DE2530114C2 - Schaltungsanordnung zum Ermitteln physikalischer Größen strömender Medien, insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit, nach der Ultraschallmethode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanoidnung zum Ermitteln physikalischer Größen strömender Medien wie Strömungsmenge, Strömungsrichtung oder Schallgeschwindigkeit, insbesondere aber der Strömungsgeschwindigkeit, nach der Ultraschallmethodc, bei der die Ankunftszeit eines Ultraschallsignals bestimmt wird, mit einer Ankunl'is-Verzögerungscinrichtung, die eine an den gemessenen Signalanfang anschließende Aiikunfts-Verzögerungszeit festlegt und an deren Ende ein Ankunfis-Ver/ögerungssignal abgibt, mit einer Niilldurchgangs-Auswahleinrichtung, die aus einem vom empfangenen Ultrasehallsignal abgeleiteten Rechtccksignal den dem Ankunfts-Verzögerungssignal folgenden Nulldurchgang der einen Durchgangsrieh-

lung, insbesondere mit einer ansteigenden Flanke, auswühlt, mit einem Zeitgeber, insbesondere einem Oszillator mit nachgeschaltetem Zähler, der ein R'üüber Je₁₁₁ Sendezeitpunkt etwa um die erwartete Laufzeit des Ultraschallsignals versetztes Bezugssignal 5 abgibt, mit einer Bezugs-Verzögerungseinrichtung, die eine an den Zeitpunkt des Bezugssignals anschließende Bezu^s-Verzögerungszeit festlegt und an deren Ende ein Zeitvergleichssignal abgibt, und mit einem Ankunflszeitdetektor, der den Nulldurchgang mit dem Zeitpunkt j_s Zeitvergleichssignals vergleicht

Aus der DT-OS 23 22 749 und der DT-OS 23 33 971 sind Geräte zur Ultraschallmessung der Strömungsgeschwindigkeit von strömenden Medien und der Schallgeschwindigkeit in strömenden Medien bekannt, bei denen Ultraschallsignale abwechselnd stromaufwärts und stromabwärts über eine mit zwei Ultraschallwandlern versehene, zumindest mit einer Komponente in Strömungsrichtung verlaufenden Meßstrecke gesendet werden, im Sendezeitpunkt wird der sendeseitige Wandler kurzzeitig erregt und gleichzeitig ein Zeitgeber ausgelöst, der nach der erwarteten Laufzeit ein Bezugssignal abgibt. Zum Zeitgeber kann ein spannungsgesteuerter Oszillator gehören, der bei der Abwärts-Messung mit einer Frequenz f\ und bei der Aufwärts-Messung mit einer Frequenz f₂ betrieben wird. Ein nachgeschalteter Zähler zählt eine vorbestimmte Anzahl von Ausgangsimpulsen, beispielsweise 256, nach dem Sendezeitpunkt. Ist die erwartete Laufzeit kürzer als die tatsächliche Laufzeit, wird die Frequenz des Oszillators mittels eines Regelkreises herabgesetzt; ist die erwartete Laufzeit langer als die tatsächliche Laufzeit, wird die Frequenz des Oszillators mittels des Regelkreises heraufgesetzt. Infolge dieser Nachführung entsprechen die Oszillatorfrequenzen den Kehrwerten der Abwärts- und Aufwärts-Laufzeiten und können zur Gewinnung der Strömungsgeschwindigkeit und der Schallgeschwindigkeit ausgewertet werden.

Wenn bei einem derartigen Gerät der sendeseitige Wandler im Sendezeitpunkt erregt wird, gibt er das hochfrequente Ultraschallsignal, das beispielsweise eine Frequenz von 1 MHz hat, nicht sofort mit maximaler Amplitude ab; vielmehr steigt die Amplitude allmählich an. Dies hat zur Folge, daß das Ende der Laufzeit, also der Beginn des empfängerseitigen Ultraschallsignals, lediglich daran feststellbar ist, daß der empfangsseitige Wandler mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagt wird, die sich nur wenig von Null unterscheidet. Hiermit ist eine genaue Messung nicht möglich. Daher hat man in den bekannten Fällen den eigentlichen Vergleichs-Zeitpunkt gegenüber dem Signalanfang verzögert. Dies geschieht empfängerseitig mittels einer Ankunits-Verzögerungseinrichtung, bei der das empfangene Ultraschallsignal gleichgerichtet, zumindest der erste Teil der Hüllkurve des gleichgerichteten Ultraschallsignals in ein etwa linear ansteigendes Signa! umgeformt und dieses einem Schwellwertdetektor zugeführt wird, der bei Erreichen des Schwellwerts ein gegenüber der tatsächlichen Ankunft verzögertes Ankunfts-Verzögerungssignal abgibt. Iu einem zweiten Kanal wird das ι«. empfangene Ultraschallsignal derart verstärkt und beschnitten, daß sich ein phasengleiches Rechtecksignal ergibt. Der dem Ankunfts-Ver/.ögemngssigiuil folgende Nulldurchgang dieses Rechtecksignals mit ansteigender Flanke wird als korrigiertes Ankunftssignal ausgenutzt. <Gleich/eilig ist in einer Bezugs-Verzögerungseinnch tung zum Zeitpunkt des tatsächlichen Bezugssignals eine Bezugs-Verzögertmgs/eit hinzugefügt wurden, die ebenso wie die Ankunfts-Verzögerungszeit konstant, aber etwas größer als diese ist. Am Ende dieser Bezugs-Verzögerungszeit wird als korrigiertes Bezugssignal ein Zeitvergleichssignal abgegeben, das mit dem vorgenannten Nulldurchgang verglichen wird. Hierbei spielt es keine Rolle, ob auf der Empfangsseite der Beginn des ankommenden Ultraschallsignals ganz genau festgestellt wird. Denn durch eine geringfügig verspätete Feststellung des Signaianfangs wird lediglich die. Ankunfts-Verzögerungszeit und damit das Ankunfts-Verzögerungssignal verschoben, nicht aber der für die Messung ausgenutzte gewählte Nulldurchgang. Dies ergibt eine sehr hohe Meßgenauigkeit.

Schwierigkeiten treten jedoch auf, wenn der Anfang des ankommenden Ultraschallsignals erst so spät festgestellt wird, daß das Ankuiifts-Verzögerungssignal unmittelbar vor dem zu wählenden Nulldurchgang erscheint. Dann kann es nämlich geschehen, daß statt dessen der nächste Nulldurchgang zur Messung herangezogen und das Mellergebnis verfälscht wird. Man war daher gezwungen, sehr genau arbeitende Komponenten auf der Empfangsseite zu verwenden, die ein möglichst rasches Feststellen des Signalanfangs, vorzugsweise noch innerhalb der ersten Halbperiode, gestatteten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei der eine genaue Bestimmung der Ankunfb'eit möglich ist, ohne daß an die genaue Feststellung des Anfangs des ankommenden Ultraschallsignals so hohe Anforderungen wie bisher gestellt werden müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Phasendetektor, der die Phasenlage des Ankunfts-Ver/.ögerungssignals mit Bezug auf einen Nulldurchgang der anderen Durchgangsrichtung, insbesondere mit abfallender Flanke, des Rechtecksignals feststellt, und durch eine auf die Ankunfts-Verzögerungseinrichtung wirkende Regeleinrichtung, die in Abhängigkeit von der Phasenlage die Ankunfts-Verzögerungszeit im Sinne einer Verschiebung des Ankunfts-Verzögerungssignals in Richtung auf den letztgenannten Nulldurchgang ändert.

Bei dieser Ausgestaltung ist die Ankunfts-Verzögerungszeit nicht mehr konstant, sondern veränderbar. Sie wird durch einen Regelkreis dem Nulldurchgang des Rechtecksignals, welcher dem zu wählenden Nulldurchgang um eine Halbperiode voreilt, nachgeführt. Hierdurch ist sichergestellt, daß einerseits das Ankunfts-Verzögerungssignal so rechtzeitig auftritt, daß der nachfolgende, der Messung dienende Nulldurchgang mit Bestimmtheit ausgewählt werden kann und daß andererseits ein verspätetes Feststellen des Signalanfangs innerhalb weiterer Grenzen als bisher zulässig ist, weil die Ankunfts-Verzögenmgs/eii automatisch entsprechend verkürzt wird. Dies erlaubt es auch, mit einfacheren, handelsüblichen Schaltungselementen auszukommen, weil der Regelkreis hiervon abhängende Fehler auskompensiert.

Günstig ist es ferner, wenn die Regeleinrichtung auch auf die Rezugs-Ver/öperiinpscinrichtung einwirkt und die Bezugs-Verzögerungs/eii gleichsinnig mit der ■\nkunfts-Ver/ögerungs/eit ändert. Hiermit lassen sich weitere Korrekturen vornehmen. Insbesondere kann man damit ohne 1 laiuioinsu-llinif oder justierung automatisch sicherstellen, daß die Be/ugs-Verzögerungs/eii der den jeweils festgestellten Nulldurchgang folgenden Flanke angepaßt wird.

Bei einer Vorrichtung, bei der in tier Ankunfis-Ver-

zögerungseinrichtung das empfangene Ultraschallsigiial gleichgerichtet, zumindest der erste Teil der Hüllkurve des gleichgerichteten Ultraschallsignals in ein etwa linear ansteigendes Signal umgeformt und dieses einem Schwellwertdetektor zugeführt wird, der bei Erreichen des Schwellwerts die Abgabe des Ankunfts-Verzögerungssignals veranlaßt, empfiehlt es sich, daß der Phasendetektor bei zu frühem Auftreten des Ankunfts-Verzögerungssignals Frühsignale und bei zu spätem Auftreten Spätsignale abgibt, daß die Frühsignale mit einem und die Spätsignale mit dem entgegengesetzten Vorzeichen einem Integrator zuführbar sind und daß eine am Ausgang des Integrators abnehmbare Steuerspannung zur Änderung der Ankunfts-Verzögerungszeit dient. Wenn die Phasenlage des Ankunfts-Verzögerungssignals genau mit dem Nulldurchgang der anderen Durchgangsrichtung übereinstimmt, treten abwechselnd Früh- und Spätsignalc auf, so daß der Integrator eine konstante Steuerspannung abgibt. Überwiegen die Frühsignalc oder die Spätsignalc, nimmt die Stcuerspannungab bzw. zu.

Insbesondere kann der Phascndetcktor einen D-Flipflop aufweisen, dessen Vorbcrcitungscingang oder Datencingang das Rcchtecksignal und dessen Takteingang das Ankunfts-Verzögerungssignal zugeführt wird und an dessen einem Ausgang die Frühsignale und an dessen anderem Ausgang die Spätsignalc abgegeben werden.

Mit besonderem Vorteil ist die Steuerspannung dem einen und die Hüllkurvc dem anderen Eingang eines das linear ansteigende Signal erzeugenden Differenzier-Verstärkcrs zuführbar. Wenn die Differenz zwischen Steuerspannung und Hüllkurvc zunimmt, wird der Schwellwcrt früher erreicht, nimmt die Differenz ab, wird der Schwellwcrt später erreicht. Statt dessen kann die Sleuerspannung auch auf andere Weise Einfluß nehmen, beispielsweise indem sie den Schwellwert selbst ändert.

Hei einer bevorzugten Ausfühmngsiorm gehören zu der Bezugs-Verz.ögcrungseinrichtung ein monosiabiler Multivibrator, der mittels des Bezugssignals iietriggert wird und ein die Kipp/eil bestimmendes W('-Glied aufweist, dessen Kondensator-Ladespannuni,' von der Slcuerspamumg abhängig ist sowie ein mich jeder Messung rückstellbares Flipl'lop, das vom Multivibrator um linde der Kippzeit gesetzt wird und dann das /eitvei'gleichssignal abgibt. Die Anstiegslkinkc des Zeitvergleichssignals dient der genauen Festlegung des Endes der Bezugs-Vcrzögerungszcit. lis handelt sich um ein binilrcs Duucrsignul, das erst mit der Rückstellung endet,

Des weiteren knnn der Schwcllwcrtgcbcr bei Erreichen des Schwellwerk ein Schwcllwcrtsignul ttbgcbcn, das einen nach jeder Messung rücksicllbaren Flipflop setzt, der seinerseits das Ankunfts-Vcrzögcrungssignnl abgibt. Auch das Ankunfts-Verzogerungssigmil ist daher ein binilrcs Dnticrsignal, das erst mit der Rückstellung des Flipflop endet und dessen ansteigende Flanke genau das Ende der Ankunfts-Verzögcrungszoit bezeichnet.

Die Nulldurchgangs-Auswahlvori'ichtung weist mit Vorteil ein nach jeder Messung rückstellbares D-Flipflop auf, dessen Vorbereilungseingang das Bezugs· Vcrzögcrungssignal und dessen Takteingang das Rechtecksignal zugeführt wird und eins an einem Ausgang das Nulldurchgangssignal abgibt, Das Nulldurchgangssignal ist daher ein binilrcs Diuicrsignnl, das bei der Rückstellung des FlipNop endet und dessen Anstiegsflanke den genauen Zeitpunkt des Nulldurchgangs angibt.

Bei einer günstigen Ausführungsform weist der Ankunftszcitdctcktor einen D-Flipflop auf, dessen Vorbereitungseingang das Zeitvergleichssignal und dessen Takteingang das Nulldurchgangssignal zugeführt wird und das an seinem einen Ausgang ein Früh-Meßsignal und an seinem anderen Ausgang ein Spät-Meßsignal abgibt, je nachdem, ob das Nulldurchgangssignal vor oder nach dem Zeitvergleichssignal auftritt. Die Früh- bzw. Späl-Meßsignale können dann in üblicher Weise zu Meß- und Anzeigezwecken ausgewertet werden, beispielsweise um die Frequenz des Zeitgeber-Oszillators der tatsächlichen Laufzeit anzupassen.

Des weiteren kann eine Anzeigevorrichtung mit zwei Leuchtdioden vorgesehen sein, die je über einen von den Früh- bzw. .Spätsignalen gesteuerten Inverter gespeist sind. Bei richtiger Funktion des Regelkreises

jo müssen diese Leuchtdioden abwechselnd aufleuchten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispicls näher erläutert. F.s zeigt

Fig. I ein Blockschaltbild eines Ultraschallmcßgcräts mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 2 den Schaltungsaufbau einer Atisführungsform der Vorrichtung in vereinfachter Darstellung,

Fig. 3 Scndesignal, llltraschallsignale, Zählsignale und Bezugssignale in ihrem zeitlichen Verlauf und Fig.4 verschiedene in der Vorrichtung auftretende Signale in ihrem zeillichen Verlauf.

Gemäß F i g. 1 befindet sich in einem Kanal 1 eine Ultraschall·Meßstrecke 2, die durch zwei Ultraschallwandler 3 und 4 begrenzt ist sowie schräg zur StrömungsrichiuMg 5 des den Kanal I durchströmenden Mediums ungeordnet ist. Fine .Sendeeinrichtung β vermag über die Leitung 7 ein F.rregersignal .V 7 an den Wandler λ abzugeben, der daraufhin durch das Medium im Kanal I ein Uliraschallsignal mit einer Resonan/fre-

.₍o qucn/. von beispielsweise I MIIz abgibt. Dieses Signal wird am Ijide der Laufzeit vom Wandler 4 aufgenommen und in ein elektrisches Ultraschallsignal 5 8 umgesetzt, das über eine Leitung 8 einer Empfangsein richtung 9 zugeführt wird. Die Leitungen 7 und 8 sind

4<; über einen Schaller IO miteinander vertauschbar, so dall die Wandler λ und 4 abwechselnd als I lltraschallsender und als Ultiaschallciupfiinger dienen können. In der Empfangseinrichtung wird das Ultraschallsicnal .S'8 verstärkt und dann in zwei Knnillcn weiterverarbeitet, Im ersten Kanal befindet sich ein Verstärker 11, auf dessen Ausgangslcitung 12 ein Rechtecksignal 512 mit der Frequenz des Ulirnschnllsignnls 58 auftritt. Im zweiten Kanal befindet sich eine Ankunfls-Verzögerungseinrichlung 13, an deren Ausgang 14 am Ende einer Ankunfts-Vcrzögcrungszcit ein Ankunfts-Vcrzögcrungssignal 514 auftritt, In einem Phasendetektor 15 wird das Ankunfls-Vcrzögcrungssignnl 514 mit der benachbarten Hinterkante eines Impulses des Rechtecksignals 512 verglichen, Der Phascndetcktor gibt Frühsignalc 516 oder Splttsignale 517 ab, je nachdem, ob das Ankunfts-Vcrzogeningssignal S14 "früher oder spüler als die Hinterkante des Impulses des Rechteckssignals 512 aufgetreten war, In Abhängigkeit davon wird eine Regeleinrichtung 18 gesteuert, die ein Ausgangssignal 519 an die Ankunfts-Verzögcrungscinrichtung 13 derart abgibt, daß die Ankunftsvcrzogerungszcit verkürzt oder verlängert wird, bis das Ankunfts-Verzögcrimgssignnl 514 genau mit der

Hinterkante übereinstimmt. Damit ist ein definierter Nulldurchgang mit fallender Flanke des Rechtecksignals S12 bestimmt.

■ Das Ankunfts-Verzögerungssignal S14 wird weiterhin einer Nulldurchgangs-Auswahleinrichtung 20 zugeführt, die außerdem vom Rechtecksignal S12 gespeist wird. Am Ausgang 21 tritt ein Nulldurchgangssignal 521 auf, wenn die erste ansteigende Flanke des Rechtecksignals 512 nach Auftreten des Ankunfts-Verzögerungssignals 514 erscheint. Hierdurch ist ein definierter Nulldurchgang festgelegt.

In einem Ankunftszeitdetektor 22 wird das Nulldurchgangssignal 521 mit einem Zeitvergleichssignal 523 verglichen. Tritt das Nulldurchgangssignal 521 früher auf als das Zeitvergleichssignal 523, wird ein Früh-Meßsignal 524, bei verspätetem Eintreffen ein Spät-Meßsignal 525 abgegeben. Durch Integralion aller Früh-Meßsignale mit einem Vorzeichen und aller Spät-Meßsignale mit dem entgegengesetzten Vorzeichen in einem Spannungsniveaugeber 26 kann ein Hauptsignal 527 gewonnen werden, das ein direktes Maß für die Schallgeschwindigkeit c ist. In einem zweiten Signalniveaugcbcr 28 werden die Früh- und Spät-Meßsignale unter Berücksichtigung von die Senderichtung angebenden Aufwärtssignalcn 529 und Abwärtssignalen 530 ausgewertet. Durch Integration aller Abwärts-Früh-Meßsignale mit einem Vorzeichen und aller Aufwärts-Früh-Mcßsignale mit dem entgegengesetzten Vorzeichen wird ein Hilfssignal 531 gewonnen, das ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit \ ist. In ähnlicher Weise können auch die Spät-Mcßsigna-Ic oder sowohl die Früh- und Spät-Meßsignule verarbeitet werden.

Das Hauptsignal 5 27 wird einer Summicrschallung 32 direkt zugeführt, das Hilfssignal 531 dagegen über einen von der Scnderichtung abhängigen Schalter 33 abwechselnd mit positivem und negativem Vor/eichen. Infolgedessen treten am Ausgang der Summierscliul-Uing abwechselnd Steuersignale 535 und 536 auf, welche einen spiinnungsgcsteuerten Oszillator 37 derart beeinflussen, daß er an seinem Ausgang 38 Impulsz.ügc 538 mit einer Frequenz, l\ bei Abwärts-Messung und einer kleineren 1''ICqUCn/. h bei Aufwärts-Messung abgibt.

I)U-SC Impuls/.üpe werden einem Zähler 39 zugeführt, der nach Zählung von 25b Impulsen ein Ikv.n^ssiiuuil 540, einige Zeit später ein Uückstellsignal 541, alsdann ein SiMulerichliingsuniNchultsignal 542 und. gleichzeitig mit dein Zlthlbcginn, ein Sendcsigniil 543 an die Scndccinrichtung b iibgibt. Dus Uc/.ugssigtuil 540 wird einer Uezugs-Verzögcrungscinricluung 44 zugeleitet, in welchem bei Ankunft des Hezugssignnls 540 eine Uczugs-Verzögerungszcit in Lauf gesetzt wird, «n deren Ende das Zcltverglcichssignal 523 abgegeben, wird. Ober den Hingung 43 wird außerdem dus Steuersignal 6' 19 eingeführt, mit dessen Hilfe die Bcz.ugs-Verzögerungszcit litulerbar ist, Dus Sendcrichtung-Umsehultsignul S42 wird einem Richtungsgeber 46 zugeleitet, der die Schulter 10 und 33 umschaltet sowie dem Signulnivcuugebcr28dlc einsprechenden Abwllrts- und AufwUrtssignale zuleitet.

Aus l^? i g. 2 ergibt sich eine Ausführiingsforni für die Einrichtungen 9,11,13,15,18,20,22 und 44 der FI g. I. Die Empfangseinrichtung 9 weist in der lindstufe einen Verstlii'ker 47 auf, dessen invertierendem Eingang dan elektrische Ultraschtillsignal S8 zugeführt wird, Hei diesem Verstärker kann der Versiarkungsgrad geregelt werden, Durch eine nicht veranschaulichte Schaltung erfolgt die Regelung durch Zuführung einer Regelspannung an einer Klemme 48 derart, daß die Amplitude des am Ausgang 49 eines Verstärkers 50 auftretenden Hülikurvensignals 549 konstant bleibt. Der Ausgang dieses Verstärkers 47 kann über einen LC-Filterkreis 51 von störenden Frequenzen, welche nicht der Ultraschallfrequenz entsprechen, gereinigt werden. Die so gewonnenen Signalwerte werden im Verstärker U derart verstärkt und beschnitten, daß auf der Leitung 12

ίο das Rechtecksignal 512 erscheint. Das verstärkte Ultraschallsignal wird außerdem zum Zwecke der Zweiweg-Gleichrichtung zwei Feldeffekttransistoren 52 und 53 zugeleitet, so daß an deren Ausgang 54 ein gleichgerichtetes Ultraschallsignal 554 erscheint. Die-

IS ses gleichgerichtete Signal wird im Verstärker 50, der als Tiefpaßfilter wirkt, geglättet, so daß am Ausgang 59 die Hüllkurve 549 auftritt.

Die Hüllkurve 549 wird einem Differentiator 55 zugeleitet, der in oinem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Rampenverstärker ist, dessen »slew rate« (Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangssignals) begrenzt ist. Am Ausgang 56 des Differentiators wird ein Signal 556 mit einer konstanten Anstiegsgeschwindigkeit abgegeben, die bestimmt ist durch die »slew rate«

»5 des Verstärkers, solange die Anstiegsgeschwindigkeit der Eingangs-Hüllkurvc 549 größer ist als die »slew rate« des Verstärkers. Dieses Ausgangssignal 556 wird in einem Schwellwcrtdctektor 57 mit einem über den Hingang 58 durch einen Spannungsteiler 58' zugeführten festen Schwellwert verglichen. Beim Erreichen dieses Schwcllwcrts wird ein Schwellwertsignal 559 an den Sctzcingang Γ eines D-Flipflop 60 gelegt, der demnach an seinem Ausgang Q so lange das Ankunfts-Verzögerungssignal 514 abgibt, bis eine Rückstellung durch das Rückstellsignal 541 erfolgt.

Das Ankunfts-Verzögcrungssignal 514 wird dem Takteinganp eines D-Flipflop 61 zugeführt, dessen Vorbcreiuingseingang D mit dem Rechlecksignal 5 12 versorgt wird. Infolgedessen treten am Ausgang (,) ein Frühsignal 5 16 oder am Ausgang Q ein Spätsignal 5 117 auf, die in NAND-Gliedern 62 bzw. 63 mit dem Ankunfts-Verzogorungssignal 514 verknüpft werden und daher als Impulse etwa konstanter Ladung einem Integrator 64 zuführbur sind.

Hierbei werden die Frühsignale dein invertierenden und die Spatsignali· dem niehünveriierenden Hingang des Integrators 64 /ugeli'iiet. Wenn (.las AnkunflsVcr zitgcruugssignal 5 14 nicht genau mit der Hinterkante eines Impulses des Rcchlecksignals 5 12 übcrcinstimml, überwiegt die Anzahl der Früh oder Spaisignak* und die Cr(Uk der Steuerspunnung 519 um Ausgang de* Integrators 64 lindert sieh. Diese Ausgungsspunnung wird dem nichtinvertiercndcn Eingang des Rumpenver sttlrkcrs 33 zugeleitet mit der Folge, dttß die

SS Ausgiingsspunnung S 56 parallel zu sich nach oben odci unten verschoben wird. Hierdurch lindert sich de Schnittpunkt mit dem Schwcllwcrt und daher de Zeitpunkt des Schwcllwertslgnuls 559 und des An kunfts-Ver/.Ögerungssignnls S 14 so lunge, bis du letztgenannte Signal wieder mit der abfallenden Flank im Rechtecksignul S12 übereinstimmt.

Das auf diese Weise geregelte Ankunfts-Vciv.ogc rungsslgnal 514 wird dem Vorbcrcitungselngang J eines als Nulldurehgangs-Auswahl-Elnriehtung dienet den D-Flipflop 63 zugeleitet, dessen Takteingang Cdi Rcchteckslgnal 512 zugeführt wird. Infolgcdcssc entsteht jeweils beim nachfolgenden Nulldurchgan also bei der Vordcrflunkc des nächstfolgenden Impulsi

im Rechtecksignal 512 am Ausgang Q, das Nulldurchgangssignal 521, das bestehenbleibt, bis durch das Rückstellsignal 541 der Ausgangszustand des Flipflop 65 wiederhergestellt wird.

Die Steuerspannung 519 wirkt über einen Spannungsteiler 66 auf ein KC-Glied 67 eines moriostabilen Multivibrators 68, der durch das Bezugssignal 540 gekippt und nach einer durch das /?C-Glied 67 bestimmten Zeit wieder zurückgekippt wird. Über die Dauer der Kippzeit, die auch als Bezugs-Verzögerungszeit dient, entsteht ein Signal 569 am Ausgang Q des Multivibrators 68. Dieses Signal wird dem Setzeingang C eines weiteren Flipflop 70 zugeführt, der demnach an seinem Ausgang ζ) das Zeitvergleichssignal 523 abgibt, bis eine Rückstellung durch das Rückstellsignal 541 erfolgt.

Als Ankunftszeitdetektor 22 dient ein D-Flipflop 71, dessen Vorbereitungseingang D das Zeitvergleichssignal 523 und dessen Takteingang C das Nulldurchgangssignal 521 zugeführt wird. Die Anstiegsflanken der beiden Signale dienen dabei als Zeitmeßpunkt. Je nach der Phasenlage dieser beiden Anstiegsflanken tritt am Ausgang Q ein Früh-Meßsignal 524 oder am Ausgang <?das Spät-Mcßsignal 525 auf.

Das Frühsignal 516 wird über einen Inverter 72, das Spätsignal 517 über einen Inverter 73 je einer Leuchtdiode 74 bzw. 75 zugeführt, die einen gemeinsamen Vorwiderstand 76 haben. Wenn das Ankunfts-Ver-/ögcrungssignal 514 wunschgemäß mit der Hinterkante eines Impulses des Rechtecksignals 512 im wesentlichen im Gleichlauf ist, leuchten die Dioden 74 und 75 abwechselnd auf.

In den Fig. 3 und 4 sind jeweils über der Zeit verschiedene Signale aufgetragen. Wenn das Scndesigniil 543 (Zeile I) abgegeben wird, erzeugt der Wandler 3 ein Ultraschallsignal 53, das nach einer Laufzeit t, vom Wandler 4 empfangen wird und als elektrisches Ulirasehallsignal 58 erfaßt wird Gleichzeitig mit der Abgabe des Sendesignals 543 beginnt der Zahler 39 die vom Oszillator 37 abgegebenen Impulse 538 zu zahlen. Nach 2^r)h Impulsen oder einer anderen vorbestimmten Anzahl wird das Bczugssignal 540 abgegeben. Dies entspricht einer erwarteten Laufzeit ί_ο welche mit steigender Frequenz des Impiilsziipes 538 abnimmt und mit fallender Frequenz zunimmt. Die erwarlele Lauf/eil te wird der tatsächlichen Laufzeit I, im Regelkreis des Geräts nachgefühlt, so daß sich durch das llaupisignal .S'27 und durch das llilfssinnal 531 die Schallgeschwindigkeit h/w. die Strömungsgeschwindigkeit genau nachbildet. Hs ist mich erkennbar, diiU dtts Ultraschallsignal 58 mit kleiner Amplitude beginnt und daher der Signalunfung zur Festsetzung der tatsächlichen Laufzeit f/schlecht brauchbar ist.

Aus Fig.4 ergibt sich zunächst eine vergrößerte Darstellung des Ultruschnllsignttls 58, Durch Gleichrichtung ergibt sich (Jas gleichgerichtete Signal 534 und durch diluting die Müllkurvc 549. Das Signal 534 und die llllllkurve 549 sind in dem dargestellten Atisführungsbeispiel negativ, wie es in Fig, 2 veranschaulicht isi, Außerdem wird durch Verstärkung und Beschneidung des Ultrnschnllslgniils 58 dits Reehteeksigtuil 512 gewonnen.

Die llullkurvc 5 49 erzeugt das Ausgangssigmtl 536 Im ItnmpeuversUlrker S3. Dieses Signal wird mit dem konstanten Schwellwert 558 verglichen. Sobald der Schwellwert erreicht ist, wird der Flipflop 60 gekippt und gibt das Ankunfts-Verzögerungssignal 514 ab. Die über den Phasendetektor 15 und die Regeleinrichtung 18 geführte Ausregelung bewirkt, daß die so ermittelte Ankunfts-Verzögerungszeit t„ in dem Ziehpunkt endet, in welchem ein Nulldurchgang a mit abfallender Flanke des Rechtecksignals 512 auftritt. Wird im Phasendetektor 15 festgestellt, daß die Ankunfts-Verzögerungszeit U

ίο zu kurz ist, wird mit Hilfe der Steuerspannung 519 das Ausgangssignal 556 nach unten verschoben, wodurch die Verzögerungszeit .';, verlängert wird. Ist die Verzögerungszeit f., zu lang, wird das Ausgangssignal 556 angehoben, wodurch sich die Verzögerungszeit verkürzt. In der Nulldurchgangs-Auswahleinrichtung 20 wird der darauffolgende NuHdurchgang ödes Rechtecksignals 512 mit ansteigender Flanke ermittelt und in Abhängigkeit davon das Nulldurchgangssignal 521 abgegeben. Dies geschieht bei ausgeregelter Ankunfts-Verzögerungszeit f., genau eine halbe Periode p/2 des Ultraschallsignals 8 nach dem Auftreten des Ankunfts-Verzögerungssignals 514. Damit ergibt sich eine genau definierte Verzögerungszeit, auch wenn der Signalbeginn des Ultraschallsignals 58 nicht ganz genau ermittelt werden kann.

Das Bczugssignal 540 wird beim erwarteten Ankunftszeitpunkt abgegeben, der im ausgeregelten Zustand mit dem tatsächlichen Ankunftsze^;'punkt übereinstimmt. In der Bezugs-Verzögcnmgseinnchtung 44 wird mit Hilfe des Bezugs-Verzögerungssignals 569 eine Bezugs-Verzögerungszeit /λ hinzuaddiert, an deren finde das Zeit Vergleichssignal 523 erscheint. Die Anstiegsflanke des Nulldurchgangssignals 521 wird bezüglich seiner Phasenlage mit der Anstiegsflanke des Zeitverglcichssignals 523 verglichen und so ausgewertet, daß der NuHdurchgang früher oder später als das Zeitvergleichssignal festgestellt wird und in Abhängigkeit davon der Zeitpunkt des Auftretens des Zeitverglcichssignals derart verändert wird, daß der im wesentlichen mit dem NuHdurchgang im Gleichlauf ist.

Der spannungsgesteucrte Oszillator 37 kann von üblicher Bauart sein oder auch als integrierte Schaltung, z. B. durch ICL 8038, gebildet sein. Der Frequenzteiler 39 kann ebenfalls von üblicher Bauart sein oder eine Anzahl ein/einer logischer Komponenten, /, B, integrierter Schaltungen 7474, aufweisen. Der Kichtungsgcher 4h kann durch ein bistabiles lilcment, z. B. ein HipHop, gebildet sein. Die Summiersehaltiing 32 kann ein Operationsverstärker, /.B. vom Typ JOIA, sein

so dessen von der Senderichtung abhängiger Schalter 33 elektronisch ausgebildet sein und beispielsweise au; einer integrierten Schaltung CA 401B, bestehen kann Soweit in Fig.2 Verstärker im einzelnen beschriebe!' wurden, kann es sich um Operationsverstärker handeln Insbesondere kann der Verstärker 47 eine integrierte Schaltung MC 159Oe, der Verstärker Il eine integrierte Schaltung MC 14 HL, der Verstärker 50 eine integrierte Schaltung 30IA, der Rnmpenverstllrker 33 eine integrierte Schallung HA 2605 und der Verstärker des Schwellwcrtdetektors 37 eine integrierte Schaltung MC 14141, sein, wahrend die Flipflops 60,61, 65, 70 und 7! durch logische Elemente der 7400-Seric gebildet seit können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Ermitteln physikalischer Größen strömender Medien, insbesondere der S Strömungsgeschwindigkeit, nach der Ultraschallme-'.hode, bei der die Ankunftszeit eines Ultraschallsignals bestimmt wird, mit einer Ankunftsverzögerungseinrichtung, die eine an den gemessenen Signalanfang anschließende Ankunfts-Verzöge- >° rungszeit festlegt und an deren Ende ein Ankunfts-Verzögerungssignal abgibt, mit einer Nulldurchgangs-Auswahleinrichtung, die aus einem vom empfangenen Ultraschallsignal abgeleiteten Rechtecksignal den dem Ankunfts-Verzögerungssignal '5 folgenden Nulldurchgang der einen Durchgangsrichtung, insbesondere mit einer ansteigenden Flanke, auswählt, mit einem Zeitgeber, insbesondere einem Oszillator mit nachgeschaltetem Zähler, der ein gegenüber dem Sendezeitpunkt etwa um die ^o erwartete Laufzeit des Ultraschallsignals versetztes Bezugssignal abgibt, mit einer Bezugs-Verzögerungseinrichtung, die eine an den Zeitpunkt des Bezugssignals anschließende Bezugs-Verzögerungszeit festlegt und an deren Ende ein Zeitvergleichssi- *5 gnal abgibt, und mit einem Ankunftszeitdetektor, der den Nulldurchgang mit dem Zeitpunkt des Zeitvergleichssignals vergleicht, gekennzeichnet durch einen Phasendetektor (15), der die Phasenlage des Ankunfts-Verzögerungssignals (S 14) mit Bezug auf einen Nulldurchgang (a) der anderen Durchgangsrichtung, insbesondere mit abfallender Flanke, des Rechtecksignals (512) feststellt, und durch eine auf die Ankunfts-Verzögerungseinrichtung (13) wirkende Regeleinrichtung (18), die in Abhängigkeit von der Phasenlage die Ankunfts-Verzögerungszeit (t_u) im Sinne einer Verschiebung des Ankunfts-Verzögerungssignals (514) in Richtung auf den letztgenannten Nulldurchgang Rändert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (18) auch auf die Bezugs-Verzögtrungseinrichtung (44) einwirkt und die Bezugs-Verzögerungszeit (tb) gleichsinnig mit der Ankunf ts- Verzögerungszeit (t_a) ändert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der in der Ankunits-Verzögerungseinrichtung das empfangene Ultraschallsignal gleichgerichtet, zumindest der erste Teil der Hüllkurve des gleichgerichteten Ultraschallsignals in ein etwa linear ansteigendes Signal umgeformt und dieses einem Schwellwertdetektor zugeführt wird, der bei Erreichen des Schwellwerts die Abgabe des Ankunfts-Verzögerungssignals veranlaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (15) bei zu frühem Auftreten des Ankunfts-Verzögerungssignals (514) Frühsignale (S 16) und bei zu spätem Auftreten Spätsignale (S 17) abgibt, daß die Frühsignale mit dem einen und die Spätsignale mit dem entgegengesetzten Vorzeichen einem Integrator (64) zuführbar sind und daß eine am Ausgang des Integrators abnehmende Steuerspannung (519) zur Änderung der Ankunfts-Verzögerungszeit (;.,,)dient.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dor Phasendetektor (15) einen D-Flipflop (61) aufweist, dessen Vorbereitungscin- ''? gang oder Dateneingang (D) das Rechtccksignal (512) und dessen Takteingang (C) das Ankunfis-Verzögcrungssignal (514) zugeführt wird und an dessen einem Ausgang (Q) die Frühsignale (S 16) und an dessen anderem Ausgang (Q) die Spätsignale (S 17) abgegeben werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (S 19) dem einen und die Hüllkurve (S49) dem anderen Eingang eines das linear ansteigende Signal erzeugenden Differenzier-Verstärkers (55) zuführbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Bezugs-Verzögerungseinrichtung (44) ein monostabiler Multivibrator (68), der mittels des Bezugssignals (540) getriggert wird und ein die Kippzeit bestimmendes /?C-Glied (67) aufweist, dessen Kondensator-Ladespannung von der Steuerspannung (519) abhängig ist, sowie ein nach jeder Messung rückstellbares Flipflop (70), das vom Multivibrator am Ende der Kippzeit gesetzt wird und dann das Zeitvergleichssignal (S 23) abgibt, gehören.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertgeber (57) bei Erreichen des Schwellwerts ein Schwellwertsignal (559) abgibt, das einen nach jeder Messung rückstellbaren Flipflop (60) setzt, der seinerseits das Ankunfts-Vcrzögerungssignal (5 14) abgibt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nulldurchgangs-Auswahlvorrichtung (20) ein nach jeder Messung rückstellbares D-Flipflop (65) aufweist, dessen Vorbereitungseingang (D) das Ankunfts-Verzögerungssignal (514) und dessen Takteingang (C) das Rechtecksignal (512) zugeführt wird und das an einem Ausgang das Nulldurchgangssignal (521) abgibt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankunftszeitdetektor (22) einen D-Flipflop (71) aufweist, dessen Vorbereitungseingang (D) das Zeitvergleichssignal (S23) und dessen Takteingang (C) das Nulldurchgangssignal (521) zugeführt wird und das an seinem einen Ausgang ein Früh-Meßsignal (524) und an seinem anderen Ausgang ein Spät-Meßsignal (525) abgibt, je nachdem, ob das Nulldurchgangssignal vor oder nach dem Zeitvergleichssignal auftritt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 — 9, gekennzeichnet durch eine Anzeigevorrichtung mit zwei Leuchtdioden (74,75), die je über einen von den Früh- bzw. Spätsignalen (516, 517) gesteuerten Inverter (72,73) gespeist sind.