DE69402534T2

DE69402534T2 - Fluessigkeitsstroemungsmesser

Info

Publication number: DE69402534T2
Application number: DE69402534T
Authority: DE
Inventors: James Collier; Christopher Davis; Christopher Fryer; Alain Waha
Original assignee: G Kromschroeder AG
Current assignee: Elster Kromschroeder GmbH
Priority date: 1993-01-30
Filing date: 1994-01-27
Publication date: 1998-04-23
Anticipated expiration: 2014-01-28
Also published as: AU678807B2; HUT73364A; CN1116877A; ES2131672T3; FR2713761A1; DE69402534D1; FR2713761B1; FR2713763A1; JPH08512126A; PL173732B1; US5811689A; EP0681684B1; DE69417543D1; JP3283519B2; HU9502264D0; WO1994017371A1; EP0681685B1; EP0681684A1; WO1994017372A1; FR2713762A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Mediendurchflußmesser, bei dem sich ein erster Schallwandler vor einem zweitem Schallwandler befindet und die Laufzeitdifferenz der Schallwellen zwischen den Wandlern zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines zwischen ihnen strömenden strömungsfähigen Mediums eingesetzt wird.
Eine Ultraschall-Medienströmungseinrichtung, die nach diesem Verfahren arbeitet, ist aus der EP-A-0347096 bekannt. Diese kann eingesetzt werden, um die Strömungsgeschwindigkeit von Gas durch einen Durchgang mit bekannten Abmessungen zu messen. Durch Multiplikation der gemessenen Geschwindigkeit mit einem geschwindigkeitsabhängigen Koeffizienten läßt sich der Volumendurchfluß berechnen. Die beschriebene Einrichtung kann als Teil eines Haushaltsgaszählers eingesetzt werden.
Die Geschwindigkeit eines gleichförmigen Medienstroms läßt sich unter Anwendung des Laufzeitdifferenzverfahrens folgendermaßen messen. Unter Vernachlässigung von Störeffekten in der Strömung ist die Zeit, die ein Schallsignal braucht, um von Wandler I zu Wandler II zu gelangen, abhängig von der Entfernung zwischen den beiden Wandlern, der Schallgeschwindigkeit c im strömungsfähigen Medium und der Geschwindigkeit U, bei der das Medium gleichförmig strömt.
Konkreter läßt sich für die stromabwärtsseitige (-) Laufzeitdifferenz Δt&supmin;, von I nach II, schreiben;
Δt&supmin; = /c + U (1)
und für die stromaufwärtsseitige (+) Laufzeitdifferenz Δt&spplus;, von II nach I:
Δt&spplus; = /c - U (2)
Verknüpft man beide Relationen, ergibt sich:
1/Δt&supmin; - 1/Δt = 2U/ (3)
und somit ein direkter Ausdruck für die Geschwindigkeit des Mediums, unabhängig von der Schallgeschwindigkeit im Medium:
U = /2 [1/Δt&supmin; - 1/Δt&spplus;] (4)
CH-A-666549 beschreibt ein anderes Ausführungsbeispiel eines nach einem ähnlichen Prinzip arbeitenden Mediendurchflußmessers.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der EP-A-0498141 beschrieben. In letzterem Ausführungsbeispiel ist jeder Wandler zwecks Verarbeitung der Empfangssignale über einen gemeinsamen Schalter mit einem Prozessor und zwecks Übertragung von Signalen über entsprechende Operationsverstärker und Widerstände mit einem Signalgenerator verbunden. Aus den technischen Daten geht hervor, daß die zwischen die Verstärker und die Wandler geschalteten Impedanzen die gleichen Real- und Imaginärteile haben sollten wie die Wandlerlast. Hierdurch wird ein Stromkreis mit minimalem Verlust erreicht.
