DE2920178A1

DE2920178A1 - Ultraschall-messgeraet

Info

Publication number: DE2920178A1
Application number: DE19792920178
Authority: DE
Inventors: Takeo Dipl Ing Kada; Masaru Dipl Ing Kohno; Yukio Dipl Ing Nakagawa; Gunji Ohkawara
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: FR2426245A1; GB2022254B; DK200479A; GB2022254A; NL7903820A; US4271708A

Description

FUJI ELECTRIC CO., LTD Mein Zeichen

Kawasaki / Japan VPA 78 P 8550 · BRD

Cho-onpa Kogyo Co., Ltd.
Japan

Ultraschall-Meßgerät

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

Ein solches bekanntes Ultraschall-Meßgerät ist als Blockschaltbild in Fig. 1 dargestellt; eine Einzelheit des Blockschaltbildes ist in Fig. 2 gezeigt. Dieses bekannte Ultraschall-Meßgerät ist auch in "Fuji Giho», Band 48, Nr. 2, Seiten 29 bis 38 beschrieben.

Das bekannte Ultraschall-Meßgerät enthält ein Meßrohr 10, durch das ein Mittel in Richtung des eingezeichneten Pfeiles strömt." Mittels Befestigungselementen 15 und 16 sind Wandler 13 und 14 am Mantel des Meßrohres 10 befestigt.

Die Wandler 13 und 14 setzen Ultraschall-Signale in elektrische Signale um und umgekehrt. In einer Betriebsart dient der Wandler 13 als Sender und der Wandler 14 als Empfänger. In der anderen Betriebsart arbeitet der

Kr 3 Un / 11.05.1979

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ORIGINAL INSPECTED

VPA 78 P 8550 BRD Wandler 14 als Sender und der Wandler 13 als Empfänger* Diese Betriebsarten v/erden mittels einer Betriebsart-Umschalteinrichtung 9 eingestellt. Die Betriebsart-Umschalteinriehtung 9 erzeugt Signale A und B, die die Wandler 13 und 14 über eine Torschaltung 6 steuern, so daß sie abwechselnd als Sender und Empfänger arbeiten.

Bei dem bekannten Ultraschall-Meßgerät ist eine Oszillator-Anordnung 1 mit zwei Oszillatoren 11 und 12 und Steuerschaltungen 19 und 20 versehen. Die Oszillatoren 11 und 12 sind jeweils spannungsgesteuerte Oszillatoren. In der Oszillator-Anordnung 1 sind die Steuerspannungen durch die Steuerschaltungen 19 und 20 in Abhängigkeit von der Größe des Ausgangssignals einer Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8 verändert, so daß sich die Frequenzen der Oszillatoren ändern. Die Signale A und B der Betriebsart-Umschal teinrichtung 9 steuern auch die Steuerschaltungen 19 und 20 in der Weise, daß j.n einer Betriebsart nur jeweils einer der Oszillatoren 11 und 12 das Ausgangssignal der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8 erhält.

Ein synchronisierender Impulsgenerator 2 erzeugt ein Signal im Synchronismus mit dem Ausgangssignal des Oszillators 11 oder 12 ^e nach Schaltstellung der Betriebsart-Umschalteinrichtung 9. Ein Zähler 3 erfaßt das Ausgangssignal der Oszillator-Anordnung 1; er beginnt seine Zähloperation auf das Ausgangssignal des synchronisierenden Impulsgenerators 2 hin. Wenn sein Wert einen vorgegebenen Wert N erreicht, erzeugt er ein Zählende-Signal. Ein Verzögerungsglied 4, das von dem Ausgangssignal des Zählers 3 angestoßen wird, erzeugt ein Ausgangssignal nach einer vorgegebenen Zeitverzögerung. Die Zeitverzögerung Xa des Verzögerungsgliedes 4 entspricht im wesentlichen der vollständigen Zeit, die ein Ultraschall-Signal zum Durchlaufen des Rohres 10 braucht und zusätzlich noch der Zeit, die ein elektrisches Signal benötigt, um einen Sender 5 und einen Empfän-

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VPA 78 P 8550 BRD ger 4 zu durchlaufen. Das Ausgangssignal V des Verzögerungsgliedes 4 ist der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8 zugeführt. Der Sender 5 sendet ein elektrisches Signal aus, um die Wandler 13 und 14 auf der Basis des Ausgangssignals des synchronisierenden Impulsgenerators 2 anzuregen. Das Ausgangssignal des Senders 5 wird über die Torschaltung 6 selektiv dem Wandler 13 oder dem Wandler 14 zugeführt. In ähnlicher Weise ist das empfangene Ultraschall-Signal von den Wandlern 13 oder 14 über die Torschaltung 6 dem Empfänger 7 zugeführt.

Der Empfänger 7 erzeugt beim Erfassen des Empfangssignals ein Trigger-Signal Z, mit dem die Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8 gesteuert wird. Wie aus Fig. 2 ersichtlieh ist, enthält die Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8 nach Fig. 1 ein NAND-Glied 100 in seiner Vorstufe.

Dem NAND-Glied 100 wird das Trigger-Signal Z vom Empfänger 7 und das Ausgangssignal V des Verzögerungsgliedes 4 zugeführt. Wenn die Signale Z und V zur gleichen Zeit auftreten, entsteht am Ausgang des NAND-Gliedes 100 ein Ausgangssignal F mit dem Wert logisch "1", und ein Transistor Q1, der bis dahin leitend gewesen ist, wird nun gesperrt, so daß ein Ladestrom von einer Konstantstromquelle 90 in einen Kondensator C über eine Diode D1 fließt. Die Konstantstromquelle 90, der Transistor Q1, die Diode D1 und der Kondensator C bilden zusammen einen Rampen-Schaltungskreis. Das Ausgangssignal des Rampen-Schaltungskreises, das ist die Ladespannung am Kondensator C, liegt am Eingang eines Differenzverstärkers 80.

