DE2920176A1

DE2920176A1 - Ultraschall-messgeraet

Info

Publication number: DE2920176A1
Application number: DE19792920176
Authority: DE
Inventors: Takeo Dipl Ing Kada; Masaru Dipl Ing Kohno; Yukio Dipl Ing Nakagawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Ultrasonic Engineering Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Ultrasonic Engineering Co Ltd
Priority date: 1978-05-16
Filing date: 1979-05-16
Publication date: 1979-11-22
Also published as: GB2022255A; FR2426246A1; NL7903822A; GB2022255B; DK200679A

Description

FUJI ELECTRIC CO., LTD Mein Zeichen

Kawasaki / Japan · VPA 78 P 8552 BRD

Cho-onpa Kogyo Co., Ltd. ·

Japan

Ultras chall-Meßgerät '

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Meßgerät mit Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches bekanntes Ultraschall-Meßgerät ist in den Figuren 1 bis 8 näher erläutert.

In Fig. 1 ist ein Meßrohr 10 zu erkennen, das von dem zu messenden Mittel in Richtung des Pfeiles durchflossen wird. Wandler 13 und 14 sind an der Wand des Meßrohres 10 mittels Befestigungseinrichtungen 15 und 16 gehalten. Die beiden Wandler 13 und 14 setzen ein elektrisches Signal in ein Ultraschall-Signal um und umgekehrt. Bei einer Betriebsart dient der Wandler 13 als Sender und der Wandler 14 als Empfänger, während in der anderen Betriebsart der Wandler 14 als Sender und der Wandler 13 als Empfänger dient. Eine Betriebsart-Umschalteinrichtung 9 ist vorgesehen, um die Be-

Kr 3 Sby / 11.05.1979

909847/0908

VPA 78 P 8552 BRD

triebsart zu verändern. Die Betriebsart-Umschalteinrichtung 9 stBuert die Wandler 13 und 14 mittels einer Torschaltung 6, indem sie Betriebsart-Umschaltsignale A und B aussendet, so daß die Wandler 13 und abwechselnd als Sender und Empfänger arbeiten.

Eine Oszillator-Anordnung 1 enthält zwei Oszillatoren 11 und 12, die jeweils spannungsgesteuert sind und mit einer Steuerspannung beaufschlagt sind, die vom Ausgangssignal einer Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8 abhängig ist. Die Frequenz der Oszillator-Anordnung hängt somit von der Steuerspannung ab. Die Betriebsart-Umschaltsignale A und B der Betriebsart-Umschalteinrichtung 9 bewirken auch, daß entweder der Oszillator 11 oder 12 aktiviert ist, um das Ausgangssignal der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8 zu erfassen und umzusetzen. Ein synchronisierender Impulsgenerator 2 erzeugt Ausgangssignale, die entweder mit dem des einen Oszillators 11 oder mit dem des anderen Oszillators 12 synchronisiert sind, was durch die Betriebsart-Umschalteinrichtung 9 bestimmt wird. Ein Zähler 3 zählt die Ausgangsimpulse der Oszillator-Anordnung 1 und beginnt sein Zählen auf ein Ausgangssignal des synchronisierenden Impulsgenerators 2 hin; der ZäMfer 3 erzeugt ein den Zählvorgang beendendes Signal, wenn sein Zählerstand eine Zahl N erreicht, die u. a. in Abhängigkeit vom Durchmesser des Meßrohres 10 vorbestimmt wird. Ein Verzögerungsglied 4 beginnt auf das Ausgangssignal des Zählers 3 hin zu arbeiten und erzeugt seinerseits ein Ausgangssignal, wenn eine vorbestimmte Zeit abgelaufen ist. Das Ausgangssignal V des Verzögerungsgliedes 4 ist der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8 zugeführt.

909847/0908

- TT - VPA 78 P 8552 BRD

Ein elektrischer Impulssender 5 erzeugt auf das Ausgangssignal des synchronisierenden Impulsgenerators ein elektrisches Signal zur Ansteuerung der Wandler und 14. Das Ausgangssignal des elektrischen Impulssenders 5 wird durch die Torschaltung 6 selektiv .einem der beiden Wandler 13 und 14 zugeführt, und/ entweder im Wandler 13 oder 14 empfangenes Signal ist ebenfalls über die Torschaltung 6 einem Versferker 7 zugeführt.

Ein Ausgangssignal H des Verstärkers 7 liegt an einer Amplituden-Erfassungseinrichtung 29, einer Schwellwert-Schalteinrichtung 30 und einer Übertragungs-Überwachungseinrichtung 31· Die Amplituden-Erfassungseinrichtung enthält im wesentlichen einen Komparator 20, wie dies in der Fig. 2 gezeigt ist. Der Komparator 20 ist mit Mitteln-versehen, um eine Bezugsspannung E2 zur Amplituden-Erfassung zur Verfügung zu haben. Auf das Ausgangssignal des Komparators 20 wird eine Steuerschaltung 23 so gesteuert, daß sie ein Steuersignal Y erzeugt, mit dem die Verstärkung des Verstärkers 7 veränderbar ist, so daß der höchste Scheitelwert des Ausgangssignals H des Verstärkers 7 innerhalb eines vorbestimmten Größenbereichs bleibt, unabhängig von den Scheitelwerten der in den Wandlern 13 und 14 empfangenen Signale.

