üontrolle und ttegelung11, Moskau., 19^5) realisiert worden·
Jedoch erfordert die Anwendung des oben genannten Druck-Kontrol^·
Verfahrens einen unmittelbaren Kontakt des Fühlelement es mit der zu
überwachenden Flüssigkeit und folglich die Anwendung einer speziellen
■Armatur zu dessen Einbau in die "Rohrleitung vor der Druckmessung»
Bei der Eontrolle einer Reihe von Parametern der Funktionsfähigkeit hydraulischer Systeme entsteht in manchen Fällen die Notwendigkeit in der Erhaltung zusätzlicher Informationen über den
Flüssigkeitsdruck auf den Strecken der hydraulischen Systeme, wo die
Druckmessung unter Anwendung einer stationär angeordneten Apparatur
unmöglich ist· in diesem Fall ist es zur Druckmessung nötig, eine
Rohrleitungsstrecke zum Einbau zusätzlicher J^an-ometer zu demontieren,
was eine Vergrößerung der Kontrollzeit durch einführung von Demon-
« ■ - . ■
tage operationen und einer erneuten Montage des Systems und dessen zusätzlicher Auffüllung veranlast· Darüber hinaus hat das hydraulische Verluste zur Folge, die bei der Demontage dei1 Rohrleitungen auftreten.
tage operationen und einer erneuten Montage des Systems und dessen zusätzlicher Auffüllung veranlast· Darüber hinaus hat das hydraulische Verluste zur Folge, die bei der Demontage dei1 Rohrleitungen auftreten.
In der letzten Zeit wird immer mehr Aufmerksamkeit kontaktlos
en Druck-Kontrollverfahren bei Rohrleitungen geschenkt, die es gestatten, die Drucküberwachung erheblich zu vereinfachen, deren LejL-
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stungsfähigkeit zu erhöhen und hydraulische Verluste auszuschließen·
Die kontaktlosen Druck-Meßverfahren können in üwei Hauptgruppen
zur Erhaltung von Aussagen über den Druck aufgeteilt werdeni
1) nach einer Verformung der Rohrleitungswandungi
2) nach einer Parameter änderung der durchdringenden Strahlung.
zur ersten Gruppe zählen tensometrische und piezoelektrische
Druck-Kontrollverfahren (s· beispielsweise A#M, Turichin "Elektrische
Messungen von nichtelektrischen Groß en" ι Moskau-Leningrad, i960).
Bei der Ausnutzung dieser Druck-Iiontrollverfahren werden auf
• .bzw. -Dehnungsmeßstreifen»CDMS^
der Außenfläche der fiohrleitung ein !Tensogeber/oder ein Ple.zoeiement
stationär angeordnet» In diesem Fall tritt bei Druckänderung
der zu überwachenden Flüssigkeit eine Verformung der Rohrleitungswandung
ein,die eine Änderung des Widerstandes des iensogebers oder
die des elektrischen Potentials des Piezoeleaentes bewirkt» Diese
Änderungen werden durch eine elektrische Meßschaltung registriert,
an deren Ausgang ein dem Flüssigkeitsdruck proportionales elektrisehes
Signal abgenommen wird»
Bei Fehlen des Kontaktes des Fühlelementes mit der zu überwachenden
Flüssigkeit bleibt jedoch im Anwendungsfall dieser Verfahren
die Notwendigkeit einer vorhergehenden stationären Anordnung des Fühlelementes auf der Außenfläche der Rohrleitung bestehen·
So wird bei Anwendung des iTensionsmeß verfahr ens aus dem hydraulischen
System eine Rohrleitungsstrecke ausgebaut, auf sie ein Tensogebei? aufgeklebt, auf einem speziellen Stand geeicht, worauf
die Rohrleitung in das System erneut eingebaut und der Druck gemes-
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[ MA
— 4. .»
sen wird.
Darüber hinaus kann Im piezoelektrischen Verfahren nur
dejc dynamische Druckanteil genäsen weiden. Die Kennlinien der
Wandler dieses Typs sind zeitlich instabil und sind stark temperaturabhängig.
Zu den kontaktlosen Druck-Kon tr ο liver fahr en unter Verwendung
durchdringender Strahlung wird das Druck-MeßVerfahren mittels Ultraschallschwlngungen
zugerechnet. Dieses Verfahren beruht auf der Abhängigkeit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallschwin—
gungen in der Flüssigkeit vom Druck.
üs ist ein auf der Abhängigkeit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der iJltraschallschwingungen in Flüssigkeit vom Druck aufbauende?.
