DE2832835C2 - Ultraschall-Meßanordnung - Google Patents
Ultraschall-MeßanordnungInfo
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Description
senschaltung festgelegt wird.
Ein Zähler 3 zählt das Ausgangssignal des Oszialltorelements
1. Das Zählen wird in Abhängigkeit zu dem Ausgangssignal der Schallung 2 zur Erzeugung eines
Synchronisationsimpulses gestartet. Wenn der Zählerstand des Zählers 3 einen Wert N erreicht, der durch
den Durchmesser des Meßrohrs 10 etc vorherbestimmt ist, gibt der Zähler 3 ein Endsignal für den Zählvorgang
ab. Mit 4 ist ein Verzögcrungselement bezeichnet, daß
in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Zählers 3 in Betrieb gesetzt wird und ein Ausgangssignal in einem
vorherbestimmten Zeitintervall abgibt
Das Ausgangssignal V des Verzögerungselements 4 ist an die Schaltung 8 zum Nachweis der Zeitdifferenz
angelegt
Ein Schaltkreis 5 zur Erzeugung eines elektrischen Impulses ist mit 5 bezeichnet, der ein elektrisches Signal
zum Ansteuern der Wandler 13 und 14 gemäß dem Ausgangssignal der Schaltung 2 zur Erzeugung eines Synchronisationsimpulses
abgibt. Das elektrische Ausgangssigiia!
des Schaltkreises 5 zur Erzeugung eines elektrischen Impulses wird selektiv durch die torschaltung
6 an den Wandler 13 oder 14 angelegt Das aufgenommene Signal des Wandlers 13 oder 14 wird durch
die Torschaltung 6 an einen Verstärker 7 angelegt
Der Ausgang H des Verstärkers 7 ist an einen Schaltkreis 29 zur Überwachung der Amplitude, einen Triggerschaltkreis
30 und einen Schaltkreis 31 zur Überwachung von außergewöhnlichen Betriebszuständen (abnormality
monitoring circuit) angelegt. Der Schaltkreis 29 zur Überwachung der Amplitude arbeitet so, daß die
maximale Spitzenspannung des Ausgangssignais H des Verstärkers 7 auf einen gewissen Wert ohne Rücksicht
auf den Wert des aufgenommenen Signals der Wandler 13 oder 14 begrenzt wird. Die Schaltung 29 zur Überwachung
der Amplitude weist im wesentlichen, wie in F i g. 2 dargestellt ist, eine Schaltung 20 zum Ampliludcnübcrwachungsvergleich
auf, an die eine Amplitudenüberwachungsspannung E2 angelegt ist Das Ausgangssignal
der Vergleichsschaltung 20 ist an eine Steuerschaltung 23 anlegt, die ihrerseits ein Amplitudensteuersignal
Yabgibt, das an den Verstärker 7 angelegt ist, um
den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 7 zu ändern. Der Triggerschaltkreis 30 überwacht, ob ein Ultraschallsignal
die Wandler 13 oder 14 erreicht und weist im wesentlichen einen Triggervergltichsschaltkreis 21
auf. Das Ausgangs- oder Triggersignal Z des Triggerschaltkrcises 30. das durch eine Steuerschaltung 24 erhalten
wird, ist an die Schaltung zum Nachweis der Zeitdifferenz zum Steuern der Schaltung 8 angelegt. Der
Schaltkreis 31 zur Überwachung außergewöhnlicher Bctricbszusiände überwacht, ob ein Ultraschallsignal
durch das /u messende Fluid absorbiert worden ist und weist im wesentlichen einen Schaltkreis 19 zum l'Jberwachungsvergleich
außergewöhnlicher Betriebszustände, an den eine Überwachungsspannung E\ für außergewöhnliche
Betriebszustand!.· angelegt ist, ein Flipflop 22,
das ein Ausgangssignal X gemäß dem Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 19 abgibt und nach Ende jedes
Meßintcrvalls zurückgesetzt wird, einen Schaltkreis 25 zur Gencrierung eines Samplingimpulses, der einen
Samplingimpuls U zur Steuerung des Zcitablaufs abgibt, so daß das Ausgangssignal 5 des Schaltkreises 8 für
den Zeildiffcrenznachwcis an das Oszillatordemcnt 1
angelegt wird, und ci"cn NAND-Schallkreis auf. an den
das Ausgangssignal X des Flipflops 22 und der Samplingimpuls
U angelegt werden. Die Spannung F.\ zur Überwachung außergewöhnlicher Betriebszustandc,
die Amplitudenüberwachungsspannung Ei und die Setzspannung
£j werden zu Spannungswerten von jeweils 2,5 V, 3 V Uiid 1,5 V eingestellt Wenn das Ausgangssignal
H des Verstärkers 7 die Setzspannung E3 der Triggerschaltung
30 (dargestellt in Fig.5) überschreitet,
gibt die Triggerschaltung 30 als Ausgang das Triggersignal Z ab. Es sei angemerkt daß in dieser Ausführungsform die eingestellte Spannung Ei (set voltage) einen
Wert aufweist durch den das Eintreffen der ersten WeI-Ie
des Signals H nachgewiesen werden kann. Wenn das Ausgangssignal H des Verstärkers 7 die Spannung Fi
zur Überwachung außergewöhnlicher Betriebszustände überschreitet, wird das Ausgangssignal X kontinuierlich
danach abgegeben. Wenn in diesem Fall der Samplingimpuls L/abgegeben wird, wird das Ausgangssignal
Wats Schaltkreises 31 nicht langer abgegeben.
