DE2322749B2 - Schaltungsanordnung zum ermitteln der stroemungsgeschwindigkeit nach der ultraschallmethode - Google Patents

Description

dadurch noch weiter zu verbessern, daß der Auswerte-Schaltungsaufwand nicht mehr für beide Meßrichtungen je einmal zu erbringen ist; vor allem soll die Meßgenauigkeit erhöht werden, die bisher noch dadurch beeinträchtigt war, daß in jeder Richtung über längere Zeit gemessen wurde, so daß beim Umschalten für die Vergleichsmessung in Gegenrichtung sich die Gegebenheiten in der Meßstrecke unter Umständen schon wieder geändert haben konnten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Richtungswechsel nach jedem gesendeten Schallimpuls vorgenommen wird und daß gleichzeitig mit jedem gesendeten Schallimpuls ein verzögerter Bezugsimpuls ausgelöst wird, der eines der beiden Eingangssignale eines einzigen vorhandenen Phasendetektors ist, dessen anderes Eingangssignal der zugehörige empfangene Schallimpuls ist, dem ein einzig vorhandener spannungsgesteuerter Oszillator nachgeschaltet ist, dessen Ausgang im Takte des Richtungswechsels umgeschaltet wird.

Es wird also dieselbe Auswerteschaltung für beide Meßrichtungen herangezogen und in jede Richtung immer nur ein einziger Ultraschallimpuls ausgesendet, woraufhin jeweils auf die Gegenrichtung umgeschaltet wird.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert
F i g. 1 a zeigt ein Blockschema,
Fig. Ib ein Blockschema für die Verarbeitung der gesendeten und empfangenen Signale,

F i g. 2 ein Blockschema des Datenzählungs-Steuerabschnitts,

Fig.3 ein Blockschema des Datenzählungs-Reduktionsabschnitts;

F i g. 4 ist ein Schaitschema einer Ausführungsform desNiederpegelvollwellendetektors;

F i g. 5 zeigt ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung der Zeitbeziehungen des Teiler- und Zählungssteuersignals;

F i g. 6a zeigt ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung der zeitlichen Beziehungen beim Verarbeiten der empfangenen Impulse;

F i g. 6b zeigt ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung der Verarbeitung der empfangenen Impulse für strömende Medien mit Streustoffen;

Fig.7a ist ein Impulsdiagramm, welches das An sprechsignal für eine frühe tatsächliche Zeit der Signalankunft veranschaulicht;

Fig.7b ist ein Impulsdiagramm, welches das¹ Ansprechsignal für eine späte tatsächliche Zeit der Signalankunft veranschaulicht;

Fig.8 ist ein Schaltschema des Signalgleichlaufsteuerabschnitts;

Fig.9 zeigt ein Schaltschema des Verarbeitungsabschnitts für empfangene Signale.

Die hier beschriebene Ausführungsform der Schaltungsanordnung weist einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 10 auf. Dieser liefert Impulse an einen Datenzählkreis It, der die an ihn gelangenden Impulse für eine vorbestimmte Zeit zählt, um eine Information über die Strömung des Mediums zu bilden. Aus F i g. 1 a ist zu ersehen, daß der Ausgangsimpuls aus dem VCO zur Bildung eines ersten und eines zweiten Impulses dient, welche verglichen werden, um eine Steuerspannung für den VCO 10 zu liefern. Der erste Impuls wird erzeugt, wenn eine Zählersteuervorrichtung durch einen Ausgangsimpuls des VCO betätigt wird. Der Ausgangsimpuls aus der Zählersteuervorrichtung 12 löst einen Sendeimpulsgenerator 13 aus. Ein erster Wandler 14 ist in der Wandung 15 einer Leitung oder eines Kanals für das strömende Medium angebracht und steht mit dem strömenden Medium 16 in Verbindung. Der von dem Generator 13 gelieferte Impuls wird an den Schallwandler 14 gelegt, und die dem Medium 16 aufgedrückte Schallenergie 17 pflanzt sich durch das to Medium 16 fort und wird von einem zweiten Schallwandler 18. der in Verbindung mit dem Medium 16 steht, empfangen. Der zweite Schallwandler 18 ist in der Wandung 15 der Mediumleitung in Strömungsrichtung gesehen, oberhalb oder unterhalb des ersten Wandlers 14 angeordnet. Somit läuft die sich durch das Medium 16 fortpflanzende Schallenergie 17 in einer solchen Richtung, daß eine Komponente der Fortpflanzungsrichtung parallel zu einer Komponente der Mediumströmungsrichtung verläuft. )e nach der Richtung der Strömung werden die durch das Medium übertragenen Schallimpulse beschleunigt oder gehemmt, so daß ihre Laufzeiten entgegen der Strömung und mit der Strömung verschieden sind. Die Energie des empfangenen Schallimpulses wird einem Empfänger-Ϊ5 kreis 19 und von da aus als erster Impuls einem Ankunftszeitkreis 20 zugeleitet.

Durch Teilen des VCO-lmpulses, der nach der Erzeugung des ersten Impulses empfangen wurde, wird ein zweiter Impuls oder Bezugsimpuls gebildet. Ein Impulsteiler 21 erzeugt diesen eine gegebene Zahl von VCO-lmpulsen nach dem gesendeten Impuls, was eine vorbestimmte Verzögerung ergibt. Die Verzögerungszeit ist also eine Funktion der Ausgangsfrequenz des VCO 10; eine höhere Frequenz ergibt eine kürzere Verzögerung und umgekehrt eine niedrigere Frequenz eine längere Verzögerung. Der verzögerte Impuls wird als Bezugsimpuls dem Ankunftszeitkreis 20 zugeführt, der auch den direkt empfangenen Impuls als ersten Impuls aufgenommen hat. Der Kreis 20 bewirkt als ^₀ Phasendetektor einen Zeitphasenvergleich zwischen dem direkt vom Schallwandlcr 18 empfangenen Impuls und dem verzögerten Impuls, und es wird eine resultierende einheitliche Fehlerspannung an den Eingang des VCO 10 abgegeben, um die Ausgangsfrequenz des VCO 10 zu ändern und den durch den Teiler 21 eingeführten Bezugsimpuls dazu zu bringen, daß er zeitlich mit dem direkt empfangenen Impuls zusammenfällt. Auf diese Weise werden fortgesetzt die verzögerten Impulse in zeitlicher Koinzidenz mit den verarbeite- ten empfangenen Impulsen gehalten. Die Ausgangsim pulse des VCO werden für eine vorbestimmti Zeitspanne gezählt, während die verzögerten und di< direkt empfangenen Impulse, in Koinzidenz gehalten zum Vergleich mit dem Impulszählwert gespeicher werden, der erhalten wird, wenn Schallenergie in de entgegengesetzten Richtung durch das Medium gesen det wird. Die Zeit, während welcher Zählungei gesammelt und in einer besonderen Schaltung aufge zeichnet werden, schwankt von einem Bruchteil eine to Sekunde bis zu mehreren Sekunden, je nach de physikalischen Eigenschaften der Mediumleitung un den Parametern des Mediums selbst.

