DD283221A5

DD283221A5 - Schaltungsanordnung zur eliminierung von stoersignalen bei ultraschall-laufzeitmessungen

Info

Publication number: DD283221A5
Application number: DD32866189A
Authority: DD
Inventors: Hans-Holger Wagner; Dieter Becker; Johannes Wolf
Original assignee: Freiberg Brennstoffinst
Priority date: 1989-05-17
Filing date: 1989-05-17
Publication date: 1990-10-03
Also published as: DE4014198A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Eliminierung von Stoersignalen bei Ultraschall-Laufzeitmessungen. Anwendungsgebiet ist die Laufzeitmessung unter Bedingungen, bei denen mit Sicherheit ein Empfangssignal auftritt, mit Stoersignalen gerechnet werden musz und die Laufzeit ueber eine Mittelwertbildung bestimmt werden kann. Ziel der Erfindung ist die Erweiterung des Einsatzgebietes von Ultraschall-Laufzeitmeszgeraeten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Ultraschall-Laufzeitmessungen auch beim Vorhandensein von Stoersignalen mit Signalamplituden in der Groeszenordnung des Ultraschall-Empfangssignales erfolgreich einzusetzen. Die erfindungsgemaesze Schaltungsanordnung bewirkt, dasz ueber einen Zeitraum eingehende Signale geordnet werden und mit einer vorgegebenen Variationsbreite vom Groesztwert ein Auswertebereich definiert wird und ueber die im Auswertebereich liegenden Signale eine Mittelwertbildung erfolgt.{Ultraschall-Laufzeitmessung; Stoersignaleliminierung; Empfangssignal; Mittelwertbildung; Einsatzerweiterung; Ultraschall-Laufzeitmeszgeraete; grosze Stoersignalamplituden; Auswertebereich; Variationsbreite}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Eliminierung von Störsignalen bei Ultraschall-Laufzeitmessungen. Sie ist bei Ultraschall-Laufzeitmessungen einsetzbar, bei denen auf Grund einer definiert installierten Meßstrecke mit Sicherheit ein Empfangssignal auftritt, z.B. bei Ultraschall-Durchflußmessungen nach dem Laufzeitverfahren. Weiterhin müssen die dynamischen Anforderungen an die Messung es zulassen, daß die Laufzeit durch Mittelwertbildung über eine Meßreihe zu bestimmen ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte Lösungen zur Unteruindung des Einflusses von Störsignalen bei Ultraschall-Laufzeitmessungen beruhen auf der Regelung der Empfängerverstärkung und/oder der Triggerschwelle und/oder der Sendesignalamplitude in Abhängigkeit von der Zeit oder in Abhängigkeit vom Störpegel oder in Abhängigkeit von der Anstiegsgeschwindigkeit der Empfangsamplitude. Derartige Lösungen sind in den Schriften DD-WP 240081 und DE-OS 3144087 beschrieben.

Diese Lösungen versagen allerdings, wenn die Amplituden der Störsignale die des Ultraschall-Empfangssignales erreichen bzw. überschreiten. Dadurch ist die Einsatzmöglichkeit von Ultraschall-Laufzeitmessungen beim Vorhandensein genügend starker Störschallquellen eingeschränkt.

In der DE-OS 2916519 wird ein Verfahren zur Ausblendung von Störsignalen bei der Ultraschallprüfung beschrieben. Dabei handelt es sich um Störsignale, deren Amplituden die des Empfangssignales erreichen. Das Verfahren macht von einem Soll-/ Istwertvergleich Gebrauch. Sein Nachteil besteht darin, daß es gewisse Vorinformationen über den Meßwert benötigt, die z. B. bei Ultraschall-Durchflußmessungon nach dem Laufzeitverfahren nicht gewonnen werden können, da hier das Ausbereitungsmedium in der Meßstrecke einen wesentlichen Einfluß ausübt. Die Einsatzmöglichkeit dieses Verfahrens ist also ebenfalls beschränkt (Prüfung geometrischer Abmessungen).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Erweiterung des Einsatzgebietes von Ultraschall-Laufzeitmeßgeräten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung zur Eliminierung von Störsignalen bei Ultraschall-Laufzeitmessungen, die auch beim Vorhandensein von Störsignalen mit Signalamplituden in der Größenordnung des Ultraschall-Empfangssignales zuverlässige Meßergebnisse liefert. Dabei wird vorausgesetzt, daß bei jeder Einzelmessung ein Empfangssignal vorhanden ist, bei einigen Einzelmessungen jedoch Störsignale vor dem Eintreffen des Empfangssignales registriert werden.

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung, bestehend aus Ultraschallsender mit Sendeverstärker und Ultraschallempfänger mit Empfangsverstärker an einer Sendesteuerung zur Bildung von Laufzeitimpulsen, aus einem Laufzeitzähler mit Zeitbasis zur Ermittlung von Laufzeitwerten, aus einer Ablaufsteuerung mit Meßwertezähler und einem ersten Speicher zur Abspeicherung einer durch den Meßwertezähler festliegenden Anzahl von Laufzeitwerten. Erfindungsgemäß ist der erste Speicher zur Abgabe der ungeordneten Laufzeitwerte mit einer ersten Recheneinheit verbunden, wobei die Adressen des ersten Speichers über einen Adressenmultiplexer, dessen Steuereingang mit dem Übertrag des Meßwertezählers und dem Freigabeeingang der ersten Recheneinheit verbunden ist, mit dem Zählerstand des Meßwertezählers und den Adressen der ersten Recheneinheit verbunden sind.

Die erste Recheneinheit ist zur Abgabe geordneter Laufzeitwerte mit einem zweiten Speicher verbunden, der ein Übernahmesignal von der ersten Recheneinheit erhält und dessen Adressen Ober einen Adressenmultiplexer mit den Adressen der ersten Recheneinheit, den Adressen eines Vergleichers und den Adressen einer dritten Recheneinheit verbunden sind und der zur Abgabe geordneter Ln^fzeitwerte mit einer zweiten Recheneinheit, dem Vergleicher und der dritten Recheneinheit verbunden lot.

Die erste Recheneinheit ist zur Abgabe einer Fertigmeldung mit der zweiten Recheneinheit, dem Vergleicher und dem Adressenmultiplexer verbunden. Der Vergleicher ist zur Übernahme des Bezugswertes mit der zweiten Recheneinheit verbunden.

Der Vergleicher ist zur Abgabe eines Vergleichstaktes mit einem Vor-Rückwärtszähler und zuKAbgabe des binären Vergleichsergebnisses mit dem Adressenmultiplexer, der dritten Recheneinheit und dem Anzeigespeicher verbunden. Der Vor-Rückwärtszähler ist zur Abgabe seines Zählerstandes mit dem Anzeigespeicher und zur Weiterleitung des Übertrages rückwärts mit der drit.en Recheneinheit und der Ablaufsteuerung verbunden.

Die dritte Recheneinheit ist zur Abgabe eines Summationstaktes mit dem Vor-Rückwärtszähler und zur Abgabe des Laufzeitmittelwertes mit dem Anzeigespeicher verbunden. Die Ablaufsteuerung ist zur Abgabe eines Rückstellsignales mit dem Meßwertezähler, der ersten Recheneinheit, dem Vergleicher und der dritten Recheneinheit verbunden. Die gefundene Anordnung arbeitet wie folgt:

Die Ablaufsteuerung legt in Verbindung mit dem Laufzeitzähler und dem Meßwertezähler sowie der Sendesteuerung über Sendeverstärker unc Empfangsverstärker eine durch die Kapazität des Meßwertezählers festgelegte Anzahl von Laufzeitwerten im ersten Speicher ab. Nach Abspeicherung des letzten Laufceitwertes wird vom Meßwertezähler die Übertragsleitung aktiviert. Damit wird die Ablaufsteuerung angehalten, der Adressenmultiplexer des ersten Speicher zur Recheneinheit umgeschaltet und die erste Recheneinheit aktiviert.

Dib erste Recheneinheit legt alle Laufzeitwerte, die sie als ungeordnete Laufzeitwerte dem ersten Speicher entnimmt, nach der Größe sortiert als geordnete Laufzeitwerte im zweiten Speicher ab, den sie über dessen Adressenmultiplexer adressiert und über eine Übernahmesignalleitung steuert.

Nach erfolgter Sortierung der Laufzeitwerte gibt die erste Recheneinheit eine Fertigmeldung ab, die den Adressenmultiplexe des zweiten Speichers zum Vergleicher umschaltet, so daß die erste vom Vergleicher bereitgestellte Adresse am zweiten Speicher anliegt, dessen Datenausgänge dadurch den größen Laufzeitwert beinhalten.

Die Fertigmeldung der ersten Recheneinheit löst in der zweiten Recheneinheit die Multiplikation des größten Laufzeitwertes mit einer Konstanten K (K < 1), die mit dem Variationskoeffizienten ν einer Meßreihe ohne Störsignaleinfluß gemäß K = 1 - 2v verknüpft ist, aus. Die Fertigmeldung der ersten Recheneinheit gelangt weiterhin an den Vergleicher und bewirkt dort die Übernahme des von der zweiten Recheneinheit angebotenen Ergebnisses als Bezugswert und die Auslösung des Vergleiches mit den im zweiten Speicher befindlichen geordneten Laufzeitwerten.

Der Vergleichsvorgang wird solange fortgesetzt, wie der jeweilige im zweiten Speicher adressierte geordnete Laufzeitwert größer bzw. gleich dem Bezugswert ist. Jeder Vergleichsvorgang wird dabei über eine Vergleichstaktleitung im Vor-Rückwärtszähler in der Betriebsart Vorwärtszählen mitgezählt.

Sobald der adressierte geordnete Laufzeitwert aus dem zweiten Speicher den Bezugswert unterschreitet ändert die Leitung Vergleichsergebnis ihren Zustand. Mit dieser Zustandsänderung wird das Umschalten des Adressenmultiplexers am zweiten Speicher zur dritten Recheneinheit, die Übernahme des Zählerstandes vom Vor-Rückwärtszähler in den Anzeigespeicher und die Aktivierung der dritten Recheneinheit bewirkt. "

Die dritte Recheneinheit adressiert die geordneten Laufzeitwerte im zweiten Speicher vom ersten und camit größten beginnend und bildet deren Summe.

Mit jedem Summationsschritt wird ein interner Zähler hochgezählt und über eine Summationstaktleitung der ' Or-Rückwärtszähler dekrementiert. Bei Erreichen des Zählerinhaltes Null im Vor-Rückwärtszähler wird über die Rückwärtsübertragleitung die dritte Recheneinheit umgeschaltet. Sie teilt die gebildete Summe durch den Inhalt des internen Zählers, der die Anzahl dor gültigen Laufzeitwerte beinhaltet, und gibt de ι Laufzeitmittelwert in einen Anzeigenspeicher. Die Rückwärtsübertragleitung führt weiterhin an die Ablaufsteuerung und löst dort die Abgabe eines Rückstellsignales für den Meßwertezähler, die Recheneinheiten und den Vergleicher aus, wie sie auch die Ablaufsteuerung zur Erfassung einer neuen Serie von Laufzeitwerten veranlaßt.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht in der zuverlässigen Eliminierung von Störsignalen, die Amplituden in gleicher Größenordnung wie die Ultraschall-Empfangssignale aufweisen.

Als weiterer Vorteil dieser Anordnung Ist hervorzuheben, daß keine Vorinformationen über das Meßergebnis notwendig sind, lediglich der Variationskoeffizient einer Meßreihe ohne Störschalleinfluß, ι he die Laufzeitmeßeinrichtung kennzeichnende Kenngröße, muß bekennt sein.

Ausfuhrungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Lösung soll anhand eines möglichen Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden.

In der zugehörigen Zeichnung wird die Anordnung zur Eliminierung von Störsignalen bei Ultraschall-Laufzeitmessungen dargestellt. Die Anordnung besteht aus einem Ultraschallsender 1 mit Sendeverstärker 4 zur Aussendung von Nutz-Schall 100, einem Ultraschallempfänger 2, auf den auch Störschall 101 einwirkt, mit Empfangsverstärker 3, einer Sendesteuerung 5 zur Bildung von Laufzeitimpulsen 109, einem Laufzeitzähler 8 mit Zeitbasisgenerator 7 zum Messen der Laufzeiten, einem ersten Speicher 10, der seine Adressen 113 über einen Adressenmultiplexer 11 erhält, einer Ablaufsteuerung 6, einem Meßwertezähler 9 zur Festlegung der Anzahl von Einzelmossungen in einer Meßfolge und zur Adressierung des ersten Speichers 10, einer ersten Recheneinheit 12 zum Ordnen der Laufzeitwerte einer Meßfolge nach der Größe, einem zweiten Speicher 13 zur Speicherung der geordneten Laufzeitwerte, der seine Adressen 128 übei einem Adressenmultiplexer 14 erhält, einer zweiten Recheneinheit 15 zur Berechnung des Bezugswertes für den Vergleicher 16, einem Vor-Rückwärtszähler 19, einer dritten Recheneinheit 17 zur Berechnung des Mittelwertes aus den gültigen Laufzeitwerten, einem Anzeigespeicher 18 zur Anzeige des Laufzeitmittelwertes und einem Anzeigespeicher 20 zur Anzeige der Anzahl gültiger Laufzeitwerte.

Die Ablaufsteuerung 6 gibt einen Startimpuls 105 an die Sendesteuerung 5 und den Laufzeitzähler 8. Damit wird der Laufzeitzähler 8 rückgesetzt und in der Sendesteuerung 5 ein Sendeimpuls 103 an den Sendeverstärker 4 ausgelöst sowie der Beginn des Laufzeitimpulses 109 markiert. Nachdem der Ultraschallempfänger 2 ei ien Nutzschallimpuls 100 oder Störschallimpulse 101 registriert hat, wird vom Empfangsverstärker 3 das Empfangssignal 102 an die Sendesteueiung 5 geliefert. Dadurch wird dort der Laufzeitimpuls 109 zum Laufzeitzählr r 8 beendet und damit die Laufzeitmessung mittels des Zeitbasisgenerators 7 beendet. Das Empfangssignal 102 bewirkt die Aktivierung der Leitung Laufzeitende 104 zur Ablaufsteuerung 6. Diese erzeugt daraufhin ein Ubernahmesignal 110, welches den Meßwertezähler 9 inkrementiert, dessen Zählerstand 112 über den Adressenmultiplexer 11 als Adresse 113 am ersten Speicher 10 anliegt und welches weiterhin mit seiner Rückflanke die Übernahme des Laufzeitwertes 111 in den ersten Speicher 10 bewirkt. Dje Ablaufsteuerung 6 gibt erneut einen Startimpuls 105 ab und wiederholt damit den beschriebenen Ablauf bis der Meßwertezähler 9 einen Übertragimpuls 108 abgibt. Der Übertragimpuls 108 blockiert die Ablaufsteuerung 6, schaltet den Adressenmultiplexer 11 zur ersten Recheneinheit 12 um, die damit den ersten Speicher 10 üuer ihre Adressen 115 adressieren kann, und aktiviert die erste Recheneinheit 12. Von der ersten Recheneinheit 12 werden die ungeordneten Laufzeitwerte 114 aus dem ersten Speicher 10 gelesen, nach ihrer Größe in fallender Folge sortiert und als geordnete Laufzeitwerte 116 im zweiten Speicher 13, den die erste Recheneinheil 12 mit ihren Adressen 115 über den Adressenmultiplexer 14 und mit einem Übernahmesignal 117 steuern kann, abgelegt. Nach Ausführung des Sortierens gibt die erste Recheneinheit 12 eine Fertigmeldung 118 ab. Die Fertigmeldung 118 bewirkt die Umschaltung des Adressenmultiplexers 14 zur Adressierung des zweiten Speichers 13 über die Adressen 120 des Vergleichers 16, der im Grundzustand die Anfangsadresse des zweiten Speichers 13 angibt. Dadurch liegt am Datenausgang des zweiten Speichers 13 der größte Laufzeitwert L_max an, der als geordneter Laufzeitwert 119 an die zweite Recheneinheit 15, den Vergleicher 16 und die dritte Recheneinheit 17 gelangt. Bei aktiver Fertigmeidung 118 wird in der zweiten Recheneinheit 15 das Produkt UnaxvK berechnet, wobei K gemäß K = 1 - 2 ν aus dem Variationskoeffizienten ν einer Serie von Einzelmessungen ohne Störschalleinfluß festgelegt wurde.

Das Ergebnis liegt am Ausgang der zweiten Recheneinheit 15 vor und wird als Bezugswert 123 vom Vergleicher übernommen. Mit der abschließenden Flanke des Fertigmeldesignales 118 wird der Vergleicher 16 aktiviert. Der Vergleicher 16 gibt das Ergebnis des Vergleiches des über seine Adressen 122 adressierten geordneten Laufzeitwertes 119 aus dem zweiten Speicher 13 mit dem Bezugswert 123 als binäres Vergleichsergebnis 121, aus. Solange der Laufzeitwert 119 größer oder gleich dem Bezugswert 123 ist, wird das Vergleichsergebnis 121 nicht geändert. Nach Ausführung eines Vergleiches gibt der Vergleicher 16 über die Adressen 120 die nächste Adresse aus und ein Vergleichstakt 125 an den Vor-Rückwärtszähler 19 wird ausgegeben. Wenn der geordnete Laufzeitwert 119 kleiner als der Bezugswert 123 ist, ändert das Vergleichsergebnis 121 seinen Zustand und es wird kein Vergleichstakt 125 geliefert. Durch die Zustandsänderung des Vergleichsergebnisses 121 wird der Adressenmultiplexer 14 umgeschaltet, so daß die dritte Recheneinheit 17 über ihre Adressen 122 den zweiten Speicher 13 adressieren kann. Die Zustandsänderung des Vergleichsergebnisses 121 bewirkt weiterhin die Übernahme des Zählerstandes 127 vom Vor-Rückwärtszähler 19, der die Anzahl gültiger Laufzeitwerte darstellt, in den Anzeigespeicher 20 sowie die Aktivierung der dritten Recheneinheit 17. Die dritte Recheneinheit 17 bildet die Summe der geordneten Laufzeitwerte 119 aus dem zweiten Speicher 13, wobei sie bei jedem Summationsschritt einen internen Zähler hochzählt und den Summationstakt 126 als einen Rückwärtszählimpuls an den Vor-Rückwärtszähler 19 abgibt. Bei Erreichen des Zählerinhaltes Null gibt der Vor-Rückwärtszähler 19 einen Rückwärtsübertrag 106 ab. Dieser bewirkt in der dritten Recheneinheit 17 die Ausführung der Division der gebildeten Summe durch den Inhalt des internen Zählers, d. h. die Berechnung des Mittelwertes aus den gültigen Laufzeitwerten. Der Laufzeitmittelwert 124 wird in den Anzeigespeicher 18 übernommen.

In der Ablaufsteuerung 6 wird durch den Rückwärtsübertrag 106 ein Rückstellsignal 107 für den Meßwertezähler 9, die Recheneinheiten 12,15 und 17 sowie den Vergleicher 16 erzeugt und die Erfassung einer neuen Folge von Laufzeitwerten eingeleitet.

Claims

Schaltungsanordnung zur Eliminierung von Störimpulsen bei Ultraschall-Laufzeitmessungen, bestehend aus Ultr jschallsender mit Sendeverstärker und Ultraschallempfänger mit Empfangsverstärker an einer Sendesteuerung zur Bildung von Laufzeitimpulsen, aus einem Laufzeitzähler mii Zeitbasis zur Ermittlung von Laufzeitwerten, aus einer Ablaufsteuerung mit Meßwertezäh' α und einem ersten Speicher zur Abspeicherung einer durch den Meßwertezähler festliegenden Anzahl von Laufzeitwerten, dadurch gekennzeichnet,

- daß der erste Speicher (10) zur Abgabe der ungeordneten Laufzeitwerte (114) mit einer ersten Recheneinheit (12) verbunden ist, wobei die Adressen (113) des ersten Speichers (10) über einen Adressenmultiplexer (11), dessen Steuereingang mit dem Übertrag (108) des Meßwertezählers (9) und dem Freigabeeingang der ersten Recheneinheit (12) verbunden ist, mit dem Zählerstand (112) des Meßwertezählers (9) und den Adressen (115) der ersten Recheneinheit (12) verbunden sind,

- daß die erste Recheneinheit (12) zur Abgabe geordneter Laufzeitwerte (116) mit einem zweiten Speicher (13) verbunden ist, der ein Übernahmesignal (117) von der ersten Recheneinheit (12) erhält und dessen Adressen (128) über ein Adressenmultiplexer (14) mit den Adressen (115) der ersten Recheneinheit (12), den Adressen (120) eines Vergleichers (16) und den Adressen (122) einer dritten Recheneinheit (17) verbunden sind und der zur Abgabe geordneter Laufzeitwerte (119) mit einer zweiten Recheneinheit (15), d.em Vergleicher (16) und der dritten Recheneinheit (17) verbunden ist,

- daß die erste Recheneinheit (12)'zur Abgabe einer Fertigmeldung (118) mit der zweiten Recheneinheit (15), dem Vergleicher (16) und dem Adressenmultiplexer (14) verbunden ist,

- daß der Vergleicher (16) zur Übernahme des Bezugswertes (123) mit der zweiten Recheneinheit (15) verbunden ist,

- daß der Vergleicher (16) zur Abgabe eines Vergleichstaktes (125) mit einem Vor-Rückwärtszähler

(19) und zur Abgabe des binären Vergleichsergebnisses (121) mit dem Adrossenmultiplexer (14), der dritten Recheneinheit (17) und dem Anzeigespeicher (20) verbunden ist,

- daß der Vor-Rückwärtszähler (19) zur Abgabe seines Zählerstandes (127) mit dem Anzeigespeicher

(20) und zur Weiterleitung des Übertrages rückwärts (106) und der dritten Recheneinheit (17) und der Ablaufsteuerung (6) verbunden ist,

- daß die dritte Recheneinheit (17) zur Abgabe eines Summationstaktes (126) mit dem Vor-Rückwärtszähler (19) und zur Abgabe des Laufzeitmittelwertes (124) mit dem Anzeigespeicher (18) verbunden ist,

- daß die Ablaufsteuerung (6) zur Abgabe eines Rückstellsignales (107) mit dem Meßwertezähler (9), der ersten Recheneinheit (12), dem Vergleicher (16) und der dritten Recheneinheit (17) verbunden ist.