DE3542704C2

DE3542704C2 -

Info

Publication number: DE3542704C2
Application number: DE19853542704
Authority: DE
Inventors: Claudio Dipl.-El.Ing. Eth Cham Ch Meisser
Original assignee: LGZ Landis and Gyr Zug AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG
Priority date: 1985-11-12
Filing date: 1985-12-03
Publication date: 1987-11-26
Also published as: DE3542704A1

Description

Anwendungsgebiet und Zweck

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Einrichtung zur temperaturunabhängigen Messung einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3.

Solche Verfahren und Einrichtungen werden z. B. zur Durchflußmessung in Wärmezählern einer Heizungsanlage verwendet, da die Wärmeleistung einer Heizung bekanntlich proportional dem Volumendurchfluß des Heizwassers und dieser wiederum proportional der mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers ist.

Stand der Technik

Verschiedene Ultraschall-Meßverfahren sind bekannt, z. B. aus den VDI-Berichten Nr. 509, 1984, Seiten 39 bis 42, Ultraschall-Durchfluß- Sensor für die Wärmemengenmessung, v. Jena. Diese Verfahren ermitteln in der Regel die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Heizungswassers mit Hilfe der Formel

wobei c die Ultraschallgeschwindigkeit im Heizungswasser, L der räumliche Abstand zwischen zwei Ultraschallwandlern und Δ t der Laufzeitunterschied zwischen einer stromabwärts und einer stromaufwärts gesendeten Ultraschallwelle ist. Da die Ultraschallgeschwindigkeit c temperaturabhängig ist, ist auch die unter Verwendung dieser Formel gefundene mittlere Strömungsgeschwindigkeit temperaturabhängig.

Im bereits erwähnten Stand der Technik wird auf Seite 40 ein "Lamda- Locked-Loop"-Verfahren erwähnt, bei dem die Wellenlänge λ der Ultraschallwelle für beide Senderichtungen konstant gehalten wird, sei es mit Hilfe einer Phasenregelung oder sei es durch Verwendung eines Durchflußsensors mit Interdigitalwandlern. Die letzten sind in der DE 31 20 541 A1 beschrieben, wobei λ = d · cos α durch die Geometrie des relativ komplizierten Aufbaus der Interdigitalwandler und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit durch die Formel

gegeben sind.

Eine ähnliche Formel, nämlich

ergibt die in Acustica, Vol. 26 (1972), Seiten 284 bis 288, One path ultrasonic flowmeter using electroacoustic feedback, D. Assenza und M. Pappalardo, beschriebene Methode, in der eine Ultraschall-Meßstrecke einen Verstärker rückkoppelt.

Die beiden letzten Formeln sind unabhängig von der Ultraschallgeschwindigkeit c und damit auch von der Temperatur δ des Heizungswassers; sie enthalten jedoch eine an sich unbekannte Konstante n.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Methode zu finden und eine Einrichtung zu verwirklichen, die es gestatten, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit, z. B. des Heizwassers einer Heizung, in relativ kurzer Zeit, mit hoher Genauigkeit, ohne große Stromaufnahme, da Batteriebetrieb möglich sein sollte, ohne Verwendung eines komplizierten Meßstreckenaufbaus oder eines Regelkreises und unter Verwendung freiwählbarer Ultraschall-Sendefrequenzen temperaturunabhängig zu messen, ohne daß dabei eine an sich unbekannte Konstante n vorhanden ist.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Aufbau einer Meßstrecke,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Meßeinrichtung,

Fig. 3 Zeitdiagramme der in der Meßrichtung verwendeten Signale,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Zeitgebers und

Fig. 5 eine Kennlinie des Quadrates der Amplitude der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses beim stromabwärtigen Senden in Funktion der Trägerkreisfrequenzen ω .

Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Fig. der Zeichnung gleiche Teile.

Beschreibung

Die in der Fig. 1 dargestellte Meßstrecke besteht aus einem einfachen und bekannten Meßrohr 1 als Wellenleiter, das von einer Flüssigkeit, z. B. Heizungswasser, in Längsrichtung durchflossen wird. In der Darstellung der Fig. 1 strömt die Flüssigkeit oben links von oben nach unten in das Meßrohr 1 hinein und oben rechts von unten nach oben hinaus. Die Längsrichtung des Meßrohres 1 bildet die eigentliche Meßstrecke. Zwei annähernd identische Ultraschallwandler US 1 und US 2 sind stirnseitig, in einem räumlichen Abstand L voneinander, an den beiden Enden der Meßstrecke, d. h. des Meßrohres 1, angeordnet. Das Meßrohr 1 besitzt einen Rohrinnenradius R.

Die Strömungsgeschwindigkeit w(r) der Flüssigkeit im Meßrohr 1 ist eine Funktion der Radiuskoordinate r des Meßrohres 1. In der Fig. 1 wurde das Vorhandensein eines parabolförmigen Strömungsprofils angenommen und dargestellt. Die gesuchte mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit entspricht dem Integral

Die in der Fig. 2 dargestellte Meßeinrichtung besteht aus einem Sinusgenerator 2 mit niederohmigem Ausgang, einem Tastkontakt 3, einem zweipoligen Umschalter 4, der aus einem ersten und einem zweiten einpoligen Umschalter 4 a bzw. 4 b besteht, einer Meßstrecke, die symbolisch durch ihre Länge L dargestellt ist, zwei Ultraschallwandlern US 1 und US 2, einem Addierer 5, einem Amplitudendetektor 6, einer Abtast/Halte-Schaltung 7, einem Zeitgeber 9, einem Analog/Digital- Wandler 11, drei Widerständen R 1, und R 2 und R 3 sowie einem Rechner 12.

Die Abtast/Halte-Schaltung 7 ist eine bekannte, handelsübliche "Sample/Hold-circuit". Die Frequenz des Sinusgenerators 2, dessen Ausgangswiderstand z. B. gleich Null ist, ist programmierbar, so daß er zeitlich nacheinander verschiedene Werte einer Trägerfrequenz f erzeugt. Jeder einpolige Umschalter 4 a und 4 b besteht z. B. aus einem Arbeits- und einem Ruhekontakt. Der Tastkontakt 3 ist z. B. ein Arbeitskontakt. Alle Arbeits- und Ruhekontakte sind z. B. bekannte und handelsübliche CMOS-Analogschalter. Es gilt die Annahme, daß der geschlossene Tastkontakt 3 und der Widerstand R 3 einen gleichen Widerstandswert besitzen. Je ein erster Pol der beiden Ultraschallwandler US 1 und US 2 liegt direkt an Masse, während der andere zweite Pol jeweils z. B. über einen 200-Ohm-Widerstand R 1 bzw. R 2 mit der Masse verbunden ist. Der Amplitudendetektor 6 ist ein bekannter und beliebiger Amplitudendemodulator, z. B. ein Umhüllenden-Detektor, ein "Peak Follower" oder ein Gleichrichter, der von einem Integrator zwecks Bildung des Flächenintegrals gefolgt ist. Der Rechner 12 ist z. B. ein Mikrocomputer.

Der einpolige Ausgang des Sinusgenerators 2 ist auf den Eingangspol des Tastkontaktes 3 und auf einen ersten Eingang des Addierers 5 geführt. Der Ausgangspol des Tastkontaktes 3 ist über den Arbeitskontakt des ersten einpoligen Umschalters 4 a mit dem nicht direkt an Masse liegenden zweiten Pol des ersten Ultraschallwandlers US 1 und über den Ruhekontakt des zweiten einpoligen Umschalters 4 b mit dem nicht direkt an Masse liegenden zweiten Pol des zweiten Ultraschallwandlers US 2 verbunden. Ein zweiter Eingang des Addierers 5 ist seinerseits über den Ruhekontakt des ersten einpoligen Umschalters 4 a auf den zweiten Pol des ersten Ultraschallwandlers US 1, über den Arbeitskontakt des zweiten einpoligen Umschalters 4 b auf den zweiten Pol des zweiten Ultraschallwandlers US 2 und über den Widerstand R 3 auf Masse geführt. Der einpolige Ausgang des Addierers 5 speist den Eingang des Amplitudendetektors 6, dessen einpoliger Ausgang seinerseits mit dem Dateneingang der Abtast-Halte-Schaltung 7 verbunden ist. Der einpolige Analogeingang des Analog/Digital-Wandlers 11 ist auf den Ausgang der Abtast/Halte-Schaltung 7 geführt. Der Zeitgeber 9 besitzt einen Starteingang 13 und vier Ausgänge 14 bis 17. Der Starteingang 13 ist mit einem Startausgang 20 des Rechners 12 verbunden, dessen Datenbus-Eingang 21 seinerseits vom Digitalausgang des Analog/Digital-Wandlers 11 gespeist ist. Der Senderichtungsumschalt- Steuerausgang 14 des Zeitgebers 9 ist auf den Steuereingang des Sinusgenerators 2 und auf den Steuereingang des zweipoligen Umschalters 4 geführt, sein Tastausgang 15 auf den Steuereingang des Tastkontaktes 3, sein Rückstellausgang 16 auf den Rückstelleingang des Amplitudendetektors 6 und sein Abtast-Steuerausgang 17 auf den Steuereingang der Abtast/Halte-Schaltung 7.

Die Fig. 3 enthält acht Zeitdiagramme 3 A, 3 B, . . ., 3 H. Die Zeitdiagramme 3 A, 3 B und 3 F bis 3 H stellen verschiedene binäre Steuersignale dar, die alle nur die beiden Logikwerte "1" und "0" annehmen können. Die Zeitdiagramme 3 C bis 3 E dagegen besitzen Analogwerte

Im Detail stellen die verschiedenen Zeitdiagramme folgende Signale dar:

3 A Steuersignal zum Umschalten von einem Wert der Trägerfrequenz auf den anderen und zum Umschalten der Senderichtung der beiden Ultraschallwandler US 1 und US 2, 3 B Tastsignal zum Steuern des Tastkontaktes 3 der Messeinrichtung, 3 C Amplituden der Generatorspannung, 3 D Amplituden der Empfangsspannung der beiden Ultraschallwandler US 1 und US 2, 3 E Amplituden der Summenspannung der Sende- und Empfangsspannung der beiden Ultraschallwandler US 1 und US 2, 3 F Impulsfolge als Hilfssignal zur Erzeugung der Zeitdiagramme 3 G und 3 H, 3 G Impulsfolge zur Rückstellung des Amplitudendetektors 6 und 3 H Abtastimpulse für die Abtast/Halte-Schaltung 7.

Die acht Zeitdiagramme 3 A bis 3 H sind für eine Dauer t ₁ dargestellt, während der die Ultraschallwandler US 1 und US 2 mit einem einzigen Wert der Trägerfrequenz f senden. Während den zeitlich nachfolgenden Zeitperioden t ₂, t ₃, . . ., mit t ₂ = t ₃ = . . . Senden sie jeweils mit einem anderen Wert der Trägerfrequenz f. Das durch das Zeitdiagramm 3 A dargestellte Steuersignal hat eine Periode gleich t ₁ = t ₂ = t ₃ = . . . und seine Impulsdauer beträgt t ₁/2, d. h. sein "duty cycle" ist gleich 50%. Die positiv- und die negativgehenden Flanken des im Zeitdiagramm 3 A dargestellten Steuersignals erzeugen Tastimpulse der Dauer τ ₁, die das im Zeitdiagramm 3 B dargestellte Tastsignal bilden und zeitlich einer trägerfrequenten Sendespannung entsprechen, deren Amplitude im Zeitdiagramm 3 C dargestellt ist. Die im Zeitdiagramm 3 D dargestellten Empfangsspannung ist um eine Laufzeit t _L gegenüber der Sendespannung zeitverzögert. Der Sendeimpuls und der zugehörige Empfangsimpuls überlappen sich jeweils zeitlich während einer Überlappungszeit t _G , so daß die Amplituden der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses jeweils aus drei Bereichen besteht: Vor der Überlappungszeit t _G , d. h. während der Dauer t _L , ist nur die Amplitude des Sendeimpulses vorhanden, während der Überlappungszeit t _G die Amplitude der Summe des Sende- und des Empfangsimpulses und nach der Überlappungszeit t _G nur mehr die Amplitude des Empfangsimpulses. Die Amplituden dieser drei Bereiche sind für jeden Sendeimpuls aus dem Zeitdiagramm 3 E ersichtlich, wobei in der Fig. 3 angenommen wurde, daß die Phasendifferenz zwischen dem Träger des Sendeimpulses und dem Träger des Empfangsimpulses Null ist, so daß die Amplituden des Sende- und des Empfangssignals sich jeweils während der Überlappungszeit t _G arithmetisch addieren. Ist die Amplitude des Sendeimpulses z. B. A und diejenige des Empfangsimpulses z. B. B _D , so sind in diesem Fall während einer Impulsdauer die Amplituden der Summenspannung gleich A während t _L , gleich A + B _D während t _G und gleich B _D nach t _G .

Das im Zeitdiagramm 3 F dargestellte Hilfssignal besitzt die gleiche Impulsfrequenz und die gleiche zeitliche Impulslage wie das im Zeitdiagramm 3 B dargestellte Tastsignal, nur seine Impulsdauer τ ₂ ist kürzer und zwar so gewählt, daß t _L t ₂ < τ ₁, d. h. seine negativgehenden Flanken fallen zeitlich immer in eine Überlappungszeit t _G der Sende- und Empfangsimpulse. Jede seiner negativgehenden Flanken erzeugt einen sehr kurzen Rückstellimpuls der Dauer τ ⃔ τ ₂. Diese kurzen Rückstellimpulse sind im Zeitdiagramm 3 G dargestellt. Außerdem erzeugen diese negativgehenden Flanken noch nach einer jeweiligen Verzögerungszeit t _V Abtastimpulse der Dauer τ ₃, die im Zeitdiagramm 3 H dargestellt sind.

Es gilt dabei die Bedingung:

τ ₂ + t _V + τ ₃ t _L + t _G

Ist diese Bedingung erfüllt, dann liegen die Abtastimpulse des Zeitdiagramms 3 H zeitlich innerhalb der Überlappungszeit t _G .

Der in Fig. 4 dargestellte Zeitgeber 9 besteht aus einem astabilen Multivibrator 22, einem ersten und zweiten monostabilen Multivibrator 23 bzw. 24 zur jeweiligen Erzeugung von Impulsen der Dauer τ ₁, einem ersten Oder-Gatter 25, einem dritten monostabilen Multivibrator 26 zur Erzeugung von Impulsen der Dauer τ ₂, einem vierten monostabilen Multivibrator 27 zur Erzeugung von Impulsen der Dauer t , einem fünften monostabilen Multivibrator 29 zur jeweiligen Erzeugung von Verzögerungszeit-Impulsen der Dauer t _V und einem sechsten monostabilen Multivibrator 32 zur jeweiligen Erzeugung von Abtastimpulsen der Dauer τ ₃. Der Eingang des zweiten monostabilen Multivibrators 24 ist symbolisch mit einem schwarzen Dreieck gekennzeichnet, was bedeutet, daß dieser Eingang durch negativgehende Flanken getriggert ist, während die Eingänge aller anderen monostabilen Multivibratoren symbolisch mit je einem weißen Dreieck gekennzeichnet sind, da diese Eingänge durch positivgehende Flanken getriggert sind.

Der Starteingang 13 des Zeitgebers 9 ist auf den Speiseeingang des astabilen Multivibrators 22 geführt, dessen Ausgang mit dem Senderichtungsumschalt-Steuerausgang 14 des Zeitgebers 9 und jeweils mit dem Eingang des ersten und des zweiten monostabilen Multivibrators 23 und 24 verbunden ist. Die Q-Ausgänge der beiden monostabilen Multivibratoren 23 und 24 sind auf je einen Eingang des ersten Oder-Gatters 25 geführt, dessen Ausgang mit dem Tastausgang 15 des Zeitgebers 9 und mit dem Eingang des dritten monostabilen Multivibrators 26 verbunden ist. Der -Ausgang des dritten monostabilen Multivibrators 26 ist auf den Eingang des vierten und den Eingang des fünften monostabilen Multivibrators 27 und 29 geführt. Der -Ausgang des monostabilen Multivibrators 27 bildet den Rückstellausgang 16 des Zeitgebers 9. Der -Ausgang des fünften monostabilen Multivibrators 29 ist auf den Eingang des sechsten monostabilen Multivibrators 32 geführt, dessen Q-Ausgang mit dem Abtast-Steuerausgang 17 des Zeitgebers 9 verbunden ist.

Die Funktion des Zeitgebers 9 kann auch durch den Rechner 12 selber übernommen werden, der entsprechend programmiert ist, so daß in diesem Fall der Zeitgeber 9 überflüssig ist und weggelassen werden kann.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die beschriebene Meßeinrichtung keine schnellen Komparatoren benötigt, die viel Strom verbrauchen, so daß die Meßeinrichtung eine geringe Stromaufnahme besitzt und mittels Batterien gespeist werden kann.

Die in der Fig. 5 dargestellte Kennlinie des Quadrates der Amplitude der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses beim stromabwärtigen Senden ist eine Kosinus-Funktion der Trägerkreisfrequenzen ω und besitzt eine Periode Ω .

Funktionsbeschreibung

Die beiden Ultraschallwandler US 1 und US 2 arbeiten als Dickenschwinger. Die mittlere Frequenz f _m ihres Frequenzspektrums ist z. B. bei einer Dicke von 2 mm annähernd 950 kHz und die Bandbreite ihres Frequenzspektrums z. B. ±30 kHz. Die beiden Ultraschallwandler US 1 und US 2 arbeiten zeitlich abwechselnd und im Gegentakt als Sender und Empfänger trägerfrequenter Ultraschallimpulse der Dauer τ ₁, wobei der eine Ultraschallwandler jeweils die vom anderen Ultraschallwandler gesendeten trägerfrequenten Impulse empfängt. Der räumliche Abstand L zwischen den beiden Ultraschallwandlern US 1 und US 2, in Längsrichtung der Meßstrecke gemessen, und die Impulsdauer t ₁ werden in Zusammenhang mit der Ultraschallgeschwindigkeit c so gewählt, daß, wie bereits erwähnt, ein von einem Ultraschallwandler gesendeter Impuls durch die Meßstrecke nur um so viel verzögert wird, daß er den dazugehörigen, vom anderen Ultraschallwandler empfangenen Impuls zeitlich während einer Überlappungszeit t _G überlappt.

Es wird während zeitlich aufeinanderfolgenden Zeitperioden t ₁, t ₂, t ₃ . . . mit unterschiedlichen Werten der Trägerfrequenz f gesendet, wobei diese Werte im Durchlaßfrequenzbereich 920 kHz bis 980 kHz des Frequenzspektrums der Ultraschallwandler US 1 und US 2 liegen. Es gilt wie bereits erwähnt: t ₁ = t ₂ = t ₃ = . . . Der Sinusgenerator 2 erzeugt ein Dauersignal, dessen Frequenz während den Zeitperioden t ₁, t ₂, t ₃, . . . jeweils den entsprechenden Wert der Trägerfrequenz f besitzt. Dieses Dauersignal wird mit Hilfe des Tastkontaktes 3 moduliert. Das Umschalten des programmierbaren Sinusgenerators 2 von einem Wert der Frequenz f auf den anderen erfolgt mit Hilfe des im Zeitdiagramm 3 A der Fig. 3 dargestellten Steuersignals, dessen Perioden t ₁ = t ₂ = t ₃ = - . . . im Sinusgenerator 2 z. B. gezählt werden, damit der Zählwert anschließend den Wert der Frequenz f des Sinusgenerators 2 auf einen anderen Wert umschaltet. Dieses Steuersignal wird im Zeitgeber 9 erzeugt und erreicht gemäß Fig. 2 über den Senderichtungsumschalt- Steuerausgang 14 sowohl den Steuereingang des Sinusgenerators 2 als auch den Steuereingang des zweipoligen Umschalters 4. Der letzte wird dadurch mit einer Periode t ₁/2 = t ₂/2 = t ₃/2 = . . . umgeschaltet, so daß er beim Logikwert "0" des Steuersignals die in der Fig. 2 dargestellte Stellung einnimmt, bei der der zweite Ultraschallwandler US 2 als Sender arbeitet und Ultraschallwellen z. B. stromaufwärts gesendet werden. Beim Logikwert "1" des Steuersignals nimmt dagegen der zweipolige Umschalter 4 die andere Stellung ein, bei der der erste Ultraschallwandler US 1 als Sender arbeitet und Ultraschallwellen stromabwärts gesendet werden. Mit anderen Worten: In der Darstellung der Fig. 3 wird während der ersten Hälfte des Zeitbereichs t ₁ stromabwärts und während der zweiten Hälfte stromaufwärts gesendet. Es wird für jeden Wert der Trägerfrequenz f nur je ein einziger trägerfrequenter Impuls stromabwärts und je ein einziger trägerfrequenter Impuls stromaufwärts gesendet, d. h. der erste Impuls des im Zeitdiagramm 3 B der Fig. 3 dargestellten Tastsignals entspricht der einen Senderichtung, nämlich der stromabwärtigen Richtung, und der zweite Impuls der anderen Senderichtung, also der stromaufwärtigen Richtung. Dieses Tastsignal wird ebenfalls im Zeitgeber 9 erzeugt und erreicht über dessen Tastausgang 15 den Steuereingang des Tastkontaktes 3 (Fig. 2). Seine Impulsdauer ist τ ₁ und seine Impulsperiode t ₁/2. Durch das Öffnen und Schließen des Tastkontaktes 3 im Rhythmus des Tastsignals erreichen trägerfrequente Sendeimpulse, je nach augenblicklicher Stellung des zweipoligen Umschalters 4, entweder den ersten oder den zweiten Ultraschallwandler US 1 bzw. US 2. Die Amplituden der gesendeten trägerfrequenten Impulse sind aus dem Zeitdiagramm 3 C der Fig. 3 und die Amplituden der dazugehörigen und um die Laufzeit t _L verzögerten empfangenen trägerfrequenten Impulse aus dem Zeitdiagramm 3 D der Fig. 3 ersichtlich. Die Amplituden der Summenspannung beider Impulsarten ist im Zeitdiagramm 3 E der Fig. 3 dargestellt. Dieses besteht aus Impulsen, die je aus den drei bereits erwähnten Zeitbereichen t _L , t _G und <t _G bestehen, die unterschiedliche Amplitudenwerte besitzen. Die Summenspannung wird mit Hilfe des Addieres 5 und ihre Amplituden anschließend mit Hilfe des Amplitudendetektors 6 ermittelt. Der Amplitudendetektor 6 wird jeweils vor der Ermittlung einer neuen Amplitude mit Hilfe der im Zeitdiagramm 3 G der Fig. 3 dargestellten sehr kurzen Rückstellimpulse der Dauer τ auf Null zurückgestellt. Diese Rückstellimpulse werden im Zeitgeber 9 erzeugt und über dessen Rückstellausgang 16 dem Rückstelleingang des Amplitudendetektors 6 zugeführt.

Nachfolgend werden folgende Bezeichnungen verwendet:

Für die Empfangsamplituden gilt die Annahme, daß B _D = B _U = B.

Es gelten die Gleichungen:

wobei

ωdie Trägerkreisfrequenz 2f f,tdie Zeit, die gesuchte mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit undc = c ( δ )die temperaturabhängige Ultraschallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit darstellen.

Während jeder Überlappungszeit t _G , also zweimal pro Wert der Trägerfrequenz f, wird am Ausgang des Addierers 5 entweder die Summenspannung

oder die Summenspannung

des gesendeten und des zugehörigen empfangenen Impulses erzeugt. In der Fig. 3 wurde angenommen, daß während des ersten Sendeimpulses innerhalb eines der Zeitbereiche t ₁, t ₂, t ₃, . . . die Summenspannung

und während des zweiten Impulses

am Ausgang des Addierers 5 ansteht. Der Amplitudendetektor 6 ermittelt dann anschließend während jeder Überlappungszeit t _G die Amplitudenwerte dieser Summenspannungen

Wenn mit dem Index * eine konjugiert komplexe Größe dargestellt wird, dann gilt beim stromabwärtigen Sender:

Diese Gleichungen ergeben zusammen:

Auf die gleiche Weise wird für das stromaufwärtige Senden folgende Gleichung ermittelt:

Die beiden Gleichungen (I) und (II) stellen in Funktion der Trägerkreisfrequenz ω = 2f f Kosinus-Funktionen dar, die unterschiedliche Perioden besitzen. Die durch die Gleichung (I) dargestellte erste Kosinus-Funktion

ist in der Fig. 5 dargestellt. Ihr Mittelwert, d. h. ihre Gleichspannungs-Komponente, ist gleich A ² + B ², ihre Wechselspannungs-Amplitude gleich 2 A · B, ihre Periode Ω gleich 2Π (c + ) / L und ihr Anfangswert gleich (A + B) ². Die niedrigste Trägerkreisfrequenz, bei der die erste Kosinus-Funktion

einen vorgegebenen konstanten Pegelwert M² besitzt, ist mit ω ₁ = 2π f ₁ bezeichnet (siehe Fig. 5). Die niedrigste Trägerkreisfrequenz, bei der die zweite Kosinus-Funktion

den gleichen Pegelwert M ² besitzt, wird dagegen mit ω ₂ = 2f f ₂ bezeichnet. Die drittniedrigste Trägerkreisfrequenz, bei der die erste Kosinus-Funktion

wieder einen Pegelwert M ² besitzt, ist mit ω ₃ = 2π f ₃ bezeichnet (siehe Fig. 5), d. h.

l ₃ = ω ₁ + Ω = ω ₁ + 2π (c + ) / L oder
f ₃ = f ₁ + (c + ) / L oder
Δ f _3,1 = f ₃ - f ₁ = (c + ) / L (III)

Mit anderen Worten: Beim stromabwärtigen Senden besitzen die Amplituden

der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses bei den Trägerkreisfrequenzen ω ₁ und ω ₃ bzw. bei den Trägerfrequenzen f ₁ und f ₃ einen Pegelwert M. Desgleichen besitzen beim stromaufwärtigen Senden die Amplituden

der Summenspannung eines Sende- und eines Empfangsimpulses bei der Trägerkreisfrequenz ω ₂ bzw. bei der Trägerfrequenz f ₂ ebenfalls den Pegelwert M.

Wie bereits erwähnt, liegen die im Zeitdiagramm 3 H der Fig. 3 dargestellten Abtastimpulse der Dauer τ ₃ zeitlich alle in den Überlappungszeiten t _G , so daß die Abtast/Halte-Schaltung 7 die Amplitudenwerte

der jeweiligen Summenspannungen abwechselnd einmal pro Überlappungszeit t _G abtastet und als Analogwerte speichert. Die gespeicherten analogen Abtastwerte stellen einen Auswerteparameter dar, der aus den gesendeten und den zugehörigen empfangenen Impulsen für jeden Wert der Trägerfrequenz f und für beide Senderichtungen ermittelt wird. Diese Abtastimpulse werden im Zeitgeber 9 erzeugt und erreichen über dessen ersten Abtast-Steuerausgang 17 den Steuereingang der Abtast/Halte-Schaltung 7 (Fig. 2). Der Analog-Digital-Wandler 11 wandelt die gespeicherten analogen Abtastwerte anschließend um in je einen Digitalwert, um diese dann anschließend dem Speicher des Rechners 12 zuzuführen, wo sie dann unter geeigneten Adressen abgespeichert werden.

Mit anderen Worten: Für jeden Wert der Trägerfrequenz f werden zeitlich nacheinander und in der angegebenen Reihenfolge je ein diskreter digitalisierter Abtastwert der Amplituden

und

im Speicher des Rechners 12 gespeichert, so daß für beide Senderichtungen je eine Funktion des Auswerteparameters in Abhängigkeit von der Trägerfrequenz f gespeichert ist. Da dieses Abspeichern für eine Vielzahl Werte der Trägerfrequenz f erfolgt, ergeben die Quadrate der digitalisierten Abtastwerte der Amplitudenwerte

der Summenspannungen beim stromabwärtigen und beim stromaufwärtigen Senden in Funktion der Trägerkreisfrequenz bzw. der Trägerfrequenz f je eine Vielzahl diskreter Kennlinienpunkte und damit je einen treppenförmigen Kosinus-Verlauf, der vom Rechner 12, z. B. mit Hilfe eines bekannten statistischen Verfahrens, in je eine zugehörige kontinuierlich-analoge Kosinus-Funktion umgewandelt wird, die durch die Gleichung (I) bzw. (II) dargestellt ist. Der Rechner 12 ermittelt anschließend die niedrigsten Trägerfrequenzen f ₁ und f ₂, bei denen die beiden Kosinus-Funktionen

einen dem Rechner 12 vorgegebenen Pegelwert M ² besitzen, sowie die drittniedrigste Trägerfrequenz f ₃, bei der die erste, dem stromabwärtigen Senden zugehörige Kosinus-Funktion

ebenfalls diesen Pegelwert M ² besitzt.

Für ω = ω ₁ = 2π f ₁ bzw. ω = ω ₂ = 2π f ₂ ergeben die Gleichungen (I) bzw. (II) die Gleichungen:

bzw.

oder

cos [ω ₁ · L / (c + )] = (M ² - A ² - B ² ) / 2 · A- · B = P

bzw.

cos [ω ₂ · L/(c - )] = (M ² - A ² - B²)/2 · A · B- = P

oder:

ω ₁ · L / (c + ) = arc cos P = K

bzw.

ω ₂ · L / (c - ) = arc cos P = K.

Die beiden letzten Gleichungen ergeben zusammen:

wobei m eine Konstante ist.

oder

Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist somit gemäß der Gleichung (VI) unabhängig von der temperaturabhängigen Ultraschallgeschwindigkeit c und damit auch selber unabhängig von der Temperatur δ . Sie ist dagegen abhängig von der vorläufig unbekannten Konstanten m. Diese wird mit Hilfe der Gleichungen (III) und (IV) ermittelt, da:

Die Gleichungen (VI) und (VII) ergeben zusammen:

Nachdem der Rechner 12 die Frequenzen f ₁, f ₂ und f ₃ ermittelt hat, berechnet er mit Hilfe des ihm vorgegebenen Abstandswertes L der beiden Ultraschallwandler US 1 und US 2 zeitlich nacheinander:

Es ist bei dieser Gelegenheit darauf hinzuweisen, daß die Meßstrecke einen symmetrischen Vierpol darstellt, der praktisch nur ein Verzögerungsglied ist.

Die beschriebene Methode gestattet es den Einfluß vorhandener Echos zu eliminieren und in relativ kurzer Zeit und unter Verwendung eines normalen und nicht komplizierten Aufbaus der Meßstrecke die mittlere Strömungsgeschwindigkeit w mit hoher Genauigkeit temperaturunabhängig zu ermitteln. Die Ultraschall-Sendefrequenz, d. h. die Trägerfrequenz f, sind innerhalb der Bandbreite des Frequenzspektrums der Ultraschallwandler US 1 und US 2 frei wählbar. Ein Regelkreis wird nicht benötigt.

Der in der Fig. 4 dargestellte Zeitgeber 9 erzeugt die in den Zeitdiagrammen 3 A, 3 B und 3 F bis 3 H der Fig. 3 dargestellten Signale. Der astabile Multivibrator 22 beginnt zu schwingen, sobald an seinem Speiseeingang über den Starteingang 13 des Zeitgebers 9 vom Rechner 12 eine Spannung angelegt wird. Die Periode seines Ausgangssignals, das im Zeitdiagramm 3 A der Fig. 3 dargestellt ist, ist t ₁ = t ₂ = t ₃- = . . . Jede seiner positivgehenden Flanken erzeugt mit Hilfe des ersten monostabilen Multivibrators 23 einen Impuls der Dauer τ ₁ und jede seiner negativgehenden Flanken mit Hilfe des zweiten monostabilen Multivibrators 24 einen Impuls ebenfalls der Dauer τ ₁. Der erste Oder-Gatter 25 addiert beide Impulsarten zeitseriell, so daß die im Zeitdiagramm 3 B der Fig. 3 dargestellte Impulsfolge des Tastsignals entsteht. Jede negativgehende Flanke dieses Tastsignals erzeugt mit Hilfe des dritten monostabilen Multivibrators 26 je einen Impuls der Dauer t ₂, der im Zeitdiagramm 3 F der Fig. 3 wiedergegeben ist.

Jede negativgehende Flanke dieser Impulse der Dauer τ ₂ erzeugt mit Hilfe des vierten monostabilen Multivibrators 27 je einen kurzen Rückstellimpuls der Dauer τ und erzeugt so die im Zeitdiagramm 3 G der Fig. 3 dargestellte Rückstell-Impulsfolge.

Jede negativgehende Flanke der Impulse der Dauer τ ₂ erzeugt außerdem noch mit Hilfe des fünften monostabilen Multivibrators 29 je eine Verzögerungszeit t _V , nach deren Ablauf je eine positivgehende Flanke am Eingang des sechsten monostabilen Multivibrators 32 erscheint, der nun jeweils einen Abtastimpuls der Dauer t ₃ erzeugt. Diese Abtastimpulse sind im Zeitdiagramm 3 H der Fig. 3 dargestellt.

Claims

1. Verfahren zur temperaturunabhängigen Messung einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit mit Hilfe zweier annähernd gleichen Ultraschallwandler, die stirnseitig an den beiden Enden einer von der Flüssigkeit in Längsrichtung durchflossenen Meßstrecke angeordnet sind und die beide zeitlich abwechselnd und im Gegentakt als Sender und Empfänger trägerfrequenter Ultraschallimpulse arbeiten, wobei der eine Ultraschallwandler jeweils die vom anderen Ultraschallwandler gesendeten Impulse empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß zeitlich in aufeinanderfolgenden Zeitperioden (t ₁, t ₂, t ₃, . . .) mit unterschiedlichen Werten der Trägerfrequenz (f) gesendet wird, daß bei jedem Wert der Trägerfrequenz (f) je ein einziger trägerfrequenter Impuls stromabwärts und je ein einziger trägerfrequenter Impuls stromaufwärts gesendet wird, daß aus den gesendeten und den zugehörigen empfangenen Impulsen für jeden Wert der Trägerfrequenz (f) und für beide Senderichtungen ein Auswerteparameter ermittelt und in einem Speicher eines Rechners (12) abgespeichert wird, so daß für beide Senderichtungen je eine Funktion des Auswerteparameters in Abhängigkeit von der Trägerfrequenz (f) gespeichert ist, daß der Rechner (12) anschließend die niedrigsten Trägerfrequenzen f ₁ und f ₂, bei denen die beiden Funktionen einem dem Rechner (12) vorgegebenen Pegelwert (M ²) besitzen, sowie die drittniedrigste Trägerfrequenz f ₃, bei der die dem stromabwärtigen Senden zugehörige Funktion ebenfalls diesen Pegelwert (M ²) besitzt, ermittelt und daß der Rechner (12) anschließend zeitlich nacheinander die DifferenzenΔ f _1,2 = f ₁ - f ₂ und Δ f _3,1 = f ₃ - f ₁sowie die mittlere Strömungsgeschwindigkeit = (L · Δ f _1,2 · Δ f _3,1) / (2 · f ₁)berechnet, wobei ihm der Wert des Abstandes L zwischen den beiden Ultraschallwandlern (US 1, US 2) vorgegeben ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer (τ ₁) und der räumliche Abstand (L) zwischen den beiden Ultraschallwandlern (US 1, US 2) derart gewählt ist, daß ein von einem Ultraschallwandler (US 1 bzw. US 2) gesendeter Impuls den dazugehörigen, vom anderen Ultraschallwandler (US 2 bzw. US 1) empfangenen Impuls zeitlich überlappt, daß während jeder Überlappungszeit (t _G ), also zweimal pro Wert der Trägerfrequenz (f), die Summenspannung des gesendeten und des zugehörigen empfangenen Impulses erzeugt, ihr Amplitudenwert ermittelt und dieser einmal pro Überlappungszeit (t _G ) abgetastet und als Analogwert gespeichert wird, daß jeder gespeicherte analoge Abtastwert als Auswerteparameter nach seiner Umwandlung in einen Digitalwert im Speicher des Rechners (12) abgespeichert wird, wobei die Quadrate der digitalisierten Abtastwerte der Amplitudenwerte der Summenspannungen beim stromabwärtigen und beim stromaufwärtigen Senden in Funktion der Trägerfrequenz (f) je einen treppenförmigen Kosinus-Verlauf besitzen, der vom Rechner (12) in je eine zugehörige kontinuierlich-analoge Kosinus-Funktion umgewandelt wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Sinusgenerator (2), einen Tastkontakt (3), einen zweipoligen Umschalter (4), einen Addierer (5), einen Amplitudendetektor (6), eine Abtast/Halte-Schaltung (7), einen Analog/Digital-Wandler (11) und einen Rechner (12) enthält.