DE3231438A1

DE3231438A1 - Flow metering device based on the ultrasound principle

Info

Publication number: DE3231438A1
Application number: DE19823231438
Authority: DE
Inventors: Yukio Dipl.-Ing. Sagamihara Kanagawa Nakagawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1981-08-21
Filing date: 1982-08-20
Publication date: 1983-03-10
Also published as: JPS6261893B2; JPS5833123A

Abstract

The invention relates to a flow metering device based on the ultrasound principle with a pair of ultrasound transducers to which an operating mode changeover device is assigned, with an oscillator arrangement with two oscillators, with a counting device, with a time-difference measuring device and with an evaluation arrangement connected to the oscillator arrangement. In order to be able to use a flow metering device of this type for measuring different media also, it contains further pairs (U2, U3 ... Un) of ultrasound transducers which are connected via a switching arrangement (301, 303) to the operating mode changeover device (45, 51). The evaluation arrangement is designed as a microprocessor (310) and is connected with two inputs via a switching unit (321, 323) to the output of the oscillators (13, 15). The microprocessor (310) is furthermore connected to the counting device (61) to alter its predefined value. <IMAGE>

Description

Durchflußmeßeinrichtun nach dem UltraschallPrinziPFlow measuring device based on the ultrasonic principle

Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchflußmeßeinrichtung nach dem Ultraschallprinzip mit a) einem Paar schräg zur Strömungsrichtung einander gegenüberliegend angeordneter Ultraschallwandler, die al) mittels einer Betriebsart-Umschalteeinrichtung derart steuerbar sind, daß sie abwechselnd ein elektrisches Signal in ein Ultraschall-Signal und das empfangene Ultraschall-Signal in ein elektrisches Signal umsetzen, b) einer Oszillatoranordnung mit zwei Oszillatoren, die b7) hinsichtlich ihrer Frequenz veränderbar sind und b2) über eine Kontakteinrichtung alternativ anschaltbar sind, c) einer Zähleinrichtung, die cl) der Oszillatoranordnung nachgeordnet ist und c2) die Ausgangsimpulse der Oszillatoren jeweils bis zu einem vorgegebenen Wert zählt, und mit d) einer Zeitdifferenz-Meßeinrichtung, die dl) ein von der Laufzeit von Ultraschall-Signalen zwischen den Ultraschallwandlern und von der Zeitdauer zum Zählen der Ausgangsimpulse des jeweiligen Oszillators auf den vorgegebenen Wert abhängiges Differenzsignal an ihrem Ausgang erzeugt und die d2) mit ihrem Ausgang mit der Oszillatoranordnung verbunden ist, sowie mit einer e) Auswerteanordnung, die der Oszillatoranordnung nachgeschaltet ist und aus der Differenz der Frequenz der Oszillatoren den Durchfluß ermittelt.The invention relates to a flow meter according to the Ultrasonic principle with a) one pair facing each other at an angle to the direction of flow arranged ultrasonic transducer, the al) by means of an operating mode switching device are controllable in such a way that they alternately convert an electrical signal into an ultrasonic signal and convert the received ultrasonic signal into an electrical signal, b) one Oscillator arrangement with two oscillators, the b7) variable in terms of their frequency and b2) can alternatively be connected via a contact device, c) one Counting device, which cl) is arranged downstream of the oscillator arrangement and c2) the output pulses of the oscillators each counts up to a predetermined value, and with d) one Time difference measuring device, the dl) one of the transit time of ultrasonic signals between the ultrasonic transducers and the time taken to count the output pulses of the respective oscillator dependent on the specified value difference signal generated at its output and the d2) with its output with the oscillator arrangement is connected, as well as with an e) evaluation arrangement, which is the oscillator arrangement is connected downstream and the flow rate from the difference in the frequency of the oscillators determined.

Bei bekannten Durchflußmeßeinrichtungen dieser Art ist eine geschlossene Schleife gebildet, um die Frequenz f eines spannungsgesteuerten Oszillator in der Weise zu beeinflussen, daß die Zeitdauer zum Zählen von N-Impulsen der Frequenz f des spannungsgesteuerten Oszillators übereinstimmt mit der Zeitdauer, die eine Ultraschall-Welle zum Durchlaufen des zu messenden Mediums zwischen den Ultraschallwandlern benötigt.In known flow measuring devices of this type, a closed one Formed to the frequency f of a voltage controlled oscillator in the loop Way to influence that the length of time to count N pulses of frequency f of the voltage controlled oscillator coincides with the period of time that a Ultrasonic wave for passing through the medium to be measured between the ultrasonic transducers needed.

Die Ausgangsgröße des Zählers zum Zählen der N-Impulse wird einer Zeitdifferenz-Meßeinrichtung zugeführt. Außerdem wird der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung auch das empfangene Ultraschall-Signal zugeführt. Die Zeitdifferenz-Meßeinrichtung erzeugt ein Signal, das der Zeitdifferenz entspricht, und die geschlossene Schleife sorgt dafür, daß diese Zeitdifferenz Null wird.The output of the counter for counting the N pulses becomes one Time difference measuring device supplied. In addition, the time difference measuring device the received ultrasonic signal is also supplied. The time difference measuring device generates a signal corresponding to the time difference and the closed loop ensures that this time difference is zero.

Eine Durchflußmeßeinrichtung der bekannten Art ist in Fig. 1 dargestellt. Die gezeigte Durchflußmeßeinrichtung weist eine Oszillatoranordnung 10 auf, die zwei spannungsgesteuerte Oszillatoren 13 und 15 enthält; diese spannungsgesteuerten Oszillatoren verändern ihre Frequenz in Abhängigkeit von der Steuerspannung. Ein Schalter 25 einer Kontakteinrichtung ist vorgesehen, um eine Umschaltung vom Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 13 mit der Frequenz f1 auf den Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 15 mit der Frequenz f2 zu bewirken. Das auf diese Weise gewonnene Ausgangssignal 29 der Oszillatoranordnung 10 ist einem Impulserzeuger 27 zugeführt. Dieser Impulserzeuger 27 dient zur Erzeugung eines Impulssignals 31 in Synchronisation mit dem Ausgangssignal 29 der Oszillatoranordnung 10 und bildet auch ein Startsignal 33 für eine Zählung. Ein Ubertragungs-Schaltkreis 35 erzeugt ein Sendesignal 37 in übereinstimmung mit dem Impulssignal 31.A flow measuring device of the known type is shown in FIG. The flow measuring device shown has an oscillator arrangement 10, which includes two voltage controlled oscillators 13 and 15; these voltage controlled Oscillators change their frequency depending on the control voltage. A Switch 25 of a contact device is provided for switching over from the output of the voltage-controlled oscillator 13 with the frequency f1 to the output of the to effect voltage-controlled oscillator 15 with the frequency f2. That on this The output signal 29 of the oscillator arrangement 10 obtained in this way is a pulse generator 27 supplied. This pulse generator 27 is used to generate a pulse signal 31 in synchronization with the output signal 29 of the oscillator arrangement 10 and forms also a start signal 33 for counting. A transmission circuit 35 is generated a transmission signal 37 in accordance with the pulse signal 31.

Die Durchflußmeßeinrichtung enthält zwei Ultraschallwandler 41 und 43, In Abhängigkeit von dem Sendesignal 37, das abwechselnd mittels eines Schalters 45 einer Betriebsart-Umschalteinrichtung einem der Ultraschallwandler 41 und 43 zugeführt ist, arbeitet einer der Ultraschallwandler als Sender, indem er ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal (Ultraschall-Signal 46 oder 47) umsetzt, während der andere Ultraschallwandler als Empfänger wirkt und das akustische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt. Das empfangene elektrische Signal wird als Empfangssignal 53 über einen Schalter 51 der Betriebsart-Umschalteinrichtung einem Empfangs-Schaltungskreis 55 zugeführt. Der Empfangs-Schaltungskreis 55 gibt ein Signal 57 an eine Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 59 in Ubereinstimmung mit dem empfangenen Signal 53 ab.The flow meter contains two ultrasonic transducers 41 and 43, depending on the transmission signal 37, which alternately by means of a switch 45 of a mode switching device one of the ultrasonic transducers 41 and 43 is supplied, one of the ultrasonic transducers works as a transmitter by he converts an electrical signal into an acoustic signal (ultrasonic signal 46 or 47), while the other ultrasonic transducer acts as a receiver and the acoustic one Converts signal into electrical signal. The received electrical signal will as a received signal 53 via a switch 51 of the operating mode switching device a receiving circuit 55 is supplied. The receiving circuit 55 gives a signal 57 to a time difference measuring device 59 in accordance with the received signal 53.

Eine Zähleinrichtung 61, die durch das Startsignal 33 angelassen ist, zählt die Ausgangsimpulse 29 der Oszillatoranordnung 10. Diese Zähleinrichtung 61 liefert ein Impulssignal 63 an die Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 59, wenn der Zählerstand einen vorgegebenen Wert N erreicht hat; anschließend wird die Zähleinrichtung 61 wieder zurückgestellt. Die Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 59 erfaßt die Zeitdifferenz zwischen den Signalen 57 und 63 und erzeugt ein Steuersignal 65 mit einer Spannungshöhe, die der Zeitdifferenz entspricht.A counter 61, which is started by the start signal 33, counts the output pulses 29 of the oscillator arrangement 10. This counting device 61 supplies a pulse signal 63 to the time difference measuring device 59 when the count has reached a predetermined value N; then the counter 61 reset again. The time difference measuring device 59 detects the time difference between signals 57 and 63 and generates a control signal 65 with a voltage level which corresponds to the time difference.

Dieses Steuersignal 65 wird einem der beiden spannungsgesteuerten Oszillatoren 13 oder 15 über einen Schalter 67 der Kontakteinrichtung zugeführt, wodurch die Frequenz f1 bzw. f2 der spannungsgesteuerten Oszillatoren 13 bzw. 15 beeinflußt wird.This control signal 65 is one of the two voltage-controlled Oscillators 13 or 15 fed to the contact device via a switch 67, whereby the frequency f1 and f2 of the voltage controlled oscillators 13 and 15, respectively being affected.

Fig. 2 zeigt die beiden Ultraschallwandler an einer Leitung montiert, durch die ein zu messendes Medium strömt; außerdem ist die Ausbreitung der Ultraschall-Welle dargestellt.Fig. 2 shows the two ultrasonic transducers mounted on a line, through which a medium to be measured flows; also is the propagation of the ultrasonic wave shown.

Die beiden Ultraschallwandler liegen einander gegenüber, und es ist angenommen, daß der strömungsaufwärts liegende.Ultraschallwandler eine Ultraschallwelle abgibt, die einen Kunststoffkeil 73 und die Wand eines Rohres 71 durchquert und das messende Medium 75 durchsetzt; danach gelangt die Ultraschallwelle zu dem stromabwärts angeordneten Ultraschallwandler 43 über die Wand des Rohres 71 und einen weiteren Kunststoffkeil 77. In diesem Falle ist die Zeitdauer T1 zum Laufen der Ultraschallwelle 46 von dem strömungsaufwärts gelegenen Ultraschallwandler 41 zu dem strömungsabwärts gelegenen Ultraschallwandler 43 durch folgende Gleichung (1) gegeben: D/cos G (1) 1 ~ Cw + V . sin 0 Auf der anderen Seite ist die Zeitdauer T2 bei einem Lauf der Ultraschall-Welle 47 entgegen der Strömungsrichtung vom strömungsabwärts gelegenen Ultraschallwandler 43 zum strömungsaufwärts gelegenen Ultraschallwandler 41 durch die folgende Gleichung (2) gegeben: D/cos g (2) 2 ~ Cw - V . sin 8 In den Gleichungen (1) und (2) bezeichnet D den inneren Durchmesser des Rohres 71, Cw die Schallgeschwindigkeit im Medium, wenn dieses sich nicht bewegt, V die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 75 und 8 den Einfallwinkel der Ultraschall-Welle in das Medium 75. Die jeweilige Zeitdauer, die die Ultraschall-Welle zum Durchlaufen der Kunststoffkeile 73 und 77 sowie der Wände des Rohres 71 benötigt, ist in den obigen Cleichungen vernachlässigt.The two ultrasonic transducers are opposite each other, and it is assumed that the upstream ultrasonic transducer is an ultrasonic wave releases, which traverses a plastic wedge 73 and the wall of a pipe 71 and the measuring medium 75 interspersed; then the ultrasonic wave arrives to the downstream ultrasonic transducer 43 via the wall of the pipe 71 and a further plastic wedge 77. In this case, the time period T1 is to Travel of the ultrasonic wave 46 from the upstream ultrasonic transducer 41 to the downstream ultrasonic transducer 43 by the following equation (1) given: D / cos G (1) 1 ~ Cw + V. sin 0 on the other hand is the length of time T2 when the ultrasonic wave 47 travels against the direction of flow from the downstream located ultrasonic transducer 43 to the upstream ultrasonic transducer 41 is given by the following equation (2): D / cos g (2) 2 ~ Cw - V. sin 8 In the Equations (1) and (2), D denotes the inner diameter of the tube 71, Cw denotes the Velocity of sound in the medium when it is not moving, V is the velocity of the flow of the medium 75 and 8 the angle of incidence of the ultrasonic wave in the medium 75. The respective length of time it takes for the ultrasonic wave to traverse the plastic wedges 73 and 77 as well as the walls of the tube 71 is required in the above equations neglected.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der bekannten Durchfluß meßeinrichtung anhand der Figuren 1 und 2 nur kurz beschrieben, weil sie von dem an sich bekannten phase locked loop-Verfahren Gebrauch macht. Zunächst sind alle Schalter 25, 45, 51 und 67 der Betriebsart-Umschalteinrichtung und der Kontakteinrichtung so eingestellt, daß jeweils der Kontakt m belegt ist, um eine Ausbreitung einer Ultraschall-Welle in Strömungsrichtung zu bewirken. In diesem Fall ist die Zeitdauer T1, die die Ultraschall-Welle 45 zum Laufen benötigt, durch die oben angeführte Gleichung (1) gegeben, wobei ein Ausgangssignal 29 mit einer Frequenz f1--von, der-Oszillatoranordnung 10 abgegeben wird. Die Zeitdauer T, die die Zähleinrichtung 61 bis zum Zählen auf-den vor-gegebenen-Wert N benötigt, läßt sich dann ausdrücken durch den Quotienten N/f1. Eine phasengeschlossene Schleife ist so gebildet, daß sie eine derärtige- Frequenz f1 des spannungsgesteuerten-Oszillators bewirkt, daß eine vorgegebene Beziehung zwischen der Zeit T und der Durchlaufzeit T1 erreicht ist. Im vorliegenden Falle ist die Rückkopplung so gewählt, daß die Zeit T der Durchlaufzeit T1 entspricht.' Da im stabilisierten Zustand. des Systems die Bedingung N/f1 = T1 gilt, läßt sich folgende-Beziehung (3) aufstellen: N.(Cw + V.sin-g) g)-f1 = - D/cos 0 -Alle Schalter 25, 45, -51 und 67 der. Betriebsart-Umschalteinrichtung und der Kontakteinrichtung werden anschließend auf den Kontakt n umgelegt, um die Durchflußmeßeinrichtung hinsichtlich der Aussendung der. Ultraschall-Welle entgegengesetzt zur Strömungsrichtung zu betreiben. In diesem Falle ist die phasengeschlossene Schleife mit dem spannungsgesteuerten Oszillator 15 so stabilisiert, daß. die -vorgegebene Beziehung für die Durchlaufzeit T2- der Ultraschallwelle 47 gemäß Gleichung (2) erreicht ist und der Zählerstand der Zähleinrichtung 61 den vorgegebenen Wert N erreicht. In diesem Falle ist-eine derartige Steuerung bewirk, daß die Zeitdauer T2-genauso groß wie.die Zeit T w-ird. Daher kann die Frequenz f2 des spannungsgesteuerten Oszillators 15 durch die folgende Gleichung (4) ausgedrückt werden: N.(Cw - Y.sìn #) (4) D/cos zu->-8 Die Differenz d f (= f1 - f2) zwischen beiden Frequenzen läßt sich durch folgende Gleichung (5) ausdrücken: 2N.sin 8 N.sin 2G ß D/cos G = D V (5) Wenn der Einfallwinkel § konstant ist, stellt also die Frequenzdifferenz f eine Funktion von der Strömungsgeschwindigkeit V allein dar. Die Strömungsgeschwindigkeit V kann daher aus der Frequenzdifferenz II f ermittelt werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Durchfluß des Mediums 75 zu messen.In the following, the operation of the known flow measuring device is only briefly described with reference to FIGS. 1 and 2, because they are different from what is known per se phase locked loop method makes use. First all switches 25, 45, 51 and 67 of the operating mode switchover device and the contact device are set so that that in each case the contact m is occupied to a propagation of an ultrasonic wave to effect in the direction of flow. In this case, the period of time is T1, which the ultrasonic wave 45 needed to run through the above equation (1) given, wherein an output signal 29 with a frequency f1 - von, the oscillator arrangement 10 is delivered. The time T which the counter 61 counts up to counting given value N is required, can then be expressed by the quotient N / f1. A phase-locked loop is formed to have such a frequency f1 of the voltage controlled oscillator causes a predetermined relationship is reached between the time T and the cycle time T1. In the present case the feedback is chosen so that the time T corresponds to the transit time T1. ' Because in the stabilized state. of the system the condition N / f1 = T1 applies, can Establish the following relationship (3): N. (Cw + V.sin-g) g) -f1 = - D / cos 0 -All switches 25, 45, -51 and 67 of the. Operating mode switching device and the contact device are then switched over to the contact n, to the flow meter with respect to sending the. Ultrasonic wave to operate opposite to the direction of flow. In this case the phase-closed loop is the voltage-controlled one Oscillator 15 stabilized so that. the specified relationship for the lead time T2- the ultrasonic wave 47 according to equation (2) is reached and the count of the counter 61 reaches the predetermined value N. In this case there is one Such a control causes the time period T2 to be as great as the time T w. Therefore, the frequency f2 of the voltage controlled oscillator 15 can be given by the following Equation (4) can be expressed: N. (Cw - Y.sìn #) (4) D / cos to -> - 8 The difference d f (= f1 - f2) between the two frequencies can be explained by the following Express equation (5): 2N.sin 8 N.sin 2G ß D / cos G = D V (5) If the angle of incidence § is constant, so the frequency difference f is a function of the flow velocity V alone. The flow velocity V can therefore be derived from the frequency difference II f can be determined. In this way it is possible to control the flow of the medium 75 measure.

Bei dieser bekannten Durchflußmeßeinrichtung ist nur eine einzige Einrichtung zur Erfassung der Ultraschallwellen-Ausbreitung mit einem Paar von Ultraschallwandlern 41 und 43 vorgesehen, mit der eine Laufzeit-Frequenzumsetzung in einer festen Beziehung durchführbar ist. Es bedarf daher verschiedener Einstellungen, wenn die Ultraschallwandler 41 und 43 jeweils an einem Rohr 71 angebracht werden, in dem das zu messende Medium strömt. So ist es beispielsweise notwendig, die interne Einstellung der Durchflußmeßeinrichtung zu ändern, wenn diese an einem Rohr mit anderem Durchmesser D angebracht wird; gleiches gilt für die Einstellung der Spanne. Auch wird damit eine Einstellung des Wellenform-Abgleichs erforderlich. Aus diesem Grunde kann die bekannte Durchflußmeßeinrichtung nicht ohne weiteres in einem System eingesetzt werden, in dem eine Messung bei eventuell geänderter Art des strömenden Mediums durchgeführt werden soll, so daß Bedarf an einer Durchflußmeßeinrichtung nach dem Ultraschallprinzip besteht, mit der auch eine Mehrzahl unterschiedlicher Medien abwechselndi oder nach Anwahl erfaßbar ist.In this known flow meter is only one Device for detecting the ultrasonic wave propagation with a pair of ultrasonic transducers 41 and 43 are provided, with which a time-of-flight frequency conversion is in a fixed relationship is feasible. It therefore requires different settings when the ultrasonic transducer 41 and 43 are each attached to a pipe 71 in which the medium to be measured flows. For example, it is necessary to adjust the internal setting of the flow meter to be changed if this is attached to a pipe with a different diameter D; same applies to setting the span. It is also used to adjust the waveform alignment necessary. For this reason, the known flow measuring device cannot can easily be used in a system in which a measurement at possibly changed type of flowing medium should be carried out so that there is a need for there is a flow measuring device based on the ultrasonic principle, with which also a plurality of different media can be detected alternately or after selection.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Durchflußmeßeinrichtung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß f) weitere Paare von Ultraschallwandlern vorhanden sind, daß g) zwischen den Paaren von Ultraschallwandlern und der Betriebsart-Umschalteinrichtung eine Schaltanordnung liegt, über die die einzelnen Paare von Ultraschallwandlern wahlweise anschließbar sind, daß h) die Auswerteanordnung als Mikroprozessor ausgeführt ist und mit zwei Eingängen über eine Schalteinheit mit dem Ausgang der Oszillatoren verbunden ist, und daß i) der Mikroprozessor in Abhängigkeit von einem ihm zugeführten Ausgangssignal der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung die Betriebsart-Umschaltung, die Kontakteinrichtung und die Schalteinheit steuert und bei von ihm veranlaßten Anschluß eines Paares von Ultraschallwandlern in der Zähleinrichtung den entsprechenden vorgegebenen Wert einstellt.To solve this problem, a flow measuring device is of the type mentioned at the beginning specified type according to the invention characterized in that f) there are further pairs of ultrasonic transducers that g) between the pairs of ultrasonic transducers and the operating mode switching device, a switching arrangement via which the individual pairs of ultrasonic transducers can be optionally connected are that h) the evaluation arrangement is designed as a microprocessor and with two Inputs are connected to the output of the oscillators via a switching unit, and that i) the microprocessor as a function of an output signal fed to it the time difference measuring device, the operating mode switchover, the contact device and controls the switching unit and when a pair is connected by it from ultrasonic transducers in the counting device the corresponding predetermined value adjusts.

Mit der erfindungsgemäßen Durchflußmeßeinrichtung ist es also möglich, aus einer Mehrzahl von zu messenden Medien ein bestimmtes auszuwählen und die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Medium zu messen.With the flow measuring device according to the invention it is therefore possible select a specific one from a multitude of media to be measured and the flow rate to measure in this medium.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Durchflußmeßeinrichtung wiedergegeben, wobei die Teile, die mit denen nach Fig. 1 übereinstimmen, mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.To explain the invention, FIG. 3 shows an exemplary embodiment reproduced the flow measuring device according to the invention, the parts that with those according to FIG. 1 are given the same reference numerals.

Die dargestellte Durchflußmeßeinrichtung unterscheidet sich von der oben behandelten bekannten Einrichtung u. a. dadurch, daß sie eine Vielzahl von Paaren von Ultraschallwandlern U1, U2, U3 bis Un enthält, die an verschiedenen Rohren angebracht sind und über Schalter 301 und 303 einer Schaltanordnung anschließbar sind. Die Steuerungs- und Rechenoperationen der gesamten Durchflußmeßeinrichtung werden von einem Mikroprozessor 310 durchgeführt. Die Ausgangssignale 21 und 23 der beiden spannungsgesteuerten Oszillatoren 13 und 15 werden dem Mikroprozessor 310 über Kontakte 321 und 323 einer Schalteinheit zugeführt Das dargestellte Ausführungsbeispiel arbeitet in folgender Weise: Zunächst sind beide Kontakte 321 und 323 der Schalteinheit auf ein'erstes Steuersignal 351 des Mikroprozessors 310 hin geöffnet. Danach wird der vorgegebene Wert N in der Zähleinrichtung 61 auf den Wert N1 durch ein N-Einstellsignal 353 geändert, und zur selben Zeit werden die Schalter 301 und 303 der Schaltanordnung durch ein zweites Steuersignal 355 so eingestellt, daß ihre Kontakte a belegt sind, wodurch das Ultraschallwandler-Paar U1 angewählt ist. Danach werden die Schalter 45 und 51 der Betriebsart-Umschalteinrichtung durch ein drittes Steuersignal 357 so betätigt, daß die Kontakte p belegt sind, während die Schalter 25 und 67 der Kontakteinrichtung durch ein viertes Steuersignal 359 in ihre Stellung m gebracht werden. In diesem Zustand ist der Impulserzeuger 27 durch ein Anregesignal 361 vom Mikroprozessor 310 angeregt. Danach wird, wie es im Zusammenhang mit der Fig. 1 bereits erläutert worden ist, die Frequenz f1 des spannungsgesteuerten Oszillators 13 derart gesteuert, daß die Zeit T11 zum Laufen der Ultraschallwelle in Strömungsrichtung vom Ultraschallwandler 411 zum Ultraschallwandler 431 dem Zählerstand der Zähleinrichtung 61 entspricht, die die Ausgangsschwingungen des spannungsgesteuerten Oszillators 13 zählt.The flow measuring device shown differs from the known device discussed above, inter alia. by having a variety of Pairs of ultrasonic transducers U1, U2, U3 to Un that are attached to different tubes are attached and can be connected via switches 301 and 303 of a switching arrangement are. The control and arithmetic operations of the entire flow meter are performed by a microprocessor 310. The output signals 21 and 23 the two voltage controlled oscillators 13 and 15 are the microprocessor 310 is fed to a switching unit via contacts 321 and 323 That illustrated embodiment works in the following way: First are both Contacts 321 and 323 of the switching unit respond to a first control signal 351 from the microprocessor 310 open. Thereafter, the predetermined value N in the counter 61 is increased the value N1 is changed by an N set signal 353, and at the same time switches 301 and 303 of the switching arrangement by a second control signal 355 adjusted so that their contacts a are occupied, whereby the ultrasonic transducer pair U1 is selected. Thereafter, the switches 45 and 51 become the mode switching means actuated by a third control signal 357 so that the contacts p are occupied, while the switches 25 and 67 of the contact device by a fourth control signal 359 are brought into their position m. The impulse generator is in this state 27 excited by an excitation signal 361 from the microprocessor 310. After that, how it has already been explained in connection with FIG. 1, the frequency f1 of the voltage controlled oscillator 13 controlled so that the time T11 to run of the ultrasonic wave in the flow direction from the ultrasonic transducer 411 to the ultrasonic transducer 431 corresponds to the count of the counter 61, which corresponds to the output oscillations of the voltage controlled oscillator 13 counts.

Danach werden die Schalter 45 und 51 der Betriebsart-Umschalteinrichtung auf die Kontakte q durch ein drittes Steuersignal 357 des Mikroprozessors 310 umgelegt. Zur selben Zeit legen die Schalter 25 und 67 der Kontakteinrichtung auf die Kontakte n infolge eines vierten Steuersignals 359 um. Wie ebenfalls im Zusammenhang mit der Fig. 1 erläutert, ist dabei die Frequenz f2 des spannungsgesteuerten Oszillators 15 so beeinflußt, daß die Laufzeit T21 der Ultraschallwelle in Rückwärtsrichtung vom Ultraschallwandler 431 zum Ultraschallwandler 411 gleich der Zeit ist, die der Zähler 61 beim Zählen der Ausgangsimpulse 23 des spannungsgesteuerten Oszillators 15 auf den Wert N1 benötigt.Thereafter, the switches 45 and 51 become the mode switching means switched to the contacts q by a third control signal 357 of the microprocessor 310. At the same time, the switches 25 and 67 of the contact device apply to the contacts n as a result of a fourth control signal 359 um. As also in connection with 1, is the frequency f2 of the voltage-controlled oscillator 15 so that the travel time T21 of the ultrasonic wave in the reverse direction from the ultrasonic transducer 431 to the ultrasonic transducer 411 is equal to the time that the Counter 61 when counting the output pulses 23 of the voltage controlled oscillator 15 is required to the value N1.

Das Ausgangssignal 341 der Zeitdifferenz-Meßeinrichtung 59 ist ein Signal, das anzeigt, daß beide Signale 57 und 63 zum gleichen Zeitpunkt auftreten; es wird für eine extrem kurze Zeit in der Zeitdifferenz-Neßeinrichtung 59 festgehalten.The output signal 341 of the time difference measuring device 59 is a Signal indicating that both signals 57 and 63 occur at the same time; it is held in the time difference measuring device 59 for an extremely short time.

Danach werden die beiden Schalter 321 und 323 der Schalteinheit durch das erste Steuersignal 351 geschlossen gehalten.Then the two switches 321 and 323 of the switching unit are through the first control signal 351 held closed.

Beide Ausgangssignale 21 und 23 der Oszillatoranordnung 10 werden durch einen Zähler im Mikroprozessor 310 erfaßt, so daß beide Frequenzen f1 und 2 gemessen sind. Daraus wird die Frequenzdifferenz Llf entsprechend der Gleichung (5) bestimmt.Both output signals 21 and 23 of the oscillator arrangement 10 are detected by a counter in microprocessor 310 so that both frequencies f1 and 2 are measured. This becomes the frequency difference Llf according to the equation (5) determined.

N1. sin 2 d f = f1 - f2 = V1 VI (6) In dieser Gleichung (6) bezeichnet D1 den inneren Durchmesser des Rohres, an dem das Ultraschallwandler-Paar U1 angebracht ist; 191 gibt den Einfallswinkel der Ultraschallwelle und V1 die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in diesem Rohr wieder Die Richtung der Strömung des zu messenden Mediums ist dadurch gekennzeichnet, welche der beiden Frequenzen f1 und 2 größer ist bzw. ob die Frequenzdifferenz f negative oder positive Werte annimmt. Wenn die Frequenzdifferenz Af positiv ist, dann fließt das Medium vorwärts in Richtung des Pfeiles in Fig. 2, während bei negativem Vorzeichen der Frequenzdifferenz f das Medium in entgegengesetzter Richtung strömt. N1. sin 2 d f = f1 - f2 = V1 VI (6) in this equation (6) D1 is the inner diameter of the pipe on which the pair of ultrasonic transducers U1 is attached is; 191 gives the angle of incidence of the ultrasonic wave and V1 the flow velocity of the medium in this pipe again The direction of the flow of the medium to be measured is characterized by which of the two frequencies f1 and 2 is greater or whether the frequency difference f assumes negative or positive values. When the frequency difference Af is positive, then the medium flows forward in the direction of the arrow in Fig. 2, while with a negative sign of the frequency difference f the medium in the opposite Direction flows.

In ähnlicher Weise werden zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Rohr, an dem das Ultraschallwandler-Paar U2 mit den Ultraschallwandlern 412 und 432 angebracht ist oder in einem Rohr mit dem Ultrasöhallwandler-Paar U3 mit den Ultraschallwandlern 413 und 433 die Schalter 301 und 303 der Schaltanordnung durch das zweite Steuersignal 355 vom Mikroprozessor 310 auf die Kontakte b oder c umgeschaltet, während in der Zähleinrichtung 61 die vorgegebenen Werte N2 oder N3 durch ein N-Einstellsignal 353 verändert werden. In a similar way are used to measure the flow velocity in a tube on which the ultrasonic transducer pair U2 with the ultrasonic transducers 412 and 432 or in a tube with the ultrasound transducer pair U3 with the ultrasonic transducers 413 and 433, the switches 301 and 303 of the Switching arrangement by the second control signal 355 from the microprocessor 310 to the contacts b or c switched over, while in the counter 61 the predetermined values N2 or N3 can be changed by an N setting signal 353.

Weitere Operationen geschehen in entsprechender Weise, wie dies oben erläutert worden ist.Further operations are carried out in the same way as above has been explained.

Die Beziehung zwischen der Frequenz differenz j f und der Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Medium kann generell durch die Gleichung (7) ausgedrückt werden: Ni.sin 2 §i (7) Di Di Vi Zum Errechnen der Strömungsgeschwindigkeit irgendeines gewünschten Mediums mittels des Mikroprozessors 310 genügt es daher, nur die Parameter Ni, Gi und D. bei jedem Wechsel 1 1 entsprechend zu ändern.The relationship between the frequency difference j f and the flow velocity of the medium to be measured can generally be expressed by equation (7): Ni.sin 2 §i (7) Di Di Vi For calculating the flow rate of any desired medium by means of the microprocessor 310 is therefore sufficient, only the parameters Ni, Gi and D. to change with each change 1 1 accordingly.

Die Auswahl des zu messenden Mediums kann beliebig erfolgen. Andererseits ist es auch möglich, eine Abtasteinrichtung zum aufeinanderfolgenden Abtasten eines der Ultraschallwandler-Paare U1 bis Un mittels der Schalter 301 und 303 der Schaltanordnung in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Steuerprogramm durchzuführen, während die Parameter bei jeder Anwahl entsprechend geändert werden.The medium to be measured can be selected as desired. on the other hand it is also possible to have a scanning device for successively scanning a the ultrasonic transducer pairs U1 to Un by means of switches 301 and 303 of the switching arrangement to be carried out as a function of a predetermined control program, while the Parameters can be changed accordingly with each selection.

Es ist nicht immer notwendig, daß die Rohre, an denen die Ultraschallwandler-Paare befestigt sind, einen gleichen Durchmesser haben.It is not always necessary that the tubes on which the ultrasonic transducer pairs are attached, have the same diameter.

Allgemein ist anzumerken, daß, wenn Ultraschallwandler-Paare U. nacheinander angeschlossen werden, unvermeidbar eine Nullabweichung (Offset) mit einem Ablesefehler infolge einer Änderung im Aufbau der Durchflußmeßeinrichtung entsteht.In general, it should be noted that when ultrasonic transducer pairs U. one after the other connected, inevitably a zero deviation (offset) with a reading error arises as a result of a change in the structure of the flow meter.

Zusätzlich ist eine Drift unvermeidlich, die von den Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise der Temperatur, verursacht wird. Es ist daher erforderlich, den Offset und die Drift zu vermeiden, um Meßfehler auszuschließen.In addition, drift is inevitable due to the environmental conditions, such as temperature. It is therefore necessary to use the Avoid offset and drift in order to exclude measurement errors.

Dies läßt sich dadurch bewirken, daß die Laufzeit der Ultraschallwelle in Strömungsrichtung nicht nur'mittels des spannungsgesteuerten Oszillators 13, sondern auch mittels des spannungsgesteuerten Oszillators 15 in eine Frequenz umgesetzt wird und beide Frequenzen benutzt werden. Dies bedeutet, daß auch bei Ausbreitung der Ultraschallwelle entgegen der Strömungsrichtung nicht nur der spannungsgesteuerte Oszillator 15 eingeschaltet wird, sondern auch der spannungsgesteuerte Oszillator 13, um die Frequenzen beider Oszillatoren auszuwerten. Die Strömungsgeschwindigkeit jedes Mediums ist dann aus diesen 4 Frequenzwerten bestimmt, so daß der Offset automatisch eliminiert wird.This can be achieved by reducing the transit time of the ultrasonic wave in the direction of flow not only by means of the voltage-controlled oscillator 13, but also converted into a frequency by means of the voltage-controlled oscillator 15 and both frequencies are used. This means that even if it spreads of the ultrasonic wave against the direction of flow, not only the voltage-controlled one Oscillator 15 is turned on, but also the voltage controlled oscillator 13 to evaluate the frequencies of both oscillators. The flow rate each medium is then determined from these 4 frequency values, so that the offset is automatic is eliminated.

3 Figuren 1 Patentanspruch Leerseite3 Figures 1 claim Blank page

Claims

Patent claim flow measuring device based on the ultrasonic principle with a) a pair (U1) arranged opposite one another at an angle to the direction of flow Ultrasonic transducers (411, 431), the al) by means of a mode switching device (45, 51) are controllable in such a way that they alternately convert an electrical signal into a Ultrasonic signal and the received ultrasonic signal into one electrical signal implement, b) an oscillator arrangement (10) with two oscillators (13, 15), the bl) can be changed with regard to their frequency and b2) via a contact device (25, 67) can alternatively be switched on, c) a counting device (61), the cl) the Oscillator arrangement (10) is arranged downstream and c2) the output pulses (21, 23) of the Oscillators (13, 15) each counts up to a predetermined value (N), and with d) a time difference measuring device (59), the d1) one of the transit time of ultrasonic signals between the ultrasonic transducers (411, 431) and the time period for counting the Output pulses (21, 23) of the oscillators (13, 15) to the specified value (N) dependent difference signal (65) is generated at its output and the d2) at its output is connected to the oscillator arrangement (10), and to an e) evaluation arrangement (310), which is connected downstream of the oscillator arrangement (10) and from the difference the frequency of the oscillators (13, 15) determines the flow rate, d a d u r c h g It is not possible to state that f) further pairs (U2, U3 ... Un) of ultrasonic transducers (412, 432; 413, 433) exist that g) between the pairs (U11 U2, U3 ... Un) of ultrasonic transducers and the operating mode switchover device (45, 51) is a switching arrangement (301, 303) via which the individual pairs (U1, U2, U ... Un) can be optionally connected by ultrasonic transducers that h) the evaluation arrangement is designed as a microprocessor (310) and with two inputs via a switching unit (321, 323) is connected to the output of the oscillators (13, 15) - and that i) the Microprocessor (310) as a function of an output signal supplied to it Time difference measuring device (59) the operating mode switching device (45, - 51), the contact device (25, 67) and the switching unit (321, 323) controls and contributes caused by him connection of a pair of ultrasonic transducers in the counting device (61) sets the corresponding specified value.