DE2556158A1

DE2556158A1 - Verfahren und vorrichtung zur ueberwachung des fliessvorganges von fluessigkeiten oder dergleichen

Info

Publication number: DE2556158A1
Application number: DE19752556158
Authority: DE
Inventors: Keith Hindle Smith; Peter David Smith
Original assignee: Detectronic Ltd
Current assignee: Detectronic Ltd
Priority date: 1974-12-11
Filing date: 1975-12-11
Publication date: 1976-06-16
Also published as: ES443423A1; US4048853A; FR2294447A1; GB1528917A; BE836473A; IE42188L; FR2294447B3; IT1050081B; IE42188B1; ZA757579B; SE405420B; LU73966A1; DK563575A; NO754183L; NL7514423A; SE7513957L; AU8740375A; FI753497A

Description

Lambeth Street, Blackburn, Lancashire ENGLAND

Verfahren und Vorrichtung zur überwachung des Fließvorganges von Flüssigkeiten oder dergleichen

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung von Flüssigkeitsströmen, wie Aufschlämmungen, aber auch von granuliertem Material und dergleichen mehr entlang einer Leitungsführung.

In der GB-PS 14 15 839 sind Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der relativen Fahrgeschwindigkeit eines Schiffes beziehungsweise eines Bootes beschrieben, wobei man sich dort des bekannten Dopplereffektes bei Verwendung eines akustischen

Signals bedient.

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Nach der vorliegenden Erfindung wird von diesem Stand der Technik ausgegangen und in Abwandlung diese Verfahrensweise für die Messung von Fließgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten, Aufschlämmungen oder granuliertem Material (wobei diese Materialien nachfolgend unter dem Begriff Flüssigkeiten zusammengefaßt werden) benutzt. Die Messung soll für den Fluß von Materialien durch eine Leitung hindurch dienen, wobei der Querschnitt und die Dichte der Flüssigkeit bekannt sind und die Messung der Geschwindigkeit zur Errechnung des Volumens verwendbar ist, welches pro Zeiteinheit durch die Leitung hindurchfließt und/oder der Dichte der Flüssigkeit, die pro Zeiteinheit fließt.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Überwachung und Anzeige der Flußgeschwindigkeit von Flüssigkeiten entlang einer ge- :

eigneten Führung vorgegeben, nachdem ein fortwährendes akusti- I

ι sches Signal bekannter Frequenz durch die Wandung der die [ Flüssigkeit aufnehmenden Leitung und in die bewegte Flüssigkeit gegeben wird, wobei wenigstens ein Teil des reflektierten Signals mit einer entsprechend dem Dopplereffekt gegenüber der ausgesandten Frequenz etwas unterschiedlichen Frequenz wieder empfangen wird und die beiden Frequenzen der emittierten und empfangenen Signale miteinander verglichen werden, und wobei im Ergebnis dieses Vergleichs ein elektrisches Signal gewonnen wird, welches gleich der Differenz zwischen den beiden Signal-

frequenzen ist. Das gewonnene Signal, was gemäß den Dopplereffekt proportional zur Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes in der Leitung ist, wird einem Frequenzzähler zugeführt, der es ermöglicht, die Fließgeschwindigkeit anzuzeigen.

Erfindungsgemäß wird auch eine Vorrichtung zur überwachung und Anzeige der Fließgeschwxndigkeit einer Flüssigkeit entlang einer Leitung geschaffen, die Elemente zur Aussendung und zum Empfang von Signalen aufweist, wobei es sich bei dem ausgesandten Signal um ein kontinuierliches akustisches Signal bekannter Frequenz handelt, das in die Flüssigkeit einzudringen vermag und von dem wenigstens ein Teil als reflektiertes Signal entsprechend dem Dopplereffekt mit einer unterschiedlichen Frequenz zu dem ausgesandten Signal wieder empfangen wird. Die Vorrichtung ist mit einem Oszillator ausgestattet, der das auszusendende Signal bekannter Frequenz vorgibt und mit Filterelementen zur Abtrennung oder Demodulation der abgegebenen Frequenz von der empfangenen Frequenz, so daß ein erstes elektrisches Ausgangssignal gewonnen werden kann, das gleich der Doppler-Differenzfrequenz ist. Des weiteren ist ein Frequenzteiler vorgesehen zur Abtrennung der Doppler-Differenzfrequenz mittels eines ersten vorgegebenen Teilers, so daß sich ein erster Quotient des Ausgangssignals vorgeben läßt, welcher eine vorgegebene Funktion der Doppler-Differenzfrequenz pro Zuwachseinheit der relativen Flüssigkeitsgeschwindigkeit ist.

Ein zweiter Frequenzteiler teilt des weiteren den erstgenannten Frequenzquotienten mittels eines zweiten vorgegebenen Teilerwertes, so daß sich ein zweiter Quotient eines Ausgangssignals bezüglich der Geschwindigkeit der Flüssigkeit ergibt. Schließlich umfaßt die Vorrichtung noch Mittel, die geeignet sind, den zweiten Quotienten der Ausgangsfrequenz dazu zu verwenden, Veränderungen eines Parameters anzuzeigen, der sich auf den Flüssigkeitsfluß in der Leitung bezieht.

Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen zu entnehmen.

Die beiliegenden Zeichnungen stellen bevorzugte, beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung dar, die anhand dieser Ausführungsformen nachfolgend näher beschrieben werden sollen. Es bedeutet:

Fig. 1 ein Blockschaltdiagramm mit einem Leitungsabschnitt, einem Emitter für das akustische Signal und einer Aufnahmevorrichtung für das reflektierte Signal, die an der Außenwandung der Leitung anliegt und mit einer Vorrichtung zur Verarbeitung des Differenzsignals verbunden ist;

Fig. 2 eine signalemittierende und aufnehmende Vorrichtung gemäß Fig. 1, die an der Außenseite einer Leitung anliegt , welche heiße Flüssigkeit führt?

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausfuhrungsform der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 4 ein Schaltdiagramm der Vorrichtung gemäß Fig. 3.

Gemäß Fig. 1 fließt durch eine Leitung 2 eine Flüssigkeit in Richtung des Pfeiles X. An der Außenseite der Leitung 2 ist eine akustische Signalemittierende und wieder empfangende Vorrichtung 4 in Stellung gebracht, wobei es sich bei den erzeugte Signalen vorzugsweise um solche handelt, die im Ultraschallbereich liegen. Die Vorrichtung 4 kann mit einem piezoelektrischen Kristall oder Kristallen in einer Keramikscheibe mit einer wie bei 6 gezeigten vollständigen Einkapselung aus Plastikmaterial, etwa einem Epoxy- oder Polyester-Harz,versehen sein. Diese Einheit wird mit dem Leitungsrohr beispielsweise verbunden oder lose unter Verwendung eines Benetzungsmittels angebracht.

Vorzugsweise wird die Vorrichtung 4 in einem Winkel A zur Leitungswandung angeordnet, wobei dieser Winkel A vorteilhaft etwa 30° beträgt. Die von der Vorrichtung 4 abgegebenen Signale

besitzen eine Komponente, deren Richtung parallel zur Fließrichtung X der Flüssigkeit liegt. Die Fließrichtung in Richtung des Pfeiles X kann auch umgekehrt sein.

Ein Oszillator 8 erzeugt eine fortlaufende elektrische Signalfolge mit einer vorgegebenen Frequenz a, wobei diese Signalfolge vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 0,5 MHz bis etwa 5 MHz, beispielsweise um etwa 1 MHz, liegen kann. Die elektrische Impulsfolge aktiviert den Emitter 4, welcher fortlaufende akustische Signale der gleichen Frequenz abgibt. Im Ergebnis dieser Schallaussendung schwingt die Wandung der Flüssigkeitsleitung 2 mit der Frequenz des Emitters 4 und überträgt die akustischen Signale auf die Flüssigkeit. Diese Signale werden wenigstens teilweise reflektiert,und zwar entweder von den in der Leitung bewegten Partiekln oder den Strömungslinien in der Flüssigkeit,und von der Vorrichtung 4 wieder empfangen, die eine kombinierte Sende/Empfangsvorrichtung ist. Gemäß dem Dopplereffekt ist zufolge der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit die Frequenz des empfangenen Signals unterschiedlich zu der des ausgesandten Signals, und zwar ist im Ausführungsbeispiel die empfangene Frequenz C höher, entsprechend der Formel C = a + B. Hierbei ist B die Frequenzdifferenz, die sich aus dem Dopplereffekt ergibt, wenn sich die Flüssigkeit innerhalb der Leitung 2 mit der Geschwindigkeit S bewegt. Die Dopplerfrequenzdifferenz B ist proportional

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der Fließgeschwindigkeit. B = η b. Hierbei ist η irgendeine Zahl von O bis ^O und die Frequenzdifferenz, die durch die fließende Flüssigkeit mit der Geschwindigkeit S vorgegeben ist, ergibt sich aus S = η s_, und zwar für jede Zuwachsvergrößerung s_ der Geschwindigkeit, die Dopplerfrequenzdifferenzvergrößerung bei einem Inkrement b.

Das von dem Empfänger wahrgenommene akustische Signal wird von diesem wieder in ein elektrisches Signal dieser Frequenz C umgewandelt, welches zusammen mit dem elektrischen Signal der Frequenz a des Oszillators einem Filter 10 zugeführt wird, in dem die Signale miteinander verglichen werden, wobei die Oszillatorfrequenz von der empfangenen reflektierten Frequenz demoduliert wird, so daß am Ausgang des Filters sich eine Frequenzfolge ergibt, deren Einzelsignal gleich der Doppler-Differenzfrequenz η b ist. Dieses Signal wird mittels eines BegrenzungsVerstärkers verstärkt, der sich aus einem Vorverstärker 12a und einem Hauptverstärker 12b zusammensetz, wobei dessen Ausgangssignal eine maximal vorbestimmte Spannung^ spitze nicht übersteigen kann, beispielsweise eine Spannung von 1,8 V. Der Verstärkerausgang wird mittels eines Schmitt-Triggers 14 in eine Rechteckimpulsfolge getriggert, die dem Impulsgenerator 16 zugeführt wird, der eine weitere Impulsformung vornimmt, so daß sich Signale konstanter Breite beziehungsweise Länge ergeben, beispielsweie einer Länge von

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7 ,u Sekunden bei der Differenzfrequenz η b. /

Dieses Signal wird dann einem veränderlichen Frequenzteiler 18 zugeführt, der sich aus einer Frequenzteilerkette und einem Frequenzzählabschnitt 20 zusammensetzt. Die Teilung der Signale erfolgt innerhalb des Teilers 18 zu einem geeigneten vorbestimmten Wert d, so daß sich ein Frequenzquotient am Ausgang von η e ergibt/ wobei η e = ^K- ist.

Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit wird an einer Anzeigevorrichtung 28 angezeigt, bei der es sich vorteilhaft um ein Amperemeter handeln kann, welches linear entsprechend des in der Leitung 30 fließenden elektrischen Stromes ausschlägt, wobei ein-voller Skalenausschlag dem vorgegebenen mittleren maximalen Stromfluß i entspricht, beispielsweise 2 mA,.den ein Impulsgenerator 32 ausgangsseitig abzugeben vermag. Der Ausgang ; des Impulsgenerators 32 liegt an einem Meßinstrument, wobei der Ausgangsstrom, der durch die Ausgangsimpulse einer gegebenen Frequenz vorgegeben wird, gleich der Frequenz der Signale ist, die dem Impulsgenerator über die Leitung 34 zugeführt werden. Der Impulsgenerator 32 ist so einstellbar, daß er einen maximal vorgebbaren Strom i dann liefert, wenn die Frequenz h der Impulsfolge auf der Leitung 34 Ii „ ist. In Abhängigkeit von der Stellung eines Zweiwegeschalters 40 ist die Signalleitung 34 entweder mit

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der Leitung 36 und damit der vorher vorgenommenen Frequenzteilung einer Teilerstufe 22 oder mit der Leitung 38 verbunden. Im Falle der Verbindung mit der vorherigen Teilerstufe ist die Eingangsfrequenz η e durch einen vorbestimmten Teiler k dividiert und in der letzten Teilerstufe durch einen vorgebbaren Teiler K_f wobei letzterer größer als der erstgenannte ist. Beispielsweise kann K fünfmal so groß sein wie k. Damit ergibt sich ein voller Skalenausschlag an dem Anzeigeinstrument für die Geschwindigkeit des Flusses, wenn der Quotient der Ausgangsfrequenz des Teilers 22 die folgende Bedingung erfüllt:

η e oder η e _ max.
k K

Entsprechend kann das Meßinstrument zur Anzeige der Geschwindigkeiten innerhalb eines relativen Fließbereiches verwendet werden, wobei der Schalter 40 auf unterschiedliche Bereiche umschaltbar ist, nämlich entsprechend in Abhängigkeit davon, ob dem Impulsgenerator 32 die Signalfolge über die Leitung 36 und damit für einen relativ hohen Bereich oder über die Leitung 38 und damit einen langsamen Bereich, zugeführt werden. Für das obengenannte Beispiel mit K = 5k ergibt sich somit eine maximale Geschwindigkeitsanzeige im höheren Bereich, die fünfmal größer ist als die maximal mögliche Anzeige im niedrigen Geschwindigkeitsbereich. Damit läßt sich jede Änderung der Frequenz b für jede konstante,

zusätzliche Änderung der Geschwindigkeit s, die von einer Flüssigkeit zur anderen unterschiedlich sein kann, beispielsweise durch Elastizitäts- oder Viskositätsänderungen oder auch durch Turbulenzen in der Flüssigkeit, falls diese laminare und/oder turbulente Strömungen aufweist, messen. Der Impulsgenerator 32 kann so eingestellt werden, daß der erforderliche Stromausgang auf i gestellt wird und damit

lUciX

einen entsprechenden Wert für h vorgibt, der dann für je-

max

de unterschiedliche Flüssigkeit und/oder verschiedene Strömungsverhältnisse beziehungsweise Turbulenzen unterschiedliche ist, wobei sich die Werte d k und K konstant halten lassen. Dieses Setzen beziehungsweise Rückstellen des Impulsgenerators schließt Änderungen der Dauer jedes Ausgangsimpulses ein, wobei diese Impulslängenänderungen dafür Sorge tragen, daß der Maximumstrom i„_=v erreicht wird, wenn die Ausgangsimpulse die Frequenz h aufweisen, und zwar mit einem dann jeweils entsprechend unterschiedlichen Wert. Erreicht werden kann die Änderung durch Änderung eines Widerstandswertes in dem Impulsgenerator 32, wie nachfolgend noch ausgeführt werden wird. Wenn beispielsweise eine neue Flüssigkeit, deren Verhalten innerhalb der Leitung zu messen ist, untersucht werden soll, und die beispielsweise sich mit turbulenter Strömung bewegt, und zwar bei einer bekannten Geschwindigkeit, dann läßt sich der veränderliche Widerstand des Impulsgenerators derart verstellen, bis die Geschwin-

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digkeitsanzeige 28 diesen bekannten Geschwindigkeitsbetrag anzeigt. Nunmehr ist die Vorrichtung nach Vornahme dieser Eichung in der Lage, die Geschwindigkeit der neuen Flüssigkeit mit turbulentem Strömungsverhalten bezüglich jeder Änderung zu untersuchen, wofür sich in jedem Moment der gesamte Geschwindigkeitsbereich der Anzeigevorrichtung 28 ausnutzen läßt.