Eine Referenzspannung E50 zur Messung der Laufzeit des Ultraschall-Signals im Meßrohr 10 wird vom Differenzverstärker 80 neben der Rampenspannung erfaßt, so daß ein Ausgangssignal S gebildet wird, das der Differenzspannung zwischen der Rampenspannung und der Referenz-

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VPA 78 P 8550 BRD spannung E5O entspricht. Dieses Ausgangssignal S ist den Steuerschaltungen 19 und 20 in der Oszillator-Anordnung 1 zugeführt. Die Steuerspannungen der Oszillatoren 11 und 12 sind so beeinflußt, daß die Differenzspannung Null wird. Dies führt im Ergebnis dazu, daß die Frequenz der Oszillatoren 11 und 12 verändert wird und die veränderten Frequenzen in einem Zähler 17 erfaßt werden, um sie in eine Laufzeit t umzusetzen, die dann in einer Anzeige-Einheit 18 wiedergegeben werden kann. Ein FeIdeffekt-Transistor Q2 kann zum Aufbau eines Entladekreises für den Kondensator C benutzt werden. Der Feldeffekt-Transistor 0.2 ist zu seinem Sperren und Leiten von einem Signal K gesteuert. Die Referenzspannung E50 kann annähernd 5V betragen.

Es ist zunächst angenommen, daß die Betriebsart-Umschalteinrichtung 9 zuerst ein Signal A erzeugt und dadurch den Wandler 14 zu einer Arbeitsweise als Empfänger und den Wandler 13 zu einer Arbeitsweise als Sender veranlaßt, während zur selben Zeit der Oszillator 11 in der Oszillator-Anordnung 1 mit dem synchronisierenden Impulsgenerator 2 und dem Zähler 3 verbunden ist. Die Torschaltung 6 ist so gesteuert, daß das Ausgangssignal des Senders 5 dem Wandler 13 und das Ausgangssignal des Wandlers 14 dem Empfänger 7 zugeführt wird. Nach einer vorgegebenen Zeitverzögerung erzeugt das Verzögerungsglied 4 das.Ausgangssignal V, das das Ausgangssignal F am Ausgang des NAND-Gliedes 100 unterbricht. Demgemäß beginnt sich der Kondensator C des Rampen-Schaltungskreises aufzuladen. Danach wird vom Wandler 14 ein Ausgangssignal erzeugt. Wenn das Eintreffen des Ultraschall-Signals durch den Empfänger 7 erfaßt ist, beendet der Empfänger 7 die Abgabe seines Trigger-Signals Z, so daß das Ausgangssignal F am Ausgang des NAND-Gliedes 100 wieder auftritt, was zu einer Unterbrechung des Ladevorganges des Kondensators C führt. Das Ausgangssignal des Rampenschaltungs-Kreises zu diesem Zeitpunkt ist im

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folgenden mit R¹ bezeichnet. Das Ausgangssignal R¹ wird mit der Referenzspannung E-50 verglichen, so daß eine Differenzspannung ξ als Ausgangssignal S der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8 entsteht. Die Frequenz des Oszillators 11 wird durch die Differenzspannung C gesteuert. Durch die Wiederholung dieser Operation wird die Differenzspannung £ schließlich Null; das bedeutet, daß das Ausgangssignal R* gleich dem Wert der Referenzspannung E 50 geworden ist. Auf diese Weise ist, wenn ein Ultraschall-Signal in Vorwärtsrichtung in bezug auf die Strömungsrichtung des Mittels ausgesandt worden ist, eine Laufzeit Ta in Vorwärtsrichtung in eine entsprechende Frequenz des Oszillators 11 umgesetzt. Die Messung der Laufzeit eines Ultraschall-Signals in Vorwärtsrichtung ist damit beendet.

Danach erzeugt die Betriebsart-Umschalteinrichtung 9 das Signal B. Der Wandler 14 wird demzufolge nunmehr als Sender betrieben, während der Wandler 13 als Empfänger arbeitet. Zur selben Zeit wird durch das Signal B die Oszillator-Anordnung 1 so gesteuert, daß nunmehr ihr Oszillator 12 mit dem synchronisierenden Impulsgenerator 2 und dem Zähler 3 verbunden ist. Die Torschaltung 6 wird so gesteuert, daß das Ausgangssignal des Senders 5 nunmehr zum Wandler 14 und das Ausgangssignal des Wandlers 13 nunmehr zum Empfänger 7 geleitet wird. Wenn die Ultraschall-Signale nunmehr in Gegenrichtung in bezug auf die Strömungsrichtung des zu messenden Mittels ausgesendet werden, ist in derselben Weise wie oben erläutert - eine Laufzeit Tb in Rückwärtsrichtung in eine entsprechende Frequenz des Oszillators umgesetzt. Damit ist auch die Messung der Laufzeit in Rückwärtsrichtung vollendet.

Die Differenz zwischen den Frequenzen der Oszillatoren 11 und 12 wird als Frequenzdifferenz, die der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist, von einem vor- und

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VPA 78 P 8550 BRD rückwärtszählenden Zähler 17 erfaßt und in einer Anzeige-Einheit 18 wiedergegeben, wo diese Differenz als Strömungsgeschwindigkeit angezeigt wird.