Der erste und zweite Schallwandler 14 und 18 sin identisch gleich und können solche sein wie sie in de bereits genannten USA.-Patentschrift 34 20 102 bi schrieben sind. Durch Verwendung passender Schalten richtungen werden sie abwechselnd als Sender und a Empfänger eingesetzt. Eine Schaltvorrichtung 9 weld

zum Umschalten der Schallwandler zwischen Sende- und Empfangsbetrieb dient, sorgt dafür, daß die Schallsendung abwechselnd entgegen und mit der Strömungsrichtung erfolgt. Die Schallfrequenz beim Senden in Gegenrichtung zur Strömung unterscheidet sich wegen der Differenz der Laufzeilen von der Schallfrequenz beim Senden in der Strömungsrichtung. Die Differenz der Schallfrequenzen in beiden Richtungen ist somit ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Der Datenzählkreis 11 überwacht die Differenz der Zahl der für eine vorbestimmte Zeit aufgezeichneten VCO-Impulse für die beiden Senderichtungen und wandelt die Differenzzählung um in eine Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums.

In Fig. Ib sind die hauptsächlichen Bestandteile der Schaltungsanordnung mehr im einzelnen dargestellt und es ist die gegenseitige Beziehung zwischen dem Umschalten der Schallwandler, dem verarbeiteten empfangenen Impuls, dem verzögerten Impuls, dem Impulsvergleich und der Steuerung des VCO veranschaulicht. Beispielsweise kann für ein Rohr mit 4 Zoll Durchmesser der VCO tO einen Ausgangsfrequenzbereich von 1 —3 MHz haben. Für Rohre mit größerem Durchmesser ist der VCO-Ausgangsfrequenzbereich entsprechend niedriger, und umgekehrt für kleinere Rohrdurchmesser der Bereich entsprechend höher zu wählen. Der aus dem VCO 10 kommende Impuls wird dem Impulsteiler 21 und der Zählcrsteucrvorrichtung 12 zugeführt. Di^e aus der Zählersteuervorrichtung 12 kommenden digitalen Ausgangsimpulse entgegengesetzter Beschaffenheit werden dem Impulsteiler 21 und dem Sendeimpulsgenerator 13 zugeleitet. Der Ausgang aus dem Teiler 21 ist außerdem verbunden mit einem Impulsaustastgenerator 22. der eine Austastung oder Unwirksammachung für die Verweilzeit der Impulse bewirkt. Der Ausgang aus dem Impulsaustastgenerator 22 ist an die Zählsteuervorrichtung 12 rückgekoppelt. Der Ausgang aus dem Teiler 21 ist auch mit einem Impulsverzögerungsgenerator 23 verbunden. Der zeitverzögerte Ausgangsimpuls aus dem Impulsverzögerungsgenerator 23 wird an den Ankunftszeitkreis 20 gelegt. Dieser kann eine Dualdaten-Flip-Flop-Schaltung mit Impulsflankentriggerung enthalten. Der Ankunftszeitkreis 20 bildet einen Eingangsimpuls für den fehlersicheren Alarmkreis 25.

Der Ausgangsimpuls aus dem Sendeimpulsgenerator 13 wird durch den Sendeverstärker 24 verstärkt und dann entweder über den Schalter K 1 oder den Schalter K 2 geleitet. Wenn die Schaltvorrichtung K 1 geschlossen ist, ist die Schaltvorrichtung K 2 offen. Bei geschlossenem Schalter K 1 wird der Sendeimpuls dem ersten Schallwandler 14 zugeleitet, der einen Schallimpuls 17 durch das strömende Medium 16 sendet. Der zweite in Verbindung mit dem Medium 16 stehende Schallwandler 18 empfängt den Impuls 17 und leitet ihn über den anderen geschlossenen Kontakt von KI zu dem Empfangsverstärker 33, der ihn in eine Gegentaktform bringt Der Gegentakt-Ausgangsimpuls aus dem Empfangsverstärker 33 wird an den Nulldurchgangsvergleicher 34 und einen Niederpegeldetektor 35 geleitet, der ebenfalls einen Ausgangsimpuls abgibt. Der Ausgangsimpuls aus dem Detektor 35 wird einem (integrierenden) automatischen Verstärkungsregler 36 zugeführt. Der Ausgang aus dem Verstärkungsregler ist wiederum an den Empfangsverstärker 33 gelegt. Der Ausgang aus dem Niederpegeldetektor 35 ist auch an einen Differentiator 39 gelegt, der wiederum einen Empfangsimpulsspannungsvergleicher 40 speist

Der Ausgang des Empfangsimpulsspannungsvergleichers 40 kann durch eine Schaltvorrichtung mit der Rückstellklemme 41 eines Empfangsimpulstors 42 verbunden sein. Das Empfangsimpulstor 42 kann eine Dualdaten-Flip-Flop-Schaltung mit Flankentriggerung sein. Der Ausgang aus dem Vergleicher 34 ist mit der Triggerklemme des Tors 42 verbunden. Der Ausgang aus dem Tor 42 ist zum Zeitvergleich des ersten Impulses mit dem von dem Teiler 21 kommenden verzögerten Bezugsimpuls an den Ankunfls/.eitkreis 20 gelegt.

Wahlweise kann statt dessen der Empfangsimpuls über die Schalteinrichtung an die Klemme 45 geführt werden. In dieser Weise wird der Ausgang aus dem Empfangsimpulsspannungsvergleicher 40 direkt unter Umgehung des Tors 42. mit dem Ankunftszeitkreis 20 zum Vergleich mit dem von dem Teiler 21 kommenden verzögerten Bezugsimpuls verbunden.

Der Ankunftszeitkreis 20 vergleicht die Ankunftszeit der verarbeiteten empfangenen Impulse und der verzögerten Bezugsimpulse und leitet das Ausgangssignal aus der Konstantladungsabgabevorrichtung 46. wenn der verarbeitete empfangene Impuls spät ist, an den invertierenden Eingang eines Konstamladungsverstärkers und an den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 47, wenn der verarbeitete empfangene Impuls frühzeitig ist. Der Ausgang aus dem Konstantladungsverstärker 47 wird mit dem Eingang eines Integrators 48 verbunden. Der Ausgang des Integrators 48 wird je nach Polarität der Impulse aus dem Konstantladungsvcrstärker 47 über den einen oder den anderen Weg dem Eingang des VCO 10 zugeleitet, um die Ausgangsfrequenz und damit die von dem Teiler 21 bewirkte Verzögerung zu steuern. Der Ausgang aus dem VCO 10 ist außerdem, wie oben beschrieben, an den Datenzählkreis 11 gelegt.

Der Datenzählkreis 11 ist im einzelnen in F i g. 2 und 3 dargestellt Er dient zürn Empfangen. Eichen und Zählen der Ausgangsimpulse aus dem VCO 10. wenn die verzögerten Impulse und die empfangenen Impulse zeitlich phasenverriegelt worden sind. Er dient außerdem zur Verarbeitung und Darstellung der Zählung in ihrer endgültigen Form sowie zur Bildung einer zusätzlichen Fehlwirkungsalarmanzeige sowie einer Strömungsrichtungsanzeige. Der Ausgang des VCO 10 ist mit einem Tor 51 verbunden, das an einen Datenzählungsteiler 52 angeschlossen ist. Eine Taktschaltung 53 ist mit einer Schaltung 54 mit variabler Zeitbasis verbunden, der bei der vorliegenden Ausführungsform eine Zählkapazität von 10 Millionen hat. Die Zeitbasis 54 ist durch eine Programmiervorrichtung 57 variabel gemacht, die sie anfänglich mit einer vorbestimmten Zählung auffüllt Der Ausgang aus der variablen Zeitbasis 54 ist mit einem Zählungsenddetektor 58 verbunden, der wiederum.mit einem Zählungsendimpulsgenerator 59 verbunden ist. Der Impulsgenerator 59 leitet seine Impulse zu einer die variable Zeitbasis regelenden Vorrichtung 60, um die variable Zeitbasis 54 unwirksam zu machen oder auszuschalten Der Impulsgenerator 59 ist außerdem mit einer Regel oder Steuervorrichtung 63 für den Datenzählungsteilei verbunden, um gleichzeitig den Datenzählungsteiler 5Ά unwirksam zu machen oder auszuschalten. Der Daten zählungsteiler 52 ist wiederum mit dem Regler 60 füi eine variable Zeitbasis verbunden, um den variabler Zeitbasiszähler 54 am Ende des Impulses aus den Impulsgenerator 59 zur Wirkung zu bringen.