Unberücksichtigt blieben bisher jedoch bei allen Durchflußmessern des Standes der Technik die innere Phasenverschiebung und andere elektrische Verzögerungen, die bei der elektro-akustischen Umwandlung des Sendesignais und der akustisch-elektrischen Umwandlung des Empfangssignals durch die Wandler und in den Ansteuerung/Empfangsschaltkreisen auftreten. Unter Bezugnahme auf obige Gleichungen (1) und (2) führen diese elektrischen Verzögerungen einen weiteren Faktor ein, der je nach der Signalübertragungsrichtung typischerweise verschieden ist. Hieraus folgt, daß obige Gleichungen (1) und (2) wie folgt modifiziert werden:
Δt&supmin; = 1/c + u + telI - II (5)
Δt&spplus; = 1/c - u + telII - I (6)
Hierbei werden tel II-I und tel I-II als die durch die Phasenverschiebung des Signals durch die Wandler in den Richtungen ITII bzw. IITI eingeführten elektrischen Verzögerungen definiert.
In allen in den obigen Dokumenten zum Stand der Technik beschriebenen Stromkreisen sind die elektrischen Verzögerungen unterschiedlich und führen demzufolge dazu, daß der für die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ermittelte Wert ungenau ist.
Am auffälligsten ist dies in einem Nullflußzustand, bei dem U = 0 ist. In diesem Fall müßten Δt&supmin; und Δt&spplus; genau gleich sein und so zu einem gemessenen Nulldurchfluß führen. Sind jedoch tel II-I und tel I-II nicht genau gleich, wird eine Nulipunktabweichung festzustellen sein.
GB-A-2079939 beschreibt einen Lösungsweg zur Erzielung eines Reziprokbetriebs, bei dem die Stromkreise zweier Ultraschallwandler wahlweise als Sender oder Empfänger geschaltet werden können und deren Klemmen mittels eines Umschaltstromkreises wahlweise an einen Signalgenerator oder einen Empfangsverstärker angeschlossen werden. Um dem Vierpol praktisch gleiche Abschlußimpedanzen zur Verfügung zu stellen, ist der Signalgenerator als Stromquelle ausgeführt. Nachteilig an diesem Lösungsweg ist, daß die Schaltelemente zur Erzielung des Reziprokbetriebs sorgfältig ausgewählt werden müssen.
Ein erfindungsgemäßer Mediendurchflußmesser besteht aus zwei Wandlern, die sich in einem Abstand voneinander in Strömungsrichtung des Mediums befinden; einer Sendeeinrichtung, die über einen ersten Stromkreis mit den Wandlern verbunden ist, damit Schallsignale von den Wandlern in beide Richtungen durch das Medium gesendet werden können; und einer Verarbeitungseinrichtung, die über einen zweiten Stromkreis mit den Wandlern verbunden ist, um durch Überwachung der Laufzeitdifferenz der von den Wandlern empfangenen Schalisignale Informationen über die Mediendurchflußmenge zu ermitteln, wobei die an dem jeweiligen Wandler anstehende elektrische Impedanz für den ersten und zweiten Stromkreis im wesentlichen gleich ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler über entsprechende Dämpfungswiderstände mit dem invertierenden Eingang eines entsprechenden Operationsverstärkers parallelgeschaltet sowie an einen zum Operationsverstärker zugehörigen Rückkopplungswiderstand angeschlossen ist, wobei die nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker über einen ersten Schalter mit der Sendeeinrichtung und die Ausgänge der Operationsverstärker über einen zweiten Schalter mit der Verarbeitungseinrichtung verbunden ist.
Diese Erfindung ermöglicht einen vollständigen "Reziprokbetrieb" so, daß dabei an jedem Wandler beim Senden oder Empfangen die gleiche elektrische Impedanz ansteht.