Um die Einrichtung für eine genaue Arbeitsweise einjustieren zukönnen, wird somit zunächst Wasser mit einer vorbekannten Geschwindigkeit durch die Leitung 2 gegeben, wobei dieses turbulenten oder laminaren Strömungsbedingungen unterliegen kann,und das Signal der angezeigten Doppler-Differenzfrequenz η b wird dem Teiler 18 zugeführt. Da die Pließ^geschwindigkeit des Wassers bekannt ist, läßt sich somit der Schalter entsprechend dem zu wählenden Geschwindigkeitsbereich so schalten, daß er mit der diesem Bereich entsprechenden Leitung 36 oder 38 eine Verbindung herstellt, was bedeutet, daß das dem Impulsgenerator zugeführte Eingangssignal mittels des Teilers 22 entweder durch die Konstante k oder die Konstante K geteilt wird, also beispielsweise entweder durch 2 oder 10 oder einen anderen bekannten Zahlenwert. Daraufhin wird dann der Teiler 18 so geeicht, bis der Divisor d den Betrag derreicht, bei dem das Anzeigeinstrument für die Geschwindigkeit den exakten oder zumindest im wesentlichen exakten Geschwindigkeitswert anzeigt. Der Wert d₁ kann von einem an dem . -12-

Teiler 18 vorgesehenen Eichkontrolle abgelesen werden. Nunmehr kann, falls gewünscht, der Impulsgenerator 32 eingestellt werden, und zwar so, daß sein Ausgangsstrom,und hierunter ist stets der Mittelwert des Ausgangsstromes i zu verstehen, so lange verändert wird, bis die Geschwindigkeitsanzeigevorrichtung 28 die genaue und bekannte Wassergeschwindigkeit anzeigt.

Bei der Durchführung irgendwelcher Labortests oder anderer Versuchsreihen unter Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 1 in Verbindung mit einem Frequenzmeßgerät, welches an den Ausgang des Filters 10 angeschlossen ist, wird es möglich, die Doppler-Differenzfrequenz B in Wasser zu messen, und zwar bei turbulenten Strömungsbedingungen und einer bekannten Geschwindigkeit S₁, wobei der Wert b errechnet wird durch Division von B mit S-, und zwar für jede einheitliche Zuwachsvergrößerung s in der Fließgeschwindigkeit. Der errechnete Betrag b für turbulent fließendes Wasser sei beispielsweise b-. Bei einem weiteren Test mit laminar fließendem Wasser der bekannten Geschwindigkeit S₂ soll sich angenommen für b ein Wert von b~ ergeben und für weitere Versuchsreihen unter Verwendung anderer Flüssigkeiten L, die mit bekannten Geschwindigkeiten fließen, und zwar unter turbulenten und laminaren Fließbedingungen, würden sich Werte von b₃ und b. für den Quotienten b ergeben. Die Versuchsreihen können

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bei großer Variationsbreite der Flüssigkeiten durchgeführt werden, wobei sich in einer Tabelle die prozentualen Werte von b; und jeder der anderen Werte b₂, b- und b. usw. eintragen lassen. Unter der Annahme, daß die fließende Flüssigkeit L unter turbulenten Strömungsbedingungen fließt, ergeben sich aus der Tabelle, daß b~ ist 100 χ b- von b...

Bei Auswertung dieser Informationen und unter der Voraussetzung, daß die Vorrichtung eingangs eingeeicht wurde auf die Geschwindigkeit des Wassers unter turbulenten Strömungsbedingungen, kann die Vorrichtung erneut eingestellt werden, um die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit L durch die Leitung 2 zu messen, und zwar bei Einstellung des Teilers 18 in der Form, daß der Divisor dden folgenden Wert einnimmt:

^d1 X 1OO X ^b3
!00 b₁

Der Divisor 18 läßt sich darüber hinaus während der beiden anfänglichen Einstellungen der Vorrichtung als Calibrator verwenden und auch für das erneute Einstellen der Vorrichtung entsprechend den Eigenschaften der jeweils zu überwachenden Flüssigkeit und der Art des Fließens derselben.

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Falls gewünscht, kann die Leitung 30 mit einem nicht dargestellten Rechner verbunden werden, der so programmiert werden kann, daß er die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit in Übereinstimmung mit den von dem Impulsgenerator 32 erhaltenen Stromsignalen errechnet. Für diesen Fall könnte dann
entweder die Leitung 36 oder 38 entfallen. Es ist aber auch möglich, den Rechner mit Mitteln zu versehen, die eine automatische Umschaltung des Schalters 40 ermöglichen, so daß
entsprechend dem Rechnerergebnis dann jeweils der Bereich
für die langsame Fließgeschwindigkeit oder der für die hohe Fließgeschwindigkeit vorgebbar ist.

Für den Fall der Einsetzung eines Rechners ist es nicht erforderlich, den Impulsgenerator 32 zu eichen oder den Teiler 18 entsprechend der zu überwachenden Flüssigkeit einzustellen oder die Änderung der laminaren Strömung in eine turbulente Strömung oder umgekehrt in der obengenannten Weise zu berücksichtigen. Anstelle dessen läßt sich vielmehr der
Computer derart programmieren, daß er Unterschiede im Frequenzwechsel in Übereinstimmung mit dem Dopplereffekt berücksichtigt, die durch die unterschiedlichen Flüssigkeiten,
welche bei gleicher Geschwindigkeit oder durch gleiche
Flüssigkeiten, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
fließen, beziehungsweise unterschiedlichen Fließbediogungen berücksichtigen, so daß der Rechner die genaue Geschwindig-

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keit der Flüssigkeit errechnen kann und das Ergebnis angezeigt werden kann. Darüber hinaus kann der Rechner so programmiert sein, daß er bei Speicherung des Querschnitts des interessierenden Leitungsabschnittes und/oder der Dichte der Flüssigkeit Ausgangssignale als Funktion des Volumens der

über Flüssigkeit oder des Flüssigkeitsgewichtes/die Zeiteinheit des Flusses anzugeben vermag, wobei für die Anzeige selbst entsprechende Ausgabeeinheiten vorgesehen werden können. Für diesen Fall läßt sich die Vorrichtung gemäß Fig. 1 als Flußmesser anwenden.

Wenn die zu überwachende Flüssigkeit heiß ist, kann es erforderlich werden, die Emitter/Übertragungseinheit 4, 6 vor den vorliegenden hohen Temperaturen zu schützen, was durch Zwischenschaltung eines Blockes oder eines Rohres 42 aus wärmeisolierendem Material in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise geschehen kann, wobei für das zwischengeschaltete Material die Bedingung gegeben sein muß, daß es sehr gute Schallübertragungs- und Resonanzeigenschaften aufweisen muß. Bei diesem Material kann es sich beispielsweise um Glas, welches an der Außenseite des Leitungsrohres befestigt wird, beziehungsweise in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise angesetzt ist, handeln.

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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist der Teiler 22 ausgangsseitig mit zwei Ausgangsleitungen, nämlich der Leitung 36 und der Leitung 38, versehen, wobei die Leitung 36 eine Zweierteilung und die Leitung 38 eine Zehnerteilung vorgibt. Eine Leitung 50 ist direkt mit der Leitung 36 verbunden und führt zu einem weiteren Teiler 52, in dem das

ne
Signal mit der Frequenz k von der Leitung 36 mittels einer

vorgebbaren, veränderlichen Konstanten M nochmals unterteilt wird, so daß der Wert des Ausgangsquotienten auf der Leitung

ne 54 eine Frequenz vorgibt, die gleich Mk ist, was gleichbe-

nb

deutend ist mit dem Quotienten dMk. Das Signal, beziehungsweise die Impulsinformation auf der Leitung 54 wird einem Impulsgenerator 56 zugeführt, der verstärkte Ausgangsimpulse auf die Leitung 58 gibt, und zwar mit einer Frequenz, die gleich der der Eingangsfrequenz auf der Leitung 54 ist. Die Impulse auf der Leitung 58 werden auf ein setzbares beziehung weise auf Null rückstellbares digitales Anzeigeinstrument gegeben, welches pro Impuls um eins weiterzählt und somit mehrere Zähldekaden aufzuzählen vermag. Die ah dem Anzeigeinstrument angezeigte Zahl steht dann entweder für das pro Zeiteinheit durch die Flüssigkeitsleitung geflossene Volumen oder die Dichte beziehungsweise das Gewicht der Flüssigkeit.

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nb Die Impulsfrequenz auf der Leitung 58 ist dMk. Hierbei ist η b eine Funktion der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit und dMk eine Funktion des inneren Querschnitts der Leitung 2, wenn die digitale Anzeige auf dem Instrument 60 das Volumen anzeigen soll , welches pro Zeiteinheit durch das Rohr fließt. Der Querschnitt des Rohres kann gemessen werden, so daß sich das Volumen, welches durch das Rohr in einer yorgebbaren Zeit fließt, errechnet werden kann, wenn die Fließgeschwindigkeit bekannt ist. Wenn somit die Anlage während der Installation entsprechend einjustiert wird und die Fließgeschwindigkeit S des Wassers bekannt ist, welches durch die Leitung 2 hindurchfließt, kann die Einstellung des Teilers 52 nach der des Teilers 18 verändert werden. Da das Volumen des Wassers, welches pro Zeiteinheit durch das Rohr hindurchfließt, bekannt ist, ist der Teiler 52 einstellbar durch Teilung mittels eines Betrages von M in der Form, daß Impulse mit einer Frequenz vorgegeben werden können, welche das digitale Anzeigeinstrument 60 veranlassen, über den Gesamtzeitraum vollständig aufzuzählen,entsprechend dem vollständigen Skalenausschlag des Meßinstrumentes nach der Ausführungsform von Fig. 1. Der Betrag von M kann von dem Tei-

nb ler abgelesen werden, wobei der Wert in dem Quotienten dMk enthalten ist. Die Einstellung ist möglich, da k eine Konstante ist und d ein Zahlenwert ist, der durch die Art der Flüssigkeit, die zu überwachen ist, bestimmt ist. Wenn das digitale

•18-

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Anzeigeinstrument zur Messung des Flüssigkeitsvolumens benutzt wird, ist es nicht erforderlich, den Wert M über den Betrag d zu verändern, für den Fall, daß die Vorrichtung auch für die überwachung anderer Flüssigkeiten, die durch die Leitung 2 hindurchfließen, benutzt werden soll. Wenn das digitale Anzeigeinstrument 60 benutzt wird, um das Gewicht beziehungsweise die Dichte der Flüssigkeit, die durch die Leitung hindurchfließt, zu ermitteln, ist dMk eine Funktion des mathematischen Produkts des Querschnitts der Leitung und der Dichte der Flüssigkeit. Damit ist die aufzählende Gewichtzunahme des Wassers, welches mit bekannter Geschwidigkeit S fließt, für eine betreffende Zeit errechenbar, und der Teiler 52 wird einjustiert, um den Wert M verändern zu können, wobei die Eineichung so ausgeführt wird, bis das Anzeigeinstrument 60 den genauen Gewichtswert oder Zuwachs als ein Integral der Zeit anzeigt. Da unterschiedliche Flüssigkeiten unterschiedliche Dichten aufweisen, ist der Wert von M zu verändern, wenn die Vorrichtung für die überwachung einer anderen Flüssigkeit benutzt wird, also etwa einer Flüssigkeit, deren Dichte von der des Wassers unterschiedlich ist. Hierfür kann M verändert werden, und zwar bis zu einem Wert, der das mathematische Produkt von M für Wasser ist, multipliziert mit dem Quotienten der Dichte der Flüssigkeit, die überwacht werden soll, dividiert durch die Dichte des Wassers.

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Der in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Schaltkreis ist in Fig. 4 gezeigt. Hierbei sind die Kondensatoren mit den Bezugszeichen c versehen, Widerstände mit r, veränderliche Widerstände sind die Widerstände T₁, r₂, i"₃ und r., Transistoren tragen die Bezeichnung t und Dioden die Bezeichnung D. Zenerdioden sind mit Z gekennzeichnet, ein Transformator T, eine Inductanz mit H und eine veränderliche Inductanz mit H₁. Leitungen L verbinden die Schaltung mit der nicht dargestellten STromquelle, wobei der für die Energieversorgung zuständige Schaltungsabschnitt mit dem Bezugszeichen 62 bezeichnet ist, der gleichgerichteten Wechselstrom mit stabilisiertem Spannungspegel liefert. 60a stellt einen Antriebsmotor für die Digitalanzeige 60 gemäß Fig. 3 dar. Der Teiler 18 ist ein Stufengenerator (staircase), in dem der Wert des Divisors d durch Einstellung des variablen Widerstandes r~ geregelt werden kann. Der Teiler 22 ist ein integrierter Schaltkreis bekannter Bauart mit der Bezugsnummer 7490, der eine Zweierteilung vornimmt und darüber hinaus auch eine Zehnerteilung, wobei die eine auf die Leitung 36 und die andere auf die Leitung 39 gegeben ist. Der Teiler 52 besteht gleichfalls aus einem Stufengenerator 52a, welcher ausgangsseitig mit der Leitung 52b mit einer Unterkette von Teilern 52c, 52d und 52e verbunden ist. Die Teiler 52d und 52e sind integrierte Schaltkreise bekannter Bauart mit der Bezugsnummer 7492 und der Teiler 52c

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ist ein solcher mit der Bezugsbezeichnung 7490. Jeder der Teiler weist eine Eingangsklemme χ und eine Mehrzahl von Ausgängen y auf, wobei nur einige hiervon gezeigt sind. Die Ausgangsklemmen y führen zu unterschiedlichen bekannten Teilerstufen in jedem integrierten Schaltkreis, wobei jede Teilerstufe einer Teilung der Eingangsfrequenz durch einen unterschiedlichen Divisor entspricht, und zwar einen Teiler eines bekannten, durch den Aufbau der integrierten Schaltung vorgebbaren Wertes. Bei der Verbindung einer der Ausgangsklemmen y mit irgendeinem der integrierten Schaltkreise in der dargestellten Weise, nämlich wechselseitig jeweils mit einem Eingang χ und beim Anschluß beziehungsweise der Herstellung der Verbindung eines der Ausgänge y,mit einer der Eingänge 52f über einen in seiner Einstellung veränderbaren Selektionsschalter 52g, kann die Eingangsfrequenz auf der Leitung 52b geteilt werden durch irgendeine Zahl eines Divisors eines unterschiedlichen bekannten Wertes, dem entsprechend der Anschluß 52 e des Schalters 52f gewählt worden ist. Der, durch den Teiler über den Stufengenerator 52a vorgebbare Betrag ist darüber hinaus gegen einen bekannten Wert zu ändern, und zwar in Abhängigkeit von der Einstellung des veränderlichen Widerstandes r₃· Damit ist die Zahl der Werte des Divisors M praktisch für jede gewünschte Änderung einstellbar, und zwar durch die kombinierte Veränderung der Einstellung des variablen Widerstandes r₃ und des Selektor-

schalters 52f, wie im einzelnen aus Fig. 4 noch deutlicher zx. entnehmen ist.

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Die Dauer jedes Ausgangsimpulses,der von dem Generator 32 abgegeben wird, ist veränderbar mittels des verstellbaren Widerstandes r..

Falls gewünscht, kann die Anzeigevorrichtung 28 zur Anzeige der Geschwindigkeit in Beträgen der Fließrate, beispielsweise des Volumens pro Zeiteinheit oder Gewichtes pro Zeiteinheit, verwendet werden. Eine Ziffernscheibe auf der Anzeigevorrichtung 28 kann in Form zweier Skalen oder entsprechender Graduationen vorgegeben werden, wobei jede Skala den unterschiedlichen, variierbaren Parameteranzeigen zugeordnet werden kann, wobei die Dimensionierung beispielsweise Länge pro Zeiteinheit, Volumen pro Zeiteinheit oder Gewicht pro Zeiteinheit sein kann. Bei vorgegebener Einstellung des veränderlichen Widerstandes r. ist der Mittelwert des Stromes i, der in der Leitung 30 fließt, analog der Veränderung eines der Parameter pro Zeiteinheit und das Anzeigeinstrument 28 zeigt genau die Veränderung des einen oder anderen Parameters, entsprechend der Einstellung des Schalters 40,an. Damit läßt sich bezüglich des Skalenpaares die Relation der einzelnen Parameter sichtbar machen. Neben der Anzeige der relativen Veränderung kann auch der genaue Betrag der Veränderung pro Zeiteinheit für die anderen Parameter angezeigt werden, wofür der Widerstand r. auf einen anderen vorwählbaren Wert eingestellt werden muß, so daß der Durchschnitts-

wert des Stromes i analog zur Änderung dieses anderen Parameters pro Zeiteinheit ist, und so fort. Wenn beispielsweise der Widerstand r. so vorgewählt wird, daß das Anzeigeinstrument 28 die Fließrate in bezug auf veränderliche Gewichte einer Flüssigkeit pro Zeiteinheit anzeigt und eine andere Flüssigkeit mit einer anderen Dichte durch das zu überwachende Rohr 2 fließt, dann muß der Widerstand r₄ auf einen anderen Wert eingestellt werden, welcher dann der neuen Flüssigkeit entspricht, so daß der Durchschnittswert des Stromes i in der Leitung 30 nunmehr genau analog der Fließrate der neuen Flüssigkeit ist.

Das obenbeschriebene Verfahren mit zugehöriger Vorrichtung ist nicht auf die Verwendung einer Sende- und Empfangsvorrichtung 4 in der dargestellten Form beschränkt, diese kann vielmehr beispielsweise auch auf der Innenseite der Rohrleitung in Stellung gebracht werden, so daß Störungen, die durch die äußere Anbringung auftreten können, vermieden werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

'< 1. j Verfahren zur überwachung der Fließgeschwindigkeiten einer durch eine Leitung bewegten Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit innerhalb der Leitung mit einem akustischen Dauersignal beaufschlagt wird, das von einem Sender mit bekannter Frequenz durch die Wandung der Leitung in die Flüssigkeit abgegeben wird, wobei wenigstens ein Teil des reflektierten Signals, welches entsprechend dem Dopplereffekt eine gegenüber dem ausgesandten Signal unterschiedliche Frequenz hat, wieder empfangen wird, daß die Frequenz des empfangenen Signals mit der des vom Sender emittierten Signals verglichen wird und hieraus ein elektrisches Signal einer Frequenz gewonnen wird, welches gleich der Differenz zwischen den Signalfrequenzen ist, wobei diese Frequenz proportional zur Relativgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Leitung ist, und daß die Differenzfrequenz einem Frequenzzähler zugeführt wird, über den eine Anzeige der Geschwindigkeit vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppler-Differenzfrequenz mittels eines ersten bekannten und vorbestimmbaren Teilerwertes geteilt wird und die erste Frequenzteilungszahl nachfolgend nochmals mittels

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ein.es zweiten vorgegebenen Teilerwertes unterteilt wird, wobei der zweite Frequenzquotient beziehungsweise die aus der Teilung gewonnene Frequenz als Funktion der Geschwindigkeit der Flüssigkeit zur Erzeugung von Impulsen gleicher Frequenz verwendet wird, aus denen ein mittlerer Stromwert gewonnen wird, welcher analog zu dem Geschwindigkeitsparameter der Flüssigkeit ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppler-Differenzfrequenz durch einen ersten bekannten vorgebbaren Divisor geteilt wird, so daß sich ein erster Frequenzquotient ableiten läßt, der nachfolgend durch einen zweiten vorgebbaren bekannten Divisor geteilt wird und damit ein zweiter Frequenzquotient ableitbar ist, welcher eine Funktion der Fließrate der Flüssigkeit ist, wobei Impulse der gleichen Frequenz wie die des zweiten j Frequenzquotienten erzeugt werden und diese Impulse aufgezählt werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Sender-/Empfänger-Einrichtung, die in Übereinstimmung mit der Vorgabe eines Steuersignals des Senders ein kontinuierliches akustisches Signal beziehungsweise eine entsprechende Signalfolge vorgebbarer Frequenz erzeugt, das in die Flüssig-

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keit eindringt, wobei wenigstens ein Teil der reflektierten Signale wieder aufnehmbar ist, daß die entsprechend dem Dopplereffekt zwischen ausgesandtem Signal und empfangenem Signal unterschiedliche Frequenz einer Auswertevorrichtungjzugeführt ist, die einen Generator aufweist, der Oszillationssignale zur Erzeugung der Steuersignale mit einer vorbekannten Frequenz abgibt, wobei des weiteren Filterschaltungen zur Demodulierung bzw. Abtrennung der Sendefrequenz von der Empfangsfrequenz vorhanden sind, die ein erstes elektrisches Ausgangssignal einer Frequenz erzeugen, die gleich der Doppler-Differenzfrequenz ist und wobei des weiteren ein erster Frequenz- j teiler die Doppler-Differenzfrequenz mittels eines ersten vorgebbaren Teilers unterteilt, so daß sich ein elektri- ! sches Signal einer ersten unterteilten Frequenz, also mit einem bestimmten Frequenzquotienten, ergibt, der eine vor- j bestimmte Funktion der Doppler-Differenzfrequenz pro Einheitsinkrement der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit in bezug auf die Sender/Empfänger-Vorrichtung ist, und wobei eine zweite Frequenzteilung mittels eines zweiten Teilers vorgenommen wird, der den ersten Frequenzquotienten durch einen zweiten vorgebbaren Divisor teilt, so daß sich noch ein zweites elektrisches Signal abnehmen läßt mit einer Frequenz, die dem zweiten Frequenzquotienten entspricht, und daß schließlich eine Vorrichtung vorge

sehen ist, der das Signal bzw. die Impulsfolge, die sich durch den zweiten Frequenzquotienten kennzeichnet, zugeführt wird, die die Anzeige der Veränderung des zu überwachenden Parameters der Flüssigkeit über die Zeit ermöglicht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teiler für die Frequenz ausgangsseitig mit dem Eingang eines Impulsgenerators verbunden ist, dem die dem Frequenzquotienten entsprechende Signalfolge zugeführt wird und der seinerseits eine elektrische Impulssignalfolge der gleichen Frequenz abgibt, wobei diese Impulsfolge als analoge Funktion der Geschwindigkeit der Flüssigkeit gewertet wird und hierfür einem Anzeigeinstrument zugeführt wird, das dann unmittelbar die der Ge- I schwindigkeit der Flüssigkeit entsprechenden Werte anzeigt.!
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung für zwei verschiedene Geschwindigkeitsbereiche ausgelegt ist, nämlich für einen Bereich niedriger Geschwindigkeit und/oder entsprechend niedriger Fließrate und einen Bereich höherer Geschwindigkeit und/ oder höherer Fließrate, wobei Mittel vorgesehen sind, die j

eine wahlweise Umschaltung auf die verschiedenen Bereiche I

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ermöglichen, die den beiden ausgangsseitigen Frequenzquotienten des zweiten Frequenzteilers entsprechen, die wechselseitig mit dem Impulsgenerator verbunden werden können.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Frequenzteiler mit seinem dem zweiten Frequenzquotienten entsprechenden und damit dessen Impulsfolge vorgebenden Ausgang mit einem dritten Teiler verbunden ist, der eine weitere Unterteilung mit einem vorgebbaren dritten Divisor vornimmt, so daß sich ausgangsseitig

eine Impulsfolge ergibt, die sich durch einen dritten Fre- j quenzquotienten kennzeichnet, welche der Fließrate der Flüssigkeit entspricht, und dem Impulsgenerator die Impulsfolge mit dieser Frequenz zugeführt wird, der dann seinerseits ausgangsseitig eine elektrische Impulsfolge gleicher Frequenz abgibt, und daß Zählereinheiten aufzählend das Zeitintegral der Fließrate anzeigen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator eineichbar ist, und zwar in Übereinstimmung mit einem mittleren Stromwert für seine Ausgangs impuls folge.

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BO982S/O77P
9. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der er£e Teil ein Staircase-Generator bzw. Stufengenerator ist/ welcher sich auf einen Ziffernwert des ersten Divisors einstellen läßt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teiler ein integrierter Schaltkreis ist, in den der Ziffernwert bzw. die Ziffernwerte des oder jedes zweiten bzw. weiteren Teilers konstant ist bzw. sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Frequenzteiler vorhanden ist, der ein Staircase-Generator ist, der zur Veränderung des Ziffernwertes des Divisors einjustierbar ist, wobei die Frequenz des Eingangssignals zu diesem Generator unterteilt wird, so daß sich ausgangsseitig ein weiterer Frequenzquotient, also eine entsprechend unterteilte Frequenz, abnehmen läßt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem dritten Teiler eine Vielzahl zwischengeschalteter integrierter Teilerschaltkreise zugeordnet sind, denen als Eingangssignale die Frequenz des Staircase-Generators des dritten Teilers zugeführt werden und deren Ausgangs-

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signalleitungen bei unterschiedlichen Stufungen der Teilung dieses Eingangssignales durch Vorgabe konstanter Teilerwerte in den zwischengeschalteten integrierten Teilerkreisen mit Eingangsklemmen eines Selektorschalters verbunden sind, wobei die Zahlenwerte der Teiler, mit welcher Frequenz des Einganges zu den zwischengeschalteten integrierten Kreisen die Teilung vorgenommen wird, wahlweise ausgewählt und eingestellt werden kann.
13. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender-/Empfänger-Vorrichtung außerhalb der die Flüssigkeit führenden Leitung in Stellung gebracht ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender-ZEmpfänger-Vorrichtung mit der die Flüssigkeit führenden Leitung verbunden ist.

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so

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