Ein anderer Ausgang des Impulsgenerators 59 führ

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zu dem Auf/Ab-Zählungsregler 64. Der Ausgang dieses Reglers wird zu einer Relaissteuerung 65 geführt, welche das Schließen und öffnen der in Fig. Ib dargestellten Steuerschalter K 1 und K 2 bestimmt. Der Ausgang aus dem Auf/Ab-Zählungsregler 64 wird auch einem Zählerverriegelungsimpulsgeneraior 66 zugeleitet. Ein Zählungslöschimpulsgenerator 69 ist mit einem der Ausgänge aus dem Zählerverriegelungsimpulsgeneraior 66 verbunden und wird auf der Nachlaufflanke des Zählerverriegelungsimpulscs getriggert. Ein Test/Betrieb-Wahlschaltkreis 70 ist mit dem Zählungsendimpulsgenerator 59 und dem Auf/Ab-Zählungsregler 64 verbunden, um diese auf ihren Anfangszustand zurückzustellen, wenn von der Test- auf die Betriebs-Arbeitsweise übergegangen wird. Erforderlichenfalls kann wahlweise eine Drucker-Synchronisiervorrichtung 71 vorgesehen werden.

Fig. 3 zeigt ein Blockschcma der Hauptkomponenten in dem Daienzählreduzierabschnitt des Datenzählkreises II. Hier werden die Auf- und Abzählungen empfangen und es wird ein Differenzzählwert gebildet. Es ist eine Strömungsrichtungsanzeige in der Leitung vorgesehen, wenn ein Alarmsignal durch eine maximale Verstärkung an dem Sendeverstärker 24 betäiigt wird, das eine abnormal niedrige empfangene Signalstärke anzeigt. Es ist ein Dekadcnzählregister 72 mit einer Zählkapazität von 10 000 bei dieser Ausführungsform vorgesehen. Außerdem ist in dieser Ausführungsform ein binäres Zählregister 75 mit einer 12-Bit-Zählkapazität vorgesehen. Die Impulse aus dem Ausgang des Datenzählungsteilcrs 52 werden sowohl dem Datenregister 72 als auch dem binären Register 75 zugeführt. Für die Zählungsregister 72 und 75 sind jeweils eine Dekadensperre 76 und eine Binärsperre 77 vorgesehen. Der Ausgang aus dem Zählersperrimpulsgenerator 66 isi mil beiden Sperrschaltungen 76 und 77 verbunden. Die Klemmen 78 sind ebenfalls mit den beiden Sperrschallungen 76 und 77 verbunden, um allgemeine Zugangspunkte für die Ausgangssignale zu schaffen.

Der Ausgang aus dem automatischen integrierenden Empfangsverstärkungsregler 36 wird dem Eingang des automatischen integrierenden Sendeverstärkungsreglers (AGC) 81 zugeführt. Sein Ausgang ist mit dem Verstärkungsreglereingang des Verstärkers 24 für die gesendeten Impulse und außerdem mit einem Niedrigsignalalarmspannungsvergleicher 82 verbunden, der seinerseits an eine visuelle Ablesetafel 83 angeschlossen ist. Bei dieser Ausführungsform erscheint die Niedrigsignalalarmanzeige als ein Buchstabe »A« in dem Anzeigefeld links auf der Tafel 83, wenn die empfangene Signalstärke so niedrig ist, daß der Sendeverstärker bei seiner höchsten Verstärkung arbeiten muß.

Eine Überschußanzeigevorrichtung 84 ist mit dem Dekadenregister 72 verbunden. Der Überschußanzeiger K2 in Fig. Ib schließt und die Kontakte Kl öffnet, richtet der zweite Schallwandler 18 als Sender einen Schallimpuls 31 wie angegeben durch das strömende Medium 16, der von dem ersten Schallwandler 14 empfangen wird. Die beschriebenen Schaltungsanordnungen erfüllen insoweit die gleiche Funktion ohne Rücksicht darauf, ob der erste oder der zweite Wandler 14 bzw. 18 in jeweils einem Zeitpunkt als Sender oder als Empfänger arbeitet.

ίο Es soll nun die Arbeilsweise dieser Schaltungsanordnung betrachte! und die Erzeugung der durch den Teiler 21 und die dazugehörige Schaltung eingeführten Verzögerung erörtert werden. Der Zweck bestellt dann, ein Mittel zur Steuerung der Ausgangsfrequenz des VCO 10 zu schaffen. Der Ausgangsimpuls 89 aus dem VCO 10 ist in Fig. 5 zu sehen. Bei diesem Beispiel verändert eine Vorderflankc an dem VCO-Ausgangsimpuls 89a den ersten und zweiien Digitalausgangszustand 90 bzw. 93 an der Zählsteucrvorrichlung 12. Das ίο Schalten in den zweiien Ausgangszustand 93 bringt den Teiler 21 zur Wirkung, und es wird eine Zählung von 256 VCO-Ausgangsimpulsen 89 auf der hinteren Flanke des VCO-Impulses 89a eingeleitet, welche die Übergange in die Zustände 90 und 93 verursacht. Die 256 *5 VCO-lmpulszählung entsprich! einer Zeitverzögerung von 256 Perioden des VCO-Ausgangsimpulses 89. Der Teiler 21 ergibt einen Ausgangswen 94, der auf einen Zählwert von 128 ansieigl und auf einen Zählwcrt von 256 abfällt. Das Schalten des Teilerausgangswerts 94 iriggeri den Ausgangsimpuls 95 aus dem Impulsaustastgenerator 22. Der Austastimpuls 95 wird der Zählsteuervorrichtung 12 zugeführt und stell! den ersten und zweiien Zählsteuervorrichtungsausgangszustand 90 und 93 zurück. Der Impuls 95 seizt auch die Zählstcuervorrichiung 12 für seine Verweilzeit oder Ruhezeit außer Wirkung, so daß die Ausgangszuslände 90 und 93 nicht wieder verändert werden können bis der Impuls beendig! ist. Die Rückstellung des ersten Zählstcuervorrichtungsausgangszustandes 90 triggert den Verzögcrungsimpulsgenerator 23, der ein Ausgangssignal 96 bildet. Das Ende des Impulses 96 triggert eine Zustandsveränderung an den beiden Ausgängen 99 und 100 aus der flankengetriggerten Vorrichtung A a (F i g. 8) in dem Ankunftszeitkreis 20. Die Verweil- oder Ruhezeit der Impulse 96 bewirk! somit eine feste Zeilverzögerung für die Ausgangssignale 99 und 100 und zwar zusätzlich zu den 256 Perioden de; VCO-Ausgangssignals 89. Die Impulse 99 und IW stellen die verzögerten Impulse dar. die bei dei Ankunftszeitbestimmung benutzt werden. Der Anstief in dem ersten Zählsteuervorrichtungsausgangszustanc 90 triggert auch den Sendeimpulsgenerator 13. um dei Sendeimpuls 101 zu bilden. Der gleiche Anstieg de ersten Zählsteuervorrichtungsausgangssignals 90 trig