In Fig. 1 ist mit 1 die Länge des Übertragungsweges und mit t die Laufzeit der Ultraschall-Signale in dem zu messenden Mittel bezeichnet. Bei dem bekannten Meßgerät ist die Zeit, die im Zähler 3 zum Erreichen des Wertes N erforderlich ist, durch N/f ausgedrückt, wobei f die Frequenz der Oszillator-Anordnung 1 ist. Es ist eine Rückkopplungsschleife gebildet, so daß die Zählzeit mit der Laufzeit t im Mittel übereinstimmt. Daher ist zu dem Zeitpunkt, in dem die Ausbreitung stabil wird, N/f = t, d. h. f = N/t; die ermittelte Frequenz f ist daher N-mal so lang wie der Reziprok-Wert der Laufzeit 1/t. Demzufolge kann die Laufzeit t durch Zählen der Frequenz f gemessen werden.

Das Ultraschall-Signal ist leicht beeinflußt durch die Bedingungen des Übertragungspfades. Es ist daher notwendig, seine Ausbreitung sorgfältig zu überwachen; dies bedeutet, daß das Ultraschall-Signal auf seine normale oder anormale Übertragung überwacht werden muß. Diese Überwachung ist in bekannter Weise mittels einer Überwachungsanordnung geschehen, wie sie in der japanischen Offenlegungsschrift 101 668/1979 beschrieben ist, oder mittels einer Schaltungsanordnung, die anormale Werte ausscheidet.

Die erwähnte bekannte überwachungsanordnung entscheidet, ob der Spitzenwert des empfangenen Signals innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt oder nicht. Wenn das empfangene Signal beispielsweise infolge Absorption des Ultraschall-Signals durch Blasen in dem zu messenden Mittel verzerrt ist, dann wird das Auftreten des Ultraschall-Signals fälschlicherweise erfaßt, und es tritt eine Fehlbewertung auf. Im Falle einer anormale Werte

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ausscheidenden Schaltungsanordnung wird bereits ein Wert als anormal erachtet, wenn ein Endwert (ein Durchschnittswert über 5s) sich beträchtlich von dem vorangehenden Ausgangswert (ein Durchschnittswert über 5 s vor dem Endwert) unterscheidet. Demgemäß wird ein Endwert nicht erfaßt, während ein vorangegangener Viert festgehalten wird. Die Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt daher träge. Ferner wird eine plötzliche Änderung des Ausgangssignals, die durch einen plötzlichen Wechsel der Strömungsgeschwindigkeit oder des Niveaus im Falle eines Niveaumeßgerätes eintreten kann, als anormale Situation falsch beurteilt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Meßgerät vorzuschlagen, das anormale Werte schnell und ohne Fehlbeurteilung korrekter Meßwerte erfaßt und daher von einer Fehlbewertung frei ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Ultraschall-Meßgerät mit den Merkmalen nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Damit läßt sich in vorteilhafter Weise sicher beurteilen, ob sich die Ultraschall-Signale im Meßrohr unter normalen Bedingungen ausbreiten konnten oder nicht.

Um sicher beurteilen zu können,■ob bei einem Ultraschall-Meßgerät mit Aussenden der Ultraschall-Signale in Richtung der Strömung des zu messenden Mittels und in Gegenrichtung dazu und mit Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit oder der Menge des Mittels aus der Differenz der Frequenzen der Oszillator-Anordnung beim Senden der Ultraschall-Signale in den verschiedenen Richtungen die Ausbreitung der Ultraschall-Signale normal ist, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung das Ultraschall-Meßgerät entsprechend den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 4 ausgeführt.

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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen nach der Erfindung v/erden anhand der weiteren Figuren 3 bis 14 erläutert, von denen

Figur 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ultraschall-Meßgerätes, Figur 4 ein Ausführungsbeispiel der Schaltung der Vergleichsanordnung und der überwachungseinrichtung, Figuren 5 bis 7 Signalformen an verschiedenen Punkten des Blockschaltbildes nach Figur 3, Figur 8 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vergleichsanordnung und der Überwachungseinrichtung, Figur 9 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ultraschall-Meßgerätes, Figur 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Überwachungsanordnung mit vorgeordneter Vergleichseinrichtung, Figur 11 Diagramme von Signalverläufen an verschiedenen Punkten der Schaltungen nach den Figuren 9 und 10 zur Erläuterung der Wirkungsweise,
Figur 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Überwachungseinrichtung mit vorgeordneter Vergleichsanordnung, Figur 13 Signalverläufe an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Figur 12 in mehreren Diagrammen und Figur 14 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ultraschall-Meßgerätes zeigen.

In Fig. 3 sind mit der Darstellung nach Fig. 1 übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das dargestellte Ausführungsbeispiel besitzt eine Übertragungs-Überwachungseinrichtung 30, um beurteilen zu können, ob das erfaßte akustische Empfangssignal aufgrund normaler Übertragung im Meßrohr empfangen worden ist oder nicht. Der Einrichtung 30 ist das Ausgangssignal R des Rampen-Schaltungskreises der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8 und ein Pulssignal P^ zugeführt, das von einem Pulsgenerator 35 erzeugt ist, der später beschrieben v/ird.

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VPA 78 P 8550 BRD Wie Fig. 4 zeigt, besteht die Ubertragungs-Überwachungseinrichtung 30 aus Komparatoren 31 und 32, einem UND-Glied 33 und einem D-Flip-Flop. Widerstände R3 und R.6, einstellbare Widerstände R4 und R5 und eine Stromquelle E5 dienen zur Erzeugung einer Bezugsspannung E51 und einer weiteren Bezugsspannung E52, die jeweils einem Eingang der Komparatoren 31 und 32 zugeführt sind. Die eine Bezugsspannung E51 ist etwas höher gewählt als die Referenzspannung E50 gemäß Fig. 2. Dagegen ist die weitere Bezugsspannung E52 etwas niedriger als die Referenzspannung E50 eingestellt.