Ultraschall-Kontrollverfahren für den Flüssigkeitsdruck (s. beispielsweise US-PS 3504546) bekannt.» Dieses Verfahren,
geht dahin, daß durch Erreger impulse periodisch Ultra scha ilschwingungen
angefacht werden, die durch die zu überwachende Flüssigkeit
Tc
durchgelassen, empfangen und in Signalimpulse umgewandelt werden,
deren zeitliche Verschiebung bezüglich der Erregerimpulse von der
Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schwingungen und folglich vom Flüssigkeitsdruck
abhängt.· Zugleich damit werden aus den Erreger impulsen
mit einer Zeitverzögerung Bezugsimpulse geformt o Des weiteren werden
aus den Bezugs- und Signalimpulsen Informations impulse geformt,
deren Dauer vom Druck in der zu überwachenden Flüssigkeit abhangig
ist. Die erhaltenen Informationsimpulse werden in ein Reg is trier signal
umgesetzt, dessen Impulszahl zum Druck in der zu überwachenden
Flüssigkeit proportional ist·
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γ —
J NACHÖEREICHT
Dieses Druck-Kontrollverfahren gestattet es, den Druck im
weiten Bereich naoh der Änderung de* Fortpflanzungsgeschwindigkeit
den ^Itraschallschwingungen zu ermitteln, die durch, die Druckänderung
bedingt ist»
Jedoch wird im Fall de* anwendung dieses Verfahrens der Druck
nicht in der zu überwachenden Flüssigkeit selbst, sondern in einem
intermediären akustisch leitenden Mittel gemessen m welches der
Druck von der zu überwachenden Flüssigkeit übertragen wird* Darüber hinaus gibt es im oben beschriebenen Verfahren eine
nichtlinease Abhängigkeit des zu registrierenden Druckes von der
« « /v*^ · * ·· * *
•Äusbreltungszeit *- der Ultraschallschwingung en in der Flüssigkeit,
was einen zusätzlichen Fehler in die Druckmessung einführt.· Dies
ist darin begründet, daß die zeitliche Verschiebung Δ C- der Ultraschalls
chlringungen bezüglich der Erregerimpulse mit hinreichendem
Annäherungsgrad eine folgende Abhängigkeit von den Änderungen Λ G
der Fortpflanzungsgeschwindigkeit C der Ultraschallschwingungen ^
der zu überwachenden Flüsigkeit in Bezug auf deren iinfangswert G
bei Fehlen des Druckes:
aufweist,
wobei H^0 - die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallschwin
gungen in d€tr zu überwachenden Flüssigkeit beim anfangs
wert C0 der Ultraschallgeschwindigkeit
bedeutet·
ist eine das betrachtete Verfahren realisierende Jüinrich-
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/.->,.....· ; ^rir.iOHT
tung (s, beispielsweise US-.PS 3504546) bekannt, die
einen einen Strahler und einen Empfänger für Ultraschallschwingung en
einschließenden Ultraschall-Meßwan&ler} einen, an den strahler und
über eine Zeitverzögerungseinheit an einen Bezugsimpulsformer angeschlossenen
Generator für Erregerimpulse enthält, wobei der .Ausgang
des vorletzten an einen Eingang eines ^nf ormationsimpuisforniers
gekoppelt ist· Ώθσ andere Eingang des Infojemationsimpulsforniers ist
übei1 einen Ve* stärke υ und einen uignalimpulsfo^mer mit dem litüpf anger
elektrisch gekoppelt« Der ausgang des Informations impulsf or Biers ist
mit einem an einen Registrierer angescnalteten Informations impulswandler
verbunden·
Bei dieser Einrichtung wird die Druckmessung nicht in der
zu überwachenden Flüssigkeit selbsty sondern in einem intermediären
akustisch leitenden Mittel vorgenommen· 2»ur Druckübertragung von
der zu überwachenden Flüssigkeit auf das intermediäre Mittel, in dem die Messung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallschwingungen,
erfolgt, ist bei der Einrichtung ein vom intermediären Mittel gefüllter und mit der von der zu überwachenden Flüssigkeit
gefüllten Rohrleitung kommunizierender Hohlzylinder vorgesehen» Im
Zylinder ist ein spezielles Wellrohr angeordnet, in das die zu überwachende
Flüssigkeit geleitet wird«
Darüber hinaus wird zur Verringerung von Temperaturfehlern
bei der Druckmessung eine Thermostabilisierung des Jäylindera mit
dem intermediären Mittel in der Weise durchgeführt, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Ultraschallschwingungen in der Flüssigkeit in einem Temperaturbereich gemessen wird, wo die Tempera-
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NAC! -!CtERElOHTl
tureinwirkung auf die Ultraschallgeschwindigkeit minimal ist. 2iu
diesem Zweck sind bei der Einrichtung Thermostabilisierungselemente
und . . ,
vorgesehen, die Heiz- und Kühlelemente/ Temperaturregeleinheiten einschließen,
die die Konstruktion der Einrichtung wesentlich komplizieren»
Im Zusammenhang damit, daß es notwendig ist, den Druck aus der zu überwachenden !flüssigkeit auf das intermediäre Mittel zu
übertragen, ist in der zu überwachenden Rohrleitung ein spezieller
Auslaß ftur Druckübertragung vorzusehen, was sie unbrauchbar für die
Drucküberwachung macht«
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kontaktloses
Eontrollverfahren £Ür den Flüssigkeitsdruck in Rohrleitungen mittels
Ultraschallschwingungen zu entwickeln und eine betriebseinfache
Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahren3 zu schaffen,
die eine Druckmessung in der Flüssigkeit an einem beliebigen Punkt
der Rohrleitung mit hoher Genauigkeit und in einem weiten Saderungsbereich
für Druck und (Temperatur der zu Überwachenden Flüssigkeit durch Verringerung der Ulchtlineafiitat der Anzeigen des Registrieren
und die des. Xe mper at urfehler s der Flüssigkeit ermöglichen und zur