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84 wird betätigt, wenn die Abzählung die Aufzählung 55 gen auch eine Kippschaltung (A 15 in F i g. 8), welch

^Ρ""⁼ einen Empfängerüberwachungsimpuls 102 erzeugt, de

den verarbeiteten empfangenen Impuls 106 kurz vo dem Ankunftszeitkreis 20 an der Vorrichtung A 14 1 Fig.8 sperrt. Der empfangene Impuls 105 weis unechte oder Rauschsignale 105Λ auf, was auf di Energieausbreitung über Bauteile oder unerwünscht elektrische Erregung zurückzuführen ist, die von dei gesendeten Impuls 101 herrührt. Diese Sperrun geschieht zu dem Zweck der Verhinderung eine Auftretens unechter Eingangssignale 105/4 am Eingan des Ankunftszeitkreises 20, während Daten aufgenon men werden. Der verarbeitete empfangene Impuls IC wird durchlaufen gelassen, wenn der Impuls 102 an d<

übertrifft, wodurch eine rückläufige Strömung angezeigt wird. Der Überschußanzeiger 84 ist mit der visuellen Ablesetafel 83 verbunden. Bei dieser Ausführungsform erscheint eine Ziffer »1« in dem Anzeige feld links auf der Tafel 83, wenn die Strömung in der Leitung rückläufig gegenüber der als normal angenommenen Strömungsrichtung ist.

Die binäre Sperre 77 ist mit einem Digital/Ana log-Umformer 87 verbunden. Der Analogwertausgang aus dem Umformer 87 ist mit einem Signalkonditionierungskreis 88 verbunden, der die gewünschte Form und Höhe des Ausgangsimpulses bildet.

Wenn die Relaissteuerung 65 in Fi g. 2 die Kontakte

Vorrichtung A 14 nicht anwesend ist, und wird anschließend dem Ankunftszeitkreis 20 zugeführt. Die Vorderflanke des ersten Zählsteuervorrichtungsausgangsimpulses 90 veranlaßt auch einen Rückstellimpuls 107, der dem Ankunftszeitkreis 20 zugeführt wird, die flankengetriggerten Ankunftszeitausgangssignale oder die verzögerten Impulse 99 und 100 in ihren Normalzustand zurückzubringen.

Die F i g. 6a und 9 zeigen ein Impulsdiagramm für den die empfangenen Impulse verarbeitenden Kreis und ein to Schaitschema für den entsprechenden Abschnitt der Schaltungsanordnung. Ein verarbeitetes empfangenes Signal 120 wird mit den verzögerten Impulsen 99 und 100 in seiner zeitlichen Phase verglichen, und das Vergleichsergebnis dient zur Steuerung der Ausgangsfrequenz des VCO 10. Der empfangene Impuls 105 wird mit dem Empfangsverslärker 33 gekoppelt. Der Empfangsverstärker 33 arbeitet im Gegentakt und bildet ein nichtinvertiertes Ausgangssignal 108 und ein invertiertes Ausgangssignal 111. Die Ausgangssignale 108 und 111 werden dem Nicdrigpegelvollwellendetektor 35 zugeführt, der das geglättete und gleichgerichtete Ausgangssignal 112 in der anschließend gezeigten Formgebung hervorbringt. Das invertierte Ausgangssignal 111 wird über den Kondensator C5, wie Fig.9 zeigt, der Drain-Elektrode des P-Kanal-Junction-FET Q 1 zugeführt. Das Gate von Q1 befindet sich auf Erdpotential und bringt QI in einen für an den Drain gelegte positive Spannungen leitenden Zustand. Der erste ins Positive gehende Impuls in dem invertierten Ausgangssignal 111 ist, wie zu sehen ist, der zweite Impuls in der Folge in dem ungeglätteien gleichgerichteten empfangenen Impuls 113. Die Source-Elcktrodc von Q 1 wird an die Basis eines als Emitierfolgeglied geschalteten Transistors Q 3, wie er in Fig. 9 zu sehen ist. gelegt. Der nichtinvertierte empfangene Energieimpuls 108 ist durch den Kondensator C6 an den Drain des P-Kanal-Junction-FET Q 2 gekoppelt. Das Güte von 02 ist ebenfalls auf Erdpotential gebracht und die Source ist mit der Source von Q 1 und daher auch mit der Basis des als Emitterfolgcglied geschalteten Transistors ζ) 3 verbunden. Da ζ) 2 ebenfalls in einen Zustand der Leitfähigkeit für ins Positive gehende Impulse, die an dem Drain auftreten, gebracht ist. ist der erste Impuls in dem nichtinvertierten empfangenen Impulszug 108 der erste Impuls in der Folge des ungeglätteten gleichgerichteten empfangenen Impulses 113. Ein Glättungskondensator C15 ist in dem Basiskreis des Emitterfolgetransistors Q 3 angeordnet, um das Ausgangssignal 112 aus dem Niedrigpegelvollwellendetektor 35 zu bilden.

Das Detektorausgangssignal 112 wird dem Differentiator 39 zugeführt. Die maximale Nachführgeschwindigkeit des Differentiators 39 wird sorgfältig so eingestellt, daß sie kleiner ist als die Änderungsgeschwindigkeit der Kurvenform des Detektorausgangssignals 112 bis mindestens zwei Umlenkpunkte in dem Detektorausgangssignal 112 aufgetreten sind. Unter diesen Umständen erzeugt der Differentiator 39 das Ausgangssignal 114. Der Spannungsvergleicher 40 wird so eingestellt, daß er ein Ausgangssignal 117 hervorbringt, das an dem mit td'm F i g. 6 markierten Punkt auftritt. Dadurch wird eine Zeitverzögerung von dem mit fi bezeichneten ersten Schallpunkt aus dem Beginn des Ausgangssignals 117 bei f</ auferlegt. Sowohl die Zeitverzögerung aus dem ersten Schaltpunkt als auch die Verweil- oder Ruhezeit des Ausgangsimpulses 117 sind wie ersichtlich Funktionen der maximalen Nachführgeschwindigkeit des Differentiators 39 und der Spannungseinstel'ung an dem Vergleicher 40. Der Detektor 35, der Differentiator 39 und der Vergleicher 40 für die empfangenen Impulse umfassen die Haupikomponent :n in dem verbesserten Triggerkreis.

In dem Fall eines strömenden Mediums, das vergleichsweise rein ist und nicht zu viele auf die Energieimpulse wirkende Streuteilchen enthält, wird das Vergleicherausgangssignal 117 über eine Schalteinrichtung zu der Klemme 41 an dem Tor 42 für das empfangene Signal in Fig. Ib geführt. Der Nulldurchgangsvergleicher 34 erzeugt ein Ausgangssignal 118, das aus einer Reihe von Rechteckimpulsen von gleicher Frequenz wie der empfangene Impuls 105 besteht. Das Tor 42 ist eine flankengetriggerte Vorrichtung und erzeugt, wenn es durch den Impuls 117 zur Wirkung gebracht ist, ein Torausgangssignal 119 bei der Ankunft der ersten vorderen Flanke des Nulldurcligangsvergleicherausgangssignals 118. das nach der vorderen Flanke des zeitverzögerten Ausgangssignals 117 ankommt. Der durchgelassene Impuls 119 wird dem Ankunftszeitkreis 20 zugeführt.