Zur Beurteilung, ob die Erfassung des Ultraschall-Signals aufgrund einer normalen Übertragung im Meßrohr 10 oder nicht erfolgt ist, wird das Ausgangssignal R des Rampenschaltungskreises der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8, das ist die Spannung am Kondensator C, weiteren Eingängen der Komparatoren 31 und 32 zugeführt. Liegt das Ausgangssignal R unterhalb der einen Bezugsspannung E51» dann bleibt das Ausgangssignal N1 des Komparators 31 logisch "1". Wenn das Signal R die weitere Bezugsspannung E52 übersteigt, dann bleibt auch das Ausgangssignal N2 des Komparators 32 logisch "1". Die Ausgangssignale N1 und N2 der Komparatoren 31 und 32 sind dem UND-Glied 33 zugeführt, dessen Ausgangssignal dem D-Eingang des Flip-Flop 34 zugeführt ist. Der Pulsgenerator 35 liefert ein Impulssignal Pm vom Werte logisch "1" an den T-Eingang des Flip-Flop 34. Das Impulssignal P₁ vom Werte logisch "1" wird nach dem Eintreffen des

Ultraschall-Signals erzeugt, d. h. nachdem der Empfänger 7 das Trigger-Signal Z abgegeben hat und bevor die nächste Meßperiode beginnt, d. h. bevor das nächste Ultraschall-Signal ausgesendet wird.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach den Figuren 3 und 4 wird im folgenden anhand der Figuren 5 bis 7 näher erläutert:

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Wenn die Ausbreitung des Ultraschall-Signals normal ist - dies bedeutet, daß die Zählzeit N/f des Zählers 3 gleich der Laufzeit t des Ultraschall-Signals ist und daher die Ausgangsspannung R des Rampen-Schaltungskreises gleich der Referenzspannung E5O ist -, entstehen Signalverläufe, wie sie in Pig. 5 wiedergegeben sind. Auf das Ausgangssignal V des Verzögerungsgliedes 4 beginnt das Ausgangssignal R des Rampen-Schaltungskreises der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 8 anzuwachsen. In dem Augenblick, in dem das Ausgangssignal R die weitere Bezugsspannung E52 der Übertragungs-Überwachungseinrichtung übersteigt, erzeugt der Komparator 32 ein Ausgangssignal N2. Zu dieser Zeit wird vom Komparator 31 das Ausgangssignal N1 erzeugt. Unter dieser Bedingung gibt das UND-Glied 33 das Ausgangssignal M ab. Der Empfänger 7 erzeugt dann das Trigger-Signal Z, das seinerseits ein Anwachsen des Ausgangssignals R des Rampen-Schaltungskreises unterbindet. Nach einer verhältnismäßig langen Zeit wird ein Signal P„ an den T-Eingang des D-Flip-Flop 34 gelegt.

Dies führt dazu, daß das D-Flip-Flop ein Ausgangssignal Q entsprechend dem D-Eingang oder dem Ausgangssignal M des UND-Gliedes 33 mit dem logischen Wert "1" erzeugt.

Es wird vorzugsweise ein nicht gezeigtes Meldesystem einer derartigen Ausführung benutzt, daß das Ausgangssignal Q eine Meldelampe zum Ansprechen bringt, wenn das Ultraschall-Signal normerweise übertragen wird, während die Meldelampe erlischt, wenn eine anormale Übertragung auftritt. Anstelle einer Meldelampe ist auch eine Schnarre einsetzbar.

Danach entlädt das Reset-Signal K den Kondensator C (siehe Fig. 2) des Rampen-Schaltungskreises, um den nächsten Meßzyklus vorzubereiten. Ferner sind alle Schaltkreise in Synchronismus mit dem Reset-Signal K oder danach zurückgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt bleibt das Signal Q des D-Flip-Flop 34 in seinem Zustand "1"

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VPA 78 P 8550 BRD sogar dann, wenn am D-Eingang das Signal verschwindet.

Figuren 6 und 7 zeigen Signalverlaufe an entsprechenden Stellen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4, wenn in der nächsten Meßperiode eine anormale Übertragung des Ultraschall-Signals auftritt. Im Falle der Fig. 6 wird das Ultraschall-Signal nach einer anormal langen Zeit erfaßt. In Fig. 7 erfolgt die Erfassung nach einer relativ kurzen Zeit. Im anormalen Zustand nach Fig. 6 überschreitet das Ausgangssignal R des Rampen-Schaltungskreises sowohl die eine Bezugsspannung E51 als auch die andere Bezugsspannung E52 der Übertragungs-Überwachungseinrichtung 30. Ein ungenügend großes Ausgangssignal M vom Werte "1" des UND-Gliedes 33 wird dem D-Flip-Flop 34 zugeführt, so daß sich durch die Zuführung eines Signals an den T-Eingang dieses Flip-Flops das Ausgangssignal Q auf den Wert "0" verändert. Der logische Wert "0" läßt die Meldelampe erlöschen und zeigt eine anormale Übertragung des Ultraschall-Signals an.

Im anormalen Zustand nach Fig. 7 erreicht das Ausgangssignal R weder die Größe der Spannung E51 noch die der Bezugsspannung E52. Demgemäß bleibt das Ausgangssignal M des UND-Gliedes 33 im Zustand "0". Infolgedessen erhält bei Zuführung eines Signals an den T-Eingang des D-Flip-Flops 34 das Ausgangssignal Q den Wert "0".