Der Schaltkreis 8 zum Nachweis von Zeitdifferenzen ist im Detail in F i g. 3 dargestellt. Die Eingangsseite des
Schaltkreises 8 wird durch einen NAND-Schaltkreis 100 gebildet, an den das Triggersignal Z des Triggerschaltkreises
30 und das Ausgangssignal Vg^ Verzögerungselements 4 angelegt werden. Wenn das Ti .ggersignal Z
mit dem Ausgangssignal V übereinstimmt wird das Ausgangssignal M des NAND-Schaltkreises 100 .licht
länger anliegen, wodurch ein Transistor Qi nichtleitend
(aus)gescnaltet wird, weshalb der Laststrom in einen
Kondensator C über eine Diode D von einer Konstantstromquelle 90 fließt um den Kondensator C aufzuladen.
Die Konstantstromquelle 90, die Diode D und der Kondensator C bilden einen Rampen-Generator bzw.
-Schaltkreis. Das Ausgangssignal R des Rampen-Generators oder die Ladespannung des Kondensators C wird
an einen Differenzverstärker 80 angelegt. An den negativen Eingang des Differenzverstärkers 80 wird eine
Überwachungszeitmeßsollspannung Es0 angelegt. Die
Differenzspannung zwischen der Sollspannung £50 und dem Ausgangssignal R des Rampen-Generators wird
durch die Schaltung 8 zum Nachweis der Zeitdifferenz als Ausgangssignal 5 angegeben.
Ei". Feldeffekttransistor O* bewirkt das Entladen des
Kondensators C und seine Ein-Ausschalt-Wirkungsweise
wird durch das Signal K gesteuert. Die Sollspannung £50 beträgt ungefähr 5 V.
Der Ausgang des Schaltkreises 80 ist an einen Cbzillatorsteuerschaltkreis
32 zum Steuern des Oszillatorelements 1 angelegt.
Der Steuerschaltkreis 32 weist, wie in Fig.4 dargestellt,
eine Integrationsschaltung 28 und einen Feldeffckttransistor Qi auf. In der Steuerschaltung 32 wird das
Ausgangssignal S des Zeitdifferenznachweisschaltkreises 8 an ein Oszillatorelement 1 angelegt, wenn der
Transistor Qj durch das Ausgangssignal JV des Schaltkreises
31 zum Überwachen außergewöhnlicher Betricbszustände nichtleitend geschaltet ist
Die Betriebsweise der Ultraschalldurchflußmeßanordnung, die in dieser Art aufgebaut ist, wird nunmehr
mit Bezug auf F i g. 7 beschrieben. Zunächst sei angenommen, daß der Wandler 14 als Iimpfängereinheit
durch das Bstriebsweisenschaltsignal A des Betriebsweiscnschaltkreiscs
9 dient, wobei der Oszialltor H in dem Oszillatorelement 1 mit dem SynchiOnisationsimpulscr/.eugungsschaltkreis
2 verbunden ist und der Zähler 3 sowie die Torschaltung 6 so gesteuert wird, daß das
M Ausgangssignal des Impulsgenerator 5 an den Wandler
13 angelegt wird, während das Ausgangssignal des Wandlers 14 dem Verstärker 7 zugeführt wird. Unter
diesen Bedingungen ist das Ausgangssignal M des
NAND-Schaltkrciscs 100 nicht länger vorhanden, wenn
das Verzögerungselement 4 sein Ausgangssignal V in einem vorherbestimmten Zeitintervall abgibt. Deshalb
wird das Laden des Kondensators C in dem Rampen-Generator gestartet. Danach wird die Bereitstellung des
Ausgangssignals 7. des Triggcrschaltkrcises 30 eingestellt bzw. unterbrochen (suspended), wenn das Ausgangssignal H des Verstärkers 7 die Sollspannung £Ί
übersteigt, wobei als Ergebnis der NAND-Schaltkreis
100 sein Ausgangssignal M abgibt und das Laden des Kondensators Cin dem Rampen-Generator angehalten
wird.
Es sei angenommen, daß der Wert des Ausgangssignals R des Rampengenerators in diesem Fall durch /?i
dargestellt wird. Das Ausgangssignal Ri wird mit der Sollspannung E» verglichen und die Diffcrenzspannung
ε ist als Ausgangssignal S des Schaltkreises 8 für den
Zcitdifferenznachswcis angelegt. Die Oszillutorfrcquenz des Oszillators 11 wird in Übereinstimmung mit
der Differenzspannung ε gesteuert. Schließlich wird die
Steuerung so bewirkt, daß die Differenzspannung ε zu Null wird, das bedeutet, daß die Ausgangsspannung R\
gleich der Sollspannung F» wird. Auf diese Weise wird
die Vorwärtsrichtungsübertragungszeit Ta, die bei Abgabe eines Ultraschallimpulses in einer Vorwärtsrichtung bezüglich der Strömung des zu messenden Fluids
erhalten wird, durch die Oszillationsfrequcnz des Oszillators 11 ersetzt. Auf diese Weise ist das Mcßintervall
der Vorwärtsrichtungsübertragungszeit beendet.
Des weiteren wird durch das Betriebsschaltsignal B
des Schaltkreises 9 für die Betriebsweisenschaltung die Wandler 14 und 13 so geschaltet, daß sie jeweils als
Übertragungs- bzw. Aufnahmeeinheit dienen, wobei der Oszillator 12 in dem Oszillatorelement mit dem Synchronisationsimpulserzeugungsschaltkreis 2 und dem
Zähler 3 verbunden ist und die Torschaltung 6 dergestalt gesteuert wird, daß das Ausgangssignal des Impulserzeugungsschaltkreises 5 ebenfalls an den Wandler 14
und das Ausgangssignal des Wandlers 13 an den Verstärker 7 abgegeben wird. In gleicher Weise wie in dem
vorstehend beschriebenen Fall wird eine Rückwärtsrichtungsübertragungszeit Tb (F i g. 6), die bei Abgabe
eines Ultraschallimpulses in umgekehrter Richtung bezüglich der Strömung des zu messenden Fluids erhalten
wird, durch die Oszillationsfrequenz des Oszillators 12 ersetzt. Auf diese Weise wird das Mcßintervall der umgekehrten Richtungsübertragungszeit beendet.