Der durchgelassene Impuls 119 wird dem Eingang des Impulsformers A 9. der in Fig. 8 zu sehen ist und eine Kippschaltung darstellt, zugeführt. Es sind ein ins Positive gehender Impuls 120 und ein ins Negative gehender Impuls 123 vorhanden. Der positive Impuls aus dem Impulsformer A 9 wird mit der eine konstante Spannung abgebenden Vorrichtung A 10 verbunden, die einen ins Negative gehenden Impuls 124 an ihrem Ausgang erzeugt. Der Ladungsabgeberimpuls 124 wird auf einem Wege zu der Impulsformervorrichtung A 9 geleitet, um die ins Positive und ins Negative gehenden Impulse 120 und 123 zu beendigen. Der Impuls 123 erhält so eine Impulsbreite, die der Laufzeit des Impulses 120 durch den Ladungsabgeber A 10 und zurück zu dem Impulsformer A 9 entspricht. Der Impuls 123 stellt dann den empfangenen Impuls mit der dem Ausgangssignal 117 aus dem Vergleicher 40 auferlegten Zeitverzögerung dar und entspricht der tatsächlichen Ankunftszeit zuzüglich der Verzögerung des verarbeiteten empfangenen Impulses 106.

In dem Falle, daß das strömende Medium einen genügend großen Anteil an Streuteilchen enthält, um die Energieausbreitung durch das Medium diffus zu machen, wird das empfangene Signal verhältnismäßig schwach und es enthält dann ein beträchtliches Phasenrauschen. Unter solchen Bedingungen wird das verzögerte Ausgangssignal 117 aus dem Vergleicher direkt über eine Schaltvorrichtung an die Klemme 45 des Ankunftszeitkreises 20 gelegt und bewirkt direkt die Abgabe positiver und negativer Impulse 120 bzw. 123 aus dem Impulsformer, wie in F i g. 6b zu sehen ist. Dei übrige Teil der Signalverarbeitung bleibt unverändert Es ist aber ersichtlich, daß diese letztere Alternative eir stabiles synthetisiertes und verzögertes empfangene; Signal ergibt, das nicht den Fehlern unterworfen ist, di( durch übermäßiges Phasenrauschen in dem Nulldurch gangsvergleicherausgangssignal 118 sonst eingeführ würden.

Der Ankunftszeitkreis 20 enthält eine flankengetrig gerte Vorrichtung A 5, F i g. 8, welche Ausgangssignal· 99 und 100 hervorbringt. Die Fig.7a und 71 veranschaulichen die Einzelheiten der Funktion de Ankunftszeitkreises. Der ins Negative gehende Impu! 123 aus dem Impulsformer Λ9 in Fig.8 wird wii ersichtlich in der in F i g. 7a abgebildeten Taktgebungs kette zeitlich frühzeitig verglichen mit dem Ausgangs

signal 99 des flankengetriggerten Ankunftszeitkreises. Zu demjenigen Zeitpunkt, zu welchem das Signal 123 an den beiden NOR-Toren A 4 eintrifft, befindet sich das obere Tor des Paares in einem Zustand der Leitfähigkeit, wobei beide Toreingangssignale gleich Null sind. Das untere NOR-Tor des Torpaares A 4 ist durch einen »1 «-Zustand an einer seiner Eingangsklemmen gesperrt. Somit veranlaßt der frühzeitige Impuls, daß ein »1 «-Zustand am Ausgang des oberen Tores A4 und dem Eingang des oberen NOR-Tores des Paares A 13 auftritt Das untere NOR-Tor des Paares A 4 hat einen Ausgangszustand Null, der mit dem Eingang des unteren Tores A 13 verbunden ist. Ein Nullzustand an dem Ausgang des oberen Tores A 13, der mit dem Eingang des unteren Tores A 13 verbunden ist, ergibt einen »1 «-Zustand am Ausgang des unteren Tores A 13. Dieser wiederum wird an den Eingang des oberen Tors A 13 gelegt, das zusammen mit dem Eingangswert Null aus dem unteren Tor A 4 einen Ausgangswert Null am oberen Tor A 7 hervorbringt. Der frühzeitige Impuls verursacht so, daß der Konstantladungsimpuls 124, gleichfalls in einem Nullzustand, am Ausgang des oberen NOR-Tors A 7 als der Impuls 125 auftritt, der dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 47 zugeführt wird. Der nichtinvertierte verstärkte Impuls 126 wird an den Eingang des Integrators 48 gelegt, der wiederum veranlaßt, daß die Integratorausgangsspannung 129 fällt. Der spezielle bei dieser Ausführungsform verwendete VCO 10 hat eine Frequenzbeziehung, die umgekehrt verläuft wie die Eingangsspannung. Infolgedessen verursacht ein Abfall der Eingangsspannung des VCO 10 einen Anstieg der Ausgangsfrequenz 130, welche die Zeitspanne verkürzt, die zum Zählen von 256 Impulsen erforderlich ist, und damit auch die Gesamtverzögerung verkürzt, die dem Impuls 99 auferlegt wird, so daß dieser zeitlich mit dem empfangenen Impuls 123 zusammenfällt.

Umgekehrt als in der Darstellung von Fig. 7b befindet sich, wenn der empfangene Impuls 123 zeitlich später liegt als die Ausgangssignale 99 und 100 aus der flankengetriggerten Vorrichtung A 5, das unter NOR-Tor des Paares A 4 in F i g. 8 in einem wirksamen Zustand, wobei an beiden Eingängen und Leitungen ein Nullzustand herrscht. Dadurch werden in einer ähnlichen Weise wie oben beschrieben beide Eingangsklemmen des unteren NOR-Tores in dem Paar / 7 in Fig.8 in einen Nullzustand versetzt, in dem sie die konstante Ladung 131 an den invertierenden Eingang des Verstärkers 47 leiten. Die invertierte und verstärkte konstante Ladung 132 wird dann dem Integrator 48 zugeführt und veranlaßt ein Ansteigen von dessen Ausgangsimpuls 135. Der Anstieg des Ausgangsimpulses 135 aus dem Integrator, der als Eingangsimpuls an den VCO 10 gelangt, erniedrigt die Frequenz der Oszillatorausgangsimpulse 136. Dadurch wird die vordere Flanke des Ausgangsimpulses 100 aus dem Ankunftszeitkreis 20 in zeitliche Koinzidenz mit dem Ausgangsimpuls 123 aus dem Impulsformer A 9 gebracht.

Ein Punkt in der Schaltung am Eingang zu dem oberen NOR-Tor des Paares A 13 von F i g. 8 ändert wie ersichtlich seinen Zustand jedesmal, wenn der geformte Impuls 123 von früh nach spät oder von spät nach früh geht. Diese Zustandsänderung ist mit dem Eingang einer erneut triggerbaren Kippschaltung /4 8 in F i g. 8 verbunden, welche den Alarmkreis 25 (Fi g. Ib) sperrt. Die Ruhe- oder Verweilzeit des Ausgangsimpulses wird bestimmt durch die Werte der Komponenten R 7 und C6 in Fig.8. Solange wie Änderungen hinsichtlich des Früh- oder Spätzustandes bei kleineren Zeitspannen auftreten als der Ruhe- oder Verweilzeit der Ausgangsimpulse entspricht, wird die Vorrichtung A 8 erneut getriggert und das Alarmsignal in dem getriggerten oder »Auf«-Zustand gehalten. Dies bedeutet eine fehlersichere Alarmgabe. Das Niedrigzustand-Ausgangssignal aus der Vorrichtung A 8 wird mit einem NOR-Tor 51, F i g. 2 verbunden, das es ihm ermöglicht. die Ausgangsimpulse 89 des spannungsgesteuerten Oszillators zu dem Datenzählungsteiler 52 durchzulassen.