Die nachfolgende Erklärung behandelt den Zeitunterschied zwischen der Laufzeit t des Ultraschall-Signals und der Zählzeit N/f des Zählers 3 und damit die Genauigkeit, mit der feststellbar ist, ob die Übertragung des Ultraschall-Signals normal oder anormal ist. Dazu wird Bezug auf die Fig. 8 genommen, in der angenommen ist, daß die Steigung des Ausgangssignals R des Rampen-Schaltungkreises 2,5 V/us, die Höhe der Referenzspannung E50 5 V und ί - 2/us = L d ist. Wenn beispielsweise ^E = 0,1 V und E51 = E50 + 0,1 V und E52 = E50 - 0,1 V ist, dann ist

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die Zeitverschiebung At nach Fig. 8 wie folgt bestimmbar:

Gemäß der Erfindung ist die Frequenz der Oszillatoren in der Weise gesteuert, daß die Laufzeit t mit der Zählzeit N/f übereinstimmt. In diesem Fall kann diese Übereinstimmung dadurch erfaßt werden, daß überprüft wird, ob die Zeitdifferenz t - ψ innerhalb - 0,04/us liegt. Mit anderen Worten, es kann der Zustand einer normalen und anormalen Übertragung des Ultraschall-Signals mittels des Ausgangssignals Q mit einer Meßgenauigkeit von - 0,04/us erfaßt werden.

Wie oben beschrieben, liegt bei dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Meßgerät die Ausgangsspannung R des Rampen-Schaltungskreises außerhalb des Bereiches zwischen den Bezugsspannungen E51 und E52, wenn eine anormale Übertragung des Ultraschall-Signals auftritt. Daher kann ein Fehlsignal vom Empfänger durch Vergleichen des Ausgangssignals R mit den Bezugsspannungen E51 und E52 erfaßt werden. Wenn eine plötzliche Änderung aufgrund einer plötzlichen Änderung der Strömungsgeschwindigkeit eintritt, beispielsweise wenn eine Änderung der Laufzeit auftritt, kann das Meßsystem einem solchen Wechsel nicht folgen, und die Ausgangsspannung R des Rampen-Schaltungskreises fällt nicht in den Bereich zwischen den Bezugsspannungen E51 und E52. Obwohl in diesem Fall demgemäß geschlossen wird, daß die Übertragung anormal war, kann die Meßschaltung diesem Wechsel nach Wiederholung des Meßzyklus folgen, und wenn sich erst einmal ein stabiler Zustand eingestellt hat, fällt die Ausgangsspannung R des Rampen-Schaltungskreises sofort wieder in den Bereich zwischen den Bezugsspannungen E51 und E52. Es kann daher

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beurteilt werden, ob das Ultraschall-Signal unter normalen Bedingungen übertragen worden ist.

Wenn zusätzlich die Wandler 13 und 14 mit einem Fehler behaftet sind und es unmöglich ist, Ultraschall-Signale auszusenden oder zu empfangen bzv/. wenn die Ultraschall-Signale gedämpft sind oder im Verlaufe ihrer Übertragung verschwinden, wird sich das Ansteigen des Ausgangssignals des Rampen-Schaltungskreises fortsetzen, bis das Ausgangssignal auf einen hohen Wert gesättigt ist. Solch ein Fall wird ebenfalls so beurteilt, daß dieWellenausbreitung in einem anormalen Zustand erfolgt.

In Fig. 9 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines Ultraschall-Meßgerätes der Erfindung wiedergegeben. In dieser Figur sind mit den Figuren 1 und 3 übereinstimmende Schaltungsteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Übertragungs-Überwachungseinrichtung 40 aus einer Vergleichsanordnung 41 zur Feststellung, ob ein Wert R1 des Ausgangssignals R des Rampen-Schaltungskreises, wenn das Ultraschall-Signal in Richtung der Strömung des zu messenden Mittels ausgesendet wird, und ob ein Wert R2 des Ausgangssignals R des Rampenschaltungskreises, wenn eine Aussendung des Ultraschall-Signals in entgegengesetzter Richtung erfolgt, innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs liegt; ferner enthält die Übertragungs-Überwachungseinrichtung 40 eine Auswerte-Einrichtung 42 zur Feststellung, ob die Werte R1 und R2 nacheinander innerhalb des vorgegebenen Spannungsbereichs liegen; außerdem ist ein Abtastgenerator 43 vorgesehen, um Abtastimpulse SP der Auswerte-Einrichtung 42 zuzuführen. Wie aus Fig. 10 ferner hervorgeht, enthält die Vergleichsanordnung 41 einen ersten Komparator 31 und einen zweiten Komparator 32 wie die Übertragungs-Überwachungseinrichtung 30 gemäß Fig. 4. Mittels einer Anordnung von Widerständen R3 und R6 sowie einstellbaren Widerständen R4 und R5 und