Die Differenz zwischen den Oszillationsfrcquenzen des Oszillators 11 und 12 wird als eine zu der Strömungsgeschwindigkeit proportionale Differenzfrequenz durch einer, umkehrbaren Zähler 17 aufgenommen, wobei sie als Flüssigkeitsmenge oder Flüssigkeitsgeschwindigkeit durch eine Anzeigeeinheit 18 angezeigt
wird. In F i g. 6 stellt das Signal H\ eine Signalform dar,
die bei Abgabe eines Ultraschallimpulses in einer Vorwärtsrichtung bezüglich der Strömung eines zu messenden Fluids erhalten wird, und das Signal H2 eine Signalform dar, die bei Abgabe in einer umkehrten Richtung
erhalten wird.
Manchmal wird das zu messende Fluid in ein Reservoir eingefüllt, aus dem es über eine Röhre gepumpt
wird, um die Strömungsmenge zu messen. In einem solchen Fall können eine Vielzahl von Luftblasen in dem
Fluid enthalten sein.
DDie Erfinder haben wiederholt viele Experimente und Untersuchungen für diesen Fall vorgenommen. Als
Ergebnis ist herausgefunden worden, daß ein durch den Wandler 13 oder 14 abgegebener Ultraschallimpuls
stark gediimpft wird und die Dämpfung bei allen abgegebenen Wellen nicht gleich ist. Das bedeutet, daß herausgefunden worden ist. daß bei Abgabe eines Ultraschallsignals, bei dem die dritte Welle Λ eine höhere
Spitzenspannung als die vierte Welle Λ ist, durch einen Übcrtragungswandler abgegeben wird, wie in Teil (A)
gemäß F i g. 8 angegeben ist, der Aufnahmcwandler ein
Ultraschallsignal erhält, in welchem die drille Welle f,' einen geringeren Spitzenwert als die vierte Welle U
aufweist, die im Teil (B) gemäß Fig.8 angegeben ist.
Wenn das erhaltene Ultraschallsignal durch den Verstärker 7 verstärkt wird, ergibt sich die in Teil (C)gemäß
F i g. 8 iingcgcbcnc Ausgangssignalform. Diese Wellenform (C) wird verstärkt, so daß der maximale Spitzen-
wert /«" einen gewissen Wert (Ei) aufweist, mit Bezug
auf den die Wellen f\" und f." verstärkt werden. In dem
extremen Fall ist nachfolgendes Phänomen beobachtet worden: In der Überlragungsscitc ist die vierte Welle U
in der Spitzenspannung kleiner als die drille Welle Λ
und die fünfie Welle Λ kleiner als die vierte Welle Λ:
während aufnahmcseitig die vierte Welle W im Spitzenwert höher als die dritte Welle ({ und die fünfte Welle l·,'
im Spitzenwert höher als die vierte Welle U ist. Das Phänomen rührt daher, daß das Ultraschallsignal zum
großen Teil durch die Blasen an diskontinuierlichen Frcqucnzstellcn (frequency discontinuity point) zum großen Teil absorbiert wird.
Dcmgtmäß wird das Ankunflssignal Hi' des Verstärkers 7, dus bei Abgabe eines Ultraschallsignals in der
jo Vorwärtsrichtung bezüglich der Strömung des zu messenden Werts, von der ersten Welle nachgewiesen werden kann, durch den Triggcrschaltkrcis 30 nachgewiesen: jedoch wird das Ausgangssignal H-i des Verstärkers 7, das bei Abgabe eines Ultraschallsignals in der
umgekehrten Richtung bezüglich der Strömung des zu messenden Fluids erhalten wird, durch die Blasen stark
absorbiert, wobei als Ergebnis die erste Welle Λ" stark gedümpfi wird, und das Ankommen des Ausgungssignals H2 von dessen zweiter Welle durch die Triggcr-
schaltung 30 selbst dann nachgewiesen wird, wenn dem maximalen Spitzenwert (U" und Λ") ein gewisser Wert
(Ej) verliehen wird. Deshalb wird cin einem Zeitintervall Δ !"'entsprechender Meßfehler eingeschlossen.
H oder seine zweite Welle des Verstärkers 7 eine Sollspannung übersteigt, wie in F i g. 7 dargestellt ist. daß
das Ausgangssignal Z des Triggcrschaltkrcises 30 um die Verzögerungszeit Δ /"'entsprechende Zeit Ti verzögert wird. Deshalb wird der Kondensator C in dem
Rampen-Generator stärker während der Vcr/.ögcrungszeit Ti geladen. In diesem Fall wird der Wr Ί R2
des Ausgangssignals R des Rampen-Generators mit dem Sollwert £50 verglichen, wobei das gemessene Ergebnis in unerwünschter Weise eine Fließgcschwindig-
kcit anzeigt, die höher als die wirkliche Fließgeschwindigkeit ist. Des weiteren beträgt die Verzögerungszeit
(Δ T') der /.weiten Welle, wenn sie mit der ersten Welle
in dem Ausgangssignal H des Verstärkers 7 verglichen wird, ungefähr 1 μ Sekunde, wenn die Ultraschallfre-
bo quenz I MHz wie in Fig.7 beträgt Wenn in diesem
Verzögerungszeit (Δ T) ungefähr 2 us und in diesem
Fall beträgt der Wert R7 ungefähr 1,0 V.