Das Ausgangssignal 117 aus dem Vergleicher 40. das die vorbestimmte Zeitverzögerung einschließt, welche die durch die Impulse 96 auferlegte Verzögerung in die verzögerten Impulse 99 und 100 passend einführt, kann mit dem Eingang des intergrierenden automatischen Empfangsverstärkungsreglers 36 verbunden sein. Bei dieser Ausführungsform aber ist der Ausgang 112 aus dem Detektor 35 mit dem Eingang des intergrierenden automatischen Empfangsverstärkungsreglers 36 verbunden. Die Ergebnisse sind im wesentlichen die gleichen, üer Integrator 36 hat eine Eingangsvorspannung, welche eine Drift der Integratorausgangsspannung auf einen Wert zur Folge hat. der eine hohe Verstärkung in dem Empfangsverstärker 33 erzeugt. Die Detektorausgangsimpulse 112 haben daher eine anfänglich hohe Amplitude und ergeben nach Integration durch den Integrator 36 ein Integratorausgangssignal, das wiederum den Verstärkungsgrad des Empfangsverstärkers senkt, bis die Vorspannung und die Detektorimpulse 112 das Ausgangssignal aus dem Integrator 36 auf einen stabilen Punkt abgleichen. Der stetige Verstärkungsgrad des Empfangsverstärkers 33 wird durch die Vorspannungseinstellung am integrator 36 bestimmt. Der Zweck der Empfänger-AGC besteht darin, den Empfangsverstärker 33 vom Triggern durch Rauschsignale abzuhalten, wenn der Verstärkungsgrad zu hoch ist, und ein Abfallen auf einen so niedrigen Verslärkungsgrad zu verhindern, daß der Niedrigpegeldetektorausgang 112 unterhalb der maximalen Nachführgeschwindigkeit des Differentiators 39 liegt.

Das Ausgangssignal aus dem AGC-Intcgrator 36 am Empfänger wird auch einem AGC-Integrator 8t für den Sendeverstärker 24 zugeführt (F i g. 1 b). Der AGC-Integrator 81 am Sender hat eine bedeutend langsamere Ansprechzeit als der AGC-Integrator 36 am Empfänger. um Schwingungen zwischen den Verstärkungssteuerschleifen von Sender und Empfänger auszuschließen Eine Eingangsvorspannung wird auch in den Integrator 81 eingeführt, damit sich eine Ausgangsspannung ergibt. die den Sendeverstärker 24 auf einen hohen Verstärkungsgrad einstellt. Wenn ein ausreichendes empfangenes Signal vorhanden ist, liefert der Empfänger-AGC 36 eine Spannung an den Sender-AGC 81, der die eingeführte Vorspannung ausgleicht. Wenn aber nur eir besonders niedriges empfangenes Signal vorhanden ist stellt der Sender-AGC 81 den Verstärkungsgrad air Sendeverstärker 24 auf einen höheren Pegel, bis das empfangene Signal genügend verstärkt wird, so daß dei Ausgangswert aus dem Empfänger-AGC 36 wieder dit Eingangsvorspannung am Integrator 81 einstellt. Wire der Verstärker 24 in einen Zustand maximalei Verstärkung geregelt, so wird ein Ausgangssignal au; dem Spannungsvergleicher 82 hervorgebracht. Da; Ausgangssignal aus dem Vergleicher 82 stellt einer Alarmzustand auf Grund der mit maximalem Verstär kungsgrad am Sender empfangenen Energie dar unc

wird mit der visuellen Ablesetafel 83 verbunden, um ein Warnsignal zu geben.

Die durch den Alarmkreis 25 geschaffene Alarmanzeige kann unter verschiedenartigen Störungsbedinguneen auftreten. Wenn z. B. die das strömende Medium 16 s führende Leitung nicht genügend voll durchströmt wird, um Sender und Empfänger 14 bzw. 18 in die Strömung eintauchen, kann das Empfangssignal ungenügend sein, so daß die Schaltung nicht arbeitet. Es treten keine Zustandsänderung an dem Eingang der beiden NOR-Tore A 13 in F i g. 8 auf. Dies bedeutet, daß die Schaltung nicht arbeitet. Wenn aus irgendeinem Grunde das Signal an diesem Punkt beständig frühzeitig oder beständig spät ist, wird die Kippschaltung A 8, F i g. 8, nicht erneut getriggert, ihre Verweilzeit läuft aus, der Digitalzustand am Ausgang der Alarmanzeigevorrichtung fällt ab, verursacht, daß die visuelle Anzeigetafel 83 in ihrem linken Anzeigeabschnitt den Buchstaben A zeigt, was auf eine Betriebsstörung hindeutet und der Digitalzustand der mit dem Tor 51 am spannungsgesteuerten Oszillator verbunden ist steigt an und blockiert die VCO-lmpulse 89 an diesem Punkt.

I_n Fig.4 ist eine andere Schaltung für den Niedrigrausch-Niedrigpegeldetektor 35 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wird das umgekehrte Gegentaktausgangssignal aus dem Verstärker 33 an die Gate-Elektrode des ersten P-Kana!-Junction-FET 137 gelegt. Das Gate ist kapazitiv mit der Drain-Elektrode des zweiten P-Kanal-Junction-FET 138 gekoppelt. Da ein positiver Impuls diese Vorrichtung sperrt, schaltet ein positiver Impuls an dem Tor des ersten Junction-FET 137 diese Vorrichtung aus, wogegen der gleiche Impuls, verbunden mit der Drain-Elektrode des zweiten FET über den Kondensator den zweiten FET in den leitenden Zustand versetzt. Der negative Impuls aus dem nicht invertierenden Ausgang des Gegentaktverstärker, der gleichzeitig an das Tor des zweiten P-Kanal-FET 138 angelegt wird, verstärkt diese Leitfähigkeit. Das Gate des zweiten Junction-FET 138 ist auch kapazitiv mit dem Drain des ersten Junktion-FET 137 gekoppelt. Infolgedessen schaltet der unmittelbar folgende positive Impuls an dem Gate des zweiten FET 138 diese Vorrichtung ab, bringt den Drain des ersten FET 137 hoch und bringt den ersten FET 137 in einen in noch verstärktem Maße leitenden Zustand. Die volle Welle wird somit gleichgerichtet. Die Source-Elektroden beider FET 137 und 138 werden parallel geschaltet und an die Basis eines Emitterfolgers 141 geführt. Dessen Ausgangssignal ist im wesentlichen dasjenige, das in dem Puls 112,Fi g. 6a, zu sehen war.

Es wurden erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen wie vorstehend beschrieben dazu benutzt, die Strömungsgeschwindigkeiten von Frischwasser. Seewasser und flüssigem Brennstoff in Rohrleitungen verschiedener Abmessungen zu messen. Mehrere Hauptabschnitte der Schaltung sind in Fig.ti-11 schematisch wiedergegeben.

F i g. 8 zeigt die VCO-Steuerschaltung, weiche die VCO-Ausgangsfrequenz liefert, die die zu zählenden Impulse liefert. Die erste Entscheidung, daß die Schaltung arbeitet und in Bereitschaft zur Zählung ist, wird in diesem Teil der Schaltung getroffen. F i g. 9 zeigt die Schaltung für den Empfang der durch das strömende Medium fortgeleiteten Impulse und für die Verarbeitung der Impulse entsprechend Fig.6a und 6b, um eine wohldefinierte Ankunftszeit der empfangenen Impulse zum Vergleich mit den verzögerten Impulsen zu schaffen.

Eine in Übereinstimmung mit dem Vorstehenden gebaute Schaltung ergab eine Messung der durchschnittlichen Geschwindigkeit mit einer Genauigkeit, die besser war als 0.25% der vollen Skala. Unbekannte Geschwindigkeitsprofiländerungen beeinträchtigen die Genauigkeit der geeichten volumetrischen Strömungsgeschwindigkeit. Eine Eigenschaft von primärer Wichtigkeit ist die Mediumgeschwindigkeitsauflösung von 0,24384 cm/s (0,008 feet/second). Diese Möglichkeiten der Schaltung vurden bei stark veränderten Bedingungen, darunter insbesondere bei Durchfluß von Frischwasser durch eine Rohrleitung mit einem Durchmesser von 4 Zoll, bei Durchfluß von Seewasser durch eine Rohrleitung mit einem Durchmesser von 8 Fuß und be Durchfluß von flüssigem Brennstoff (öl) durch eint Rohrleitung mit einem Durchmesser von 12 ZoI bestätigt.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Strömungsgeschwindigkeit nach der Ultraschailmethode, bei der über eine Meßstrecke abwechselnd Schallimpulse in zueinander entgegengesetzten Richtungen gesendet bzw. empfangen werden und bei der Phasendetektoren zum Ermitteln der Verschiebung zwischen zueinandergehörenden Sende- und Empfangsschallimpulsen vorgesehen sind, welche die Frequenzen spannungsgesteuerter Oszillatoren (VCO) beeinflussen und bei der Frequenzdifferenzen gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtungswechsel nach jedem gesendeten Schallimpuls vorgenommen wird und daß gleichzeitig mit jedem gebendeten Schallimpuls ein verzögerter Bezugsimpuls ausgelöst wird, der eines der beiden Eingangssignale eines einzigen vorhandenen Phasendetektors (20) ist, dessen anderes Eingangssignal der zugehörige empfangene Schaiiimpuls ist, dem ein einzig vorhandener VCO (10) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang im Takte des Richtungswechsels umgeschaltet wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Frequenz des VCO (10) eine Schaltung vorgesehen ist, welche eine Vorrichtung (21) zur Erzeugung des verzögerten Bezugsimpulses nach einer vorbestimmten Zahl von Perioden des Ausgangsimpulses aus dem VCO im Anschluß an die Sendung eines Schallimpulses und eine Vorrichtung (20) zum Zeitvergleich c"es gesendeten Schallimpulses und des Bezugsimpulses umfaßt, durch welche die Steuerspannung des VCO auf Grund des Vergleichsergebnisses derart beeinflußt wird, daß die Frequenz des VCO geändert wird, bis der Bezugsimpuls und der gesendete Schallimpuls in zeitliche Koinzidenz gelangen (Fig. la).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des verarbeiteten empfangenen Impulses (106) dem verzögerten Bezugsimpuls (90) ein zweiter Impuls (96) zeitlich nachgeschaltet ist, dessen Dauer kleiner ist als die Verzögerungszeit des verzögerten Bezugsimpulses (F i g. 5).

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüehe 1 —3. dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (12, 21) zur Erzeugung des verzögerten Bezugsimpulses (90) ein Impulsteiler (21) ist, dem der aus dem VCO (10) kommende Impuls (89) zugeführt wird und der eine erste Impulserzeugervorrichtung, die durch ein Ausgangssignal des Impulsteilers nach einer vorbestimmten Zahl von VCO-lmpulsen den verzögerten Bezugsimpuls abgibt, und eine zweite Impulserzeugervorrichtung (23) aufweist, die von dem verzögerten Bezugsimpuls derart gesteuert wird, daß ein zweiter Impuls (t_d in 96) ausgelöst wird, der den Bezugsimpuls um einige VCO-Perioden verlängert (Fi g. Ib, 5).

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Zeilvergleich des gesendeten Schallimpulses und des ßczugsimpulscs (Phasendetektor) einen bei Ankunft des gesendeten Schallirnpulses ansprechenden Ankunftszeitkreis (20), eine mit dessen Ausgang verbundene Vorrichtung (46) zur Abgabe eines Konstantladungsimpulses. einen daran angeschlossenen Konstantladungsverstärker (47) mit einem invertierenden und einem nicht irvenierenden Eingang, von denen der eine zur Aufnahme eines spät und der andere zur Aufnahme eines frühzeitig gesendeten Impulses dient, und einen an diesen angeschlossenen Integrator (48), dessen Ausgang mit dem VCO (10) verbunden ist, umfaßt, dem die Konstantladungsimpulse unterschiedlicher Polarität zugeführt werden, so daß die Frequenz des VCO auf Grund eines frühzeitig gesendeten Impulses ansteigt und auf Grund eines spät gesendeten Impulses abfällt (F i g. 1 b).

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang des VCO (10) zur Bestimmung der Differenz der Impulsperiodenzahlen für Laufzeiten entgegen dem Strom und mit dem Strom eine DatenzählschaKung (11) verbunden ist, die eine variable Zeitbasisschaltung (54), welche eine definierte Zeitspanne für die Zählung entgegen und mit dem Strom liefert, eine Vorrichtung (60) zum Unwirksammachen der variablen Zeitbasis zwischen den Laufzeiten, ein Dekadenregister (72), ein binares Register (75), einen an die variable Zeitbasis und die Register angeschlossenen Auf/Ab-Zählungsregler (64) zum Unwirksammachen der Zeitbasis und Wechseln der Sende- und Empfangsarbeitsweise der SchJlwandler (14, 18) zwischen den Laufzeiten sowie zum direkten Wechseln der Auf- und Ab-Zählung von Perioden während wechselnder Zählperioden aufweist (F i g. 2,3).

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Zeitbasisschaltung einen kristallgesteuerten Oszillator (59) zur Bildung einer Taktfrequenz, ein Zählregister (58), das ein Ausgangssignal liefert, wenn es gefüllt ist und die Taktfrequenz an den Eingang gelegt ist. und eine Programmschaltung (57) zum Laden des Registers mit einer vorbestimmten Anfangszählung aufweist, so daß eine vorbestimmte Zeitspanne vom Beginn der Zählung bis zu dem Zeiipunkt erhalten wird, zu dem ein Ausgangssignal aus dem Register geliefert wird (Fi g. 2).

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß der für beide Senderichtungen gemeinsamen Empfangseinrichtung (19) für die von den Schallwandlern (14, 18) gesendeten bzw. empfangenen Schallimpulse ein Signaldetektor nachgeschaltet ist, der einen Nulldurchgang bestimmt, der der Dauer des zweiten Impulses (96) entspricht, der dem Bezugsimpuls (90) zeitlich nachgeschaltet ist (F i g.).