selben Zeit eine Reduzierung der Kontrollzeit und eine Beseitigung
von Verlusten der Betriebsflüssigkeit dank der Eontaktlosigksit des
Verfahrens gewährleisten»
Diese Aufgabe wird dadurch gelost, daß im Eontrollverfahren
für den Flüssigkeitsdruck in Rohrleitungen mittels Ultraschall-Schwingungen,
bei dem ^ durch Erregerimpulse periodisch
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Ultraschallsckwingungen angefacht werden,die durch die zu Überwachende
Flüssigkeit durchgelassen, empfangen und in Signalimpulse,
deren zeitliche Verschiebung bezüglich der Erregerimpulse von der
Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallschwingungen und dementsprechend vom Druck der zu überwachenden Flüssigkeit abhängt,
umgewandelt, gleichzeitig damit aus den Erregerimpulsen mit einer
Zeitverzögerung Bezugsimpulse, ferner aus den Bezugs- und signalimpulsen
Informationsimpulse, deren Dauer vom Druck in der zu uber-
wachenden Flüssigkeit abhängig ist, geformt/ die erhaltenen Informationsimpulse
in ein Registriersignal, dessen .Amplitude oder Impulszahl
proportional dem Druck in der zu überwachenden Flüssigkeit ist,
umgesetzt werden, die Uiteaschallschwingungen gemäß der Erfindung
in die zu überwachende Flüssigkeit eingeführt und daraus über die
, werden, und daTS
Rohr le it ungs wandung empfangen /q in Steuersignal, dessen .Amplitude
proportional der Ausbreitungszelt der Ultraschallschwingungen in der Flüssigkeit ist, erzeugt und mit seiner Hilfe die .Amplitude
der Informations impuls e geregelt wird;·
Zweckmäßig ist, das Steuersignal aus den Inf or ma ti ons impugn
zu formen, wobei die Amplitude des Steuersignals proportional zur
Dauer der Informationsimpulse eingestellt wird«
Die Amplitudenregelung des Informationsimpulses kann durch
Multiplikation der Amplitude des Informations impulses mit der Amplitude
des Steuersignals vorgenommen werden·
is ist auoh bequem, die Amplitude des Informationsimpulses mit
Hilfe einer Division der Amplitude des Informations impulses durch
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NACHGEREICHT
die Amplitude des Steuersignals zu regeln·
kjweckmäßig wird die Temperatur der zu überwachenden Flüssigkeit
gemessen und ein üilfssignal erzeugt, dessen Amplitude zur gemessenen
Temperatur proportional ist, die Amplituden des nilfs-
und des registrier signals addiert und nach dem Betrag der Gesamtamplitude
den Druck der zu überwachenden Flüssigkeit ermittelt·
Es ist bequem, das Vorzeichen (Polung) des üilfssignals bei
der Drucküberwachung von Flüssigkeiten mit negativem Tempe raturkoef*
fizienten des Ultraschallgeschwindigkeit gleich dem Vorzeichen
des üegis trier signals und bei positivem Viert dieses Koeffizienten
entgegengesetzt au diesem zu nehmen«
Die oben gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß bei
der Einrichtung zur Verwirklichung des Kontrollverfahrens für den Flüssigkeitsdruck in, äohrleitungen mittels Ultraschallschwingungen,
die einen einen Strahler und einen Empfänger für Ultraschallschwin-
'■■■
und
gungen aufweisenden Ultjjaschall-Meßwandler /einen Generator für
Erreger impulse enthält, der an den Strahler und über eine ^eitverzögerungseinheit
an einen Bezugsimpulsformer angeschlossen ist,
dessen Ausgang an einen Eingang eines Informationsimpulsformers ge^·.
koppelt ist, dessen anderer Eingang über einen signalimpuls£srmer
und einen Verstärker an den Empfänger angeschaltet Ist, während der Ausgang des Informationsimpulsformers mit einem an einen Registrierei
gekoppelten Ihformationsimpulswandler elektrisch verbunden ist, der
Strahler und der Empfänger für Ultraschallschwingungen gemäß der Erfindung auf den gegenüberliegenden strecken der Außenfläche der
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j NACHCaEnEICHT
Rohrleitung angeordnet sind und daß zusätzlich ein Steuersignalformel:
und eine implitudenregeleinheit für Informationsimpulse,
deren einer Eingang an den Ausgang des Xnformationsimpulsformers
direkt und daen «ndereP Eingang Über duu Stauarsignctlformer ange·-
cchlossen ist, wobei deren Ausgang mit dem Informationsimpulswandler
verbunden ist, vorgesehen sind.
Zweckmäßig wird der Steuersignalformer als eine an den
Informationsimpulsformer angeschlossen« "ReVhensci^ltupg aus einem
Integrator» einem Gleichstromverstärker, dessen Ausgang an die Kegeleinheit gekoppelt Ist, und einem mit dem zweiten eingang des
Verstärkers verbundenen BezugssignaleInsteller ausgeführt.
Man kann auch die Kegeleinheit als eine iuultlpllkationsb·
einheit ausführen.
2>\üeckmäßig ist es auch, die Kegeleinheit als eine Divisionseinheit
auszuführen.
is ist auch sinnvoll, über eine l'empjraturkompensationseinheit,
einen an sie angeschlossenen, auf der Außenfläche der Rohrleitung in unmittelbarer Nähe des Ultraschall-Meßwandlers angeordnet
ten Temperaturfühler und einen ßummator zu verfügen, dessen einer
Singeing an den -ausgang der Temperaturkompensationseinheit, dessen
andereran den Ihformationsimpulswandier und der .ausgang an den Eegistrierer
angeschlossen ist.
Das oben beschriebene Kontroliverfahren für den Flüssigkeitsdruck
bei Rohrleitungen mittels Ultraschallschwingungen und die Einrichtung zu dessen Verwirklichung weisen eine Heihe von Vorteilen
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_.————r
Ι», ι y-ni-rl
- 11 -
gegenüber dem bekannten Verfahren und de* bekannten Einrichtung auf.