Solch ein Wert R1 (7,5 V oder 10 V) wird mit der vorgegebenen Sollspannung £Vi (5 V) verglichen. Demge-
maß wird das Meßergebnis einen Fehler dann aufweisen,
wenn die Os/illationsfrequenzcn des Oszillators 11
und 12 so gesteuert werden, daß die Differenz fn zwischen
diesen zumindest zu Null gemacht wird (das Ausgangssignal S des Schaltkreises 8 zum Nachweis der
Zciidiffcrcnz).
In der Beschreibung der Betriebsweise ist davon ausgegangen
worden, daß in I·" i g. 7 Ausgangssignalformen
verschiedener Schaltkreise dargestellt sind, die bei Abgabe eines Ultraschallimpulscs in der Vorwiirlsrichtung in
mit Bezug auf die Strömung des zu messenden Fluids erhalten werden. Jedoch kann Fig. 7 zur Beschreibung
der Betriebsweise im Falle einer umgekehrten Richtung verwendet werden, da sowohl der Fall der Vorwärlsrichiung
und jener der Rüekwärtsrichtiing in gleicher Weise beschrieben werden kann.
Beispielsweise in dem Fall, wo die Anordnung so ausgelegt ist, daß die Ankunft eines Ultraschallimpulses
von der zweiien Weile nuclide wiesen wird, wird der
Spitzenwert der ersten Welle aus bestimmten Gründen 2« wesentlich größer, wobei der Nachweis des Vorliegens
eines Ultraschallimpulscs auf die erste Welle geschoben wird (shifted), wobei in dem gemessenen Ergebnis dann
ein Fehler eingeschlossen ist. Beispielsweise wird das Ausgangssignal R ungefähr 2.5 V bei einer Ultraschallfrequenz
von 0,5 MHz betragen.
Mit Hinblick auf vorstehende Ausführungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Ultraschallmeß·
anordnung bereitzustellen, bei der in dem Fall, daß nicht die reguläre Schwingung, sondern die dieser vorhcrge- jo
hcndc oder nachfolgende Schwingung erfaßt wird, die hierdurch eingetretene /eitvcrschicbiing automatisch
kompensiert und damit die Meßgenauigkeit erhöht wird.
Diese Aufgabe wird bei der anfangs genannten Ultraschall-Mcßanordnung
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schaltkreis aum Oberwachen außergewöhnlicher
Betriebszustände ein Ausgangssignal (W) abgibt, wenn ein dem Ausgangssignal des Wandlers im Empfangsbetrieb
zugeordnetes Signal eine erste vorgegebcnc Spannung (E\) übersteigt, daß ein Triggerschaltkreis
vorgesehen ist zur Abgabe eines Ausgangssignals (Z)an die Zcildifferenznachweissehaltung, wenn das dem Ausgangssignal
des jeweiligen Wandlers im Empfangsbetrieb zugeordnete Signal einen ersten, unter normalen
Bedingungen geltenden Sollwert (Ei) übersteigt, und
daß ein Schaltkreis zum Nachweis falscher Triggerungen vorgesehen ist zur Abgabe eines Ausgangssignals in
Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal (W) des Schaltkreises zur Überwachung außergewöhnlicher Bc- so
triebszustände. wenn ein Alisgangssignal (R) der Zeitdiffcrcnznachweisschaltung
eine zweite vorgegebene Spannung (En,) übersteigt, so daß in Abhängigkeit von
dem Ausgangssignal (S) des Schaltkreises zum Nachweis falscher Triggerungen der Triggcrschaltkreis auf
einen zweiten Sollwert (Ea) umschaltbar ist.
Bei Abgabe einer Ultraschallwelle in der Vorwärtsrichtung der Strömungsrichlung, wird ein Ausgangssignal
von der ersten Oszillationsschaltung durch einen Zähler gezählt, wobei die Zeitdiffercnznachweis-Schal- m>
lung die Zeitdifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Verzögerungselemenies und ein Ausgangssignal des
Wandlers im Empfangsbelrieb feststellt, wobei die Oszillaiionsfrcqucnz
des ersten Oszillators so gesteuert ist, daß die Zeitdifferenz zu NuI! gemacht wird. Wenn die
Ultraschallwelle in umgekehrter Richtung der Slrömungsrichtung abgegeben wird, wird ein Ausgangssignal
eines zweiten Oszillators durch einen Zähler gezählt, wobei die Zeitdifferenz-Nachweisschaltung die
Zeildiffcrenz zwischen dem Ausgangssignal des Verzögerungsclcnients
und dem Ausgangssignal des anderen Wandlers im Empfangsbetrieb feststellt, und die Oszillationsfrcqucn/.
des zweiten Oszillators so gesteuert wird, daß die Zcitdiffcrenz zu Null gemacht wird, wobei die
Strömungsmenge des Fluids als Differenz zwischen den Os/.illationsfrcqucnzen des ersten und zweiten Oszillators
erhalten wird. Die Verbesserung vorliegender Erfindung schließt einen Schaltkreis zur Überwachung außergewöhnlicher
Betriebszustände ein, der auf ein Signal //anspricht,das dem Ausgang des Empfangswandlers
zur Bereitstellung eines Außcnsignals W entspricht, wenn das Signal W die Spannung zur Überwachung außergewöhnlicher
Betriebszustände E\ übersteigt, wobei eine Triggcrschaltung zur Bereitstellung eines Ausgangssignals
Z an die Zcitdifferenz-Nachweisschaltung
abgegeben wird, wenn das Signal H eine Sollspannung Li übcrschrciic: und als Antwort auf ein Signs! F das
Ausgangssignal Z zu der Zeitdifferenz-Nachweisschaltung bereitstellt, wenn das Signal H die Sollspannung
Em übersteigt. Ferner ist eine Schaltung zum Nachweis falscher Triggerungen zur Bereitstellung eines Ausgangssignals
F vorhanden, wenn das Ausgangssignal W vorliegt und wenn ein Signal R von der Zeitdifferenzschaltung
eine Sollspannung Ci übersteigt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung umfaßt eine Verzögerungskompcnsationsschaltung
zur Verzögerung durch ein vorherbestimmtes Zeitintervall des Ausgangssignals des Zählers zu dem Verzögerungselement, wobei
die vorherbestimmte Zeitspanne in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal Γ der Schaltung zum
Nachweis falscher Triggerungen ausgewählt ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Fig. Π bis 15 dargestellten Ausfühmngsbeispiels beschrieben.