Die Schwellwert-Schalteinrichtung 30 dient zur Feststellung, ob das Ultraschall-Signal die Wandler 13 bzw. 14 erreicht oder nicht, und besteht im wesentlichen aus einem Komparator 21. Dieser Komparator 21 ist mit Mitteln versehen, um eine Bezugsspannung E3 zur Verfügung zu haben. Auf das Ausgangs signal der Schveülwert-Schalteinrichtung 30 spricht eine nachgeordnete, weitere Steuerschaltung 24 an und erzeugt ein Signal, auf das hin die Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8 zu arbeiten beginnt

909847/090 8

- if - VPA 78 P 8552 BRD

Die Übertragungs-Uberwachungseinrichtung 31 dient zur Feststellung, ob das Ultraschall-Signal irgendeiner Absorption in dem zu messenden Mittel unterworfen ist, und besteht im wesentlichen aus einem Komparator 19, einem Flip-Flop 22, einem Abtast-Generator 25 sowie einemNAND-Glied 26. An diesem Komparator 19 liegt eine Spannung E1, die eine Bezugsspannung zur Erfassung von Anormal-Werten darstellt. Das Flip-Flop 22 erzeugt ein Ausgangssignal Y auf das Ausgangssignal des Komparators 19 und wird zurückgesetzt beim Ende eines jeden Meßzyklus. Der Abtastgenerator 25 erzeugt einen Abtastimpuls U, mit dem die 7ä.t bestimmt wird, in der das Ausgangssignal S der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8 der Oszillator-Anordnung 1 zugeführt wird. Das NAND-Glied 26 ist mit dem Ausgangssignal X des Flip-Flop und dem Abtastimpuls U beaufschlagt. Die Bezugsspannung E1 der Übertragungs-Überwachungseinrichtung kann beispielsweise auf 2,5 V eingestellt werden, wobei dann die Bezugsspannung E2 der Amplituden-Erfassungseinrichtung 29 auf 3 V und die Bezugsgjannung E3 der Schwellwert-Schal teinrichtung 30 auf 1,5 V festgesetzt wird, vorausgesetzt, daß diese Höhe der Bezugsspannung E3 ausreicht, um die erste Welle eines ankommenden Signals zu erfassen, wenn die Schwellwert-Schalteinrichtung das Ausgangssignal H des Verstärkers 7 empfängt. Wenn der Augenblickswert des Ausgangssignals H des Verstärkers die Bezugsspannung E3 der Schwellwert-Schalteinrichtung 30 überschreitet, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, dann wird das Signal Z erzeugt. Überschreitet das Signal H ferner auch die Bezugsspannung E1 der Übertragungs-Überwachungs einrichtung 31» dann wird von dem Flip-Flop 22 ständig ein Ausgangesignal X erzeugt und danach, wenn der Abtastimpuls U ausgesandt wird, die Abgabe des Ausgangssignals W der Einrichtung 31 beendet.

909847/0908

-S-

- VPA 78 P 8552 j BRD

In Fig. 4 ist die Schaltung der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8 dargestellt. In ihrer Eingangsstufe ist ein NAND-Glied 100 vorgesehen, um das Signal Z der Schwellwert-Schal teinrichtung 30 und das Ausgangssignal V des Verzögerungsgliedes 4 zu erfassen. Yfenn das Signal Z gleichzeitig mit dem Ausgangssignal V auftritt, erlischt das Ausgangssignal M des NAND-Gliedes 100, und der Transistor Q1 wird gesperrt. Dadurchwird ein Strom aus der Konstantstromquelle 90 über eine Diode D in einen Kondensator C eingespeist, um diesen aufzuladen. Die Konstantstromquelle 90, der Tansistor Q1, die Diode D und der Kondensator C bilden einen Rampen-Schaltungskreis. Sein Ausgangssignal R, das die Lagespannung des Kondensators C darstellt, wird einem Differenzverstärker 80 zugeführt.

Dieser Differenzverstärker 80 liegt außerdem an einer Referenzspannung E50, um die Laufzeit zu quantifizieren. Eine Differenz zwischen dieser Referenzspannung E50 und dem Ausgangssignal R des Rampen-Schaltungskreises wird von der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung als Ausgangssignal S abgegeben. Ein Feldeffekt-Transistor Q4 ist dazu vorgesehen, den Kondensator G zu entladen und wird einer Auf- und Zusteuerung durch ein Signal K unterworfen. Die Referenzspannung E50 kann auf annähernd 5 V festgesetzt werden.

Das Ausgangssignal S der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung wird einer Oszillator-Steuereinrichtung 32 zugeführt, die zur Steuerung der Oszillator-Anordnung 1 dient. Die Steuerschaltung 32 enthält einen Integrator 28 und einen Feldeffekt-Transistor Q5, wie aus Fig. 5 hervorgeht. Die Steuerschaltung 32 dient dazu, das Ausgangssignal S der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung der Oszillator-Anordnung 1 zuzuführen, wenn der

909847/0908

- VPA 78 P 8552 BRD Transistor Q5 gesperrt ist.