Das Verfahren und die Einrichtung schließen vollkommen die
Notwendigkeit einer Demontage der Rohrleitung zu* kessung des
Flüssigkeitsdruck^ in der Rohrleitung aus· Dies wird dadurch erreicht,
daß die Einführung der Ultraschallschwingungen in die zu
überwachende Flüssigkeit und deren anschließender Empfang unmittelbar
durch die Rohrleitungswandung bei der Anordnung des Strahlers
und des Empfangers fur Ultraschallschwingungen auf der Außenfläche
der Rohrleitung erfolgen· Hierbei kann die Druckmessung in einem
beliebigen Punkt der Rohrleitungen des hydraulischen Systems vorgenommen
werden· Dies gestattet es, die .Arbeitsintensität der Kon—
• * « ■«
trolle durch Eliminierung der Demontage und der erneuten Montage
der Rohrleitungen, der Hydraulik bei der Anordnung des Meßwandlers,
durch die von Operationen zusätzlicher Pullung hydraulischer Systeme,
deren. Spülung und Prüfung auf eine hermetische Abdichtung nach
der erneuten Montage erheblich zu reduzieren· Außerdem werden hierbei
die bei der Demontage der Rohrleitungen der hydraulischen Systems
entstehenden Verluste der Betriebsflüssigkeit ausgeschlossen«
Darüber hinaus gewährleisten das oben beschriebene Verfahren und die Einrichtung eine Messung des Flussigkeitsdrucks in einem
weiten Anderungsbereich für Druck und temperatur mit hoher Meßgenauigkeit·
Dies wird durch Verkleinerung der Michtlinearität der Anzeigen
des Registrier er s bei eines Änderung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Ultraschallschwingungen in der zu überwachenden Flüssigkeit, die vom Druck in der letzteren abhängig ist, erreicht.·
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NAGHOaERElCHT
-12·*
Die Yerkle ine rung der genannten Nicht linearität wird durch
Formung ' aus den Informationsimpulsen von Steuersignalen, deren
Amplitude proportional der Dauer der Informationsimpulse ist, und
durch Amplitudenregelung der Inf or mat ions impulse mit deren Hilfe ge«
währleistete infolgedessen wird der Druckmeßbereich beträchtlich
erweitert«
Darüber hinaus sichern das oben beschriebene Verfahren und die Einrichtung eine stabile Arbeit der elektronischen Schaltung
der Einrichtung bei Temperaturänderung der Flüssigkeit in einem
weiten Bereich·
Dies wird dadurch gewährleistet, daß bei · der Druckmessung
die Temperatur der zu Überwachenden Flüssigkeit gemessen und ein Hilfssignal» dessen Amplitude zur gemessenen Temperatur
proportional ist', geformt, die Amplituden des Hilfssignals und
des ßegistriersignals addiert und nach dem Betrag der Gesamtamplitude
der Druck der zu überwachenden Flüssigkeit ermittelt werden.
. ■ Di-e λ Erfindung
wird- nachstehend <-* anhand der Beschreibung ihrer
Ausführungsbeispiele und Zeichnung erläutert· Es zeigt:
Fig. 1 Blockschaltung der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung
für den Flüssigkeitsdruck mittels Ultraschallschwingungenj
Fig. 2 Prinzipschaltung des Steuerimpulsformerß und der Segeleinheit)
gemäß der Erfindung;
m-ne ■ m
Fig« 3/andere Ausführungsvariante der Blockschaltung der erfindung
sge maß en Einrichtung}
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NACHQEREiOHT
-13 -
Fig· 4 Impulsdiagramme £ür die Arbeit der einzelnen Einheiten
der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Die Einrichtung zur Durchführung des Kontrollverfahrens
für den Flüssigkeitsdruck in einei Rohrleitung enthalt . einen
Strahler 2 und einen Empfänger 3 für Ultraschallschwingungen bekanntet
Konstruktion delr Strahler vom piezoelektrischen Typ einschließenden
UltraschallwMeßwandler 1 (Fig· 1)· Der Generator 4 für iarregerimpulse
ist nach bekannte* Schaltung für die Stoßerregung eines Stromkreises ausgeführt· Der Generator 4 ist an den Strahler 2 und
über eine Zeitverzögerungseinheit 5 aa einen Bezugsimpulsformer 6
angeschlossen, dessen Ausgang an einen eingang eines Informationsimpulsformers
7 gekoppelt ist. An den anderen Eingang dee Formers 7
ist über einen Signalimpulsformer 8 und einen Verstärker 9 der ism>pfänger
,3 angeschlossene
Die Zeitverzögerungseinheit 5 is* in bekannter Weise ausgeführt·
Der Signalimpulsformer 8 und der Bezugsimpulsformer 6 sind in Gestalt von itechteckimpulsjßj&rmern nach bekannter Jüiultivibratorschaltung
und der Informationsimpulsformer 7 nach bekannter Schaltung
einer zeitlichen Vergleichseinheit ausgeführt·
Der Strahler 2 und der iimpfänger ^ sind auf den gegenüberliegenden
Strecken der Außenfläche einer mit einer zu überwachenden Flüssigkeit 11 gefüllten Rohrleitung 10 angeordnet«,
Die Einrichtung enthält auch einen Steuersignalformer 12
und eine Amplitudenrege!einheit 13 für Informationsimpulse· Ein Eingang
der Segeleinheit 13 ist unmittelbar an den Ausgang des Informa-
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tlonsirapulsformers 7 und der andere - über den Steuersignalformer
12 angeschlossen· Der .ausgang der .Amplittudenregeleinheit 13 fur
Informal; ions impulse ist mit einem Informationsimpulswandler 14
verbunden, an dessen Ausgang ein Eegistrierer 15 angekoppelt ist»
Der Steuersignalformer 12 ist in Gestalt einer an den Informations
impulsformer 7 angeschlossenen ßeihenschaltung aus einem Integrator
16, einem Gleichstromverstärker 17 und einem an den Verstärke!