Es zeigt
Fig, I! ein Blockschaltbild einer Ultraschall-Meßanordnung,
Fig. 12,13 und 15 einzelne Teile der in Fig. 11 dargestellten
Anordnung in detaillierterer Darstellung und
Fig. 14 ein Signalformdiagramm einzelner in der Schaltung gemäß F i g. 13 auftretender Signale.
In F i g. 11 sind die Teile der Meßanordnung, die denjenigen
in der Anordnung nach Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen wie in dieser versehen.
In gleicher Weise wie in der in Fig. 1 dargestellten
Schaltung wird das Ausgangssignal des Verstärkers 7 an den Schaltkreis 29 zur Überwachung der Amplitude,
einem Triggerschaltkrcis 40 und einem Schaltkreis 31 zur Überwachung außergewöhnlicher Betriebszustände
angelegt. In diesem Fall ist die Triggerschaltung 40 so ausgelegt (wie in F i g. 12 dargestellt), daß beispielsw eise
zwe· Sollspannungen Es und £30 daran angelegt werden.
Beispielsweise wird die Sollspannung £3 bei leitendem Transistor Qi (eingeschaltet) an den Vergleichsschaltkreis
21 über Widerstände Rx und R2 mittels einer elektrischen
Quelle £300 angelegt, und wenn der Transistor Q2 nichtleitend (ausgeschaltet) ist. wird die Sollspannung
£10 an den Vergleichsschaltkreis 21 mittels Widerständen
R, und R2. Widerstände Ri und Rt und die elektrische
Quelle Eioo angelegt. Die Sollspannung E» beträgt
2,0 V in dieser Ausführungsform.
Der Transistor Qi wird über einen Widerstand A5 gesteuert
und wird normalerweise in dem leitenden (eingeschalteten) Zustand gehalten.
Ein Schaltkreis 41 zum Nachweis von falschen Triggerungen ist vorgesehen, um die Tatsache nachzuweisen,
daß der Nachweis der Ankunft eines Ultraschallim-
pulses anstelle durch die ursprüngliche nachzuweisende
Welle von der folgenden Welle durchgeführt wird, wenn der Ultraschallimpuls stärkt gedämpft ist. Der Schaltkreis
41 weist, wie in F i g. 13 dargestellt ist. Vergleichsschaltkreise
431 und 432 und ein RS-Flipflop 44 auf. Die Sollspannungen Eti und £*? sind an die Vergleichsschaltkreise
431 und 432 jeweils mittels Widerständen Rt. Km
und R\\ und einer elektrischen Quelle E* angelegt. Die
Sollspannungen foi und E^ betragen jeweils etwa 6 und
etwa 4 V beispielsweise. Die Sollspannung G,ι wird unter
Berücksichtigung festgelegt, daß für den Fall, bei dem die ursprüngliche nachzuweisende Welle die erste
Welle ist und die Ultraschallfrequenz IMHz beträgt, wobei die zweite Welle als nachzuweisende Welle verwendet
wird, so daß dann das Ausgangssignal R des Rampen-Generators einen Wert von etwa 7 V aufweist.
Andererseits wird die Sollspannung ß>2 dadurch bestimmt,
indem in Rechnung gestellt wird, daß in dem Fall, bei dem die ursprüngliche nachzuweisende Welle
die zweite Weiie ist, das Äusgangssignai R des Rampcn-Generators
einen Wert von etwa 2,5 V in gleicher Weise wie oben aufweist
In dieser Ausführungsform ist die Schaltung so ausgelegt,
daß die erste Welle jene darstellt, durch die der Nachweis durchgeführt werden sollte, Das Ausgangssignal
des Rampen-Generators ist an die verbleibenden Eingangsanschlüssc der Vcrgleichsschaltkrcisc 431 und
432 angelegt.
Wenn das Ausgangssignal R die Sollspannung 6,ι
überschreitet, gibt der Vergleichsschaltkreis 431 ständig ein Ausgangssignal »1« ab, während der Vergleichsschaltkreis 432 ständig ein Ausgangssignal »0« abgibt.
Das RS-Flipflop 44 weist NAND-Schaltkreisc 441,442.
443 und 444 und einen lnvertiercr 445 (NOT-circuit) auf.
Das Ausgangssignal W des Schaltkreises 31 zur Überwachung außergewöhnlicher Betricbszuständc wird an
den Invertierer 445 angelegt. Das Äusgangssignai des
Schaltkreises 4· zum Nachweis falscher Triggcrungcn
liegt am Ausgang des NAND-Schaltkrciscs 443 an.
Das Ausgangssignal F weist normalerweise den logischen
Wert »1« auf, so daß der Transistor Q1 (F i g. 12) in
leitendem Zustand (eingeschaltet) gehalten wird. In F i g. 14 ist ein Signalformdiagramm dargestellt, das die
Ausgänge verschiedener Elemente zeigt. Insbesondere zeigt der Teil (A) gemäß Fig. 14 Signalformen, die in
jedem Fall erhalten werden, wenn ein Ultraschallimpuls normal nachgewiesen oder die Ankunft durch die erste
Welle nachgewiesen wird: während der Teil (fl^ Signalformen
zeigt, die in jenem Fall erhalten werden, in welchem ein Ultraschallimpuls in nicht normaler Weise
oder dessen Ankunft durch die zweite Welle nachgewiesen wird.
Wie von Teil (A) gemäß F i g. 14 ersichtlich, ist in dem Fall, wo der Nachweis des Ultraschallimpulses normal
ist. das Ausgangssignal F des Schaltkreises 41 zum Nachweis falscher Triggerungen unverändert, das bedeutet,
daß das Signal »1« anliegt Andererseits wie es aus dem Teil (B)gemäß Fig. i4 in dem Falle klar wird,
wo der Nachweis eines Ultraschallimpulses nicht normal ist wird das Ausgangssignal Fdes Schaltkreises 41
auf den Wert »0« geschaltet, wenn das Ausgangssignal
des Schaltkreises 31 zur Überwachung außergewöhnlicher Betriebszusiände anliegt. Dieser Zustand bleibt unverändert
solange erhalten, bis die Absorption des Ultraschallimpulses durch das zu messende Fluid normal
wird. Wenn das Ausgangssignal Fdes Schaltkreises 41
zu »0« wird, wird der Transistor Q1 der Triggerschaltung
40 nichtleitend, wobei die Sollspannung des Vergleichsschaltkreises
21 in die Sollspannung /:"« abgeändert
wird.
Wenn die Sollspannung der Triggcrschullung 40 auf
Em. wie in Fig. 7 dargestellt, geändert wird, wird der
s nächste Nachweis für Ultraschallinipulse mit der zweiten Wclic durchgeführt.
Wenn der Nachwci», des Eintreffens des Ultraschallimpulses
von der ersten Welle zu der zweiten Welle verschoben wird, wird die UltraschallObcrtragungszeit
in um die Versehiebezcii (beispielsweise Δ V in der Zeichnung)
vergrößert. Die Wirkung dieser Verschiebungszeit geht sowohl in dem Fall der Vorwärtsrichiung als
auch in dem Fall der Rückwärtsrichtung ein. Deshalb ist
es möglich, die Ultrasehall-Rückwärts-Übcrtragungs-
zeit und die Ultraschall-Riiekwärts-Übcriragungs/eit
einer Subtraktion zu unterziehen, wobei dann die Verschiebungszeil
Δ T'gestrichen wird und wobei es demgemäß kein zu lösendes Problem gibt. Jedoch wird in
dieser Ausführungsforni die Uliraschallüberlragungszeit
durch «cn Oszillator ί i otici J2 c-fSC-Ui iiiiu uv.shüib
ist die Übcrlragungzcit als Nenner verwendet. Aus diesem Grunde ist es unmöglich, daß die Vcrxchiebiings/.cil
Δ Vgänzlich gestrichen wird, weshalb das Meßergebnis
bis zu einem gewissen Grade einen Fehler einschließt.
In Anbetracht vorstehender Ausführungen wird durch die F.rfindiing ein Verfahren bereitgestellt, bei
dem die zuvor genannte Verschiebungszeil .1 T zur Verbesserung der Meßgenauigkeit kompensiert ist.
Des weiteren wird zwischen dem Zähler 3 und dem
jo Verzögerungsclement 4, wie in Fig. 11 dargestellt.eine
Vcr/.ögerungskompensalionsschaltung 42 verwendet,
so daß bei Verschiebung des Nachweises der Ankunft des Ultraschallimpulscs von der ersten zu der zweiten
Welle die Abgabe des Ausgangssignals Vde.·. Verzöge-
Ji rungselemcntes 4 verzögen ist
Die Verzögcrungskompcnsationsschaltung 42, wie in
Fig. Γ) dargestellt weist einen monoslabilcn Multivibrator
45. ein Gaiter 46 «:κ! einen Inveriicrer 47 auf.
Das Gatter 46 weist einen UND-SchaltkrcisMl bzw.
Das Gatter 46 weist einen UND-SchaltkrcisMl bzw.
«o 462 und einen ODER-Schaltkrcis 463 auf. Das Ausgangssignal
des Schaltkreises 4t zum Nachweis falscher Triggerungen ist an den UND-Schaltkrcis 6Ή und den
Invcrticrer 47 angeschlossen.
Wenn das Ausgangssignal /"des Schaltkreises 41 den Wert »0« annimmt wird die erfolgreiche Einleitung der Messung des Ausgangssignals des Zählers 3 zu dem Verzögcrungsclcment 4 um die Ausgangsverzögerungszeit Ti des monostabilcn Multivibrators45 (vgl.die Signalformcn V und R in F i g. 7) verzögert und detngcmaß ist die Erzeugung des Ausgangssignals Vdes Vcrzögerungselemcnts 4 um die Zeit Ti verzögert Diese Zeit wird so bestimmt, daß sie im wesentlichen der Verschiebungszeit Δ V entspricht, die zum Nachweis des Eintreffens eines Ultraschallimpulses notwendig ist, um diesen von der ersten Welle zu der zweiten Welle zu verschieben.
Wenn das Ausgangssignal /"des Schaltkreises 41 den Wert »0« annimmt wird die erfolgreiche Einleitung der Messung des Ausgangssignals des Zählers 3 zu dem Verzögcrungsclcment 4 um die Ausgangsverzögerungszeit Ti des monostabilcn Multivibrators45 (vgl.die Signalformcn V und R in F i g. 7) verzögert und detngcmaß ist die Erzeugung des Ausgangssignals Vdes Vcrzögerungselemcnts 4 um die Zeit Ti verzögert Diese Zeit wird so bestimmt, daß sie im wesentlichen der Verschiebungszeit Δ V entspricht, die zum Nachweis des Eintreffens eines Ultraschallimpulses notwendig ist, um diesen von der ersten Welle zu der zweiten Welle zu verschieben.
Auf diese Weise kann die Verschiebungszeit Δ Τ'wie
in F i g. 7 angegeben, durch Verzögerung durch die Zeit
Ti des Zeitbeginns für das I jden des Kondensators Cin
ho dem Rampcn-Gcncrator gemäß Fig.3 verzögert werden.
Mit M' in Fig.7 ist das Ausgangssignal des NAND-Schaltkreises 100 (Fig.3) in der Kompensationsschaltung
bezeichnet.
Wie sich aus vorstehender Beschreibung ergibt weist der Schaltkreis zum Nachweis von falschen Triggcrungen die Tatsache nach, daß der Nachweis des Eintreffens eines Ultraschallimpulses von der ursprünglich nachzuweisenden Welle zu der vorhergehenden oder
Wie sich aus vorstehender Beschreibung ergibt weist der Schaltkreis zum Nachweis von falschen Triggcrungen die Tatsache nach, daß der Nachweis des Eintreffens eines Ultraschallimpulses von der ursprünglich nachzuweisenden Welle zu der vorhergehenden oder
11
folgenden Welle mit Hilfe des Ausgangssignals W des
Schallkreises 31 zur Überwachung liuBcrgcwöhnliehcr
Betricbszu.st;>ndc verschoben wird, um zu überwachen,
>b der Ultraschallimpuls und das dem Ausgangssignal .S' der Zcitdiffercnznachwcisschaltung 8 entsprechende Si- ■>
gnul K normal ist. Die Sollspannung des Triggersehalikrcises
40 /um Nachweis des Eintreffens eines LJIlraschallimpulses
zur Steuerung der Zeitdifferen/.nachweisschaltung8 wird in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal
des Schaltkreises zum Nachweis falscher iu Triggeriingcn geändert. Als Ergebnis wird die das Eintreffen
des Ultraschallimpul.ses nachweisende Welle von der ersten nachzuweisenden Welle zu der vorhergehenden
oder nachfolgenden Welle in der nachfolgenden Messung geändert und diese Welle wird zum Nachweis
des Eintreffens der Ultraschallwelle in beiden der nach vorne und nach rückwärts gerichteten Richtungen verwendet.
Deshalb ist die McÜgcnauigkcit verbessert. Zusätzlich ist die Ver/ögcrungskompcnsationsschallung
42 vorgesehen, so dall der Anstieg des Ausgangssignals
Vdes Verzögrrungsclemenis 4. das an den Schaltkreis 8
zum Nachweis der Zeitdiffercn/. angelegt wird, im wesentlichen um die Vcrsehicbungszcit der nachzuweisenden
Welle verzögert, wobei die Meßgenauigkeit weiter verbessert wird.
In der vorstehend beschriebenen Ausfilhrungsforni
wird die Sollspannung der Triggerschaltung 40 automatisch in die Sollspannung Em in Abhängigkeit von dem
Schaltzustand (cin-aus) des Transistors Q1 auf der
Grundlage des Ausgangssignals f-'dcs Schaltkreises /um jo
Nachweis falscher Triggerungen gesteuert, lcdoch kann
die Sollspannung in die Sollspannung £jo beispielsweise
durch nachfolgendes Verfahren geändert werden. Es wird eine tampe. die aus- und angeschaltet wird durch
das Ausgangssignal /-'des Schaltkreises 41, und ein von
I land /u betätigender Schalter parallel /11 den Widerständen
/?i und /?< anstelle des Transistors Q1 in dem
Triggcrschaltkrcis 40 verwendet. Die Änderung der Sollspannung kann dann durch Betätigung des von
I land zu betätigenden Schalters in Übereinstimmung mit ein- bzw. ausgeschalteter Lampe bewirkt werden.
Hierzu 9 Blatt Zeichnungen
45
50
55
b5
Claims (2)
1. Ultraschall-Meßanordnung mit einem Paar von an einem von einem zu messenen Fluid durchflossenen Rohr gegenüberliegend angeordneten Wandlern, die in einer solchen Beziehung zueinander stehen, daß jeder Wandler zum Empfang eines Signals
von dem jeweils anderen Wandler in der Lage ist, und die wechselweise in einen Übertragungsbetrieb
und in einen Aufnahmebetrieb steuerbar sind, einem Impulsgenerator zur Erregung des jeweiiigen
Wandlers im Übertragungsbetrieb, zwei Oszillatoren mit veränderbaren Frequenzen, einem Zähler
zum Zählen der Ausgangssignale jedes Oszillators und zur Abgabe eines Ausganggssignals bei Erreichen eines vorbestimmten Zählwertes, einem dem
Zähler nachgeschalteten Verzögerungselement, einer Zeitdifferenznachweisschaltung zum Empfang
des Ausger^ssignals des Verzögerungselementes
und eines fcm Ausgangssienal des jeweiligen Wandlers im Empfangsbetrieb zugeordneten Signals, wobei die Frequenz des jeweiligen Oszillators bei einer
in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung der Flußrichtung des Fluids abgegebenen Welle so gesteuert wird, daß die Zeitdifferenz zwischen dem
Ausgangssignal des Verzögerutigselements und dem
Ausgangssignal des jeweils im Empfangsbetrieb befindlichen Wandlers zu Null gemacht wird, wobei die
Strömungsgeschwindigkeit des Fluids durch die Differenz zwischen den Frequenzen der Oszillatoren
erhalten wird, und einem Schaltkreis zum Überwachen außergewöhnlicher Bc.riebszustände, dadurch gekermzeic/i r.e t, daß der Schaltkreis
(31) zum Oberwachen außergev ähnlicher Betriebszustände ein Ausgangssignal (W) abgibt, wenn ein
dem Ausgangssignal des Wandlers im Empfangsbereich zugeordnetes Signal eine erste vorgegebene
Spannung (E\) übersteigt, daß ein Triggerschaltkrcis (40) vorgesehen ist zur Abgabe eines Ausgangssignals (Z) an die Zei'.differenznachweisschaltung (8).
