DE68913819T2

DE68913819T2 - Geschwindigkeitsmessvorrichtung.

Info

Publication number: DE68913819T2
Application number: DE68913819T
Authority: DE
Inventors: Michael John Milford-On-Sea Hampshire S04 0Tw Gill
Original assignee: British Gas PLC
Current assignee: Advantica Intellectual Property Ltd Lough Gb
Priority date: 1988-06-09
Filing date: 1989-06-07
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2009-06-08
Also published as: JP3026803B2; DE68913819D1; AU6210390A; US5163331A; HK1007002A1; EP0347096A2; GB8813640D0; GB8913320D0; JPH11287817A; ES2050232T3; KR910001386A; EP0347096A3; AU624267B2; DK279989D0; JPH0285762A; ATE103075T1; KR920010025B1; DK279989A; GB2222254B; AU3624589A

Description

Geschwindigkeits-Meßvorrichtungen sind bereits vorgeschlagen worden, die die Geschwindigkeit einer Flüssigkeit relativ zur Vorrichtung messen, indem die Flugzeit eines akustischen Signals in beiden Richtungen zwischen ersten und zweiten Wandlern gemessen und aus der Flugzeit die relative Geschwindigkeit der Flüssigkeit abgeleitet wird. Solche Vorrichtungen sind u.a. vorgeschlagen worden zum Messen der Geschwindigkeit eines Schiffes durch das Wasser (z.B. wie in US 3,898,878 beschrieben) oder zum Messen der Strömungsrate einer Flüssigkeit in einem Rohr (z.B. wie in US 3,329,017 beschrieben).
Es wurde festgestellt, daß ein Nachteil solcher Vorrichtungen darin besteht, daß sie auf die Verwendung bei Flüssigkeiten beschränkt sind und sich nicht zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen eignen, und zwar in erster Linie infolge der Verwendung einer auf Amplitude basierenden Ermittlung der empfangenen Signale in solchen Vorrichtungen. In Gasen können Amplitudenänderungen bzw. -schwankungen im akustischen Signal groß sein, was zu einer Mehrdeutigkeit in der Ankunftszeit eines gesendeten Impulses am empfangenden Wandler und somit zu einer Ungenauigkeit führt.
Bei Anordnungen, wie beispielsweise nach GB-A-2167857, EP-A-0218126 und US-A-3727454, werden Alternativanordnungen eingesetzt, um die Flugzeit zu ermitteln. Bei solchen Systemen kann eine Phasenverschiebung zwischen Senden und Empfangen auftreten.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur genauen Geschwindigkeits- und/oder Volumenströmungs- Messung.
Erfindungsgemäß ist in einem ersten Aspekt ein Strömungsmittel-Geschwindigkeitsmeßgerät vorgesehen, mit ersten und zweiten, im Abstand voneinander angeordneten Wandlereinrichtung (T&sub1;, T&sub2;), Sende- (100, 140) und Empfangseinrichtungen (150) zum Aussenden und Empfangen von Signalen in beiden Richtungen zwischen den Wandlereinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinrichtung so eingerichtet ist, daß sie ein tonfrequentes Schwingungssignal erzeugt, welches einen Phasenwechsel einschließt, um eine Taktmarke auf dem gesendeten Signal vorzusehen, und daß die Empfangseinrichtung so eingerichtet ist, daß sie die Taktmarke auf dem empfangenen Signal abtastet.
Erfindungsgemäß ist in einem zweiten Aspekt ein Verfahren vorgesehen zum Messen einer Strömungsmittelgeschwindigkeit, mit den Verfahrensschritten des Erzeugens eines Signals, des Sendens und Empfangens des Signals in beiden Richtungen zwischen beabstandeten Wandlern durch einen Strömungsmittelweg hindurch, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal einen tonfrequenten Schwingungsimpuls mit einem Phasenwechsel darin enthält, um eine Taktmarke auf dem gesendeten Signal vorzusehen, und daß diese Taktmarke auf dem empfangenen Signal abgetastet wird.
Erfindungsgemäß ist in einem dritten Aspekt ein Gerät zum Messen der Volumenströmung eines Strömungsmittels vorgesehen, das durch eine Leitung fließt, mit ersten und zweiten Wandlereinrichtungen (T&sub1;, T&sub2;), die im Abstand voneinander angeordnet sind, um einen akustischen Weg zwischen sich zu bilden, wobei die Sende- und Empfangseinrichtungen zum Aussenden und Empfangen von akustischen Signalen in beiden Richtungen entlang dem akustischen Weg in der Leitung ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale zum Aussenden eine Taktmarke für den Empfang durch die empfangende Wandlereinrichtung einschließen, und mit Mitteln (30, 34), die so eingerichtet sind, daß sie die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels in der Leitung im Bereich des akustischen Wegen und entlang demselben erhöhen.
Erfindungsgemäß ist in einem vierten Aspekt ein Verfahren zum Empfangen der Geschwindigkeit eines Strömungsmittels durch eine Führung hindurch vorgesehen, bei dem erste und zweite Wandlereinrichtungen im Abstand voneinander angeordnet werden, um einen akustischen Weg dazwischen zu bilden, und bei dem akustische Signale in beiden Richtungen entlang dem akustischen Weg unter Verwendung der Wandlereinrichtungen ausgesendet und empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Taktmarke in den ausgesendeten Signalen einbezogen wird für den Empfang durch die empfangende Wandlereinrichtung und daß die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels in der Führung in einem Bereich des akustischen Weges und entlang demselben erhöht wird.
Durch Messung der Gasgeschwindigkeit durch eine Passage von bekannten Abmessungen hindurch sieht die Ausführungsform nach der Erfindung eine Messung der Volumenströmung vor und ist auf diese Weise als Zähler, insbesondere als Haushalt- Gaszähler anwendbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Erfindung, als Gaszähle ausgelegt,
Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles A in Fig. 1,
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Sende- und Abtastschaltung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 und 2,
Fig. 4 ein Beispiel der Phasen-Speicherschaltung von Fig.3,
Fig. 5 ein Beispiel der Detektorschaltung von Fig. 3,
Fig. 6 ein Timingdiagramm, das die Betriebsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 bis 5 wiedergibt,
Fig. 7 bis 11 Verfahrensschemata der verschiedenen Operationen, die bei der Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit eine Rolle spielen,
Fig. 12 eine erste Abänderung der Schaltung nach Fig. 3,
Fig. 13 eine zweite Abänderung der Schaltung nach Fig. 3,
Fig. 14 ein Timingdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweisen der Abänderungsform nach Fig. 8.
Die in den Figuren dargestellte Ausführungsform der Geschwindigkeits-Meßvorrichtung ist als Gaszähler ausgelegt, und zwar auf einem ähnlichen Grundprinzip wie der in der Beschreibungseinleitung erwähnte Stand der Technik, nämlich, daß die Flugzeiten von akustischen Signalen, die in beiden Richtungen zwischen den beiden Empfangs-/Sende-Wandlern übertragen werden, dazu verwendet werden, die Strömungsgeschwindigkeit eines zwischen den Wandlern fließenden Strömungsmittels abzuleiten. Das Strömungsmittel fließt durch eine Passage von bekannten Abmessungen, und die Strömungsgeschwindigkeits-Information wird dazu verwendet, die Volumenströmung anzuzeigen und somit das durch die Passage strömende Gas zu zählen.
Die mechanische Anordnung der beschriebenen Ausführungsform ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt und enthält ein Gehäuse, das sich zusammensetzt aus einem zylindrischen Rohr 10 mit Endkappen 14, 15, einem zylindrischen Einlaßrohr 11, senkrecht zur Achse des Rohres 10, und einem Auslaßrohr 16, das mit der Endkappe 15 verbunden und koaxial zum Rohr 10 befestigt ist.
Erste und zweite piezzoelektrische Wandler T&sub1;, T&sub2;, die aus einem Material, wie beispielsweise Silikongummi, zur Verbesserung der akustischen Anpassung an das durch die Vorrichtung strömende Gas bestehen, sind am Gehäuse befestigt. Die Wandler T&sub1;, T&sub2; können sowohl zum Senden als auch zum Abtasten eines akustischen Signals verwendet werden.
Der Wandler T&sub1; ist mit einem Fiberglas-Befestigungsbauteil 20 verbunden, der eine Hülse 22 zur Aufnahme des Wandlerelementes enthält. Der Befestigungsbauteil ist mit der Endkappe 14 durch Umfangsschrauben (nicht dargestellt) und über einen gasundurchlässigen O-Ring 24 verbunden.
Der Wandler T&sub2; ist mit dem Rohr 16 über einen Befestigungsbauteil 26 verbunden, der eine Hülse 28 enthält, in welcher der Wandler T&sub2; sitzt, wobei die Hülse 28 mit vier Flügeln 29 verbunden ist, die an der Innenseite des Rohres 16 (siehe Fig. 2) befestigt sind.
Ein Strömungs-Formungsbauteil 30 ist mit dem Rohr 16 so verbunden, daß er in das Rohr 10 hineinragt. Der Bauteil 30 hat eine Mittelbohrung 32, die einen Venturi-Abschnitt 34, einen Meßabschnitt 36, der von Punkten A bis B im Durchmesser leicht zunimmt, und einen Diffusor-Abschnitt 38 enthält. Die äußere Oberfläche 40 des Bauteils 30 bildet zusammen mit der Innenwand des Rohres 10 eine Beruhigungskammer 42 von großem Durchmesser, die vorgesehen ist, um einer Turbulenz in dem in das Gehäuse gelangenden Gas die Möglichkeit zu geben zu schwinden, und einen Abschnitt 42 von abnehmendem Querschnitt zur Erhöhung der Gasströmungsgeschwindigkeit.
Die Form des Bauteils 30 ist aerodynamisch so sauber wie möglich, um eine laminare Strömung aufrechtzuerhalten. Um die Gasströmung weiter zu beruhigen, ist ein ringförmiger Drahtgewebefilter 50 zwischen der Außenwand 40 und der Innenwand des Rohres 10 vorgesehen.
Die Gestalt des Strömungs-Formungsbauteils 30 ist so, daß die Strömungsgeschwindigkeit bis zu der Stelle beschleunigt wird, an der das Gas in den Meßabschnitt 36 gelangt, der so geformt ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrate durch den Abschnitt hindurch konstant gehalten werden (wobei die leichte Zunahme des Durchmessers viskose Effekte ausgleicht). Dadurch ist man in der Lage, sehr kleine Gasströmungsraten sehr genau zu messen.
Die Geschwindigkeits-Meßvorrichtung arbeitet nach dem folgenden Prinzip:
Angenommen, das durch den Zähler strömende Gas hat eine Schall-Fortpflanzungsgeschwindigkeit C und strömt mit einer Geschwindigkeit V entlang der gemeinsamen Achse der beiden Wandler T&sub1;, T&sub2;, die einen Abstand L voneinander haben, dann ist die Flugzeit von Ultraschall-Impulsen zwischen den beiden Wandlern in jeder Richtung:
t1 = L/(C+V) ... in der Richtung von T1 nach T2;
t2 = L/(C-V) ... in der Richtung von T2 nach T1.
Nach Umkehrung und Subtraktion:
V = 1/2L(1/t2-1/t1) ... (1).
Die Geschwindigkeit V wird durch den Meßabschnitt 32 hindurch zur Gas-Volumenströmung und somit zur verbrauchten Gasmenge in Beziehung gesetzt, wobei sonst alles gleich bleibt.
Die Sende- und Abtastvorrichtung zum Messen der Flugzeit von zwischen den Wandlern T1, T2 wandernden Signalen ist in Fig. 3 dargestellt. Die Schaltung wird mittels eines Mikroprozessors 100 gesteuert, der mit einer Taktquelle 110 und einem RAM/ROM-Speicher 120 ausgestattet ist. Der Mikroprozessor 100 enthält eine Vielzahl von Eingangs-/ Ausgangs-Leitungen (I/O), von denen fünf als Ausgangsleitungen (O1-O5) und eine als Eingangsleitung (I1) bei dieser Ausführungsform ausgelegt sind bzw. ist.
Die Ausgangsleitung O1 sieht ein pulsiertes Signal vor, das zu übermitteln ist, und dieses Signal wird einem Schalter 140 zugeführt, dessen Stellung über die Ausgangsleitung O2 gesteuert wird, so daß unter der Steuerung vom Mikroprozessor 100 her das Signal entweder dem Wandler T1 oder dem Wandler T2 über eine entsprechende Treibschaltung 142, 144 für das Aussenden zugeführt wird.
Das Treibsignal vom Mikroprozessor 100 her hat die in Fig. 6a dargestellte Form und ist eine rechteckimpulsmodulierte Trägerwelle oder ein tonfrequentes Schwingungssignal, in die bzw. das eine 180º-Phasenumkehrung eingesetzt worden ist. Diese Phasenumkehrung liefert eine Taktmarke zur Identifizierung des empfangenen Impulses, der sich nicht auf die augenblickliche Amplitude des empfangenen Signals stützt.
Die Wandler T1, T2 sind mit einem weiteren Schalter 150 auf der Empfängerseite der Schaltung verbunden. Die Stellung des Schalters wird über die Ausgangsleitung O3 so gesteuert, daß die Empfängerschaltung mit dem Wandler verbunden wird, der mittels des Schalters 140 nicht für das Aussenden ausgewählt ist. Das Ausgangssignal vom Schalter 150 her (siehe Fig. 6b), das in der Zeit gegenüber dem ausgesendeten Signal versetzt ist, wird über einen Vorverstärker 152 einem Begrenzungsverstärker 154 zugeführt, der wirksam wird, um das empfangene Signal rechteckig zu machen (siehe Fig. 6c). Der Ausgang vom Begrenzungsverstärker 154 wird dann zwei Ketten von Elektronik zugeführt. Die erste Kette weist ein Hochpaßfilter 156 und einen Begrenzungsverstärker 158 auf, und die zweite Kette weist einen Phasenspeicher 160 und einen Begrenzungsverstärker 162 auf. Die Ausgänge von beiden Elektronikketten werden dann einem Synchrodetektor 164, z.B. einem exklusiven OR-Tor, zugeführt.
Der Phasenspeicher 160 ist eine abgestimmte Schaltung, wie in Fig. 4 dargestellt, und weist erste und zweite Widerstände 170, 172 auf, wobei der Widerstand 172 parallel zu einem Induktor 174 und einem Kondensator 176 angeordnet ist. Die Werte der Elemente 170-176 sind so gewählt, daß die Schaltung auf die gleiche Frequenz wie das gesendete Signal abgestimmt ist, und die Schaltung hat den Effekt des Ausgebens eines Signals mit den gleichen Phasencharakteristiken wie der Signaleingang vom Verstärker 154 her, aber zeitverschoben um eine Zeitverzögerung in Relation zu der Zeitkonstante der Schaltung 170-176 (siehe Fig. 6d). Die gesendeten Impulsfrequenzen liegen im Bereich von 100 KHz bis 300 KHz.
Der Synchrodetektor 164 wird einen niedrigen Ausgang erzeugen, wenn die bei ihm eingehenden Signale phasengleich sind, und einen hohen Ausgang, wenn die bei ihm eingehenden Signale phasenungleich sind. Die Verzögerung des Signals vom Verstärker 154 her durch den Phasenspeicher 160 führt dazu, daß auch die Phasenumkehr im empfangenen Signal verzögert wird. Dies führt zu Perioden, in denen die Signale von den Verstärkern 158, 162 her phasengleich und phasenungleich sind, wobei die Signale exakt an der Stelle der Phasenumkehr des Signals vom Verstärker 158 her phasenungleich werden. Diese Zustandsänderung des Synchrodetektors 164 ergibt eine höchst genaue Taktmarke für das empfangene Signal (siehe Fig. 6e).
Der Synchrodetektor 164 wird über ein weiteres Filter 166 einem Detektor 168 eingegeben, der diese Zustandsänderung ermittelt.
Der Detektor 168 ist im einzelnen in Fig. 5 dargestellt und weist drei Komparatoren 180, 182, 184 mit unterschiedlichen Grenzwertpegeln auf, die mit einem Flipflop vom D-Typ verbunden sind, der als bistabile Einstell-Rückstell-Schaltung ausgelegt ist.
Der Komparator 180 empfängt das Signal vom Filter 166 her (als Eingangssignal bezeichnet) an seinem Umkehreingang und ist an seinem nicht umkehrenden Eingang mit einer Bezugsspannung verbunden, die durch R1, R2 und R3 spezifiziert wird. Die Bezugsspannung ist so eingerichtet, daß sie 25 % des Auslenkungs- bzw. Exkursionsbandes des Signals vom Filter 166 her beträgt. Der Komparator 180 ist von offener Kollektor- Konfiguration, so daß er an Erde liegt, es sei denn, das Eingangssignal ist geringer als der Grenzwert, der durch die Widerstände R1-R3 eingestellt ist, wobei an diesem Punkt der Komparatorausgang ein offener Stromkreis wird, und ein Kondensator C1 lädt sich dann von der Zufuhr VS über einen Widerstand R4 auf.
Der Komparator 184 ist auf einen durch den Widerstand R3 bestimmten Grenzwertpegel von 50 % des Exkursionsbandes des Signals vom Filter 166 her eingestellt und wird einen Offenstromkreis-Ausgang nur haben, nachdem das Eingangssignal den Grenzwert des Komparators 180 für eine zur Zeitkonstante der Schaltung R4, C1 in Beziehung stehende Verzögerungszeit überschritten hat. Sollte das Eingangssignal über den Grenzwert des Komparators 180 während dieser Zeitverzögerung ansteigen, so wird C1 über den kurzgeschlossenen Ausgang des Komparators 180 entladen. Die Schaltung R4, C1 liefert somit eine Zeitverzögerung, um sicherzustellen, daß das Ausgangssignal vom Filter 166 her dem "ruhigen" phasengleichen Teilstück der beiden bearbeiteten Versionen des empfangenen Signaleingangs zum Synchrodetektor 164 entspricht. Wenn einmal der Grenzwert des Komparators 184 erreicht worden ist, wird der Ausgang des Komparators 184 kurzgeschlossen, und der Flipflop 186 wird eingestellt.
Der Flipflop wird rückgestellt, wenn einmal die Signale aus den Verstärkern 158, 162 durch den Synchrodetektor 164 als phasenungleich (was einen hohen Eingang am Filter 166 erzeugt) unter Verwendung des Komparators 182 abgetastet werden. Der Komparator 182 wird mit dem Eingangssignal aus dem Filter 166 versehen. Der gleiche Grenzwertpegel, wie er beim Komparator 184 zur Anwendung kommt, wird dem nicht- umkehrenden Eingang des Komparators 182 zugeführt, so daß der Ausgang aus dem Komparator 182 kurzgeschlossen wird, was somit den Flipflop 186 rückstellt, und zwar immer dann, wenn das Signal aus dem Filter 166 über 50 % seines Exkursionsbandes ansteigt. Der Komparator 182 wird dauernd wirksam sein, um den Flipflop 186 rückzustellen, mit Ausnahme während der Periode des In-Phase-Vergleichs durch den Synchrodetektor 164 (siehe Fig. 6f).
Der Ausgang vom Detektor ist mit einer Arm- und Triggerschaltung 169 verbunden, die auf den fallenden Pegel des Ausgangssignals vom Flipflop 186 reagiert. Der Ausgang aus der Arm- und Triggerschaltung 169 wird dann der Eingangspforte des Mikroprozessors 100 zugeführt.
Eine Hochgeschwindigkeits-Zählerschaltung 190 mißt unter der Steuerung des Prozessors 100 über die Ausgangsleitung O4 die Flugzeit des akustischen Signals, wobei sie ein Zählstartsignal zum Zeitpunkt der Phasenumkehrung des ausgesendeten Signals (von Leitung O5) und ein Zählstopsignal von der Arm- und Triggerschaltung 169 empfängt. Die Transitzeit- Information wird dann dem Prozessor 100 über einen Hauptweg 192 zugeführt.
Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist grafisch in Fig. 6 veranschaulicht, in der Fig. 6a die Form des Ausgangssignals von der Ausgangspforte O1 des Mikroprozessors 100 zeigt. Dieses wird vom Wandler T1 zum Wandler T2 übertragen und wird empfangen durch die empfangende Schaltung, und zwar nach Vorverstärkung, in der in Fig. 6b dargestellten Form. Der Begrenzungsverstärker 154 gibt dem Signal die in Fig. 6c dargestellte Rechteckform, die im wesentlichen die gleiche Form wie die übertragene hat. Fig. 6d zeigt das Signal am Ausgang vom Phasenspeicher 160, und das wird in die Rechteckform durch den Verstärker 162 gebracht, in dem das Signal 6d die gleiche Phaseninformation wie das Signal 6c behalten hat, jedoch zeitverzögert wurde. Der Ausgang vom Filter 156 und Verstärker 158 ist von im wesentlichen der gleichen Form wie der in Fig. 6c dargestellten. Fig. 6e zeigt das Ausgangssignal vom Synchrodetektor 164. Durch Betrachten von Fig. 6c und 6d wird erkennbar, daß diese bis zur Zeit t1 phasengleich sind, was den Phasenwechsel des Signals 6c markiert. An diesem Punkt werden diese Signale völlig phasenungleich, was eine Änderung des Zustandes des Synchrodetektors 164 mit sich bringt und zu dem Hochpegel-Impuls nach Fig. 6e führt. Diese Phasenungleich- Beziehung dauert an,bis die Zeitverzögerung, die dem Signal durch den Phasenspeicher 160 aufgezwungen wurde, abgelaufen ist, und die Signale werden wieder phasengleich.
Fig. 6f veranschaulicht den Ausgang des Detektors 168. Wie dargestellt, ist der Flipflop 186 nicht eingestellt, bis das Eingangssignal für den Detektor 168 eine ausreichende Zeit (t2) niedrig geblieben ist, um dem Kondensator C1 die Möglichkeit zu geben, sich auf den Grenzwertpegel des Komparators 184 aufzuladen. Das Signal wird über den Komparator 182 durch den sich ändernden Zustand des Signals 6e rückgestellt.
Es ist anzumerken, daß die empfangenen Signale hohe Geräuschkomponenten enthalten. Diese rapiden Exkursionen veranlassen den Flipflop, rückgestellt zu bleiben, außer während des "ruhigen" Phasenteilstücks, das durch den Synchrodetektor 164 abgetastet wird.
Bei Gebrauch gestaltet der Mikroprozessor 100 die Wandler T1, T2 so, daß eine Impulskette von der Art, wie sie in Fig. 6a dargestellt ist, zunächst in der einen Richtung und dann in der anderen gesendet wird. Die Geschwindigkeit des im Meßabschnitt 32 strömenden Gases kann dann aus der obigen Gleichung (1) abgeleitet werden, wenn einmal eine Kompensation eingeführt worden ist, um festgelegten Zeitverzögerungen für Impulse, um durch die Elektronik und Wandler hindurch zu gelangen, Rechnung zu tragen.
Mit Bezug auf die Figuren 7 bis 11 ist das Gaszähler-Betriebssystem aufgebaut auf vordergründigen und hintergründigen Aufgaben bzw. Prozessen.Die hintergründigen Aufgaben werden unter Unterbrechungssteuerung ausgeführt, wobei den vordergründigen Aufgaben bzw. Prozessen die Möglichkeit gegeben wird, in den Zeiten zwischen Unterbrechungen zu arbeiten.

Hintergründige Aufgaben bzw. Prozesse:

Zwei Quellen für Unterbrechung sind vorhanden. Die regulär gewählte Unterbrechung (POLL) wird aufgebaut, um eine Unterbrechung zu vorbestimmten Intervallen zu verursachen, wobei diese verwendet wird, um Senden und Empfangen des Ultraschall- Impulses entsprechend einer Unterbrechungszählung zu bewerkstelligen (siehe Fig. 11).
Die andere Quelle für Unterbrechung ist IRQ1, die aufgebaut wird, um bei Empfang des empfangenen Ultraschall- Impulses zu unterbrechen, so daß es möglich wird, daß die Transitzeit-Information vor der Übertragung des nächsten Impulses gespeichert wird.
Die Transitzeit-Information wird durchgegeben zwischen hintergründigen und vordergründigen Prozessen, d.h. zwischen den Abstimm-Routinen und der Hauptbearbeitungs-Software, und zwar durch die Verwendung von Software-Kennzeichen.

Vordergründige Aufgaben bzw. Prozesse:

Die Software zirkuliert normalerweise um die Hauptabtastschleife herum (siehe Fig. 8), bis sie ein Kennzeichen findet, das durch die Hintergrundprozesse gesetzt ist, und jedesmal, wenn ein Impuls empfangen wird, stellt POLL den TX-FLAG auf FINISHED ein, und die Funktion "PROCESS-TX" wird durch die Hauptabtastschleife abgerufen (siehe Fig. 9). PROCESS-TX wird eine Achsendrehzahl aus dem vorherigen Paar von Impulsen auflösen und diese in die Gesamt-Achsendrehzahl einaddieren. Nur wenn die Gesamt- Achsendrehzahl-Zählung ihren Maximalwert erreicht hat, sorgt die Hauptabtastschleife dafür, daß die Funktion ANALYSE SPEED abgerufen wird (siehe Fig. 10). ANALYSE SPEED wird die durchschnittliche Achsendrehzahl über die Periode errechnen, und die vergangene Zeit seit der letzten Berechnung wird aufgelöst, damit eine Volumenberechnung unter Verwendung von Volumen=Drehzahl x Zeit x Querschnitt durchgeführt werden kann.
Da die Gasströmungsgeschwindigkeit in Beziehung steht zur Volumenströmung durch den Meßabschnitt hindurch, können Werte für Gasströmungsgeschwindigkeit, gemessen zu vorbestimmten Intervallen, numerisch integriert werden, um das Volumen des durch den Meßabschnitt strömenden Gases abzuleiten. Die Beziehung zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrate ist nicht linear, da sich das Strömungsprofil mit der Strömungsrate ändert. Somit muß ein geschwindigkeitsabhängiger Koeffizient, der im Speicher 120 gespeichert ist, bei der Bestimmung der Volumenströmung verwendet werden. Darüber hinaus können zusätzliche Sensoren zum Abtasten von Temperatur, Druck und Feuchtigkeit im Zähler enthalten sein; wobei der Mikroprozessor über eine Sichttabelle im Speicher 120 Änderungen in den tatsächlichen Zuständen gegenüber einem eingestellten Wert kompensiert.
Die Temperatur kann als Teil der Ultraschall-Messungen bestimmt werden, jedoch nur für eine bekannte Gaszusammensetzung. Ein unabhängiger Temperaturfühler kann allerdings ein Platinwiderstand-Temperaturelement aufweisen, wobei der Fühlerausgang periodisch durch den Mikroprozessor 100 abgefragt wird. Ein geeigneter Druckfühler würde ein Silizium-Membranfühler mit einem Bezugsvakuum sein.
Die Volumenströmung und somit der Gasverbrauch wird auf einer Anzeige 130 wiedergegeben, die eine LCD- oder LED- Anzeige oder alternativ ein elektromechanischer Summenzähler sein kann. Alternativ kann eine Schnittstelle zu einer Abfragevorrichtung anstelle oder neben der Anzeige 130 vorgesehen sein.
Wenn auch die Identifizierung des Phasenwechsels im empfangenen Signal, ausgeführt durch den Synchrodetektor 164, eine genaue Taktmarke für das empfangene Signal liefert, so kann bei einigen Anwendungen, insbesondere solchen mit hohem Geräuschpegel, eine weitere Information bezüglich des empfangenen Signals erforderlich sein. Eine erste Abänderung der Ausführungsform nach Fig. 3, dargestellt in Fig. 12, sieht diese zusätzliche Information vor und weist einen Nulldurchgangs-Detektor 200 auf, der mit dem Ausgang des Begrenzungsverstärkers 154 verbunden ist. Der Nulldurchgangs- Detektor ist mit einem Taktzähler 210 verbunden, der seinerseits über eine Sammelverbindung 212 mit einem Registerstapel 220 in Verbindung steht. Bei Gebrauch ermittelt der Nulldurchgangs-Detektor, wenn das Signal den Pegel von 50 % seines Exkursionsbandes kreuzt, und gibt einen Impuls an den Taktzähler 210 ab. Der Taktzähler 210 übermittelt dann dem Registerstapel 220 einen Wert, der der Zeit entspricht, zu welcher der Durchgang ermittelt wurde. Dies arbeitet kontinuierlich, wobei der Stapel 220 ständig von Adresse A1 bis Adresse A10 gefüllt wird und jede Zeitreferenz am Ende des Stapels abfällt, wenn sie A10 erreicht. Wenn der Mikroprozessor 100 das Phasenwechsel- Identifizierungssignal am Eingang O1 empfängt, schaltet er den Taktzähler 210 ab, liest dessen gegenwärtigen Wert, der der Zeit des Phasenwechselpunktes entsprechen würde, und liest dann die Inhalte der Speicher A1-A10, die den vorherigen Nulldurchgängen entsprechen würden, deren Timing zu dem Inhalt des Taktzählers 210 in Beziehung gesetzt würde, wenn dieser abgeschaltet ist. Dies würde somit die Information bezüglich der Durchgangspunkte der vorherigen Impulse der empfangenen Impulskette relativ zum Phasenwechselpunkt liefern, die dann als Teil eines geeigneten statistischen Algorithmus verwendet wird, um genauer die Empfangszeit des empfangenen Impulssignals festzusetzen.
Nach dem Herauslesen des Inhaltes der Register würde der Mikroprozessor den Taktzähler wieder einschalten, und der Prozeß würde wieder beginnen.
Wie oben mit Bezug auf Fig. 3 dargelegt, ist es notwendig, daß die abgestimmte Schaltung des Phasenspeichers 160 genau auf die Frequenz des akustischen Signals abgestimmt ist. Faktoren, wie z.B. Komponententoleranz, bedeuten, daß eine gewisse Abstimmung und Kalibrierung der abgstimmten Schaltung 160 oder Software-Einstellung auf die Frequenz des akustischen Signals durch den Mikroprozessor 100 allgemein erforderlich sein werden. Fig. 13 zeigt eine Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 3, bei der das ausgesendete Signal unter Verwendung des Phasenspeichers 160 erzeugt wird, so daß auf diese Weise die Notwendigkeit einer solchen Kalibrierung umgangen wird.
In Fig. 13 nimmt das ausgesendete Signal vom Mikroprozessor 100 auf der O1-Leitung nunmehr die Form eines Einzelimpulses von der Dauer der zu übertragenden Impulskette an. Dieses Signal wird einer monostabilen Schaltung 305 zugeführt, die einen kurzen Impuls (Fig. 14a) erzeugt, der über einen Verstärker 310 einem Schalter 320 zugeführt wird, welcher durch den Mikroprozessor 100 gesteuert wird. Der Schalter 320 schaltet zwischen der Empfängerschaltung (von der der Begrenzungsverstärker 154 gestrichelt dargestellt ist) und dem Übertragungssignal vom Mikroprozessor. Das ausgewählte Übertragungssignal wird dann dem Phasenspeicher 160 und Begrenzungsverstärker 162 zugeführt. Das Impulssignal vom Mikroprozessor 100 wird die abgestimmte Schaltung des Phasenspeichers 160 veranlassen zu schwingen, wie beispielsweise in Fig. 14b dargestellt. Wenn einmal durch den Verstärker 162 verstärkt (Fig. 14c), wird dieses Signal über ein exklusives OR-Tor 330 geschickt, dessen Ausgang (Fig. 14d) dem Takteingang eines Flipflop 340 vom D-Typ zugeführt wird. Der andere Eingang zum exklusiven OR-Tor 330 ist der Q-Ausgang des Flipflop 340 (Fig. 14f). Der D-Eingang des Flipflop 330 wird mit einem Phasenumkehrsignal vom Mikroprozessor 100 her geliefert (Fig. 14e), und der Flipflop liefert einen Phasen-Triggerausgang zum Mikroprozessor am Q-Ausgang des Flipflop.
Bei Gebrauch veranlaßt der Impuls von der monostabilen Schaltung 305 her die Phasenspeicherschaltung zu schwingen, wie in Fig. 14b dargestellt. Das Ausgangssignal vom Verstärker 162 (Fig. 14c) wird dann mit dem -Ausgang des Flipflop 340 verglichen. Da der D-Eingang zum Flipflop 340, um mit ihm zu starten, niedrig ist (Fig. 14e), ist der -Ausgang hoch (Fig. 14f). Daher wird nach Durchgang durch den Inverter 345 das Signal vom Verstärker 162 her mit einem konstant niedrigen Signal verglichen, und daher hat das exklusive OR-Tor die Funktion, das Signal in die in der ersten Hälfte der Fig. 14d dargestellte Rechteckform zu bringen. Zu einem vorbestimmten Zeitpunkt wird das Phasenumkehrsignal erhöht (Fig. 14e). Dies veranlaßt den -Ausgang des Flipflop 340, niedrig zu gehen, jedoch nur nach der nächsten ansteigenden Kante des Ausgangs vom exklusiven OR-Tor 330 (dem Takteingang zum Flipflop 340). Wenn niedrig geht, dann geht der Ausgang vom Element 345 hoch. Dies veranlaßt das exklusive OR-Tor 330, die Umkehr des Signals vom Verstärker 162 her in eine Rechteckform zu bringen, was somit eine Änderung im Zustand des Ausgangs vom Tor 330 verursacht, und zwar fast unmittelbar der ansteigenden Kante folgend, die die -Zustandsänderung verursachte. Dies ist in Fig. 14d als eine Geräuschspitze an dieser Stelle der 180º-Phasenänderung dargestellt.
Der Ausgang Q, der komplementär ist, sieht eine Taktmarke für das ausgesendete Signal vor, die den Punkt der Phasenänderung für den Eingang zum Prozessor und Hochgeschwindigkeitszähler identifiziert.
Wenn auch die obige Ausführungsform mit Bezug auf einen Sensor zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases und somit der Volumenströmung desselben durch einen Meßabschnitt von bekannten Abmessungen hindurch beschrieben wurde, so ist die Erfindung gleichermaßen anwendbar zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen und Flüssigkeiten bei anderen Anwendungsarten, z.B. bei jenen, die in den in der Beschreibungseinleitung erwähnten Schriften zum Stand der Technik erwähnt sind.
Während außerdem die sendenden und empfangenden Schaltungen eine 180º-Phasenänderung im gesendeten Signal als Taktmarke verwendet haben, können auch andere Phasenänderungen und zugehörige empfangende Schaltungen verwendet werden, wie dies einschlägigen Fachleuten geläufig ist.

Claims

1. Gerät zum Messen der Geschwindigkeit eines Strömungsmittels, mit ersten und zweiten, im Abstand voneinander angeordneten Wandlereinrichtungen (T&sub1;, T&sub2;), Sende- (100) und Empfangseinrichtungen (150) zum Aussenden und Empfangen von Signalen in beiden Richtungen zwischen den Wandlereinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinrichtung ein tonfrequentes Schwingungssignal erzeugt, welches einen Phasenwechsel einschließt, um eine Taktmarke auf dem gesendeten Signal vorzusehen, und daß die Empfangseinrichtung die Taktmarke auf dem empfangenen Signal abtastet.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem das tonfrequente Schwingungssignal eine Reihe von Impulsen aufweist, wobei mindestens einer der Impulse eine andere Phase als die übigen Impulse hat, um die Taktmarke vorzusehen, wobei die Empfangseinrichtung diese Taktmarke auf dem empfangenen Signal abtastet und Mittel zur Bestimmung der Strömungsmittelgeschwindigkeit aus der von der Empfangseinrichtung abgeleiteten Information enthält.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Wandlereinrichtungen je eine piezoelektrische Vorrichtung (T&sub1;,T&sub2;) mit Flächen (17, 18) aufweisen, die so gestaltet sind, daß sie mit dem Strömungsmittel akustisch kompatibel sind.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Sendeeinrichtung Mittel zum Schalten von Impulseingängen (140) nach den ersten und zweiten Wandlereinrichtungen enthält, und bei dem die Empfangseinrichtung Mittel (150) zum Schalten von den ersten und zweiten Wandlereinrichtungen her enthält, wodurch die Wandlereinrichtungen abwechselnd zum Senden und Empfangen der zwischen den beabstandeten Wandlereinrichtungen geschickten Signale verwendet werden.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Empfangseinrichtung Impuls-Formgebungsmittel (152, 154) enthält, um die Form der gesendeten Signale im wesentlichen wiederherzustellen, ferner Verzögerungsmittel (160) zum Verzögern der wiederhergestellten Signale und eine Detektoreinrichtung (168) zum Ermitteln der Phasenbeziehung zwischen den verzögerten und unverzögerten Signalen aufweist, um einen Ausgang in Abhängigkeit von deren Phasenbeziehung vorzusehen.

6. Gerät nach Anspruch 5, bei dem die Detektoreinrichtung eine bistabile Vorrichtung (186) enthält, die ständig rückstellbar ist, außer während einer Periode von Phasengleichheits-Ermittlung.

7. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit eine Zählereinrichtung (190) zum Zählen der Periode zwischen einer erzeugten Taktmarke und einer empfangenen Taktmarke sowie eine Konvertereinrichtung (100) zum Umwandeln der Transitzeit desselben in die Strömungsmittelgeschwindigkeit enthält.

8. Gerät nach Anspruch 7, bei dem die Konvertereinrichtung (100) so gestaltet ist, daß sie die Strömungsmittelgeschwindigkeit für Meßzwecke in Strömungsrate umwandelt.

9. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Geschwindigkeitsbestimmungseinrichtung einen Mikroprozessor (100) aufweist und bei dem eine Anzeigeeinrichtung (130) vorgesehen ist, um eine visuelle Anzeige der Resultate daraus vorzusehen.

10. Gerät nach Anspruch 9, bei dem der Mikroprozessor einen Speicher (120) zum Speichern von geschwindigkeitsabhängigen Koeffizienten für das Korrigieren von nicht-linearen Beziehungen zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrate enthält.

11. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche mit Mitteln zum Abtasten von Temperatur, Druck und/oder Feuchtigkeit, um es der Ermittlungseinrichtung zu ermöglichen, die rechnerische Auswertung in Abhängigkeit von den Abtastmitteln zu modifizieren.

12. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Schnittstellen vorgesehen sind, um eine Fernabfrage der ermittelten Information zu ermöglichen.

13. Verfahren zum Messen einer Strömungsmittelgeschwindigkeit mit den Verfahrensschritten des Erzeugens eines Signals, des Sendens und Empfangens des Signals in beiden Richtungen zwischen beabstandeten Wandlern durch einen Strömungsmittelweg hindurch, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal einen tonfrequenten Schwingungsimpuls mit einem Phasenwechsel darin enthält, um eine Taktmarke auf dem gesendeten Signal vorzusehen, und daß diese Taktmarke auf dem empfangenen Signal abgetastet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Signal eine Reihe von Impulsen aufweist, wobei mindestens einer der Impulse eine andere Phase hat als die übrigen Impulse, um die Taktmarke vorzusehen, und bei dem die Strömungsmittelgeschwindigkeit aus der von den empfangenen Signalen abgeleiteten Information bestimmt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der Verfahrensschritt des Sendens das Schalten von Impulseingängen nach den ersten und zweiten Wandlern und der Verfahrensschritt des Empfangens das Schalten von den ersten und zweiten Wandlern weg einschließt, wodurch die Wandler abwechselnd zum Senden und Empfangen der zwischen Ihnen wandernden Signale verwendet werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13, 14 oder 15, bei dem der Verfahrensschritt des Empfangens im wesentlichen ein Wiederherstellen der Form der bei Empfang gesendeten Signale, ein Verzögern der wiederhergestellten Signale und das Ermitteln der Phasenbeziehung zwischen den verzögerten und unverzögerten Signale einschließt, um einen Ausgang in Abhängigkeit von deren Phasenbeziehung vorzusehen.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem der Verfahrensschritt der Geschwindigkeitsbestimmung das Zählen der Periode zwischen einer erzeugten Taktmarke und der ermittelten Taktmarke sowie das Umwandeln der Transitzeit derselben in Strömungsmittelgeschwindigkeit einschließt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, mit dem Verfahrensschritt des Umwandelns der Strömungsmittelgeschwindigkeit in Strömungsrate für Meßzwecke.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, mit dem Verfahrensschritt des Vorsehens einer visuellen Anzeige der Geschwindigkeitsresultate.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, mit dem Verfahrensschritt des Speicherns geschwindigkeitsabhängiger Koeffizienten zum Korrigieren nicht-linearer Beziehungen zwischen Strömungsmittelgeschwindigkeit und Strömungsrate.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, mit dem Verfahrensschritt des Abtastens von Temperatur, Druck und/oder Feuchtigkeit, um dem Ermittlungsschritt die Möglichkeit zu geben, die rechnerische Auswertung in Abhängigkeit von der abgetasteten Information zu modifizieren.

22. Gerät zum Messen der Geschwindigkeit und Volumenströmung eines Strömungsmittels, das durch eine Leitung fließt, mit ersten und zweiten Wandlereinrichtungen (T&sub1;, T&sub2;), die im Abstand voneinander angeordnet sind, um einen akustischen Weg zwischen sich zu bilden, mit Sende- (100, 140) und Empfangseinrichtungen (150) zum Aussenden und Empfangen von akustischen Signalen in beiden Richtungen zwischen den Wandlern, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale zum Aussenden einen Phasenwechsel einschließen, um eine Taktmarke für den Empfang durch die empfangende Wandlereinrichtung vorzusehen, und mit Mitteln (30, 34), die so eingerichtet sind, daß sie die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels in der Leitung im Bereich des akustischen Weges und entlang demselben erhöhen.

23. Gerät nach Anspruch 22, bei dem die Mittel zum Erhöhen der Geschwindigkeit eine Venturi-Vorrichtung (34) umfassen.

24. Gerät nach Anspruch 23, bei dem die Venturi-Vorrichtung in Richtung auf das eine Ende eines Strömungsformungsbauteils (30) konfiguriert ist, wobei dieser Bauteil außerdem einen Meßabschnitt (36) enthält, der so konfiguriert ist, daß er die Strömungsgeschwindigkeit aufrechterhält, und an dessen einem Ende die eine der Wandlereinrichtungen (T&sub2;) angebracht ist, wobei die andere Wandlereinrichtung (T&sub1;) im Bereich der Venturi-Vorrichtung montiert ist.

25. Gerät nach Anspruch 24, bei dem der Meßabschnitt ein Teilstück (A, B) von zunehmendem Durchmesser enthält, um viskose Effekte zu kompensieren und sicherzustellen, daß die Geschwindigkeit aufrechterhalten wird.

26. Gerät nach Anspruch 24 oder 25, bei dem der Strömungsformungsbauteil eine Absetzkammer (42) aufweist, um zu ermöglichen, daß Turbulenz vor dem Messen wesentlich reduziert wird.

27. Gerät nach einem der Ansprüche 22 bis 26, bei dem Filtermittel (50) vorgesehen sind, um die Strömung zu beruhigen.

28. Gerät nach einem der Ansprüche 22 bis 27, mit einer Zähleinrichtung (190) für die Periode zwischen Senden und Empfangen der Taktmarke, um die Strömungsmittelgeschwindigkeit zu bestimmen.

29. Gerät nach einem der Ansprüche 22 bis 28, bei dem der eine Wandler an einer Hülse (28) mit einem flügeligen Teilstück sitzt.

30. Gerät nach einem der Ansprüche 22 bis 29, bei dem eine Generatoreinrichtung (100) vorgesehen ist,um die Signale in Form einer Reihe von Impulsen zu erzeugen, von denen zumindest einer eine andere Phase hat als die übrigen, um die Taktmarke vorzusehen, und bei dem Mittel (100) vorgesehen sind zum Errechnen der Strömung unter Verwendung der erzeugten Signale.

31. Gerät nach einem der Ansprüche 22 bis 30, bei dem die Mittel zum Erhöhen der Strömungsmittelströmung eine Leitung einschließen, wobei diese Leitung an jedem Ende mit einem Innendurchmesser endet, der größer ist als derjenige des übrigen Teils.

32. Gerät nach Anspruch 31, bei dem zumindest der eine Wandler außerhalb der Leitung vorgesehen ist.

33. Gerät nach Anspruch 31 oder 32, bei dem die Leitung ein Teilstück von größerem Außendurchmesser einschließt, um eine verengte Passage zwischen der Leitung und der Führung für das Strömungsmittel vorzusehen.

34. Gerät nach einem der Ansprüche 22 bis 33, bei dem die Wandlereinrichtungen so angebracht sind, daß der Strömungsmittelweg und die akustischen Wege im Bereich der erhöhten Geschwindigkeit koaxial verlaufen.

35. Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit und Volumenströmung eines Strömungsmittels durch eine Führung hindurch, bei dem erste und zweite Wandlereinrichtungen im Abstand voneinander angeordnet werden, um einen akustischen Weg dazwischen zu bilden, und bei dem akustische Signale in beiden Richtungen entlang dem akustischen Weg unter Verwendung der Wandlereinrichtungen ausgesendet und empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein tonfrequentes Schwingungssignal mit einem Phasenwechsel im Signal einbezogen wird, um eine Taktmarke in den ausgesendeten Signalen für den Empfang durch die empfangende Wandlereinrichtung vorzusehen, und daß die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels in der Führung in einem Bereich des akustischen Weges und entlang demselben erhöht wird.