17 gekoppelten Bezugssignaleinsteller 18 ausgeführte
Der Integrator 16 (E1Ig* 2) ist in Form eines Heihenkreises
aus einem Widerstand 19 und einem Kondensator 20 ausgeführt· Der
Eingang des Integrators 16 ist über einen Iimitterfolger 21 an den
Ausgang des Inf ormat ions impulsformer s 7 angeschlossen·
υβ£ Gleichstromverstärker 17 ist in Form eines Transistors
ausgeführt, bei dem der Widerstand 23 des Basisanschlusses in
den Nebenschluß mit dem Kondensator 20 des Integrators 16 gelegt ist· Die Rückkopplung kommt im Verstärker 17 durch einschaltung in
dessen Emitterstromkreis eines Widerstandes 24 zustande· Sür die
Vorspannung an der Basis des Transistors 22 sorgt ein wider stand 25,
als Kollektor last des Transistors 22 tritt ein widerstand 26
auf. Gespeist wird der !transistor 22 von einer Gleichstromspannungsquelle
E^·
Der Bezugssignaleinsteller 18 ist in Form des zwischen der
Speisespannungsquelle E^ und dem Basisanschluß des Transistors 22
liegenden Widerstandes 25 ausgeführt·
Die Amplitudenrege Ie inhe it 13 für Informations impulse ist
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J NACHGERaOHT
In Form einer aus einem widerstände 27 - 28 einschließenden «ilderstandsdätüpf
ungsglied und einer Diode 29 bestehenden Multiplikationseinheit
ausgeführt· Der widerstand 2? liegt in Reihe mit dem widerstand
28 zwischen dem Kollektoranschluß des Transistors 22 und der Anode der Diode 2§ · Die Katode der Diode 29 ist an den Eingang des
Integrators 16 angeschlossen· Der Ausgang der Kegeleinheit 13 ist
Über einen Trennko^ensator 30 an den Informationsfcrnpulswandler 14
angekoppelt. Des Wandler 14 und der Registrierer 15 sind in bekannter
Weise ausgeführt·
Die Kegeleinheit 13 kann auch in Form einer (in der Zeichnung
nicht angedeuteten) aus Operationsverstärkern in bekannter Weise
■er · · .. *
aufgebauten Divisionseinheit ausgeführt sein·
Die oben beschriebene Einrichtung gewährleistet eine Druckmessung
der Flüssigkeit 11 bei der Rohrleitung 10 In einem weiten Druckbereloh
nur bei konstanter Temperatur der Flüssigkeit 11. Im lalle einer Änderung deren Temperatur entstehen Fehler bei der Druckmessung·
Zur Beseitigung dieser Fehler kommt eine andere in Fig· 3 gezeigte
Variante der Einrichtung zur .Anwendung·
Die Einrichtung gemäß dieser Ausführungsvariante weist außer
dem beschriebenen Strahler @, iimpfanger 3, Generator 4, Formern 6,
7% 8| Regeleinheit 13f Wandler 14 eine Temperaturkompensationseinheit
31 mit einem ^daran angeschlossenen Temperaturfühler 32 auf. Der
Temperaturfühler 32 ist auf der Außenfläche der Rohrleitung 10 in unmittelbarer Nahe des Strahlers 2 für Ultraschallschwingungen angeordnet«
Die Einrichtung enthält auch einen Summator 33, von dem eine
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ns an den ausgang der Temperaturkompensationseinheit 31» <ler
andere an den Inf ormationsimpulßwandler 14 und del1 Ausgang an den
Registriere!· 15 angekoppelt ist.
Das Vorhandensein des Temperaturfühlers 32, der Temperaturkompensationseinheit
31 und des Summators 33 gestattet es, den
durch die Temperatur änderung der zu überwachenden Flüssigkeit Verursachten
Meßfehler wesentlich geringer zu halben.
bur Erläuterung der Arbeit der oben beschriebenen Einrichtungen
sind in Fig.4a, b, c, d, e,f, g, h, ι, k, 1 Impulsdiagrainme for
die Arbeit tton jeweiligen Einheiten 4, 9, 8, 5» 6, 7, 16, 13, 14,
32, 33 der einrichtung aufgeführt·
In 33'ig· 4b sind Impulse 34 der Ultraschallschwingungen dargestellt,
die durch die zu überwachende Flüssigkeit 11 hindurchgeschoben, und Impulse 35t d-ie ν0Λ· ^er Innenfläche der Rohrleitung
mehrfach rückgestrahlt worden sind,»
Das KontroZlverfahren für den Druck der Flüssigkeit 11 bei
der Rohrleitung 10 mittels Ultraschallschwingungen kommt in den oben beschriebenen Einrichtungen wie folgt zustande* -
Der Generator 4 erzeugt in Flg. 4a wiedergegebene elektrische
Erreger impulse, die am Strahler 2 mit einer konstanten Pulsperiode
T eintreffen. Die Impulsfolgeperiode wird in Abhängigkeit von der erforderlichen Meßgenauigkeit für den Druck gewählt, die ihrerseits
vom Durchmesser der Rohrleitung 10 abhängig ist»
Ben Strahler 2 schickt, angeregt durch die elektrischen Impulse
vom Generator 4, durch die Wandung der Rohrleitung 10 in die zu über-
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wachende !Flüssigkeit 11 kurze Uitjeaschallschwingungsimpulse©
jJie Ulüu aschal !schwingungen gelangen in den .a'mpfängQ-r 3, nachdem
sie die au überwachende Flüssigkeit 11 und die gegenüberliegende
Wand der Hohlleitung 10 passiert haben, in Form von amplitudenmäölg
abgeschwächten, in Fig· ^b wiedergegebenen Impulsen 34 der abklingen«
den Sinusschwingungen und werden darin in elektrische Impulse mit einer Trägerfrequenz gleich der ^ltraschallschwingungsfrequenz umgewandelt»
Die von der Innenfläche der Rohrleitung 10 mehrfach reflektierten
Ultraschallschwingungen gelangen in Form von Impulsen 35 auch
in-vden Empfänger 3» wo sie in elektrische Impulse umgeformt werden.
Die eine Aussage über den zu überwachenden Druck enthaltenden
elektrischen Impulse 34 werden nach der amplitude durch den Verstärker
9 verstärkt und gelangen in den üignalimpulsformar 8, der
in Fjtg. 4c wie der gegebene Rechteckimpulse erzeugt. Die Dauer der
Rechteckimpulse wird über der der innerhalb der Rohrleitung 10
für eine Folgezeit T der Erreger impulse mehrfach reflektierten Ultraschallschwingungen eingestellt· Dies gestattet es, die durch
die Beeinflussung der Arbeit des bignalimpulsformers 8 seitens
dieser mehrfach reflektierten Ultraschallschwingungen bedingte
Instabilität der Arbeit der elektronischen Schaltung der iiinrichtung auszuschließen und die keßgenauigkeit für den Druck zu erhöhen,
was von besondere» Vorteil bei der Drucküberwachung in Rohrleitung kleinen (unterhalb von 10 bis 15 mm) Durchmessers ist.
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N/.CV. .
Gleichzeitig mit den In I-Ig* 4a wiedergegebenen, am Strahler
2 ankommenden K£f eg θ r Impulsen tief fen auf den Eingang des Bezugsimpulsformers
δ vom Generator 4 über die Zeitverzögerungseinheit In Pig· 4-d dargestellte Erreger Impulse auf· Die Verzögerungszeil;
wird In Bezug auf die Erreger impulse gleich oder größer als das
Zeitintervall ί _ vom Augenblick der Erregung der Ultraschall—
schwingungen bis zu deren Empfang nach dem .Durchgang durch die zu
überwachende Flüssigkeit 11 bei minimalem Wert CQ der Fortpflanzung^
geschwindigkeit der Öltjraschallschwingungen in der Flüssigkeit
gewählt.·
Diese· Wahl der Zeitverzögerung erlaubt es, eine direkte
proportionale Abhängigkeit des Registrier signals vom Druck der zu
überwachenden Flüssigkeit 11 zu sichern, was eine zusätzliche Bequemlichkeit im Betrieb bei der Druckmessung schaffto
Die in i'ig· 4e wiedexgegebenen rechteokfccmigen Bezugsimpulse
treffen vom Ausgang des Formers 6 am zweiten Eingang des informa-
tionsimpulsformers 7 eln0 Am Ausgang des Formers 7 werden rechteckforiaige,
in Fig. 4f dargestellte Inf or ma ti ons impulse konstanter
Amplitude mit einer Dauer gleich der vom Druck in der zu überwachenden
Flüssigkeit 11 abhängigen Differenz der Intervalle vom signal- und Bezugsimpuls abgegeben. .
Die Informationsimpulse treffen vom Ausgang des Formers 7
über den Emitterfolger 21 auf den Eingang des Integrators 16,
an dessen Kondensator 20 sie in eine zu deren Dauer proportionale
Gleichstromspannung umgesetzt werden· Diese Spannung wird an die
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Basis des Transistors 22 des Verstärkers 17 gegeben.
Hierbei wird das Steuersignal aus zwei Anteilen Einern Bezugssignal
des Einstellers 18 und einem .Ausgangssignal des Integrators
16 -' geformt. Das Bezugssignal wird wie folgt eingestellt· Bei einer dem minimalen Druck entsprechenden minimalen Dauer der Informationsimpulse
ist der Kollektorstrom des Verstärkers 17 minimal,
und die Spannung üQ des Bezugssignals an dessen Kollektor ist verschieden
von der Speisespannung EL um 1 bis 2 Volt»
Im Falle einer dem Höchstdruck entsprechenden maximalen Dauer
der Informationsimpulse wächst der Strom an, und die Spannung am
Kollektor ist minimal« Den Wert der Mindest spannung wird durch Auswahl des Widerstandes 19 vom Integrator 16 oder des Widerstandes
26 um 1 bis 1,5 Volt oberhalb der Sättigungsspannung Kollektor-Emitter eingestellte
Kollektor ist minimal« Den Wert der Mindest spannung wird durch Auswahl des Widerstandes 19 vom Integrator 16 oder des Widerstandes
26 um 1 bis 1,5 Volt oberhalb der Sättigungsspannung Kollektor-Emitter eingestellte
Die der Dauer Δ^der Informationsimpulse proportionale Spannung
eines in S1Ig. 4g gezeigten Ausgangssignals des Verstärkers 17
ist durch folgenden Ausdruck gegeben:
mit K^ β konstanter Koeffizient.
Die gesamte Ausgangs-GleIchstromspannung E am Kollektor des
(Transistors 22 ergibt sich zu:
Bei der Begeleinheit 13 wird die Spannung E durch das widerst
andsdämpfungsglied mit einem relativen Schwächungsfaktor Jf für
die Kollektor spannung abgeschwächt und die erhaltene Spannung Y E
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N ACHCJ ERElOHT
-goals Sperr-Vorspannung in der Diode 29 ausgenutzt»
Hierbei wird die Amplitude U eines in Fig. 4h dargestellten
Infürta-ationsimpulses an der Katbtocfe der Diode 29 durch die Differenz
aus der Amplitude U eines an der Anode der Diode eintreffenden Informations
impuls es und der Spannung ß'E bestimmt und kann unter
Berücksichtigung des Wertes E aus der Beziehung O) in Forms
geschrieben werden·
Durdh Umformung des Ausdrucks (4) in folgender Weise:
mit Kp Ä Ί ~ ° ^11^ K3 - ^*"* bekommen wir einen Ausdruck
für die Amplitude der -!-nformationsimpulse in folgender Forme".
Der Ausdruck K2 (J+^ y^ ) ""^eIIt die Amplitude E2 des auf
die Amplitude U0 der Inf or mat ions impulse in der Segele inhe it einwirkenden
Steuersignals dar« Hierbei nimmt der Ausdruck (4) die Form:
Auf solche Weise wird in der Hegeleinheit 13 die Regelung der
Amplitude der Inf or mat ions impulse durch deren Multiplikation mit
der Amplitude der Steuersignale verwirklicht·
Dies gestattet es, die Jiichtlinearität der Anzeigen des Registrierers
15 bei Druckänderung der zu überwachenden Flüssigkeit 11
zu reduzieren und damit die Kontrollgenauigkeit zu erhöhen·
Vom Ausgang der Regeleinheit 13 gelangen die die Amplitude IJ
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-1 ·τ]
- 21 -
aufweisenden Informations impulse in den Wandler 14· Die Amplitude
ii1, eines in Flg. 4i dargestellt en ßegistriersignals am Ausgang des
kvandlers 14 ist proportional dem Produkt aus der Dauer A^ und der
Amplitude U und umgekehrt proportional der Folgeperiode T der Informationsimpulses
/—
Da gemäß (1) ^S- ^ >
'xs*' s0 ^
) iil
wobei a _ ^c^ / Kj C* _y\
mit 8" ^111011 nicht line are ^bhägigkeit des Reg is trier signals von
dem aum Druck der zu überwachenden Flüssigkeit 11 prox^ortionalen
Inkrement Δ C der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschall
schwingungen verursachter relativer Fehler*
Das Kegistriersignal E, gelangt in den Registrierer 15, dessen
Skala in Einheiten des Inkrementes Δ G der For tpflanzungsgeschwindigkeit
der ^ltraschallschwingungen oder unmittelbar in Einheiten
des zu überwachenden Druckes P geeicht ist, zwischen denen eine folgende Abhängigkeit·
AG β aP (7)
besteht,
Koeffizie.pt .
mit a - ein konstanter / fur die betreffende zu überwachende Flüssigkeit
11 .
Damit der Fehler c einen Minimalwert besitzt, wird der Koef-
609830/0220
i * ■-■*■>■
-■22 -
fizient K-, in der Weise eingesaellii, daß C beim Maximalwert des
zu registrierenden wertes Δ G gleich Δ G^ zu Hull wird. Hierb
muß der Koeffizient K0, wie dies aus dem Ausdruck (6) folgt,
einen Wert:
einen Wert:
'K. = 1 + . A Cm (8)
haben·
Bei derartiger Wahl des Koeffizienten K» lautet der Wert des
relativen Fehlers wie folgt:
Der Maximalwert der Größe £ liegt beim wert /\ G gleich:
Hierbei beträgt der Höchstwert von
während der maximale absolute Fehler σ Gn, « £' /ώ Cx, bei der
> m la j
Messung des Inkrementes Δ C der '-'ltraschallgeschwindigkeit
ausmacht»
Der Wert dieses Fehlers betragt bei mittleren, beispielsweise 0,2 G unterschreitenden, Werten des Meßbereiches A C einen praktisch
geringen Wert (ca. 10"^ CQ).
Im l'alle eines weiteren Ander ungsber ei ehe s des zu registrieren
den Viertes Δ G ist es sinnvoll, die Hegeleinheit 1;? in Form einer
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r CK2"RtI
- 23 -
Divisionseinheit auszuführen. Hierbei üslid der Koeffizient E^ gleich
der Amplitude E des Bezugs signals des J,insi;ellers 19 eingestellt,
und das Steuersignal wfcist eine Amplitude:
) * (13)
Unter der Einwirkung des Steuersignals I^ wird die Amplitude
der Inf or ma ti ons impulse in der ßegeloinheit 13 reguliert und wird
gleich: (Xo U^0
Vom Ausgang der Begeleinheit 13 gelangen die die Amplitude
U besitzenden Informations impulse in den Wandler 140 Die Amplitude
E3 des Hegistriersignals am Ausgang des Wandlers ist proportional
/ν , π
dem Produkt aus der Dauer Δ L und der Amplitude der Impulse und
umgekehrt proportional der IOlgeperiode T der Erregerimpulse des
Generators 24-ϊ
-R t. IJ
Da <7- - y* . . yo und 7 - ^ - *>.,*>
ist, so
Aus dem oben angeführten Ausdruck ist ersichtlich, daß bei
beliebigen Anderungswerten £ 0 der Ultraschallschwingungsgeschwindigkeit
das Reg is trier signal eine lineare direkte AbbiigjLgke It von
dem zu registrierenden Wert Δ C und folglich vom Druck P der zu. überwachenden Flüssigkeit 11 hat. Dies erhöht wesentlich die Meßge«-
609830/0220
I fv'/.CK■■.·'-RfJCiiTJ
- 24 -
t für den Druck und erweitert den Druckmeßbereich· Das oben beschriebene Kontrollverfahren für den Druck bei
Rohrleitungen und die Linxientung zu dessen Durchführung gewährleisten
genaue Druckmessungen bei gleichbleibender oder sich wenig
ändernder Temperatur· Die erforderliche Meßgenauigkeit wird jedoch
bei der Temperatüränderung der zu überwachenden Flüssigkeit 11 nicht
gewä'iirleistet, weil AG nicht nur vom Druck, sondern auch von der
Temperatur änderung A^ der Flüssigkeit gegenüber dem -Anfangswert
' von . ■ _ "■■
t /deren Temperatur abhäj|ig ist:
AC = a P - Dt Δ t (16)
wo b^. der Temperaturkoeffizi:i-a der Ultraschallgeschwindigkeit in der zu überwachenden Flüssigkeit ist«
Den Einfluß des dabei entstehenden Temperatur fehler ö der Anzeigen
des ßegistrierers zu reduzieren, gestattet das Dei der in
Fig. 2 gezeigten !Einrichtung reaiisierbaJie J)ruck-üontr Oliver fahr en»
Nach diesem Verfahren wird gleichzeitig mit dem Druck dX3
ifemperaJfeu-T? <ie£ z.a überwachenden Flüssigkeit 11 durch den auf der
■Außenfläche der Rohrleitung 10 in unmittelbarer Nahe des Strahlers
2 angeordneten Temperaturfühler ^2 gemessen·
Das signal des Fühlers 32 kommt in die Temper^atuikompensationseinheit
51, an deren Ausgang ein in Fig· 4-k dargestelltes Hilfssignal
mit einer der Temperatur der zu überwachenden Flüssigkeit 11 proportionalen Amplitude E^ betragsmäßig gleich
auftritt. **
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Dieses signal wird «uf den .uingang des öunimaturs jpp ^e^
an dessen anderem Eingang ein in Fig. 41 dargestelltes .jignal vom
,.andler 14 eintrifft·
Das in Fig. 41 wiedergesehene Summensi^nal hat eine ümplitiide
iiVf dejcen Heh0 duj?ch den Druck P de.r zu übe^waohenden Flüssigkeit
11 bestimmt wiüd und von del* Temperatur unabhängig xst:
5 5 4
- K; TCc,
wo E ein l^pnstanter Koeffizient ist.
Das oben beschriebene, bei den m Fig. 1, 2f 2 dargestellten
i,inj;iohtungen realisierbare lionti? oll verfahr en £ujc den FlÜssIgkeitsdruck
bei Rohrleitungen gewahrleistet eine hocheffektive konliakt-Iose
Überwachung des Flüssigkeitsdrucks bei verschiedenen iertlgungs·
ablaufen in der Flugzeug-, Hütten-, chemischen, Schiffbauindustrie und bei anderen technischen Anwendungen·
609830/0 220
Claims (11)
1. Kontrollverfahren für den Flüssigkeitsdruck in Rohrleitungen mittels Ultraschallschwingungen, bei dem durch
Erregerimpulse periodisch Ultrascha11schwingungen angefacht
werden, die durch die zu überwachende Flüssigkeit durchgelassen, empfangen und in Signalimpulse, deren
zeitliche Verschiebung bezüglich der Erregerimpulse
von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallschwingungen und dementsprechend vom Druck in der zu
überwachenden Flüssigkeit abhängt, umgewandelt, gleichzeitig damit aus den Erregerimpulsen mit einer Zeitverzögerung Bezugsimpulse, ferner aus den Bezugs- und
SignalImpulsen Informationsimpulse, deren Dauer vom *
Druck in der zu überwachenden Flüssigkeit abhängig ist, geformt und die erhaltenen Imformationsimpulse in ein
Registiersignal, dessen Amplitude oder Impulszahl proportional dem Druck in der zu überwachenden Flüssigkeit
ist, umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ultrascha11schwingungen in
die zu überwachende Flüssigkeit eingeführt und daraus über die Rohrleitungswandung empfangen werden, und daß
ein Steuersignal, dessen Amplitude proportional der Ausbreitungszeit der Ultra scha 11 schwingungen in der
Flüssigkeit ist, erzeugt und mit seiner Hilfe die Amplitude der Informationsimpulse geregelt wird.
2. Verfahren, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuersignal aus den Informationsimpulsen
geformt wird, wobei die Amplitude des Steuersignals
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proportional zur Dauer der Informationsimpulse eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Amplitudenregelung des Informationsimpulses durch Multiplikation der Amplitude des Informationsimpulses
mit der Amplitude des Steuersignals zustande kommt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Amplitudenregelung des Informationsimpulses mittels
Division der Amplitude des Informationsimpulses durch
die Amplitude des Steuersignals zustande kommt.
5. Verfahrennach Anspruch I3 dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperatur der zu überwachenden Flüssigkeit gemessen und ein Hilfssignal, dessen Amplitude zur gemessenen
Temperatur proportional ist, geformt, die Amplituden des Hilfs- und des Registriersignals addiert und nach dem
Betrag der Gesamtamplitude der Druck der zu überwachenden Flüssigkeit ermittelt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorzeichen (Polung) des Hilfssignals bei der
Drucküberwachung von Flüssigkeiten mit negativem Temperaturkoeffizienten
der Ultraschallgeschwindigkeit gleich dem Vorzeichen des Registriersignals und bei positivem
Wert dieses Koeffizienten entgegengesetzt zu diesem genommen wird.
7. Einrichtung zur Durchführung des Kontrollverfahrens für den Flüssigkeitsdruck in Rohrleitungen mittels Ultra-
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schallsehwingungen nach Anspruch 1, die einen einen Strahler und einen Empfänger für Ultraschallschwingungen
aufweisenden Ultraschall-Meßwandler und einen Generator für Erregerimpulse enthält, der an den Strahler
und über eine Zeitverzögerungseinheit an einen Bezugsimpulsformer angeschlossen ist, dessen Ausgang an
einen Eingang eines Informationsimpulsformers gekoppelt ist, dessen anderer Eingang über einen Signalimpulsformer
und einen Verstärker an den Empfänger angeschaltet ist, während der Ausgang des Informationsimpulsformers
mit einem an einen Registrierer gekoppelten Informationsimpulswandler elektrisch verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler und der Empfänger für Ultraschallschwingungen
auf den gegenüberliegenden Strecken der Außenfläche der Rohrleitung angeordnet sind und daß zusätzlich
ein Steuersignalformer und eine Amplitudenregeleinheit für Informationsimpulse, deren einer Eingang
an den Ausgang des Informationsimpulsformers direkt und deren anderer Eingang über den Steuersignalformer
angeschlossen ist, wobei deren Ausgang mit dem Informationsimpulswandler verbunden ist, vorgesehen sind.
8. Einrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuersignalformer als eine an den Informationsimpulsformer angeschlossene Reihenschaltung aus einem
Integrator, einem Gleichstromverstärker, dessen Ausgang an die Regeleinheit gekoppelt ist, und einem mit dem
zweiten Eingang des Verstärkers verbundenen Bezugssigna leinsteiler ausgeführt ist.
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9. Einrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet,
daß die Regeleinheit als eine Multiplikationseinheit ausgeführt ist.
10. Einrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet,
daß die Regeleinheit als eine Divisionseinheit ausgeführt ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch
eine Temperaturkompensationseinheit, einen an sie angeschlossenen, auf der Außenfläche der Rohrleitung in unmittelbarer
Nähe des Ultra schall-Meßv/andlers angeordneten
Temperaturfühler und einen Summator, dessen einer Eingang an den Ausgang der Temperaturkompensationseinheit,
dessen anderer an den Informationsimpulswandlei» und dessen Ausgang an den Registrierer angeschlossen ist.
603S30/0220
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP (1) | JPS5264975A (de) |
DE (1) | DE2552315A1 (de) |
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