wenn das dem Ausgangssignal des jeweiligen Wandlers im Empfangsbetrieb zugeordnete Signal einen
ersten, unter normalen Bedingungen geltenden Sollwert (E3) übersteigt, und daß ein Schaltkreis (41) /um
Nachweis falscher Triggerungen vorgesehen ist zur Abgabe eines Ausgangssignals in Übereinstimmung
mit dem Ausgangssignal (W) des Schaltkreises (31) zur Überwachung außergewöhnlicher Bctriebszustände, wenn ein Ausgangssignal (R) der Zeitdifferenznachweisschaltung (8) eine zweite vorgegebene
Spannung (Eu) übersteigt, so daß in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal (S) des Schaltkreises (40)
auf einen zweiten Sollwert (£») umschaltbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verzögerungskompensationssehaltung
(42) zur Verzögerung des Ausgangssignals des Vcrzögerungselements um ein vorherbestimmtes Zeitintervall, die durch das Ausgangssignal (F) des
Schaltkreises (41) zum Nachweis falscher Triggerungen gesteuert wird.
Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Meßanordnung mit einem Paar von an einem von einem zu messenden Fluid durchflossenen Rohr gegenüberliegend
angeordneten Wandlern, die in einer solchen Beziehung zueinander stehen, daß jeder Wandler zum Empfang
eines Signals von dem jeweils anderen Wandler in der Lage ist, und die wechselweise in einen Übertragungsbetrieb und in einen Aufnahmebetrieb steuerbar sind,
einem Impulsgenerator zur Erregung des jeweiligen Wandlers im Überiragungsbctrieb, zwei Oszillatoren
mit veränderbaren Frequenzen, einem Zähler zum Zählen der Ausgangssignale jedes Oszillators und zu. Abga-
be eines Ausgangssignals bei Erreichen eines vorbestimmten Zählwerles, einem dem Zähler nachgeschalteten Verxögcrungselemcnt, einer Zeitdifferenznachweisschaltung zum Empfang des Ausgangssignals des Verzögerungselementes und eines dem Ausgangssignal des
jeweiligen Wandlers im Empfangsbelrieb zugeordneten
Signals, wobei die Frequenz des jeweiligen Oszillators bei einer in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung
der Flußrichtung des Fluids abgegebenen WeUe so gesteuert wird, daß die Zeitdifferenz zwischen dem Aus-
gangssignal des Verzögerungselements und dem Ausgangssignal des jeweils im Empfangsbetrieb befindlichen Wandlers zu Null gemacht wird, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids durch die Differenz
zwischen den Frequenzen der Oszillatoren erhalten
wird, und einem Schaltkreis zum Überwachen außergewöhnlicher Bctriebszuständc.
Eine derartige bekannte Ultraschall-Meßanordnung ist in Fig. I dargestellt. Sie entspricht im wesentlichen
der in der US-PS 38 18 757 dargestellten Mcßanord-
jo nung.
Die F i g. 2 bis 4 zeigen Einzelheiten der Meßanordnung nach Fig. 1 und die Fig.5 bsi 10 Signalformdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise dieser Meßanordnung.
Mit 10 ist in F i g. 1 ein Meßrohr bezeichnet, durch das
ein zu messendes Fluid in Richtung des Pfeils fließt. Ultraschallwandler 13, 14 sind an der Außenwandung
des Meßrohrs 10 jeweils durch Montageelcmcntc 15 und 16 angeordnet. Jeder der Wand'cr 13, 14 wandelt
ein elektrisches in ein akustisches Signal und umgekehrt.
In einer ersten Betriebsweise dient der Wandler 13 als
Übertragiingseinhcit. während der Wandler 14 als Aufnahmccinhcil dient. In der anderen Betriebsweise dient
der Wandler 13 als Empfangscinheit, während der
Wandler 14 als Übcrtragungscinheit dient. Diese zwei
Betriebsweisen können durch eine Schaltung 9 zum. Schalten der Betriebsweise eingeschaltet werden. Diese
Bctriebswcisenschaltcreinhcil gibt zwei Bctricbsweisenschallsignalc A und B ab. um die Wandler 13 und 14
durch einen Torschaltkreis 6 so anzusteuern, daß die
Wandler 13 und 14 die Übcrtragungs- bzw. Empfangscinheit in abwechselnder Weise werden.
Mit 1 ist in Fig.) ein Oszillatorclcmenl mit zwei
Oszillatoren M, 12 dargestellt. Diese beiden Os/illato
rc η sind spannungsgcstcucrtc Oszillatoren, in denen die
Stcucrspannung in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal einer Zcitdiffcren/.naehwcisschallung 8 geändert
werden, wobei als Ergebnis die Oszillationsfrcquen/.
verändert wird.
w Die spannungsgcstciicrtcn Oszillatoren 11 und 12
sind selektiv durch die Belriebsweiscnschaltsignalc A
und öso gesteuert, daß in einer Betriebsweise einer der
Oszillatoren M und 12d;is Aiisgangssignal der/eikliifercnznachweisschaltung erhält. Mit 2 ist eine Schaltung
br) zur F.r/.cugung eines Synchronisalionsimpulses gezeigt,
die in Synchronisation mit dem Ausgangssignal einer der Oszillatoren 11 und 12 ein Ausgangssignal generieren, das selektiv durch die Einheit 9 für die Bctriebswci-
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D2 | Grant after examination | ||
8381 | Inventor (new situation) |
Free format text: KOHNO, MASARU NAKAGAWA, YUKIO, HINO, TOKIO/TOKYO, JP KADA, TAKEO, TACHIKAWA, TOKIO/TOKYO, JP |
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8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |