DE10160931C2 - Method for operating an ultrasonic counter, comparator circuit and ultrasonic counter - Google Patents
Method for operating an ultrasonic counter, comparator circuit and ultrasonic counterInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zum Betrieb eines Ul traschallzählers unter Verwendung mindestens eines Komparators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, andererseits eine Komparatorschaltung für den Ein satz in einem Ultraschallzähler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie ei nen Ultraschallzähler.The present invention relates on the one hand to a method for operating an ul traschallzähler using at least one comparator after the Preamble of claim 1, on the other hand, a comparator circuit for the on sentence in an ultrasonic counter according to the preamble of claim 9 and egg ultrasonic counter.
Aus der DE 195 30 054 C2 ist ein Verfahren zur Ultraschall-Messung von Durch flußmengen von strömenden Fluiden unter Verwendung eines Komparators be kannt. Der Komparator dient hierbei dazu, aus einem sinusartigen Spannungsein gangssignal ein Rechtecksignal, d. h. ein digitales Ausgangssignal zu erzeugen. Im Bereich der Ultraschallzählertechnik werden handelsübliche Komparatoren eingesetzt. Diese haben allerdings geräteeigene Offset-Spannungen, d. h. Fehler von 1-20 mV. Aufgrund einer Offset-Spannung verschiebt sich die Lage der si nusartigen Schwingung zum Nullpunkt (d. h. zur Referenzlinie). Diese geräteei gene Offset-Spannung ist zudem von verschiedenen Einflüssen wie z. B. Tempe ratur, Betriebsspannung etc. abhängig. Kommen die Amplituden der Empfangs signale vom Ultraschallwandler eines Ultraschallzählers in die Größenordnung einer Offset-Spannung, ist eine genaue Messung nicht mehr möglich.DE 195 30 054 C2 describes a method for ultrasound measurement of through flows of flowing fluids using a comparator known. The comparator is used here, from a sinusoidal voltage a square wave signal, d. H. to generate a digital output signal. Commercially available comparators are used in the field of ultrasonic counter technology used. However, these have device-specific offset voltages, i. H. error from 1-20 mV. The position of the si shifts due to an offset voltage Nuclear vibration to the zero point (i.e. to the reference line). This equipment gene offset voltage is also from various influences such. B. Tempe temperature, operating voltage, etc. Come the amplitudes of reception signals from the ultrasonic transducer of an ultrasonic counter in the order of magnitude an offset voltage, an accurate measurement is no longer possible.
Aus der US 4 749 953 ist eine Komparatorschaltung mit minimierter Offset- Spannung und Drift bekannt. Diese Schaltung umfaßt einen Kondensator, welcher mit einem ersten Eingang des Komparators sowie einem Schalter zum Aufschal ten des ersten Eingangs des Komparators auf eine erste Eingangssignalstrecke bzw. zweite Eingangssignalstrecke entgegengesetzter Polarität verbunden ist. Zum Abgleich oder zur Reduzierung der Offset-Spannung wird die Fehlerspannung des Komparators zunächst auf den Kondensator geladen und - nach Betäti gen des Schalters - die Fehlerspannung des Komparators mit entgegengesetzter Polarität aufaddiert. Daraus resultiert ein Abgleich der Fehlerspannung zwischen den beiden Eingängen des Komparators. Die Höhe der aufzuaddierenden Span nung wird allerdings nicht aus der Veränderung des Ausgangssignals des Kompa rators abgeleitet.US Pat. No. 4,749,953 describes a comparator circuit with a minimized offset Known tension and drift. This circuit comprises a capacitor, which with a first input of the comparator and a switch for opening th of the first input of the comparator on a first input signal path or second input signal path of opposite polarity is connected. The error voltage is used to adjust or to reduce the offset voltage of the comparator is first loaded onto the capacitor and - after actuation switch - the error voltage of the comparator with opposite Polarity added. This results in a comparison of the error voltage between the two inputs of the comparator. The amount of span to be added However, voltage does not result from the change in the output signal of the compa rators derived.
US 5 847 670 A zeigt eine Schaltung zur Kompensation einer Offset-Spannung eines Komparators, welche im Prinzip der vorbeschriebenen Schaltung entspricht. Auch hier wird die Höhe der aufzuaddierenden Spannung nicht aus der Verände rung des Ausgangssignals des Komparators abgeleitet.US 5 847 670 A shows a circuit for compensating an offset voltage a comparator, which corresponds in principle to the circuit described above. Again, the amount of voltage to be added does not change tion of the output signal of the comparator derived.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neuartiges Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallzählers der im Oberbegriff des Anspruchs 1 be schriebenen Art zur Verfügung zu stellen, bei dem trotz einer geräteeigenen Offset-Spannung eine genaue Messung auch bei Amplituden in der Größenord nung der Empfangssignale möglich bleibt. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vor liegenden Erfindung, eine geeignete Komparatorschaltung hierfür sowie einen mit der Komparatorschaltung ausgestatteten Ultraschallzähler zur Verfügung zu stel len.The object of the present invention is a novel method for the operation of an ultrasonic counter which be in the preamble of claim 1 to provide the written type, in spite of having a device Offset voltage an accurate measurement even with amplitudes in the order of magnitude receiving signals remains possible. It is also the job of the front lying invention, a suitable comparator circuit for this and one with the comparator circuit equipped ultrasound counter len.
Die vorliegende Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß zum Abgleich oder zur Reduzierung einer Offset-Spannung Uoffset des Komparators auf den zweiten Eingang eine Spannung aufaddiert wird, welche die Offset-Spannung Uoffset ausgleicht oder zumindest reduziert. Die Idee besteht darin, durch Aufaddieren einer Spannung am zweiten Eingang des Komparators die Offset-Spannung abzugleichen oder zumindest zu reduzieren, damit der Grö ßenordnungsunterschied zwischen den Amplituden der Eingangssignale der Emp fangssignale und der Offset-Spannung wieder zunimmt oder die Offset-Spannung vollständig beseitigt wird. The present object is achieved in the method according to the invention in that, in order to adjust or reduce an offset voltage U offset of the comparator, a voltage is added to the second input which compensates or at least reduces the offset voltage U offset . The idea is to equalize or at least reduce the offset voltage by adding up a voltage at the second input of the comparator, so that the order of magnitude difference between the amplitudes of the input signals of the received signals and the offset voltage increases again or the offset voltage is completely eliminated becomes.
Die Höhe der aufzuaddierenden Spannung wird erfindungsgemäß aus der Veränderung des Ausgangssignals Ua des Komparators abgeleitet. Die die Offset- Spannung reduzierende Wirkung der aufaddierten Spannung wird sozusagen am Ausgangssignal Ua d. h. dessen Veränderung erfaßt.The level of the voltage to be added is derived according to the invention from the change in the output signal U a of the comparator. The effect of the added voltage which reduces the offset voltage is detected, so to speak, on the output signal U a, ie its change.
Zweckmäßigerweise wird in Fortführung dieses Gedankens die Höhe der aufzu addierenden Spannung aus dem Tastverhältnis TH : TL am Ausgang des Kompa rators abgeleitet und zwar derart, daß sich das Tastverhältnis TH : TL am Ausgang des Komparators reduziert oder den Wert 1 einnimmt, wobei TH die Zeit festlegt, in der die Spannung Ue des Eingangssignals die Bedingung Ue < Uref und TL die Zeit darstellt, in der die Spannung Ue des Eingangssignals die Bedingung Ue < Uref erfüllt.Advantageously, in continuation of this idea, the level of the voltage to be added is derived from the pulse duty factor TH: TL at the output of the comparator in such a way that the pulse duty factor TH: TL at the output of the comparator is reduced or assumes the value 1, whereby TH is the time specifies in which the voltage U e of the input signal represents the condition U e <U ref and TL the time in which the voltage U e of the input signal fulfills the condition U e <U ref .
Die Erhöhung der Spannung am zweiten Eingang des Komparators erfolgt zweckmäßigerweise über die Entladung eines Kondensators. Insbesondere läßt sich die Höhe der aufzuaddierenden Spannung über die Ladezeit t vorgeben, wäh rend der ein Widerstand an dem Kondensator anliegt.The voltage at the second input of the comparator is increased expediently via the discharge of a capacitor. In particular, lets specify the level of the voltage to be added over the charging time t, rend a resistor is applied to the capacitor.
Die Festlegung der aufzuaddierenden Spannung erfolgt zweckmäßigerweise je weils zu Beginn des Betriebs des Ultraschallzählers nach Art einer Kalibrierung (Kalibrierungsphase). Während der eigentlichen Messung (Meßphase) wird die Kondensatorspannung dann konstant gehalten.The voltage to be added is expediently determined in each case because at the beginning of the operation of the ultrasonic meter in the manner of a calibration (Calibration phase). During the actual measurement (measurement phase) the The capacitor voltage is then kept constant.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird auf den ersten Eingang des Kompara tors eine Offset-Spannung Ue(offset) gezielt aufgebracht. Diese Offset-Spannung Ue (offset) soll höher sein als die, insbesondere maximale, geräteeigene Offset- Spannung Uoffset des Komparators. Dadurch wird sichergestellt, daß der Bereich der auf den zweiten Eingang des Komparators aufzubringenden Spannung sich innerhalb der Betriebsspannungsgrenzen bewegt. According to a further embodiment, an offset voltage U e (offset) is applied specifically to the first input of the comparator. This offset voltage U e (offset) should be higher than the, in particular maximum, device-specific offset voltage U offset of the comparator. This ensures that the range of the voltage to be applied to the second input of the comparator is within the operating voltage limits.
Da sich die Offset-Spannung betriebsbedingt, d. h. abhängig von der Temperatur, Betriebsspannung etc. ändert, ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Kondensator bei jeder Inbetriebnahme in einem ersten Schritt entladen, in einem zweiten Schritt (Kalibrationsphase) über die Ladezeit t aufgeladen und in einem dritten Schritt die Spannung aufaddiert wird (Meßphase).Because the offset voltage is operational, i. H. depending on the temperature, Operating voltage etc. changes, it is further provided according to the invention that the Discharge the capacitor in a first step each time you start up, in one second step (calibration phase) charged over the charging time t and in one third step the voltage is added (measuring phase).
Die vorstehende Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Komparatorschaltung für einen Ultraschallzähler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 dadurch ge löst, daß Mittel zum Aufaddieren einer Spannung am zweiten Eingang des Kom parators vorgesehen sind.The above object is achieved in the comparator circuit according to the invention ge for an ultrasonic counter according to the preamble of claim 9 triggers that means for adding up a voltage at the second input of the com parators are provided.
Des weiteren sind zweckmäßigerweise Mittel zur Erfassung des Tastverhältnisses TH : TL am Ausgang des Komparators vorgesehen, wobei TH die Zeit festlegt, in der die Spannung Ue des Eingangssignals die Bedingung Ue < Uref und TL die Zeit darstellt, in der die Spannung Ue des Eingangssignals die Bedindung Ue < Uref erfüllt.Furthermore, means are advantageously provided for detecting the pulse duty factor TH: TL at the output of the comparator, TH determining the time in which the voltage U e of the input signal represents the condition U e <U ref and TL the time in which the voltage U e of the input signal fulfills the condition U e <U ref .
Die Mittel zur Erfassung des Tastverhältnisses TH : TL weisen zweckmäßigerwei se eine Zeitmeßeinheit, einen Zähler, einen Generator sowie eine Steuer- und Ver arbeitungseinrichtung auf.The means for detecting the duty cycle TH: TL expediently have se a time measuring unit, a counter, a generator and a control and ver work facility on.
Die Mittel zum Aufaddieren einer Spannung umfassen zweckmäßigerweise einen Kondensator sowie einen Widerstand der über eine Ladezeit t an den Kondensator anlegbar ist.The means for adding up a voltage expediently comprise one Capacitor and a resistor over a charging time t to the capacitor can be created.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Kondensator sowie der Widerstand über eine Schalteinrichtung mit der Betriebsspannung, mit ground sowie mit einer Offenschaltstellung verbindbar. According to a further embodiment, the capacitor and the resistor via a switching device with the operating voltage, with ground and with one Open switch position connectable.
Die vorliegende Erfindung umfaßt desweiteren einen Ultraschallzähler, bei dem eine Komparatorschaltung nach einem der Ansprüche 9-13 vorgesehen ist.The present invention further includes an ultrasonic counter in which a comparator circuit according to one of claims 9-13 is provided.
Eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird anhand von Zeichnungsfigu ren nachstehend näher erläutert. Es zeigenAn embodiment of the present invention is based on the drawing ren explained in more detail below. Show it
Fig. 1 eine stark vereinfachte, schematische Darstellung eines möglichen Auf baus eines Ultraschallzählers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 1 is a greatly simplified schematic representation of a possible construction of an ultrasonic On counter for performing the method according to the invention,
Fig. 2 eine Realisierungsmöglichkeit der Mittel zum Aufaddieren einer Span nung am Komparator sowie Fig. 2 shows a possibility of realizing the means for adding a voltage on the comparator and
Fig. 3 eine Darstellung des sinusförmigen Eingangssignals am ersten Eingang des Komparators zur Erläuterung des Tastverhältnisses TH : TL. Fig. 3 shows the sinusoidal input signal at the first input of the comparator to explain the duty cycle TH: TL.
Bezugsziffer 1 in Fig. 1 kennzeichnet - lediglich schematisch - einen Ultraschall zähler, in dem die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommt. Die mechanischen Bestandteile des Ultraschallzählers sind in der Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.Reference numeral 1 in Fig. 1 denotes - only schematically - an ultrasonic counter in which the present invention is used. The mechanical components of the ultrasonic counter are not shown in FIG. 1 for the sake of clarity.
Ein Ultraschallzähler 1 umfaßt mindestens einen ersten Ultraschallwandler 14, insbesondere eine Piezokeramik, mittels dem Schwingungen erzeugt werden, die entlang der Meßstrecke L verlaufen und von einem zweiten Ultraschallwandler 3 empfangen werden. Über die Beeinflussung der Laufzeit kann rechnerisch die Strömungsmenge ermittelt werden.An ultrasound counter 1 comprises at least a first ultrasound transducer 14 , in particular a piezoceramic, by means of which vibrations are generated which run along the measuring section L and are received by a second ultrasound transducer 3 . The flow rate can be calculated by influencing the running time.
Bei dem vom Ultraschallwandler 3 abgegebenen Signal handelt es sich um ein sinusartiges Signal (sinusartiges Spannungseingangssignal Ue), welches mittels eines Komparators 2 in ein Rechtecksignal, d. h. digitales Ausgangssignal Ua transformiert wird.The signal emitted by the ultrasonic transducer 3 is a sinusoidal signal (sinusoidal voltage input signal U e ), which is transformed into a square wave signal, ie digital output signal U a , by means of a comparator 2 .
Dieses digitale Ausgangssignal wird anschließend Mitteln 9 zur Signalbe- und - weiterverarbeitung zugeführt. Die Mittel 9 zur Signalbe- und -weiterverarbeitung umfassen eine Torschaltung 13, eine Steuer- und Verarbeitungseinheit 11, einen Zähler 15, eine Zeitmeßeinrichtung 10 sowie einen Generator 12. Hierbei handelt es sich um übliche, bei herkömmlichen Ultraschallzählern zur Signalbe- und - weiterverarbeitung zum Einsatz kommende Komponenten.This digital output signal is then fed to means 9 for signal processing and further processing. The means 9 for signal processing and further processing comprise a gate circuit 13 , a control and processing unit 11 , a counter 15 , a time measuring device 10 and a generator 12 . These are the usual components used in conventional ultrasonic meters for signal processing and further processing.
Der Komparator umfaßt einen ersten Eingang 4, an dem das sinusartige Span nungseingangssignal Ue vom Ultraschallwandler 3 anliegt sowie einen zweiten Eingang, an dem die Referenzspannung Uref (Schaltschwelle) anliegt.The comparator comprises a first input 4 , at which the sinusoidal voltage input signal U e from the ultrasound transducer 3 is present, and a second input at which the reference voltage U ref (switching threshold) is present.
Erfindungsgemäß liegen am zweiten Eingang 5 des Komparators 2 Mittel 8 zum Aufaddieren einer Spannung an. Diese Mittel 8 zum Aufaddieren einer Spannung dienen dazu, auf den zweiten Eingang 5 des Komparators 3 eine Spannung aufzu addieren, welche die Offset-Spannung Uoffset ausgleicht oder zumindest reduziert.According to the invention, means 8 for adding up a voltage are present at the second input 5 of the comparator 2 . These means 8 for adding up a voltage serve to add up to the second input 5 of the comparator 3 a voltage which compensates or at least reduces the offset voltage U offset .
In Fig. 2 ist eine konkrete Ausgestaltung dieser Mittel zum Aufaddieren einer Spannung dargestellt. Sie umfassen einen Kondensator 6 sowie einen Widerstand 7, die am zweiten Eingang 5 des Komparators 2 anliegen. Der Kondensator 6 wiederum liegt an dem Potential Vdd (Betriebsspannung). Der Widerstand 7 liegt über eine Schalteinrichtung 16 wahlweise ebenfalls an dem Potential Vdd (Be triebsspannung), an ground (Erde) oder an einer Offenstellung an.In Fig. 2 is a concrete embodiment of these means is shown for adding a voltage. They include a capacitor 6 and a resistor 7 , which are present at the second input 5 of the comparator 2 . The capacitor 6 is in turn at the potential V dd (operating voltage). The resistor 7 is optionally also via a switching device 16 at the potential V dd (operating voltage), at ground (ground) or at an open position.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung ist zudem vorgesehen, daß das Span nungseingangssignal Ue um eine Spannung schwankt, die leicht unterhalb des Potentials Vdd (Betriebsspannung) liegt, d. h. es liegt ein gezielt aufgebrachter Offset U(offset) vor. Die Offset-Kompensation erfolgt bei der Ausgestaltung der Erfindung gemäß der Schaltung nach Fig. 2 in drei Phasen:In the circuit shown in Fig. 2 it is also provided that the voltage input signal U e fluctuates by a voltage which is slightly below the potential V dd (operating voltage), ie there is a deliberately applied offset U (offset) . In the embodiment of the invention, the offset compensation takes place in three phases according to the circuit according to FIG. 2:
Die Stellung der Schalteinrichtung 16 steht auf dem Potential Vdd (Betriebsspan nung), so daß beide Pole auf Vdd stehen und der Kondensator 6 entladen wird.The position of the switching device 16 is at the potential V dd (operating voltage), so that both poles are at V dd and the capacitor 6 is discharged.
Die Schalteinrichtung 16 steht hierbei auf der zweiten Schalterstellung (ground), wobei der Kondensator hierbei über eine Ladezeit t aufgeladen wird.The switching device 16 is in the second switch position (ground), the capacitor being charged over a charging time t.
Anschließend wird die Schalteinrichtung 16 auf die dritte Schaltstellung (offen, d. h. kein Potential) gestellt. Während dieser Zeit bleibt die Kondensatorspannung, die am zweiten Eingang 5 des Komparators 2 anliegt, konstant. Während dieser Meßphase liegt an dem zweiten Eingang 5 des Komparators 2 somit eine erhöhte Spannung, d. h. erhöhte Referenzspannung Uref an.Then the switching device 16 is set to the third switching position (open, ie no potential). During this time, the capacitor voltage that is present at the second input 5 of the comparator 2 remains constant. During this measurement phase, an increased voltage, ie increased reference voltage U ref , is therefore present at the second input 5 of the comparator 2 .
Da sich der geräteeigene Offset einsatzbedingt aufgrund von Temperatureinflüs sen, Witterungseinflüssen etc. verändert, wird zweckmäßigerweise bei jeder Mes sung ein Offset-Abgleich der vorbeschriebenen Art vorgenommen.Since the device's own offset depends on the application due to temperature influences sen, weather influences, etc., is expediently every measurement an offset adjustment of the type described above.
Das Maß der Ladung des Kondensators 6, d. h. die Höhe der aufzuaddierenden Spannung erfolgt über die Vorgabe der Ladezeit t, während der der Widerstand 7 am Kondensator 6 in der zweiten Schalterstellung (ground) an der Schalteinrich tung 16 anliegt. Die Dauer der Ladezeit t, d. h. der Kalibrationsphase wird zweckmäßigerweise aus dem Tastverhältnis TH : TL des Spannungseingangssignal Ue ermittelt. The degree of charge of the capacitor 6 , that is, the level of the voltage to be added takes place via the specification of the charging time t, during which the resistor 7 on the capacitor 6 in the second switch position (ground) is applied to the switching device 16 . The duration of the charging time t, ie the calibration phase, is expediently determined from the pulse duty factor TH: TL of the voltage input signal U e .
Ist das Tastverhältnis TH : TL < 1, so ist der Gleichspannungsanteil am ersten Ein gang 4 des Komparators 2 höher als am zweiten Eingang 5. Dies bedeutet, daß die Kondensatorspannung zu hoch ist und der Kondensator 6 zu lange aufgeladen wurde. Die Kalibrationsphase, d. h. die Ladezeit t muß demnach verkürzt werden. Ist das Tastverhältnis TH : TL < 1, ist der Gleichspannungsanteil am ersten Ein gang 4 des Komparators 2 niedriger als am zweiten Eingang 5. Die Kondensator spannung war demnach zu niedrig, die Ladezeit t war zu gering, die Ladezeit t, d. h. die Kalibrationsphase muß verlängert werden.If the pulse duty factor TH: TL <1, the DC voltage component at the first input 4 of the comparator 2 is higher than at the second input 5 . This means that the capacitor voltage is too high and the capacitor 6 has been charged too long. The calibration phase, ie the charging time t must therefore be shortened. If the pulse duty factor TH: TL <1, the DC voltage component at the first input 4 of the comparator 2 is lower than at the second input 5 . The capacitor voltage was therefore too low, the charging time t was too short, the charging time t, ie the calibration phase must be extended.
Durch die in Abhängigkeit des Tastverhältnisses vorgenommene Einstellung der Ladezeit t wird der Unterschied der tatsächlichen Lage des Spannungseingangs signals Ue im Vergleich zur Referenzspannung Uref (Schaltschwelle) reduziert oder sogar gleichgestellt (Tastverhältnis TH : TL = 1). In letzterem Fall hat ein vollständiger Offset-Abgleich stattgefunden.Due to the setting of the charging time t as a function of the duty cycle, the difference in the actual position of the voltage input signal U e compared to the reference voltage U ref (switching threshold) is reduced or even equal (duty cycle TH: TL = 1). In the latter case, a complete offset adjustment has taken place.
Der Vorteil des vorbeschriebenen Verfahrens, der diesbezüglichen Komparator schaltung bzw. eines Ultraschallzählers, der eine solche Komparatorschaltung verwendet, liegt darin, daß über das Tastverhältnis TH : TL, welches mit vorhan denen Systemresourcen leicht zu ermitteln ist, ein Signal für die Durchführung des Offset-Abgleichs genutzt werden kann. Hierdurch kann die Meßgenauigkeit von Ultraschallzählern unter Einsatz herkömmlicher Komparatoren mit geräteei genem Offset erheblich verbessert werden.The advantage of the method described above, the comparator in this regard circuit or an ultrasonic counter, such a comparator circuit used, is that about the duty cycle TH: TL, which with existing where system resources are easy to identify, a signal for implementation offset adjustment can be used. This can reduce the measuring accuracy of ultrasonic meters using conventional comparators with a device Genem offset can be significantly improved.
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