In einem Ausführungsbeispiel läßt sich dies erreichen, indem eine geeignete Anpassungsimpedanz in den Sende- oder Empfangsstromkreis eingebaut wird, um die Gesamtimpedanz (einschl. aller Schalterimpedanzen) der beiden Stromkreise, wie sie an jedem Wandler gemessen wird, entsprechend anzupassen. Wenn zwei gleichartige Wandler mit Resonanzfrequenzen, die weniger als 1 kHz voneinander abweichen, eingesetzt werden, läßt sich bei einer 825µs-Laufzeitmessung eine Reziprozität von 5ns erreichen, indem die Stromkreise bis auf 10Ω (Wirk- und Blindanteil) aufeinander abgestimmt werden. Unter diesen Bedingungen ist die durch das Resonanzverhalten der Wandler bedingte Phasenverschiebung beim Senden und Empfangen gleich. Dieses Reziprokverhalten bedeutet, daß die Gesamtphasenverschiebung der Wandler stromauf- und -abwärts gleich ist und gewährleistet so, daß sich jede Änderung des Phasengangs der Wandler am Zähler als geringfügiger Verstärkungsfehler äußert.
Typischerweise können die nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker mit der Erde verbunden werden, wenn der entsprechende Ausgang an die Verarbeitungseinrichtung angeschlossen ist.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der erste Schalter einen Eingang, der mit der Sendeeinrichtung verbunden ist, und wählbare Ausgänge, die an die nicht invertierenden Eingänge jedes Operationsverstärkers angeschlossen sind, und der zweite Schalter hat einen Ausgang, der mit der Verarbeitungseinrichtung verbunden ist, und wählbare Eingänge, die an die Ausgänge der Operationsverstärker angeschlossen sind. In diesem Fall kann noch ein dritter Schalter vorgesehen werden, bei dem ein Eingang mit der Erde verbunden ist und wählbare Ausgänge, die an die nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker angeschlossen sind.
Ein Mediendurchflußmesser wie oben beschrieben läßt sich auf eine kompakte Größe reduzieren (z.B. Ziegelsteingröße) und kostengünstig produzieren. Eine Einheit der beschriebenen Art ist für die Gasmessung im Haushaltsbereich ausgesprochen gut geeignet.
Ein sehr geringer Stromverbrauch, der einen langfristigen Batteriebetrieb ermöglicht, wird durch überaus effiziente elektro-akustische Signalumwandlung und einfache Datenverarbeitung erreicht.
Einige Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Mediendurchflußmesser werden im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei sind:
Figur 1 ein Querschnitt durch den Durchflußmesser;
Figur 2 ein Blockschaltbild eines elektronischen Systems zu Vergleichs zwecken;
Figur 3 ein Stromlaufplan, der ein Ausführungsbeispiel der Sende- und Empfangs-Schaltungsanordnung schematisch darstellt; und
Figur 4 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels in Figur 3.
Das Medium tritt an dem in Figur 1 abgebildeten Eintritt 3 ein und nach Durchströmen eines Meßrohrs 5, das die Ein- und Auslaßkammern 6 und 7 miteinander verbindet, an Austritt 4 wieder aus.
Die Strömung im Meßrohr wird erfaßt unter Einsatz zweier Ultraschallwandler 8 und 9 zum Senden und Empfangen von Schallimpulsen. Die zwischen Senden und Empfangen vergangene Zeit wird stromauf-(+) und stromabwärts (-) von dem elektronischen System gemessen (Figur 2). Aus diesen Messungen wird der Volumendurchfluß durch den Zähler wie oben beschrieben ermittelt.
Die Einlaßkammer 6 ist ein zylinderförmiger Hohlraum, in den das durch den Eintritt 3 hereinströmende Medium tangential eingedüst wird, um in der Kammer 6 eine rotierende Medienströmung zu erzeugen, die in der Axialrichtung des Meßrohrs keinen Geschwindigkeitsanteil aufweist. Hiermit wird bezweckt, Strömungsbeeinflussungen vor der Einlaßkammer 3, die die Strömungsgeschwindigkeit im Meßrohr 5 beeinträchtigen könnten, zu eliminieren bzw. abzumildern. Das Meßrohr 5 wird auf diese Weise wirkungsvoll von äußeren Störeinflüssen in der Eingangsströmung abgekoppelt, und die Medienströmung durch das Rohr erfolgt in Form einer symmetrischen Rotation um eine die Wandlermittelpunkte verbindende Linie 32.
Figur 2 stellt ein detaillierteres Vergleichsausführungsbeispiel des elektronischen Systerns 2 dar. Das System besteht aus einem Signalgenerator 20, der Wandler I 8 über einen Verstärker 26 für eine stromaufwärtsseitige Messung ansteuert und dann umschaltet, um Wandler II 9 für eine strornabwärtsseitige Messung anzusteuern. Schallsignale breiten sich durch das Meßrohr 5 aus und werden von dem anderen Wandler empfangen. in dem beschriebenen System werden die Empfangssignale von einem AD-Wandler 21 digitalisiert und in eine Digitalsignalverarbeitungseinrichtung 22 eingespeist, aus der ein Durchflußmengen-Ausgangssignal kommt. in der Figur sind die Schalter 24 und 25 so angeordnet, daß der erste Wandler 8 sendet und der zweite Wandler 9 empfängt.
Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Stromlaufplans. In diesem Stromkreis ist der Wandler 8 über einen Dämpfungswiderstand 30 mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 31 verbunden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 31 wird mittels eines Rückkopplungswiderstands 32 an den invertierenden Ausgang zurückgeführt. Das Ausgangssignal geht auch an einen Schalter 33, der an die Digitalsignalverarbeitungseinrichtung 22 angeschlossen ist (nicht dargestellt). Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 31 ist mit einem Schalterpaar 34,35 parallelgeschaltet Der Schaltereingang 34 ist mit der Erde (oder einer virtuellen Erde) und der Schaltereingang 35 mit dem Signalgenerator 20 verbunden. In diesem Fall sind die Schalter 33,35 Ersatz für die Schalter 25,24 in Figur 2.
Der Wandler 9 ist in ähnlicher Weise über einen Dämpfungswiderstand 36 mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 37 verbunden. Zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers 37 und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ist ein Rückkopplungswiderstand 38 geschaltet, während das Ausgangssignal des Operationsverstärkers an Schalter 33 geht. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 37 ist mit den Schaltern 34,35 parallelgeschaltet
Obwohl in Figur 2 nicht dargestellt, sind die Schalter 24,25 mit einem Steuergerät verbunden, das für ihren Tandembetrieb sorgt. In ähnlicher Weise werden die Schalter 33,35 zwecks Tandernbetriebs von einer Steuereinheit 39 gesteuert. So ist, wie in Figur 3 dargestellt, der Wandler 8 über den Schalter 35 mit dem Signalgenerator 20 verbunden, während der Wandler 9 über den Schalter 33 an die Digitalsignalverarbeitungseinrichtung 22 angeschlossen ist, wobei der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 37 über Schalter 34 mit der Erde verbunden ist. Diese Schaltung gewährleistet im Sende- und Empfangsrnodus eine identische lmpedanz an jedem Wandler.
Typischerweise handelt es sich bei den Wandlern 8,9 um piezoelektrische Ultraschallwandler mit einer Resonanzfrequenz von 40 kHz und einem Gütewert Q ≤ 50, wie sie beispielsweise von Murata (MA40S3) erhältlich sind. Die Dämpfungswiderstände 30,36 weisen typischerweise je 4 kΩ auf. Die Operationsverstärker 31,37 weisen bei 40 kHz typischerweise einen Verstärkungsfaktor von deutlich mehr als 5 auf.