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VPA 78 P 8550 BRD einer Stromquelle E5 werden Bezugsspannungen E51 und E52 für die Komparatoren 31 und 32 erzeugt. Die eine Bezugsspannung E51 ist etwas höher (beispielsweise E51 = E5O +0,1 V) als die Referenzspannung E50 eingestellt, während die weitere Bezugsspannung E52 etwas niedriger (beispielsweise E52 = E5O - 0,1 V) gewählt ist. Um den Zustand des Übertragungsweges beurteilen zu können, ist das Ausgangssignal R des Rampen-Schaltungskreises der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung nach Fig. 2 den verbleibenden Eingängen der Komparatoren 31 und 32 zugeführt. Wenn das Ausgangssignal R unterhalb der einen Bezugspannung E51 liegt, wird vom Komparator 31 weiterhin ein "1"-Signal abgegeben, während der Komparator 32 ein "1"-Signal abgibt, wenn das Ausgangssignal R die weitere Bezugsspannung E52 übersteigt. Gemäß Fig. 10 enthält die als Speicher wirkende Auswerte-Einrichtung 42 ein UND-Glied 33» das das Ausgangssignal N1 des Komparators 31 und das Ausgangssignal N2 des Komparators 32 aufnimmt, ferner ein D-Flip-Flop 44, dem das Ausgangssignal M des UND-Gliedes 33 zugeführt wird, ein weiteres D-Flip-Flop 45» das mit dem Ausgangssignal Q1 des D-Flip-Flops 44 beaufschlagt ist, sowie ein UND-Glied 46, dem die Ausgangssignale Q1 und Q2 der Flip-Flops 44 und 45 zugeführt sind.

Ein auf eine anormale Übertragung hindeutendes Signal W tritt am Ausgang des UND-Gliedes 46 auf. Den T-Eingängen der D-Flip-Flops 44 und 45 sind die Abtastimpulse SP zugeführt. Ein Invertierer 47 ist an den Ausgang des UND-Gliedes 46 angeschlossen, um ein Signal U mit dem Wert logisch "1" zu erhalten.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Ultraschall-Meßgerätes nach den Figuren 9 und 10 wird im folgenden anhand der Figur 11 erläutert. Auf das Signal L vom synchronisierenden Impulsgenerator 2 nach Fig. 9 sendet der Sender 5 einen Sendeimpuls aus. Die einzelnen Impulse

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des synchronisierenden Impulsgenerators sind mit L1 bis L9 bezeichnet. Wenn die synchronisierenden Impulse L1, L2, IA, L5, L7 und L9 auftreten, liegt das Ausgangssignnal R des Rampen-Schaltungskreises innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs, der durch die Bezugsspannungen E51 und E52 definiert ist. Dies bedeutet, daß die Übertragung des Ultraschall-Signals unter normalen Bedingungen stattfindet. Im Falle der verbleibenden synchronisierenden Impulse L3, L6 und L8 hingegen liegt der Wert R nicht zwischen den Bezugsspannungen E51 und E52. Daher sind aufeinanderfolgende Ultraschall-Signale unter normalen Bedingungen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung oder in Rückwärts- und Vorwärtsrichtung nur zwischen den synchronisierenden Impulsen L1 - L2 und IA - L5 übertragen worden. Das Signal W, das ein Zeichen dafür ist, daß die Übertragung normal erfolgt ist, wird daher nur in diesen Intervallen vom Speicher 42 mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung erzeugt. In den verbleibenden Intervallen L2 - L3, L3 - IA, L5 - L6, L6 - L7, L7 - L8 und L8 - L9 sind aufeinanderfolgende Ultraschall-Signale nicht unter normalen Bedingungen übertragen. Daher wird das Signal W nicht erzeugt. Wie oben beschrieben, wird das Signal W nur dann abgegeben, wenn aufeinanderfolgend in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung oder Rückwärts- oder

2-5 Vorwärtsrichtung Ultraschall-Signale normal übertragen worden sind.

Eine andere Ausführung der Übertragungs-Überwachungseinrichtung ist in Fig. 12 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die als Speicher wirkende Auswerte-Einrichtung 42 aus einem NAND-Glied 51, das ein Ausgangssignal N1 vom Komparator 31 und einen Abtastimpuls SP erhält, einem NAND-Glied 52, dem das Signal N2 vom Komparator 32 und der Abtastimpuls-Impuls ST zugeführt werden, und einem Exklusiv-ODER-Glied 53, das Ausgangssignale M1 und M2 von den NAND-Gliedern 51 und 52 erhält; außerdem enthält der Speicher 42 eine rücksetz-

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VPA 78 P 8550 BRD bare monostaMle Kippstufe 54, die durch ein Ausgangssignal M3 des Exklusiv-ODER-Gliedes 53 getriggert wird. Es wird nun angenommen, daß die Impulslänge ΛΤ eines Ausgangsimpulses der monostabilen Kippstufe 54 größer als die Gesamtzeit der Meßperioden in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ist. Mit anderen Worten, die Impulslänge Λ T ist länger als zwei Perioden des Abtastimpulses SP.

In Fig. 13 sind in Diagrammen die Signalverläufe an entsprechenden Punkten der Ausführungsbeispiele nach den Figuren 9 und 12 dargestellt, wenn die Messung unter denselben Bedingungen wie im Falle der Figur 11 stattfindet und eine Übertragungs-Überwachungseinrichtung 40 gemäß Fig. 12 verwendet wird. Wie in Fig. 12 dargestellt ist, ist die monostabile Kippstufe 54 rücksetzbar. Daher erzeugt die Kippstufe 54, wenn Ultraschall-Signale aufeinanderfolgend anormal übertragen werden, ständig das Signal U¹. Anders als bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.10 kann in der Anordnung nach Fig. 12 die Zeit Λ Τ oder die Dauer eines Signals über die anormale Übertragung geeignet eingestellt werden, was nützlich ist, wenn die Ausgabe eines Anormalübertragungs-Signals über eine lange Zeitdauer erforderlich ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschall-Meßgerätes ist in Fig. 14 dargestellt. Hier bildet ein Modulator 61 eine Frequenzdifferenz Af = f1 - f2 zwischen der Frequenz bei Messung in Vorwärtsrichtung, wie sie vom Oszillator 11 erzeugt wird, und der Frequenz in Rückwärtsrichtung, wie sie vom anderen Oszillator 12 erzeugt wird. Das Ausgangssignal des Modulators 61 wird einem Frequenz-Spannungsumsetzer 62 zugeführt, in dem die Frequenzdifferenz in eine entsprechende Spannung umgesetzt wird. Das Ausgangssignal des Umsetzers 62 liegt an einem Eingang eines Differenzverstärkers 63, dessen anderer Eingang mit dem Ausgangs-