Zur Erläuterung des Ultraschall-Meßgerätes mit dem bisher beschriebenen Aufbau soll auf die Fig. 6 zurückgegriffen werden. Zuerst beginnt aufgrund des Betriebsart-Umschaltsignals A der ¥andler/i4 als Empfänger zu arbeiten, und der Oszillator 11 in der Oszillator-Anordnung 1 ist mit dem Zähler 3 verbunden; die Torschaltung 6 ist so gesteuert, daß sie die Ausgangsimpulse des elektrischen Impulssenders 5 dem Wandler 13 zuführt und das Ausgangssignal des Wandlers 14 an den Verstärker 7 weiterleitet. Nach einem vorgewählten Zeitintervall erzeugt das Verzögerungsglied 4 sein Ausgangssignal V, worauf das Ausgangssignal M des NAND-Gliedes 100 beendet wird, so daß dann die Aufladung des Kondensators C im Rampen-Sbhaltungskreis beginnt. Wenn danach das Ausgangssignal des Wandlers 14, d. h. das Ausgangssignal H des Verstärkers 7» die Bezugsspannung E3 übersteigt, hört das Ausgangssignal Z der Schwellwert-Schalteinrichtung 30 auf, so daß das Ausgangssignal M des NAND-Gliedes 100 wiederum erzeugt wird und die Aufladung des Kondensators C im Rampen-Schaltungskreis beendet wird.

Die Größe des Ausgangssignals des Rampen-Schaltungskreises zu diesem Zeitpunkt wird mit RI bezeichnet. Das Signal R1 wird mit der Referenzspannung E50 verglichen, und es wird eine resultierende Spannungsdifferenz € zwischen ihnen erzeugt als Ausgangssignal der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8. DiB Frequenz des Oszillators 11 ist in Abhängigkeit von dieser Spannungsdifferenz £ gesteuert. Infolge Wiederholung dieser ganzen Operation wird die Spannungsdifferenz £ schließlich Null, was bedeutet, daß das Ausgangssignal R1 gleich der Referenzspannung E50 ist.

909847/0908

- / - VPA 78 P 8552 BRD

Auf diese Weise wird die Laufzeit Ta des Ultraschall-Signals in Richtung der strömenden Mittel (siehe Fig. 7) in eine entsprechende Frequenz des Oszillators 11 umgesetzt. Die Messung der Laufzeit in Strömungsrichtung ist beendet.

Danach erzeugt die Betriebsart-Umschalteinrichtung 9 das Betriebsart-Umschaltsignal B. Daraufhin wird der Wandler 14 als Sender betrieben, während der Wandler als Empfänger arbeitet, und der Oszillator 12 in der Oszillatoranordnung T mit dem synchronisierenden Impulsgenerator 2 und dem Zähler 3 verbunden ist; die Torschaltung 6 wird so gesteuert, daß sie die Ausgangsimpulse des elektrischen Impulssenders 5 zu dem Wandler 14 und das Ausgangssignal des Wandlers 13 zum Verstärker 7 leitet. Danach wird in derselben Weise, wie oben beschrieben, die Laufzeit Tb des Ultraschall-Signals entgegen der Strömungsrichtung des zu messenden Mittels in eine entsprechende Frequenz des Oszillators 12 umgesetzt. Damit ist dann auch die Messung der Laufzeit in Gegenrichtung zur Strömung beendet.

Die Differenz zwischen den Frequenzen der Oszillatoren 11 und 12, die der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist, wird durch einen reversiblen Zähler 17 erfaßt und als Strömungsgeschwindigkeit oder Menge in einer Anzeigeeinheit 18 angezeigt. In Fig. 7 gibt die Kurve H1 den Verlauf des empfangenen Signals in Strömungsrichtung wieder, während die Kurve H2 das Empfangssignal bei Aussendung entgegen der Strömungsrichtung verdeutlicht.

In manchen Fällen ist eineStrömungsmessung in Rohrleitungen erforderlich, wobei das zu messende Mittel aus eirem Speicherbehälter o. ä. gepumpt ist. In

90 9847/0 90 8

- VPA 78 P 8552 ; BRD solchen Fällen enthält das zu messende Mittel viele Blasen, wodurch die ausgesandten Ultraschall-Signale einer beträchtlichen Absorption unterworfen sind. Es kann daher passieren, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, daß das Signal gemäß Kurve H1 beim Eintreffen seiner ersten Welle f1 erfaßt wird, während das Signal gemäß Kurve H2 erst beim Eintreffen einer zwei terpene f2' ausgewertet wird, da der Scheitelwert seiner ersten Welle f1' nicht die Bezugsspannung E3 erreicht. In diesem Fall ist die gemessene Laufzeit Tb' langer als die tatsächliche Laufzeit Tb und unterscheidet sich um den Wert ^T¹ ,so daß die gemessene Zeitdifferenz Ta - Tb¹ größer als die tatsächliche Zeitdifferenz Ta - Tb um den Wert Δ T¹ ist, was zu dem Ergebnis führt, daß die Strömungsgeschwindigkeit als höher erfaßt wird, als sie tatsächlich ist (siehe Figuren 6 und 8).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Meßgerät vorzuschlagen, das auch in den Fällen frei.von Meßfehlern arbeitet, in denencas zu messende Mittel Blasen enthält, die ai einer Dämpfung des Ultraschall-Signals führen können, sowie in den Fällen, in denen Änderungen in der Konzentration des zu messenden Mittels zu veränderter Dämpfung der Ultraschall-Signale führen können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Ultraschall-Meßgerät der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 1 ausgebildet.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Meßgerätes ist zwischen dem ZäHer und dem Verzögerungsglied eine Verzögerungsschaltung

909847/0908

VPA 78 P 8552 · BRD

angeordnet, deren Steuereingang mit dem Ausgang der Prüfeinrichtung verbunden ist. Dadurch läßt sich die Zeitverschiebung voll kompensieren und dadurch die Meßgenauigkeit noch weiter verbessern.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Übertragungs-Überwachungseinrichtung einen Steuereingang aufweist, der mit dem Ausgang der Prüfeinrichtung verbunden ist. Es läßt sich auf diese Weise

ΊΟ inter Erzielung einer noch weitergehenden Erhöhung der Meßgenauigkeit erreichen, daß die Ultraschall-Signale grundsätzlich nur beim Eintreffen ihrer zweiten Wellen erfaßt werden, unabhängig davon, in welcher Richtung in bezug auf die Strömungsrichtung jeweils-

-j5 gesendet vorden ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind in Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschall-Meßgerätes mit einer Prüfeinrichtung und einer steuerbaren Amplituden-Erfassungseinrichtung, in

Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel der steuerbaren Amplituden-Erfassungseinrichtung gemäß Fig. 9, in Fig. 11 ein Schaltungsbeispiel einer Prüfeinrichtung, in

Figuren 12 und 13 die Funktionsweise des Gerätes nach den Figuren 9 bis 11 anhand von Diagrammen, in Fig. 14 und 15 Kurvenverläufe des Ausgangssignals des Verstärkers, in

Fig. 16 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gerätes mit einer zusätzlichen Verzögerungsschaltung, in

Fig. 17 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Prüfschaltung, in

·

909847/0908

VPA 78 P 8552 BRD

Fig. 18 Kurvenverläufe der Ausgangsspannung des Verstärkers , in

Fig. 19 ein Ausführungsbeispiel der zusätzlichen Verzögerungsschaltung, in

Fig. 20 weitere Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise, in

Fig. 21 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßgerätes mit einer zusätzlich steuerbaren Übertragungs-Überwachungseinrichtung und in Fig· 22 ein Schaltungsbeispiel für die Übertragungs-Überwachungseinrichtung dargestellt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 sind Teile, die mit denen nach Fig. 1 übereinstimmen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Das Ausgangssignal H des Verstärkers 7 ist der Schwellwert-Schalteinrichtung 30, der Übertragungs-Überwachungseinrichtung 31 und der Amplituden-Erfassungseinrichtung 4-0 in derselben Weise zugeführt, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Die Amplituden-Erfassungseinrichtung 40 ist so ausgeführt, daß sie auf zwei vorgewählte Spannungsniveaus eingestellt werden kann, wie dies anhand der Fig. 10 erkennbar ist. In diesem Fall, in dem ein Transistor Q2beispielsweise leitend ist, wird der Komparator 20 mit der Bezugsspannung E2 versorgt mittels Widerständen R1, R2 und einer Stromversorgungsquelle E200, während im gesperrten Zustand des Transistors Q2der Komparator 20 an einer Bezugsspannung E20 liegt, die durch die Widerstände R1, R2, R3, R4 und die Stromversorgungsquelle E200 aufgebaut wird. Der Transistor Q2 wird durch ein später noch näher erklärtes Signal F über einen Widerstand R5 gesteuert und befindet sich normalerweise im leitenden Zustand.

909847/0908

- VPA 78 P 8552 »BRD

Eine Prüfeinrichtung 41 ist vorgesehen, um festzustellen, ob die Erfassung eines Ultraschall-Signals "beim Auftreten seiner zweiten Welle f2' anstelle seiner ersten Welle f1' erfolgt, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Die Prüfeinrichtung 41 enthält Komparatoren 431 und 432 und ein RS-Flip-Flop 44, wie es in Fig. 11 dargestellt ist. Die Komparatoren 431 und 432 sind an * Bezugsspannungen E61 und E62 angeschlossen, die aus einer Betriebsspannungsquelle E6 mittels Widerständen R9» R10- und R11 erzeugt sind. Die Bezugsspannungen E61 und E62 betragen beispielsweise 6 V und 4 V.

Nimmt man an, daß das Ultraschall-Signal normalerweise beim Eintreffen seiner ersten Welle f 1' erfaßt wird und seine Frequenz 1 MHz beträgt, dann ergibt sich ein Ausgangssignal R des Rampen-Schaltungskreises von annähernd 7 V, wenn die Erfassung des Ultraschall-Signals beim Eintreffen der zweiten Welle f2* anstelle der ersten Welle stattfindet. Die höhere Bezugsspannung E61 ist aus diesem Gesichtspunkt gewählt. Andere Eingänge der Komparä:oren 431 und 432 sind mit dem Ausgangssignal R des Rampen-Schaltungskreises beaufschlagt, wie es aus Fig. 4 hervorgeht. Wenn die Größe dieses Ausgangssignals R die Bezugsspannung E61 überschreitet, erzeugt der Komparator ständig ein Ausgangssignal logisch "1", während der Komparator 432 ständig ein Ausgangssignal logisch "0" abgibt. Das RS-Flip-Flop 44 besteht aus NAND-Gliedern 441, 442, 443 und 444 sowie einem Negierer 445, der mit dem Ausgangsssignal W der Übertragungs-Überwachungseinrichtung 31 beaufschlagt ist.

Das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 443 ist das Ausgangssignal F der Prüfeinrichtung 41. Dieses Ausgangssignal F besitzt den logischen Wert ^M1", um den

909847/090 8

VPA 78 P 8552 ■ BRD

Transistor Q2 nach Fig. 10 normalerweise leitend zu halten.

Um die Wirkungsweise des Ultraschall-Meßgerätes nach den Figuren 9 "bis 11 zu erläutern, wird im folgenden Bezug auf die Figuren 12 und 13 genommen. Fig. 12 zeigt Signalzustände an verschiedenen Punkten der Schaltung des Ultraschall-Meßgerätes für den Fall einer normalen Erfassung des Ultraechall-Signals, d. h.

der Erfassung dieses Signals beim Auftreten der ersten Welle f1'. Wie aus Fig. 12 hervorgeht, ändert sich das Ausgangssignal F der Prüfeinrichtung 41 nicht, sondern bleibt "1", wenn die Erfassung des Ultraschall-Signals normal erfolgt. Auf der anderen Seite zeigt Fig. 13

-je Signalzustände an entsprechenden Punkten der Schaltung des dargestellten Ausführungsbeispiels beimaiormalen Erfassen des Ultraschall-Signals, d. h. beim Elfessen der zweiten Welle f2'. Wie Fig. 13 erkennen läßt, ist das Ausgangssignal F der Prüfeinrichtung 41 auf ¹¹O" verändert, wenn das Ausgangssignal W der Übertragungs-Überwachungseinrichtung 31 "0" wird. Infolgedessen wird der Transistor Q2 der Amplituden-Erfassungseinrichtung 40 gesperrt und dann die Bezugsspannung, die am Komparator 20 liegt, vom Wert E2 auf den Viert E20 verändert. Beim Erfassen nachkommender SigräLe ist .dann die Verstärkung des Verstärkers 7 angehoben, so daß der maximale Scheitelwert seines Ausgangssignals H das Niveau E20 der Bezugsspannung der Amplituden-Erfassungseinrichtung erreicht und daher die Erfassung des Ultraschall-Signals wieder beim Auftreten seiner ers-fcen Welle f1' erfolgt, wie dies Fig. 14, Darstellung B zeigt. Darstellung A der Fig. 14 gibt den Kurvenverlauf des Ausgangssignals des Verstärkers 7 wieder, bevor die Bezugsspannung des Komparators 20 der Amplituden-Erfassungseinrichtung geändert worden ist.

909847/0908

- YPA 78 P 8552 BRD

Wie oben erwähnt, .ist infolge entsprechender Einstellung der Bezugsspannung der Amplituden-Erfassungseinrichtung 40 im Falle einer anormalen Erfassung des Ultraschall-Signals und nachfolgender Veränderung der Verstärkung des Verstärkers 7 erreicht, daß die Erfassung der Ultraschall-Signale für die kommenden Signale wieder normal erfolgt, so daß Meßfehler vorteilhafterweise vermieden sind.

Obwohl die obigen Beschreibungen darauf bezogen sind, daß die Bezugsspannungen E2 und E20 der Amplituden-Erfassungseinrichtung 40 automatisch in Abhängigkeit vom Ausgangssignal F der Prüfeinrichtung 41 verändert werden, sind auch "andere Ausführungsfibrmen möglich.

Beispielsweise kann auf den Widerstand R5 und den Transistor Q2 verzichtet werden, wenn den Widerständen R3 und R4 ein Handschalter HS parallel geschaltet wird und wenn eine Signallampe vorgesehen wird, die auf das Ausgangssignal F der Prüfeinrichtung 41 anspricht, so daß nach der Anzeige der Signallampe die Betätigung des Handschalters HS entsprechend erfolgen kann.

Bei dem weiteren Ausführungsbeispiel nach Fig. 16 sind mit der Anordnung nach Fig. 1 übereinstimmende Teile wiederum mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf den Fall, daß die Ultraschall-Signale jeweils beim Auftreten ihrer ersten Welle erfaßt werden.

Es ist hier wiederum das Ausgangssignal H des Verstärkers 7 der Schwellwert-Schalteinrichtung 30, der Übertragungs-Überwachungseinrichtung 31 und der Amplituden-Erfassungseinrichtung 40 zugeführt. Die Amplituden-Erfassungseinrichtung ist so aufgebaut, wie die in Fig. 10 dargestellte, entsprechende Ein-

909847/090 8

VPA 78 P 8552 BRD richtung 40 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 9.

Auch die Prüfeinrichtung 41 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 16 ist der des Ausführungsbeispiels nach Fig. 9 sehr ähnlich; sie unterscheidet sich lediglich darin von der nach Fig. 11, daß der Ausgang des NAND-Gliedes 444 hier den Ausgang der Piifeinrichtung 41 bildet und somit hier das Signal F abgegeben wird. Wird der Prüfeinrichtung 41 nach Fig. 17 das Signal R des Rampen-Schaltungskreises zugeführt und überschreitet dieses die Bezugsspannung E61, dann erzeugt der Komparator 431 ständig ein Ausgangssignal logisch "1", während der Komparator 432 ständig "0" abgibt. Das RS-Flip-Flop 44 erzeugt am Ausgang des NAND-Gliedes 444 das Ausgangssignal F "0", um den Transistor Q2 nach Fig. 10 normalerweise gesperrt zu halten.

Zur weiteren Erläuterung kann auf die Figuren 12 und 13 zurückgegriffen werden, da sich bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 16 ähnliche Kurvenverläufe wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 ergeben. Ein Unterschied besteht nur darin, daß bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 16 die Ausgangs signale am NAND-Glied 444 die Ausgangssignale F der Prüfeinrichtung 41 bilden. Es ergibt sich somit, daß sich bei einer normalen Übertragung.bzw. Erfassung des Ultraschall-Signals das Ausgangssignal F der Prüfeinrichtung 41 nicht ändert, sondern "0" bleibt. Andererseits wird im Falle einer anormalen Übertragung bzw. Erfassung des Ultraschallsignals, d. h. beim Erfassen des Auftretens der zweiten Welle f2', das Ausgangssignal F der Prüfeinrichtung 41 auf den Wert "1" verändert, wenn das Ausgangssignal W der Übertragungs-Überwachungseinrichtung 41 ¹¹O" wird. Infolgedessen wird der Transistor Q2 der Amplituden-Erfassungs-

909847/0908

- VPA 78 P 8552 ' BRD

einrichtung 40 leitend und somit die Bezugsspannung des !Comparators 20 vom Werte E2 auf den Wert Ξ20 verändert, mit E2>E20* Beim Erfassen nachfolgender Signale ist somit die Verstärkung des Verstärkers 7 verringert, so daß sich der maximale Scheitelwert seines Ausgangssignals H der Bezugsspannung E20 nähert, und daher die Zeitpunkte der Erfassung der Ultraschall-Signale zu ihren zweiten Wellen f2' hin verschoben werden, wie dies in Fig. 18 , Darstellung B gazeigt ist. Dies gilt sowohl für den Fall der Aussendung der Ultraschall-Signale in Strömungsrichtung als auch entgegengesetzt dazu. Die Darstellung A der Fig. 18 zeigt die Wellenform des Ausgangssignals des Verstärkers 7 vor der Änderung der Bezugsspannungen des !Comparators 20.

Die Verschiebung des Erfassungsaugenblicks des Ultraschall-Signals von der ersten zur zweiten Welle bewirkt ein Anwachsen der gemessenen Laufzeit, um das Zeitintervall, das der Verschiebung entspricht, d. h. um das Zeitintervall Λ Τ' gemäß Fig. 8 beispielsweise. Wenn man dies nur unter den Gesichtspunkt einer einfachen Subtraktion der Laufzeiten bei Sendung: .in Strömungsrichtung und entgegengesetzt dazu betrachtet, verursacht das Zeitintervall ^ T¹ keinen Meßfehler, da es in gleicher Weise in beiden Fällen auftritt und sich so aufhebt. Bei dem erfindungsgemäßen Meßgerät werden jedoch die Laufzeiten in Frequenzen der Oszillatoren 11 und 12 umgesetzt, so daß die Laufzeit sich im Nenner eines Bruches niederschlägt. Infolgedessen kann das Zeitintervall A T' nicht völlig herausfallen, sondern verursacht kleine Meßfehler.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind daher Mittel vorgesehen, um das Zeitintervall^LT¹ zu köm-

9 0 9 8 4 7/0908

_ VPA 78 P 8552 BRD

pensieren, damit sich die Meßgenauigkeit verbessert. Dies wird mittels einer Verzögerungsschaltung 42 erreicht, die zwischen dem Zähler 3 und dem Verzögerungs glied 4 angeordnet ist, wie dies aus Fig. 16 ersichtlieh ist. Die Verzögerungsschaltung 42 ist so ausgelegt, daß sie das Ausgangssignal V des Verzögerungsgliedes 4 verzögert, wenn der Erfassungsaugenblick des Ultraschall-Signals von der ersten zur zweiten Wellen hin verschoben wird. Die Verzögerungsschaltung 42 enthält einen monostabilen Multivibrator 45, eine Torschaltung 46 und einen Negierer 47, wie dies aus Fig. 19 hervorgeht. Die Torschaltung 46 enthält UND-Glieder 461 und 462 sowie ein ODER-Glied 463. Das Ausgangssignal der Prüfeinrichtung 41 wird dem UND-Glied 462 und dem Negierer 47 zugeführt.

Wenn das Ausgangssignal F der Prüfeinrichtung 41 "0" ist, wird das Auftreten des Ausgangssignals des Zählers 3 am Verzögerungsglied um die Zeitdauer T1 des monostabilen Multivibrators 45 verzögert (siehe Diagramme V und R in der Fig. 20), so daß das Ausgangssignäl des Verzögerungsgliedes 4 zusätzlich um die Zeitdauer T1 verzögert auftritt. Die Zeitdauer T1 ist so gewählt, daß sie im wesentlichen dem Zeitintervall <d T' entspricht.

Auf diese Weise wird der Beginn der Aufladung des Kondensators C des Rampenschaltungskreises nach Fig. um die Zeitdauer T1 verzögert, wie dies aus Fig. 20 ersichtlich ist. Dies führt zu einer Kompensation^es Zeitintervalls 4 T'. Das Diagramm M¹ gemäß Fig. 20 zeigt das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 100 (siehe Fig. 4) in diesem Zusammenhang.

909847/0908

- VPA 78 P 8552 BRD

Falls sich wieder eine normale Übertragung des Ultraschall-Signals aufgrund einer Verminderung von Blasen einstellt und dennoch die verschobene Erfassung des Ultraschall-Signals auf die zweiig Welle f2' stattfindet, kann es trotz Begrenzung des maximalen Scheitelwertes des Ausgangssignals H des Verstärkers 7 auf die Bezugsspannung E20 (< E2) der Amplituden-Erfassungseinrichtung passieren, daß die wieder angestiegene Größe der ersten Welle die Bezugsspannung E3 erreicht. Das Signal Z der Schwellwert-Schalteinrichtung hört dann zu früh in Bezug auf den Ladevorgang des Kondensators im Rampen-iSchaltungskreis auf. Dies bedeutet, daß dfe ersichtliche Laufzeit des Ultraschall-Signals verringert wird, was zu einem Meßfehler führt. .In diesem Falle kann jedoch das Ausgangssignal R des·Rampen-Schaltungskreises die Bezugsspannung Ξ62 der Prüfeinrichtung 41 nicht erreichen, und der Komparator 432 erzeugt weiterhin das Signal "1", während der Komparator 431 weiterhin das Signal "0" erzeugt. Infolgedessen wird zu dem Zeitpunkt, in-dem der Abtastimpuls U erzeugt wird, das Ausgangssignal F der Prüfeinrichtung 41 auf "0" zurückgeführt, um den Transistor Q2 der Amplituden-ErfassungsEinrichtung 40 zu sperren und die Bezugsspannung für den Komparator 20 auf E2 zurückzubringen. Damit ist die Wirkung der Verzögerungsschaltung 42 beendet.

Bei dem weiteren Ausführungsbeispiel nach Fig. 21 ist eine Übertragungs-Überwachungseinrichtung 50 so aufgebaut, wie es in Fig. 22 gezeigt ist. Es sind hier zwei Spannungen ET und E10 erzeugbar. Darin unterschei det sich das Ausführungsbeispiel nach Fig. 21 von dem nach Fig. 16, wo eine Änderung von BeZugspannungen

9 0 9 8 4 7/0908

- VPA 78 P 8552 . BRD

beim Auftreten einer anormalen Übertragung der UltraschaliSignale nur in der Amplituden-Erfassungseinrichtung 40 vorgenommen wird. Zum Zwecke einer Messung mit erhöhter Genauigkeit ist es aber vorteilhaft,

die Bezugsspannung derlübertragungs-überwachungseinrlchtung auch einer Änderung zu unterziehen. Hier ist nur unter normalen Bedingungen, wo das Ausgangssignal F der Prüfeinrichtung 41 "O" ist, ein Transistor Q21 gesperrt, so daß die Bezugsspannung E1 durch die Widerstände R11, R21, R31 und R41 sowie mittels einer Stromversorgungsquelle E100 erzeugt ist; während sich bei Änderung der Bezugsspannung diese Änderung in der Amplituden-Erfassungseinrichtung 40 von E2 auf E20 vollzieht, geschieht dies hier mit Leitendwerdeides Transistors Q21, wodurch sich die Bezugsspannung auf den Wert E10 ändert, wobei E10 < als E1 ist.

Der Erfindung liegt also die Überlegung zugrunde, daß, wenn eine Dämpfung der Ultraschall-Signale auftritt und der richtige Erfassungspunkt für das UltraschäLl-Signal in der ersten Welle erwartet wird, der Scheitelwert der Ausgangsgröße des Verstärkers unter Verminderung der Bezugsspannung der Amplituden-Erfassungseinrichtung verkleinert wird, äo daß die erste Welle den vorgegebenen Schwellwert nicht erreicht und daher die Ultraschall-Signale erst beim Auftreten der zweiten Welle erfaßt werden, undjzwar sowohl bei Aussendung der Ultraschall-Signale in Strömungsrichtung als auch entgegengesetzt dazu. Die Überlegung sieht ferner vor, daß, wenn der wahre Zeitpunkt der Erfassung des Ultraschall-Signals während der zweiten Welle erwartet wird, eine Erfassung des Ultraschall-SigneLe sowohl bei Sendung in Strömungsrichtung als auch entgegengesetzt dazu in der ersten Welle vorgenommen wird, indem die Verstärkung des Verstärkerausgangs angehoben wird,

9 09847/0908

- VPA78 P 8552 BRD

so daß die erste Welle den vorgegebenen Schwellwert erreicht und daher die Ultraschall-Impulse in beiden Senderichtungen beim Auftreten ihrer ersten Wellen erfaßt werden.

Gemäß der Erfindung wird durch die Prüfeinrichtung, die auf Ausgangssignale der Übertragungs-Überwachungseinrichtung und auf das Ausgangssignal des Rampen-Schaltungskreises der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung anspricht, festgestellt, ob der Zeitpunkt der Erfassung der Ultraschall-Signale vor oder hinter der richtigen Welle liegt; wenn dies der Fall ist, wird die Bezugsspannung dsr Amplituden-Erfassungseinrichtung in Abhängigkeit vom AusgangssignsL der Prüfeinrichtung geändert» Daher findet eine Steuerung der Höhe des Ausgangssignals des Verstärkers statt, so daß der Zeitpunkt der Erfassung nachfolgender Ultraschall-Signale auf die vorangehende oder nachfolgende WeIHe der nachfolgenden Ultraschall-Signale verschoben wird, die in oder gegen die Strömungsrichtung ausgesandt werden. Dutfch die zusätzliche Verzögerungsschaltung ist eine weitere Verbesserung der Meßgenauigkeit erreicht.

7 Patentansprüche
Figuren

309847/0908

Leerseite

Claims

Patentansprüche Unser Zeichen

VPA 78 P 85 5?- BRD

Λ\ Ultraschall-Meßgerät zum Ermitteln der Strömungsgeschwindigkeit oder der Menge eines Mittels mit

a) Wandlern zum Senden von Ultraschall-Signalen in

Richtung und in Gegenrichtung zum strömenden Mittel und zum Empfangen der Ultraschall-Signale, mit

b) einem den Wandlern nachgeordneten Verstärker, in dem aus den empfangenen Ultraschall-Signalen ge-

1Θ bildete elektrische Signale verstärkt werden, mit

ö) einer an den Ausgang des Verstärkers angeschlossenen Amplituden-Erfassungseinrichtung, die

c1) ausgangsseitig mit dem Verstärker zur Steuerung seiner Verstärkung verbunden ist, mit

d.) einer am Ausgang des Verstärkers liegenden Schwellwert-Schalteinrichtung, mit

e) einer dem Verstärker nachgeordneten Übertragungs-Überwachungseinrichtung, mit

f) einer Zeitdifferenz-Meßeinrichtung, die mit einem Eingang an den Ausgang der Schwellwert-Schalteinrichtung und mit einem weiteren Eingang über ein Verzögerungsglied an den Ausgang eines Zählers angeschlossen ist, mit

g) einer Oszillator-Anordnung, die eingangsseitig mit dem Ausgang der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung verbunden ist und ausgangsseitig einerseits mit dem Zähler und den Wandlern und andererseits mit einem vorwärts- und rückwärts zählenden Zähler in Verbindung steht, dadurch gekennzeich-

90 9847/090 8

- 2 - VPA 79 P 8552 BRD

net, daß
h) eine Prüfeinrichtung (41) vorhanden ist, die

h1) mit einem Eingang an den Ausgang der Übertragungs-Überwachungseinrichtung (31) und

h2) mit einem weiteren Eingang an einem Ausgang der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung (8) angeschlossen ist, an dem eine mit der Zeitdifferenz proportional ansteigende Spannung (R) ansteht, daß
10

j) die Amplituden-Erfassungseinrichtung (40) einen Steuereingang zum Verändern einer Bezugsspannung (E2, E20) aufweist und daß

k) der Steuereingang mit dem Ausgang der Prüfeinrichtung (41) verbunden ist.
2. Meßgerät nach Anspruch 1, mit einer einen Komparator enthaltenden Amplituden-Erfassungseinrichtung, d a durch gekennzeichnet, daß

1) an einem Eingang (-) des !Comparators (20) ein Spannungsteiler (R1, R2, R3, R4) liegt, daß

m) zu einem Teil des Spannungsteilers ein elektronischer Schalter (Q2) parallel geschaltet ist und daß

n) der Steueranschluß des elektronischen Schalters (Q2) mit dem Steuereingang der Amplituden-Erfassungseinrichtung (40) verbunden ist.
3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

o) die Prüfeinrichtung (41) eihgangsseitig zwei Kom-

909847/0908

- 3 - VPA 79 P 8552 BRD

paratoren (431, 432) enthält, die

o1) mit ihren Eingängen einerseits an den einen Ausgang der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung (8) und andererseits an einen weiteren Spannungs

teiler (R9, R1O, R11) angeschlossen sind, und daß

p) den Komparatoren (431, 432) ein RS-Flip-Flop nachgeordnet ist, dessen Reset-Eingang den weiteren Eingang der Prüfeinrichtung (41) bildet.
4. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

q) zwischen dem Zähler (3) und dem Verzögerungsglied

(4) eine Verzögerungsschaltung (42) angeordnet ist, deren

q1) Steuereingang mit dem Ausgang der Prüfeinrichtung (41) verbunden ist.
5. Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß

r) die Verzögerungsschaltung (42) einen monostabilen Multivibrator (45) und eine Logikschaltung (46) enthält , deren

r1) eingangsseitig liegende UND-Glieder (461, 462) einerseits direkt und über einen Negierer (47)

mit dem Steuereingang und andererseits direkt und über den monostabilen Multivibrator (45) mit dem Ausgang des Zählers (3) verbunden sind.
6. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

90984 7/09 0 8

- 4 - VPA 79 P 8552 . BRD

s) die Übertragungs-Überwachungseinrichtung (50) einen Steuereingang aufweist, der

si) mit dem Ausgang der Prüfechaltung (41) verbunden ist.
7. Meßgerät nach Anspruch 6 mit einer Übertragungs-Überwachungseinrichtung mit einem Komparator, dadurch

gekennzeichnet , daß
10

t) an einem Eingang des Komparators (19) ein Spannungsteiler (R11, R21, R31, R41) liegt, daß

u) zu einem Teil des Spannungsteilers (R11, R21, R31, R41) ein elektronischer Schalter (Q21) parallel geschaltet ist und daß

v) der Steueranschluß des elektronischen Schalters (Q21) mit dem Ausgang der Prüfschaltung (41) verbunden ist.

909847/0908