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Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Ultraschall-Strömungssensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
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Ultraschall-Strömungssensoren werden eingesetzt, um insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit oder den Volumen- oder Massestrom eines gasförmigen oder flüssigen Mediums zu messen, das durch eine Rohrleitung strömt. Ein bekannter Typ von Ultraschall-Strömungssensoren umfasst zwei in Strömungsrichtung versetzt angeordnete Ultraschallwandler, die jeweils Ultraschallsignale erzeugen und diese an den jeweils anderen Ultraschallwandler aussenden. Die Ultraschallsignale werden vom jeweils anderen Wandler empfangen und mittels einer Elektronik ausgewertet. Der Laufzeitunterschied zwischen dem Ultraschallsignal in Strömungsrichtung und dem Ultraschallsignal in Gegenrichtung ist dabei ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Daraus kann die gewünschte Messgröße, wie z. B. der Volumenstrom des fließenden Mediums, berechnet werden.
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1 zeigt eine typische Anordnung eines Ultraschall-Strömungssensors mit zwei Ultraschallwandlern A, B, die innerhalb einer Rohrleitung 3 angeordnet sind und sich in einem Abstand L gegenüberstehen. In der Rohrleitung 3 strömt ein Fluid 1 mit einer Geschwindigkeit v in Richtung des Pfeils 2. Die Messstrecke L ist gegenüber der Strömungsrichtung 2 um einen Winkel α geneigt. Während einer Messung senden sich die Ultraschallwandler A, B gegenseitig Ultraschallsignale zu, die von der Strömung entweder verlangsamt oder beschleunigt werden. Die Laufzeiten der Schallsignale sind dabei ein Maß für die zu bestimmende Strömungsgeschwindigkeit.
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2 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Wandleranordnung mit einer daran angeschlossenen Steuer- und Auswerteelektronik 4. Der Sensor arbeitet nach dem sog. „sing-around” Verfahren. Dabei wird durch den Empfang eines Ultraschallsignals A0 oder B0 an einem der Wandler A, B unmittelbar ein Ultraschallsignal in Gegenrichtung ausgelöst.
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Eine Strömungsmessung läuft im wesentlichen wie folgt ab: Die Elektronik
4 gibt einen elektrischen Impuls an den Wandler A aus, der daraufhin ein Ultraschallsignal A0 generiert und an den zweiten Wandler B aussendet. Nach einer Streckenlaufzeit t
12 wird das Signal A0 vom zweiten Wandler B empfangen. Unmittelbar darauf generiert der zweite Wandler B ein Ultraschallsignal B0, das nach einer Streckenlaufzeit t
21 am ersten Wandler A ankommt. Sind t
12 und t
21 die Schalllaufzeiten der Signale von A nach B bzw. umgekehrt, so ergibt sich daraus ein Laufzeitunterschied Δt = t
12 – t
21. Die Strömungsgeschwindigkeit v kann schließlich gemäß
berechnet werden. Dabei ist Σt = t
12 + t
21 die Summenlaufzeit für einen Umlauf oder Umlaufzeit und s ein Korrekturfaktor mit s = 1 – (Δt/Σt)
2.
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3 zeigt den Signalverlauf eines einzelnen Ultraschallsignals A0, B0 und die Art und Weise der Bestimmung eines Empfangszeitpunktes bei einem solchen Signal. Dargestellt ist hier die sogenannte Zero-Crossing-Detektion (Nulldurchgangsdetektion). Dabei ist der ”Empfangszeitpunkt” des Signals als der erste Nulldurchgang des Signals definiert, nachdem die Amplitude einen vorgegebenen Schwellenwert SW (den sogenannten pretrigger level) überschritten hat. Der Empfangszeitpunkt bei diesem Beispiel wäre somit der Zeitpunkt t0.
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Wegen des Rauschanteils R, der dem Signal überlagert ist, führt die Zero-Crossing-Detektion jedoch zu einer relativ hohen zeitlichen Unschärfe in der Pulsflankenerkennung. Diese Unschärfe ist hier als Zeitspanne Δtj gekennzeichnet, die z. B. +/–100 ns beträgt. Normalerweise ist die Unschärfe so groß, dass mit einer einzigen Messung, insbesondere bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten, keine brauchbare Messgenauigkeit erreicht werden kann.
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Zur Erhöhung der Messgenauigkeit werden daher i. d. R. mehrere Messungen hintereinander durchgeführt und das Ergebnis gemittelt. Dadurch erhöht sich jedoch die Messdauer auf das n-fache einer Summenlaufzeit, wodurch das Sensorsignal des Ultraschallströmungssensors nur noch sehr träge auf schnelle Strömungsänderungen reagiert. Insbesondere für Anwendungen im Kfz-Bereich sind jedoch Ultraschallsensoren erforderlich, die auch bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten eine hohe Genauigkeit aufweisen und gleichzeitig eine schnelle Reaktionszeit des Signals besitzen.
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Aus der
DE 27 24 661 B2 ist ein Ultraschall-Strömungsmengenmesser für insbesondere als Heizmedien dienende Flüssigkeiten bekannt. Dabei ist vorgesehen, ein Ultraschallsignal vom Sender zum Empfänger zu senden und aus der Phasendifferenz des empfangenen und ausgesendeten Signals auf die Geschwindigkeit bzw. dem Massenstrom des strömenden Fluids zu schließen.
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Aus der
US 3 935 735 A ist ein Ultraschallströmungssensor mit versetzt gegeneinander angeordneten Ultraschallwandlern bekannt. Dabei wird ein Signal von einem Wandler zum Anderen übertragen. Gleichzeitig erfolgt die Übertragung eines zweiten Signals in Gegenrichtung.
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Aus der
EP 0 272 942 A2 ist ein Geschwindigkeitsmesser für ein Wasserfahrzeug bekannt. Dabei werden Schallsignale von einem Sender zu einem Empfänger übertragen und aus der Laufzeit die Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs relativ zum Wasser berechnet.
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Aus der
US 4 232 548 A ist ebenfalls einen Ultraschallströmungsmesser bekannt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschall-Strömungssensor bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensors zu schaffen, der bzw. das eine hohe Messgenauigkeit bei möglichst schneller Reaktionszeit des Messsignals bietet.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 7 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, an wenigstens einem der Ultraschallwandler, innerhalb einer Zeit, die kürzer ist als eine Umlaufzeit (d. h. die Zeit, die ein Ultraschallsignal vom einen Wandler zum anderen Wandler und zurück benötigen würde), mehrere einzelne Ultraschallsignale zu generieren und diese Signale an den anderen Ultraschallwandler auszusenden. Dadurch kann die Anzahl der Messungen pro Zeit wesentlich erhöht und somit auch die Messgenauigkeit gesteigert werden, wobei die Messdauer gegenüber n Einzelmessungen wesentlich verkürzt wird.
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Die zeitliche Abfolge zwischen dem Senden eines Signals an einem Wandler und dem Senden in Gegenrichtung ist im Grunde frei wählbar. Eine bevorzugte Betriebsart ist z. B., dass die Ultraschallsignale an beiden Wandlern gleichzeitig erzeugt und in die Strecke eingekoppelt werden. Eine zweite Möglichkeit besteht z. B. darin, dass einer der Ultraschallwandler jeweils beim Empfang eines Ultraschallsignals unmittelbar ein neues Signal in Gegenrichtung erzeugt (sing-around Verfahren). Eine dritte Möglichkeit besteht z. B. darin, dass zuerst einer der Wandler eine Sequenz von n Signalen sendet und der andere Wandler erst nach Empfang der gesamten Sequenz eine entsprechende Sequenz zurück sendet. Bei der Wahl der Abfolge ist nur zu berücksichtigen, dass herkömmliche Wandler nicht gleichzeitig senden und empfangen können und somit Senden und Empfangen nicht auf einen Zeitpunkt zusammen fallen dürfen.
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Zur Bestimmung der Messgröße ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die zu jedem Signalpaar (bestehend aus zwei gegenläufigen Ultraschallsignalen) die Signallaufzeiten ermittelt. Mehrere Laufzeiten können gemittelt und somit eine höhere Genauigkeit der Messung erreicht werden, ohne die Messzeit gegenüber einer Einzelmessung wesentlich zu vergrößern.
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Erfindungsgemäß ist der Ultraschall-Strömungssensor derart ausgelegt, dass wenigstens einer der Ultraschallwandler innerhalb einer Streckenlaufzeit eine Sequenz aus mehreren Ultraschallsignalen an den anderen Wandler aussendet. D. h. ein Wandler sendet nach einem ersten Ultraschallsignal wenigstens ein zweites Ultraschallsignal zum anderen Wandler, noch bevor das erste Signal den anderen Wandler erreicht hat. Je mehr Einzelsignale in die Strecke eingespeist werden, desto besser wird die Genauigkeit der Messung und die Reaktionszeit des Sensors.
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Die maximale Anzahl der in die Strecke eingespeisten Einzelsignale wird durch die Signaldauer im Verhältnis zur Streckenlaufzeit der Einzelsignale begrenzt. Um möglichst viele Einzelsignale innerhalb der Streckenlaufzeit unterzubringen, werden daher vorzugsweise breitbandige Wandler verwendet. Werden z. B. n = 9 Ultraschallsignale innerhalb einer Streckenlaufzeit in die Strecke eingekoppelt, wird die Messung um einen Faktor n1/2 = 3 genauer, ohne die gesamte Messdauer wesentlich zu verlängern.
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Die Auswerteeinheit umfasst mehrere Zähler, mit denen die Laufzeitdifferenzen der einzelnen Signalpaare erfasst werden. Für jedes Signalpaar ist ein eigener Zähler vorgesehen.
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Bei den Zählern handelt es sich vorzugsweise um Aufwärts/Abwärtszähler. Dadurch wird es möglich, die Zähler z. B. während der Laufzeit eines Ultraschallsignals vom ersten zum zweiten Wandler aufwärts und während der anschließenden Laufzeit in Gegenrichtung abwärts zählen zu lassen. Der Zählerstand nach einem solchen Umlauf ist dann ein Maß für die Laufzeitdifferenz der einzelnen Signale.
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Die Zähler sind vorzugsweise mit einer Steuerschaltung verbunden, die die Zähler startet und stoppt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht des Aufbaus eines Ultraschall-Strömungssensors gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Darstellung eines Ultraschall-Strömungssensors mit Ansteuer- und Auswerteelektronik;
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3 den Signalverlauf eines typischen Ultraschallsignals; und
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4 ein Blockschaltbild einer Steuer- und Auswerteschaltung gemäß der Erfindung.
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Bezüglich der Erläuterung der 1 bis 3 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
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4 zeigt einen Ultraschall-Strömungssensor mit einer zugehörigen Steuer- und Auswerteschaltung 4. Der Sensor umfasst zwei Ultraschallwandler A, B, die sich gegenseitig Ultraschallsimpulse An, Bn zusenden (gezeigt ist hier jeweils die Hüllkurve der Signale). Innerhalb einer Streckenlaufzeit sendet dabei jeder der Wandler A, B eine Sequenz aus mehreren Signalen An, Bn an den anderen Wandler.
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Der Sensor wird in diesem Ausführungsbeispiel im sogenannten sing-around Verfahren betrieben, bei dem der Empfang eines Ultraschallsignals an einem der Ultraschallwandler A, B jeweils die Erzeugung eines Signals in Gegenrichtung auslöst. Dadurch laufen die Ultraschallimpulse An, Bn fortlaufend zwischen den beiden Wandlern A, B hin und her. Der zeitliche Abstand zwischen den Signalen A1–A3, B1–B3 einer Sequenz ist dabei so gewählt, dass ein Wandler nach dem Empfang und dem darauffolgenden Zurücksenden eines Signals An, Bn wieder empfangsbereit ist, bevor das nächste Signal der Sequenz empfangen wird.
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Zur Ansteuerung der beiden Wandler A, B und Auswertung der empfangenen Signale ist eine Steuer- und Auswerteschaltung 4 vorgesehen, die mit den Wandlern A, B verbunden ist. Die Steuer- und Auswerteschaltung 4 umfasst mehrere Zähler 5a–5n, in denen die Laufzeitdifferenzen der einzelnen Signalpaare A1, B1; A2, B2; A3, B3 gespeichert werden. Die Anzahl der Zähler 5a–5n entspricht dabei der Anzahl der Signalpaare An, Bn.
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Eine Messung beginnt, indem der Wandler A von einer Steuereinheit 8 mit n-kurzen Spannungspulsen, wie z. B. Rechteckimpulsen, angesteuert wird, so dass mehrere voneinander beabstandete Ultraschallsignale An, Bn entstehen. Die Ansteuerung des Wandlers A erfolgt in diesem Fall nicht direkt, sondern über eine zwischengeschaltete Trenn- und Reflexionsstufe 6a, die die elektrischen Erregerpulse an den Ultraschallwandler A weitergibt und andererseits in der Lage ist, empfangene Ultraschallimpulse Bn zur Auswertung weiterzuleiten. Gleichzeitig mit den einzelnen Spannungspulsen werden nacheinander die Zähler 5a–5n gestartet und beginnen, mit einer Oszillatorfrequenz aufwärts zu zählen, die von einem Oszilator 9 zugeführt wird. Die Zählrichtung wird von einer Zählrichtungs-Auswählschaltung 7a vorgegeben, die dem Wandler A zugeordnet ist.
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Das Eintreffen der Signale A1–A3 am Wandler B wird von der Trenn- und Reflexionsstufe 6b durch Nulldurchgangsdetektion (zero-crossing) erkannt. Die Steuereinheit 8 erzeugt darauf jeweils einen Spannungsimpuls, mit dem der Wandler B angeregt wird, so dass unmittelbar nach dem Empfang eines Signals An ein Signal Bn ausgesandt wird.
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Mit dem Empfang eines Signals An am Wandler B wird außerdem die Zählrichtung der Zähler 5 umgekehrt. Zu diesem Zweck ist eine Zählrichtungs-Auswählschaltung 7b vorgesehen, die mit dem Abwärtszähleingang (–) der Zähler 5a–5n verbunden ist und die von der zugehörigen Reflexions- und Trennschaltung 6b getriggert wird. (Entsprechende Einrichtungen 6a bzw. 7a sind auch für den Wandler A vorgesehen).
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Die Zähler 5a–5n zählen solange abwärts, bis das jeweils zugehörige Signal Bn am ersten Ultraschallwandler A detektiert wird. Ein Zähler 5a–5n wird mit dem Empfang des zugehörigen Signals Bn von der Steuereinheit 8 gestoppt. Der Zählerstand des Zählers 5a–5n ist dann ein Maß für die Laufzeitdifferenz der Signale An, Bn eines Signalpaares. Dieser Wert wird an eine Ausgangsschaltung 10 ausgegeben.
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Die Ausgangsschaltung 10 kann entweder einen Mittelwert aus n-Zählerwerten bilden oder eine schnelle Abfolge von Einzelwerten als Messwert S ausgeben. Die Einzelwerte können z. B. mittels eines Tiefpassfilters zu einem genaueren Signal verarbeitet werden. Daraus kann schließlich die gewünschte Messgröße berechnet werden.
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Mit der vorstehend beschriebenen Steuer- und Auswerteschaltung 4 ist es möglich, die Messgenauigkeit eines Ultraschall-Strömungssensors wesentlich zu verbessern und gleichzeitig die Messdauer wesentlich zu verringern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluid
- 2
- Strömungsrichtung
- 3
- Rohrleitung
- 4
- Steuer- und Auswerteschaltung
- 5a–5n
- Zähler
- 6a, 6b
- Trenn- und Reflexionsstufen
- 7a, 7b
- Schaltung zur Bestimmung der Zählrichtung
- 8
- Steuereinheit
- 9
- Oszillator
- 10
- Ausgangsschaltung
- A, B
- Ultraschallwandler
- An
- Ultraschallsignale des ersten Wandlers
- Bn
- Ultraschallsignale des zweiten Wandlers
- Δt
- Laufzeitdifferenz
- S
- Messwert