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 -8, dadurch gekennzeichnet, daß die für beide Senderichtungen gemeinsame Empfangseinrichtung (19) für die von den Schallwandlern (14, 18) gesendeten bzw. empfangenen Schallimpulse eine Verstärkerschaltung (33) zur Bildung einer Gegentaktform des jeweils empfangenen Schallimpulses, einen an den Ausgang dieser Verstärkerschaltung gelegten Niedrigpegeldetektor (35), einen auf das Verarbeiten des Detektorsignals bei maximaler Nachführgeschwindigkeit eingestellten Differentiator (39). einen Empfangsimpulsspannungsvergleicher (40) zur Lieferung eines Ausgangsimpulses (117) mit einer Zeitverzögerung (t\ — td) gegenüber dem ersten Schaltpunkt (u) mit dem Differentiatordngangssignal (114), einen Impulsformerkreis (47) und einen den geformten Impuls aufnehmenden Integrator (48) aufweist, der als VCO-Frequenz-

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regler dient (F ig. Ib, 6a).

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung weiterhin eine Schaltung (36) zur automatischen Verstärkungsregelung zwecks Aufrechterhaltung s einer gewünschten Amplitudenhöhe der Gegentaktform des Impulses aufweist (F i g. 1 b).

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Ausgangs signal 2JSS dem Empfangsverstärker (33) ansprechende Schaltung einen Nulidurchgangsvergleicher (34)

in Parallelschaltung mit dem Niedrigpegeldetektor (35) zur Aufnahme der abgefühlten in elektrische Impulse umgewandelten Schallimpulse sowie ein durch den Empfangsverstärker zur Wirkung zu bringendes und von dem Nulidurchgangsvergleicher zu triggerndes Tor (42) aufweist (F i g. 1 b).

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Niedrigpegeldetektor (35) einen ersten und zweiten Feldeffekttransistör (137, 138) eine kapazitive Kopplung (C) zwischen der Gate-Elektrode des ersten FET (137) und der Drain-Elektrode des zweiten FET (138), eine kapazitive Kopplung (C) zwischen der Gate-Elektrode des zweiten FET (138) und der Drain-Elektrodedes ersten FET (137), eine positive Spannungsquelle, je einen Widerstand (R) zwischen der positiven Spannung und den Drain-Elektroden und je einen Widerstand (R') zwischen der positiven Spannung und den Gate-Elektroden, wobei ein invertiertes Signal an die Gate-Elektrode des ersten FET und ein nicht invertiertes Signal an die Gate-Elektrode des zweiten FET gelegt ist, und einen als Emitterfolgeglied geschalteten Transistor (141) aufweist und daß eine gemeinsame Verbindung zwischen den Source-Elektroden des ersten und des zweiten FET und der Basis des Emitterlolgers vorgesehen ist, so daß alle Impulse aus den invertierten und den nicht invertierten Signalen in einer Polarität an dem Ausgang des Emitterfolgers auftreten (F ig. 4).

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Fehlersicherheitsalarmschaltung (,4 8,Fi g. 8), bestehend aus einer wiederholt auslörbaren Vorrichtung, die ir Abhängigkeit von dem Wechsel von früh auf spät bzw. von spät auf früh des gesendeten Impulses anspricht und einen Ausgangsimpuls mit einer vorbestimmten Verweilzeit derart bildet, daß der Ausgangsimpuls so lange aufrecht erhalten bleibt, wie eine Änderung innerhalb der Verweilzeit auftritt.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlegen von Schallimpulsen in abwechselnde Zeitspannen an den ersten und zweiten Schallwandler (14, 18) ein durch einen VCO-lmpuls betätigter Sendeimpulsgenerator (13), ein Sendeimpulsverstärker (24), ein Integrator (81) zur automatischen Verstärkungsregelung des Sendeimpulses in Abhängigkeit von dem Signal aus dem automatischen Gegentaktverstärker und ein Alarmvergleicher (82), der auf das Ausgangssigr.al aus dem Sendeimpulsverstäiker anspricht, vorgesehen sind, so daß der Verstärkungsgrad des Sendeverstärkers hoch genug gehalten wird, um ein angemessenes Empfangssignal und eine Alarmgabe. wenn der Verstärkungsgrad einen Höchstwert erreicht, zu gewährleisten (Fig. Ib, 3).

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Strömungsgeschwindigkeit nach der Ultraschaümethode, bei der über eine Meßstrecke abwechselnd Schallimpulse in zueinander entgegengesetzten Richtungen gesendet bzw. empfan gen werden und bei der Phasendetektoren zum Ermitteln der Verschiebung zwischen zueinandergehö- renden Sende- und Empfangsschrllimpulsen vorgesehen sind, welche die Frequenzen spannungsgesteuerter Oszillatoren beeinflussen und bei der Frequenzdifferenzen gebildet werden.

Das Prinzip einer solchen Schaltungsanordnung ist bereits bekannt (vgl. die Arbeit »Flow Measurement with a new ultrasonic flowmeter«, veröffentlicht im Rahmen des »Flow Symposium 1971«, insbesondere deren Fig. 2).

Die grundsätzlichen Möglichkeiten, mittels Ultraschall Strömungsgeschwindigkeiten zu messen, waren bereits in dem Aufsatz Carlos Knapp »Gesehw indigkeits- und Mengenmessung strömender Flüssigkeiten mittels Ultraschall*, erschienen in »Voith Forschung und Konstruktion«, Heft 3, August 1958. eingehend beschrieben und erörtert. Danach war es bereits bekannt, über eine Meßstrecke abwechselnd Schallimpulse in zueinander entgegengesetzten Richtungen zu senden bzw. zu empfangen und die Laufzeit- bzw. Phasendifferenz zu messen, so daß, wenn die Senderichtung in kurzen Abständen gewechselt wird. Änderungen des Mediums, insbesondere der Temperatur, keinen Einfluß auf das Meöergebnis haben, sofern sie so langsam geschehen, daß wenigstens einmal in jeder Richtung innerhalb einer Änderungsperiode gemessen werden kann. In der Arbeit wird ausgeführt, daß die Genauigkeit der ganzen Messung im wesentlichen durch die Exaktheit, mit der die mittlere Schallgeschwindigkeit im Meßquerschnitt bestimmt werden kann, begrenzt ist, und daß die Messung mit nur einem Kanal überhaupt erst durch die Idee möglich wurde, die Senderichtung in schnellem Wechsel dauernd zu ändern. so daß sich Strömungen auf beide Signale gleich auswirken und dadurch ausgeglichen werden.

Es ist ferner eine Schaltungsanordnung zur Strömungsmessung mittels Ultraschall bekannt, bei der über eine Meßstrecke abwechselnd Schallimpulse in zueinander entgegengesetzten Richtungen gesendet und empfangen werden und der Lauf/.eitunterschied der in entgegengesetzte Richtung gesendeten Schallinipulse mittels einer für beide Richtungen gemeinsamen Auswerteschaltung, die von einem Taktgeber umgeschaltet wird, in der Weise festgestellt wird, daß der jeweils empfangene Schallimpuls bei Sperrung von Impulsen mit zu niedrigem Pegel in Kombination mit einem Bezugsimpuls ausgewertet wird (DT-OS 20 10 742).

Gegenüber den bekannten, zum Ermitteln der Strömungsgeschwindigkeit nach der Ultraschallmethode dienenden Schaltungsanordnungen mit zwei Meßstrecken (vgl. die USA.-Patentschrift 34 20 102) haben die nur eine Meßstrecke mil Richtungsumschaltung aufweisenden Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Gattung den Vorzug, daß die sonst bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten auftretenden Probleme des »Mitziehens benachbarter Frequenzen« überwunden sind; außerdem entfallen die Justageprobleme bezüglich der gegenseitigen Einstellung zweier Meßstrecken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung