AT13248U1

AT13248U1 - Method for determining the distance between two ultrasonic transducers

Info

Publication number: AT13248U1
Application number: ATGM8047/2013U
Authority: AT
Inventors: Katarzyna Dr Ing Kudlaty
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2013-09-15
Also published as: AT510996A3; AT510996A2

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei Ultraschallwandlern eines auf dem Laufzeitdifferenzverfahren basierenden Ultraschall-Messgerätes für ein strömendes Medium sieht vor, bei Nulldurchfluss des Mediums für jeden Ultraschallwandler die Direktlaufzeit und die Reflexionslaufzeit zu messen. Nach Abziehen der Summe der Direktlaufzeiten von der Summe der Reflexionslaufzeiten wird die Mediumlaufzeit und unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit schließlich der wahre Abstand der Ultraschallsensoren bestimmt.A method for determining the distance between two ultrasound transducers of a running-time difference-based ultrasound measuring device for a flowing medium envisages, with zero flow of the medium for each ultrasound transducer, measuring the direct transit time and the reflection transit time. After subtracting the sum of the direct transit times from the sum of the reflection transit times, the medium transit time and, taking into account the speed of sound, the true distance of the ultrasonic sensors is finally determined.

Description

österreichisches Patentamt AT13 248U1 2013-09-15Austrian Patent Office AT13 248U1 2013-09-15

Beschreibungdescription

VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DES ABSTANDES ZWISCHEN ZWEI ULTRASCHALLWANDLERNMETHOD FOR DETERMINING THE DISTANCE BETWEEN TWO ULTRASONIC TRANSDUCERS

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei Ultraschallwandlern eines auf dem Laufzeitdifferenzverfahren basierenden Ultraschall-Messgerätes für ein strömendes Medium.The invention relates to a method for determining the distance between two ultrasonic transducers based on the transit time difference method ultrasonic measuring device for a flowing medium.

[0002] Das Funktionsprinzip beispielsweise von Ultraschall-Durchflussmessgeräten nach dem Laufzeitdifferenzverfahren basiert auf der Messung der Schalllaufzeit zwischen dem Sender und Empfänger in und gegen die Strömungsrichtung eines zwischen den beiden Ultraschallwandlern hindurch strömenden Mediums und der anschließenden Bildung einer Laufzeitdifferenz.The principle of operation, for example, of ultrasonic flowmeters according to the transit time difference method is based on the measurement of sound propagation time between the transmitter and receiver in and against the flow direction of a medium flowing between the two ultrasonic transducers and the subsequent formation of a transit time difference.

[0003] Die Strömungsgeschwindigkeit kann dann mit der folgenden Formel berechnet werden: v = 2sinör t2 [0004] wobei L der Abstand zwischen den Ultraschallsensoren im strömendem Medium ist, im folgenden auch mit "Sensorabstand" bezeichnet, und α der Einfallswinkel, ti die Laufzeit gegen Strömungsrichtung und t2 die Laufzeit in Strömungsrichtung sind.The flow rate can then be calculated by the following formula: v = 2sinor t2 [0004] where L is the distance between the ultrasonic sensors in the flowing medium, hereafter also " sensor spacing " and α is the angle of incidence, ti is the transit time versus flow direction, and t2 is the transit time in the flow direction.

[0005] Die entsprechenden Werte für den Volumenstrom und den Massenstrom des strömenden Mediums können aus der wie oben ermittelten Strömungsgeschwindigkeit v, der Rohrquerschnittsfläche A und der Dichte des strömenden Mediums p berechnet werden und sind ganz wesentlich vom Sensorabstand L abhängig.The corresponding values for the volume flow and the mass flow of the flowing medium can be calculated from the above-determined flow velocity v, the tube cross-sectional area A and the density of the flowing medium p and are very much dependent on the sensor distance L.

[0006] Der wahre Sensorabstand L unterscheidet sich schon von Beginn an auf Grund von Fertigungstoleranzen vom theoretischen Abstand um eine unbekannte Größe. Bei der Kalibrierung des Messgerätes wird der dadurch verursachte Fehler korrigiert. Solange sich der Sensorabstand L nicht ändert, kann die spezifizierte Genauigkeit des Messgerätes gewährleistet werden.The true sensor distance L differs from the beginning due to manufacturing tolerances of the theoretical distance by an unknown size. When calibrating the meter, the error caused by it is corrected. As long as the sensor distance L does not change, the specified accuracy of the measuring device can be ensured.

[0007] Für den Fall, dass sich der Sensorabstand ändert, z.B. durch mechanische Verzerrungen, thermische Ausdehnung oder ein Sensortausch, muss das Durchflussmessgerät erneut kalibriert werden. Insbesondere ist eine erneute Kalibrierung (Rekalibrierung) nach einem Sensortausch auf Grund der begrenzten Lebensdauer des Sensors bzw. aufgrund eines technischen Defektes nach dem Stand der Technik unbedingt notwendig. Dies bedeutet einen erhöhten Aufwand im Betrieb, zusätzliche Kosten und Wartezeiten für den Gerätebetreiber.In the event that the sensor spacing changes, e.g. due to mechanical distortion, thermal expansion or sensor replacement, the flowmeter must be recalibrated. In particular, a renewed calibration (recalibration) after a sensor replacement due to the limited life of the sensor or due to a technical defect in the prior art is absolutely necessary. This means an increased effort in operation, additional costs and waiting times for the device operator.

[0008] Um den wahren Sensorabstand L bestimmen zu können, müssen ein genauer Temperaturmesswert und eine Schalllaufzeit im Messmedium, korrigiert für die Gruppenlaufzeit der Ultraschallsensoren, bekannt sein. Eine genaue Temperaturmessung ist heutzutage einfach realisierbar. Ein Verfahren zur Bestimmung der Gruppenlaufzeit der Ultraschallsensoren wurde bereits in beispielsweise der AT509641A2 veröffentlicht. Dieses ist allerdings ein aufwendiges Verfahren, das nur mit Erfüllung bestimmten Bedingungen wie z.B. Verwendung ausreichend Breitbandiger Ultraschallsensoren, MLS Sequenzen, Umsetzung einer Korrelation, einer FFT und einem Fitverfahren etc. realisierbar ist.In order to determine the true sensor distance L, a precise temperature measurement and a sound propagation time in the measurement medium, corrected for the group delay of the ultrasonic sensors, must be known. Accurate temperature measurement is easy to achieve today. A method for determining the group delay of the ultrasonic sensors has already been published in, for example, AT509641A2. However, this is a complicated process that can only be met by meeting certain conditions, e.g. Use of sufficient broadband ultrasonic sensors, MLS sequences, implementation of a correlation, an FFT and a fit method, etc. is feasible.

[0009] Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und rasche Bestimmung des wahren Abstandes der Sensoren ohne die oben genannten Nachteile zu ermöglichen.It was therefore the object of the present invention to enable a simple and rapid determination of the true distance of the sensors without the above-mentioned disadvantages.

[0010] Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass bei Nulldurchfluss des Mediums für jeden Ultraschallwandler die Direktlaufzeit und die Reflexionslaufzeit gemessen wird, die Summe der Direktlaufzeiten von der Summe der Reflexionslaufzeiten abgezogen wird, und aus der so ermittelten Mediumlaufzeit und der Schallge- 1 /5 österreichisches Patentamt AT 13 248 U1 2013-09-15 schwindigkeit der Abstand der Ultraschallsensoren bestimmt wird. Damit kann der wahre Sensorabstand L direkt bestimmt werden, ohne dass spezielle Signalarten oder spezielle Laufzeitdetektionsmethoden benötigt werden. Es ist auch nicht notwendig die Gruppenlaufzeit des Systems zu kennen. Die hier präsentierte Lösung ermöglicht in vorteilhafter Weise auch einen Sensortausch ohne Notwendigkeit einer aufwendigen Rekalibrierungsprozedur.To solve this problem, the method according to the invention is characterized in that at zero flow of the medium for each ultrasonic transducer, the direct transit time and the reflection time is measured, the sum of the direct transit times is subtracted from the sum of the reflection times, and from the thus determined medium run time and the Schallge- 1/5 Austrian Patent Office AT 13 248 U1 2013-09-15 speed the distance of the ultrasonic sensors is determined. Thus, the true sensor distance L can be determined directly without the need for special signal types or special time-of-flight detection methods. It is also not necessary to know the group runtime of the system. The solution presented here also advantageously allows a sensor exchange without the need for a complicated recalibration procedure.

[0011] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Temperatur des Mediums zwischen den Ultraschallsensoren gemessen und daraus die Schallgeschwindigkeit bestimmt wird.According to an advantageous embodiment of the invention can be provided that the temperature of the medium between the ultrasonic sensors measured and from the speed of sound is determined.

[0012] Eine weitere Variante sieht zusätzlich vor, dass der Lambdawert des Mediums zwischen den Ultraschallsensoren gemessen und daraus die Schallgeschwindigkeit bestimmt wird.A further variant additionally provides that the lambda value of the medium is measured between the ultrasonic sensors and the speed of sound is determined therefrom.

[0013] Vorteilhafterweise können aus den Direktlaufzeiten und der Mediumlaufzeit die Gruppenlaufzeiten der Sensoren bestimmt werden. Diese wird quasi als Nebenprodukt des Nullab-gleichs bestimmt.Advantageously, the group delay of the sensors can be determined from the direct transit times and the medium running time. This is virtually determined as a by-product of the zero balance.

[0014] In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.In the following description, the invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment and with reference to the accompanying drawings.

[0015] Dabei zeigt die [0016] Fig. 1 eine schematische Darstellung der gemessenen Laufzeiten t1 und t2, im Folgen den auch "Direktlaufzeit" genannt, und deren Zusammensetzung und [0017] Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der gemessenen Laufzeiten und deren Kom ponenten im Direktbetrieb und im Reflexionsbetrieb.[0015] FIG. 1 shows a schematic representation of the measured transit times t1 and t2, in the following also the " direct transit time " and its composition and FIG. 2 is a schematic representation of the measured transit times and their components in direct and reflected mode.

[0018] Die gesamt gemessenen Direktlaufzeiten gegen Strömungsrichtung L und in Strömungsrichtung t2, setzen sich - wie in Fig. dargestellt ist - aus den folgenden Beiträgen zusammen: h - h + tgr +Δν 12 ^ tgr [0019] wobei tL die Laufzeit in dem gemessenen Medium auf dem Weg L ist, im Folgenden auch "Mediumlaufzeit" genannt, und wobei die Gruppenlaufzeit der Sensoren ist mit tgr bezeichnet ist. Die restliche Abweichung Atgr in der Gruppenlaufzeit zwischen den Laufzeiten in und gegen Strömungsrichtung ist durch die nicht Reziprozität der Ultraschallsensoren verursacht d.h. tgr,i * tgr,2 weil tSi + tE2 * tS2 + tEi, mit tSi der Gruppenlaufzeit des Sensor 1 im Sendebetrieb, tEi der Gruppenlaufzeit des Sensor 1 im Empfangsbetrieb, tS2 der Gruppenlaufzeit des Sensor 2 im Sendebetrieb, und tE2 der Gruppenlaufzeit des Sensor 2 im Empfangsbetrieb.The total measured direct run times against the flow direction L and in the direction of flow t2, are composed - as shown in FIG. - From the following contributions: h - h + tgr + Δν 12 ^ tgr [0019] where tL the running time in the measured medium on the way L, hereinafter also " medium term " and the group delay of the sensors is denoted by tgr. The residual deviation Atgr in the group delay between the transit times in and against the direction of flow is caused by the non-reciprocity of the ultrasonic sensors, i. tgr, i * tgr, 2 because tSi + tE2 * tS2 + tEi, with tSi of the group delay of sensor 1 in transmit mode, tEi of the group delay of sensor 1 in receive mode, tS2 of the group delay of sensor 2 in transmit mode, and tE2 of the group delay of the sensor 2 in the receiving mode.

[0020] In Fig. 2 sind die Direktlaufzeiten ti und t2 inklusive der einzelnen Beiträge der Sensoren dargestellt. tSi bezeichnet dabei die Gruppenlaufzeit des Sensor 1 im Sendebetrieb, tEi die Gruppenlaufzeit des Sensor 1 im Empfangsbetrieb, tS2 die Gruppenlaufzeit des Sensor 2 im Sendebetrieb und tE2 die Gruppenlaufzeit des Sensor 2 im Empfangsbetrieb.FIG. 2 shows the direct transit times ti and t2 including the individual contributions of the sensors. tSi designates the group delay of the sensor 1 in transmission mode, tEi the group delay of the sensor 1 in the receive mode, tS2 the group delay of the sensor 2 in the transmit mode and tE2 the group delay of the sensor 2 in the receive mode.

[0021] In einer Direktlaufzeit (ti oder t2) sind immer Beiträge von beiden Ultraschallsensoren enthalten. Im Fall einer Reflexionsmessung tR1 und tR2 enthalten die gemessenen Laufzeiten nur die Beiträge von einem Sensor (tSi + tEi für tR1 und tS2 + tE2 für tR2), der als Sender und Empfänger betrieben wird. Das Ergebnis der Summenbildung der Direktlaufzeiten, ti + t2, enthält alle möglichen Sensorbeiträge, tSi + tEi + tS2 + tE2. Der gleiche Term entsteht bei Summenbildung der beiden Reflexionslaufzeiten, tR1 + tR2. h Ί" + tsi + tE2 + ts 2 + tEi t = + tsl + tE2 + ts 2 + tEi [0022] Der Sensorbeitrag kann durch das Abziehen der beiden Summenergebnisse von einander eliminiert werden. Aus dem verbliebenen Ergebnis kann dann die Mediumlaufzeit tL berech- 2/5In a direct transit time (ti or t2) contributions from both ultrasonic sensors are always included. In the case of a reflection measurement tR1 and tR2, the measured transit times contain only the contributions from a sensor (tSi + tEi for tR1 and tS2 + tE2 for tR2), which is operated as transmitter and receiver. The result of summation of the direct transit times, ti + t2, contains all possible sensor contributions, tSi + tEi + tS2 + tE2. The same term arises when summing the two reflection propagation times, tR1 + tR2. h Ί " + tsi + tE2 + ts 2 + tEi t = + tsl + tE2 + ts 2 + tEi [0022] The sensor contribution can be eliminated by subtracting the two sum results from each other. The medium runtime tL can then be calculated from the remaining result

österreichisches Patentamt AT13 248U1 2013-09-15 net werden.Austrian Patent Office AT13 248U1 2013-09-15 net.

2_h 2 [0023] Aus einer Temperaturmessung kann über die nachstehende Formel die Schallgeschwindigkeit berechnet werden:2_h 2 From a temperature measurement, the speed of sound can be calculated using the following formula:

kRTkRT

[0024] wobei κ der Adiabatenkoeffizient ist (Abhängig von Zusammensetzung des Medium und Temperatur), R die universelle Gaskonstante, T die Temperatur des Messmediums und M die molare Masse des Messmediums.Where κ is the adiabatic coefficient (depending on the composition of the medium and temperature), R is the universal gas constant, T is the temperature of the medium to be measured and M is the molar mass of the medium to be measured.

[0025] Daraus kann dann weiter der gesuchte Sensorabstand L bestimmt werden:From this, the desired sensor distance L can then be determined further:

L = c-tLL = c-tL

[0026] Die zusammensetzungsabhängigen Größen κ und M können für bestimmte Medien als Materialkonstanten eingesetzt werden oder im Fall eines Abgases aus einer Lambdamessung bestimmt werden. Damit ist dieses Verfahren auf verschiedene Medien, nicht nur Luft, anwendbar.The composition-dependent quantities κ and M can be used for certain media as material constants or be determined in the case of an exhaust gas from a Lambdamessung. Thus, this method is applicable to various media, not just air.

[0027] Vorteilhafterweise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Sensorbeiträge (Gruppenlaufzeiten) bestimmt werden: [0028] Die hier dargestellte Nullabgleichsprozedur ist allerdings nur bei Nulldurchfluss realisierbar. 3/5Advantageously, the sensor contributions (group delay times) can also be determined with the method according to the invention: The zero-balance procedure shown here, however, can only be implemented at zero flow. 3.5

Claims

Austrian Patent Office AT 13 248 Ul 2013-09-15 Claims 1. A method for determining the distance between two ultrasonic transducers of an ultrasonic measuring device based on the transit time difference method for a flowing medium, characterized in that a) at zero flow of the medium for each ultrasonic transducer, the direct transit time and the reflection propagation time is measured, b) the sum of the direct transit times is subtracted from the sum of the reflection transit times, and c) from the thus determined medium transit time and the sonic velocity the distance of the ultrasonic sensors is determined.

2. The method according to claim 1, characterized in that the temperature of the medium is measured between the ultrasonic sensors and the speed of sound is determined therefrom.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the lambda value of the medium is measured between the ultrasonic sensors and the speed of sound is determined therefrom.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that from the direct run times and the medium running time, the group delay of the sensors are determined. 1 sheet of drawings 4/5