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VPA 78 P 8550 BRD signal eines Integrators 65 beaufschlagt ist. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 63 ist über einen Schalter 64 an den Integrator 65 gelegt, dessen Ausgangssignal wiederum in ein entsprechendes Stromsignal mittels eines Spannung-Strom-Umsetzers 66 überführt ist. Das Ausgangssignal des Spannung-Strom-Umsetzers ist an die Anzeige-Einrichtung 18 gelegt. DerSchalter 64, der von einem Feldeffekt-Transistor Q3 gebildet sein kann, ist durch das Signal U oder U¹ der Übertragungs-Überwachungseinrichtung 40 gesteuert. Wenn das Ausgangssignal U (oder U¹) "1" ist, was eine anormale Übertragung des Ultraschall-Signals kennzeichnet, ist der Transistor Q3 leitend, um eine Übertragung des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 63 zum Integrator 65 zu verhindern.

Wenn die Übertragung anormal ist, wird in diesem Ausführungsbeispiel der bisher ermittelte Wert in der Anzeigeeinrichtung 18 weiterhin zur Anzeige gebracht. Eine Licht emittierende Diode 67 ist mit dem Ausgangssignal V der Übertragungs-Überwachungseinrichtung 40 beaufschlagt, um durch Aussenden von Licht einen normalen Übertragungszustand anzuzeigen.

Wie bereits erwähnt, wird bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßgerätes die Übertragung des Ultraschall-Signals bei jeder Messung in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung in bezug auf die Strömungsrichtung überprüft, so daß diese Überprüfung schnell durchgeführt wird und damit eine zuverlässige Erfassung einer anormalen Übertragung des Ultraschall-Signals gesichert ist.

Ferner wird ein Signal, das eine normale Übertragung kennzeichnet, nur dann erzeugt, wenn zwei aufeinanderfolgende Messungen in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung oder in Rückwärts- und in Vorwärtsrichtung unter normalen Übertragungsverhältnissen durchgeführt worden sind.

Dies ist vom Gesichtspunkt einer einwandfreien Messung sehr erwünscht.

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VPA 78 P 8550 . BRD Obwohl die vorangehenden Ausführungen sich nur auf die Anwendung des Ultraschall-Meßgerätes zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit bezogen, ist das Gerät nach der Erfindung vorzugsweise auch bei anderen Einrichtungen anwendbar, beispielsweise bei einem Meßgerät nach dem Ultraschallverfahren nur Niveau- bzw. Füllstandsmessung. Wenn die Erfindung in diesem Rahmen angewendet wird, ist das Mittel im Meßrohr 10 eine Flüssigkeit, deren Niveau zu erfassen ist, oder die Luft über der Flüssigkeit.

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Claims

'Βία if-^ c/c ClQfJ<2-fcyt/jcA f* VPA 78 P 8550 . BRD Patentansprüche

1.7 Ultraschall-Meßgerät zum Ermitteln der Strömungsgeschwindigkeit oder der Menge eines durch ein Rohr fließenden Mittels mit

a) zwei Wandlern, die

al) einander gegenüberliegend am Rohr angebracht sind und

a2) so gesteuert sind, daß sie abwechselnd ein elektrisches Signal in ein Ultraschall-Signal und das empfangene Ultraschall-Signal in ein elektrisches Signal umsetzen, mit

b) einer Oszillator-Anordnung,

b1) deren Ausgangssignal in der Frequenz veränderbar ist, mit

c) einem Zähler, der

c1) an die Oszillator-Anordnung angeschlossen ist und

c2) jeweils ein Ausgangssignal erzeugt, wenn der Zählerstand einen vorbestimmten Wert erreicht hat, - mit

d) einem Verzögerungsglied, das

dl) dem Zähler nachgeordnet ist und d2) das Ausgangssignal des Zählers verzögert überträgt, mit

e) einem Sender, der

el) einem synchronisierenden Impulsgenerator nachgeordnet ist und

e2) das elektrische Signal für den jeweiligen Wandler abgibt, und

f) einer Zeitdifferenz-Meßeinrichtung, die

f1) mit dem Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes und dem aus dem empfangenen Ultraschall-Signal gewonnenen elektrischen Signal beaufschlagt ist, mit

g) einer Steuereinrichtung, die

g1) der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung nachgeordnet ist

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- 2 - VPA 78 P 8550 BRD und
g2) die Oszillator-Anordnung in Abhängigkeit von dem

ihr zugeführten Signal steuert und mit h) einer Erfassungseinrichtung, die hl) der Oszillator-Anordnung nachgeschaltet ist und h2) die Laufzeit der Ultraschall-Signale durch das Mittel wiedergibt,

dadurch gekennzeichnet, daß j) an die Zeitdifferenz-Meßeinrichtung (8) eine Übertragungs-Uberwachungseinrichtung (30) mit einer ■Vergleichsanordnung (31, 32) angeschlossen ist, die ji) mit einer der Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des Ausgangssignals (V) des Verzögerungsgliedes (4) und dem Auftreten des gewonnenen elektrischen Signals (Z) entsprechenden Spannung (R) beaufschlagt ist und
- j2) diese Spannung (R) mit zwei Bezugsspannungen (E51, E52) vergleicht, und daß

k) in der Übertragungs-Überwachungseinrichtung (30) an die Vergleichsanordnung (31, 32) eine Auswerte-Einrichtung (33, 34) angeschlossen ist, deren Ausgangssignal (Q) eine Information über eine normale oder anormale Übertragung der Ultraschall-Signale in dem Mittel enthält.
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2. Ultraschall-Meßgerät nach Anspruch 1 mit einer Zeitdifferenz-Meßeinrichtung, die

j3) eine Differenzspannung aus der der Zeitdifferenz entsprechenden Spannung und einer Referenzspannung bildet und

j4) diese Differenzspannung an die Steuereinrichtung abgibt,

dadurch gekennzeichnet, daß 1) die eine Bezugsspannung (E51) der Vergleichsanordnung (31, 32, 33) etwas größer und die weitere Bezugsspannung (Ξ52) etwas kleiner als die Referenzspannung (E50) ist.

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- 3 - VPA 78 P 8550 BRD

3. Ultraschall-Meßgerät nach Anspruch 2 mit m) einem Rampen-Schaltuhgskreis, in dem m1) die der Zeitdifferenz entsprechende Spannung (Rampenspannung) gebildet wird, und mit n) einem Differenzverstärker, in dem n1) aus der Rampenspannung und der Referenzspannung

die Differenzspannung gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß o) die Vergleichsanordnung einen ersten Komparator (31) enthält, der

o1) eingangsseitig mit der Rampenspannung (R) und der

einen Bezugsspannung (E51) beaufschlagt ist und p) einen zweiten Komparator (32) aufweist, an dem p1) eingangsseitig die Rampenspannung (R) und die weitere Bezugsspannung (E52) liegt, und daß

q) die Auswerte-Einrichtung ein UND-Glied (33) enthält, das an die Ausgänge der Komparatoren (31, 32) angeschlossen ist, sowie

r) einen Speicher (34) aufweist, der dem UND-Glied (33) nachgeordnet ist.

4. Ultraschall-Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche mit abwechselnder Aussendung der Ultraschall-Signale in Richtung und in Gegenrichtung in bezug auf die Strömungsrichtung und mit Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit oder der Menge aus der Differenz der Frequenzen der Oszillator-Anordnung beim Aussenden der Ultraschall-Signale in den verschiedenen Richtungen, dadurch gekennzeichnet, daß s) die Auswerte-Einrichtung einen Speicher enthält, mit dem

si) überprüft wird, ob die der Zeitdifferenz entsprechende Spannung (R) beim aufeinanderfolgenden Aussenden der Ultraschall-Signale in den verschiedenen Richtungen in dem durch die beiden Bezugsspannungen (E51, E52) der Vergleichsanordnung (31, 32) vorgegebenen Spannungsbereich liegt.

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;, - 4 - VPA 78 P 8550 .· BRD

5. Ultraschall-Meßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Speicher (42) an die Vergleichsanordnung (31, 32) angeschlossen ist und

ti) ein erstes UND-Glied (33) enthält, das den Komparator (31, 32) der Vergleichsanordnung nachgeordnet ist,
t2) ein erstes D-Flip-Flop (44) aufweist, das an den Ausgang des ersten UND-Gliedes (33) angeschlossen ist,

t3) ein zweites D-Flip-Flop (45) aufweist, das mit dem Ausgangssignal der ersten D-Flip-Flop (44) beaufschlagt ist, und

t4) ein zweites UND-Glied (46) enthält, das an die beiden D-Flip-Flops (44 und 45) angeschlossen ist.

6. Ultraschall-Meßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß

u) der Speicher (42) an die Vergleichsanordnung angeschlossen ist und

u1) ein erstes NAND-Glied (51) enthält, das an den Ausgang eines Abtastgenerators (35) und des ersten !Comparators (31) angeschlossen ist, und u2) ein zweites NAND-Glied (52) aufweist, das an den Ausgang des Abtastgenerators (35) und des zweiten

!Comparators (32) angeschlossen ist, und u3) ein Exklusiv-ODER-GIied (53) enthält, das dem ersten und dem zweiten NAND-Glied (51, 52) nachgeordnet ist, und

u4) eine rücksetzbare monostabile Kippstufe (54) aufweist, die vom Exklusiv-ODER-Glied (53) triggerbar ist und Ausgangsimpulse mit einer der Gesamtzeit der Meßzeiten beim jeweils aufeinanderfolgenden Aussenden von Ultraschall-Signalen in den verschiedenen Richtungen entsprechenden Länge erzeugt.

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- 5 - VPA 78 P 8550 - BRD

7. Ultraschall-Meßgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß v) ein Modulator (61) vorhanden ist, der die Differenz der Frequenzen der Oszillator-Anordnung (1) beim Aussenden der Ultraschall-Signale in den verschiedenen

Richtungen bildet, daß
w) dem Modulator (61) ein Frequenz-Spannung-Umsetzer (62) nachgeordnet ist, daß

x) ein Differenzverstärker (63) vorgesehen ist, dessen x1) einer Eingang mit dem Ausgang des Frequenzspannung-

Umsetzers (62) verbunden ist, und dessen x2) anderer Eingang mit dem Ausgang eines Integrators

(65) verbunden ist, daß

y) der Integrator (65) mit seinem Eingang über einen Schalter (64) mit dem Ausgang des Differenzverstärkers

(63) verbunden ist, und daß

z) der Steuereingang des Schalters (64) mit dem Ausgang des Speichers (42) verbunden ist.

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