Figur 4 stellt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels in Figur 3 dar, in dem die Schalter 33-35 fehlen. Die Bezugsziffern in Figur 4 kennzeichnen die gleichen Bauteile wie in Figur 3. In diesem Fall ist der Signalgenerator 20 direkt mit den nicht invertierenden Eingängen der Verstärker 31,37 verbunden, während die Ausgänge der Verstärker 31,37 (RX1,RX2) entweder an zwei (nicht dargestellte) Prozessoren oder eine einzelne Multiplexeinheit angeschlossen sind. Der Signalgenerator 20 erzeugt dabei eine bestimmte Zeitlang ein Signal und schaltet dann ab, um dem Stromkreis den Signalempfang zu ermöglichen. Typischerweise ist die Anschaltdauer des Ansteuerungssignais dabei doppelt so lang wie die durchschnittliche Laufzeit, während die Abschaltdauer ungefähr der durchschnittlichen Laufzeit entspricht.
Der Vorteil der Schaltanordnung gemäß Figur 3 besteht darin, daß sich hierbei die Ansteuer- und Verarbeitungseinrichtungen ohne Einbuße des Reziprokbetriebs vereinfachen lassen. Ferner kann das Meßgerät durch die Anordnung von Schaltern auf der Sende- und Empfangsseite der Operationsverstärker in beiden Betriebsarten seriell betrieben werden, die gleiche Verarbeitungseinrichtung nutzen und durch Verbindung mit entweder der Erde oder der Ansteuerungseinheit senden oder empfangen, anstatt den Ansteuerstromkreis an- und abschalten zu müssen.

Claims

1. Mediendurchflußrnesser mit zwei Wandlern (8,9), die sich in einem Abstand voneinander in Strömungsrichtung des Mediums befinden; einer Sendeeinrichtung (20), die über einen ersten Stromkreis mit den Wandlern verbunden ist, damit Schallsignale von den Wandlern in beide Richtungen durch das Medium gesendet werden können; und einer Verarbeitungseinrichtung (22), die über einen zweiten Stromkreis mit den Wandlern verbunden ist, um durch Überwachung der Laufzeitdifferenz der von den Wandlern empfangenen Schallsignale Informationen über die Mediendurchflußmenge zu ermitteln, wobei die an dem jeweiligen Wandler anstehende elektrische Impedanz für den ersten und zweiten Stromkreis im wesentlichen gleich ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler (8,9) über entsprechende Dämpfungswiderstände (30,36) mit dem invertierenden Eingang eines entsprechenden Operationsverstärkers (31,37) parallelgeschaltet sowie an einen zum Operationsverstärker zugehörigen Rückkopplungswiderstand (32,38) angeschlossen ist, wobei die nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker über einen ersten Schalter (35) mit der Sendeeinrichtung und die Ausgänge der Operationsverstärker über einen zweiten Schalter (33) mit der Verarbeitungseinrichtung verbunden sind.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker mit der Erde verbunden werden können, wenn der entsprechende andere Ausgang an die Verarbeitungseinrichtung angeschlossen ist.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schalter (35) ein Eingang, der mit der Sendeeinrichtung verbunden ist, sowie wählbare Ausgänge aufweist, die an die nicht invertierenden Eingänge jedes Operationsverstärkers angeschlossen sind, und daß der zweite Schalter (33) ein Ausgang, der mit der Verarbeitungseinrichtung verbunden ist, sowie wählbare Eingänge aufweist, die an die Ausgänge der Operationsverstärker angeschlossen sind.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 2 und 3, der ferner einen dritten Schalter (34) aufweist, bei dem ein Eingang mit der Erde verbunden ist und wählbare Ausgänge an die nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker angeschlossen sind.

5. Durchflußmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Därnpfungswiderstände (30,36) im wesentlichen gieich ist.

6. Mediendurchflußmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mediendurchflußmesser den Volumendurchfluß in einem Gaszähler ermittelt.

7. Mediendurchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mediendurchflußrnesser den Volumendurchfluß in einem Wasserzähler ermittelt.