DE102005004331A1 - Ultraschallströmungssensor mit Modulo-2pi-Restnachführung - Google Patents

Ultraschallströmungssensor mit Modulo-2pi-Restnachführung Download PDF

Info

Publication number
DE102005004331A1
DE102005004331A1 DE102005004331A DE102005004331A DE102005004331A1 DE 102005004331 A1 DE102005004331 A1 DE 102005004331A1 DE 102005004331 A DE102005004331 A DE 102005004331A DE 102005004331 A DE102005004331 A DE 102005004331A DE 102005004331 A1 DE102005004331 A1 DE 102005004331A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
ultrasonic
signal
clock signal
ultrasonic signal
evaluation unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE102005004331A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102005004331B4 (de
Inventor
Uwe Konzelmann
Tobias Lang
Sami Radwan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102005004331.3A priority Critical patent/DE102005004331B4/de
Priority to US11/576,284 priority patent/US7614310B2/en
Priority to PCT/EP2005/056520 priority patent/WO2006081887A1/de
Priority to EP05816309A priority patent/EP1846734A1/de
Priority to JP2007552537A priority patent/JP4904289B2/ja
Publication of DE102005004331A1 publication Critical patent/DE102005004331A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102005004331B4 publication Critical patent/DE102005004331B4/de
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/245—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by measuring transit time of acoustical waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01F1/7082—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using acoustic detecting arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/024—Analysing fluids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/36—Detecting the response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/38—Detecting the response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by time filtering, e.g. using time gates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/4472—Mathematical theories or simulation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02836—Flow rate, liquid level

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Laufzeit (t) eines Ultraschallsignals (15) eines Ultraschall-Strömungssensors (6), das von einem Ultraschallwandler (A, B) in eine Messstrecke (S) eingekoppelt wurde, wobei die Phasenlage (DELTAPHI) des Ultraschallsignals (15) gegenüber einem Referenztakt (8) und ein Restanteil (r(t)) als Maß für die Laufzeit (t¶mes¶) des Ultraschallsignals (15) ermittelt wird. Die Laufzeitmessung kann besonders robust und mit geringem Hardwareaufwand realisiert werden, wenn die Phasenlage (DELTAPHI) mittels eines Quadratur-Demodulationsverfahrens ermittelt wird, bei dem das empfangene Signal (15) mit Hilfe eines Taktsignals (8) und eines Phasen verschobenen Taktsignals (9) abschnittsweise invertiert und der Restanteil (r(t)) aus einer charakteristischen Größe (t¶s¶) des Ultraschallsignals (15) ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals eines Ultraschall-Strömungssensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Ultraschall-Strömungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
  • Ultraschall-Strömungssensoren dienen insbesondere dazu, den Volumen- oder Massestrom oder die Strömungsgeschwindigkeit 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 Signal in Strömungsrichtung und dem Signal in Gegenrichtung ist dabei ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. des Fluids.
  • 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 Messtrecke L ist gegenüber der Strömungsrichtung 2 um eine Winkel α geneigt. Während einer Messung senden sich die Ultraschallwandler A, B gegenseitig Ultraschallsignale zu, die je nach Richtung von der Strömung entweder verlangsamt oder beschleunigt werden. Die Laufzeiten der Schallsignale sind dabei ein Maß für die zu bestimmende Strömungsgeschwindigkeit.
  • 2 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellung der elektrischen Verschaltung der Anordnung von 1. Die beiden Ultraschallwandler A, B sind mit einer Steuer- und Auswerteelektronik 4 verbunden und werden von einem Oszillator mit einer vorgegebenen Taktfrequenz 8 (Rechtecksignal) angeregt. Die dadurch erzeugten Ultraschallsignale 15 (hier ist nur die Hüllkurve 16 der Ultraschallsignale 15 dargestellt) durchlaufen die Messstrecke L und werden vom jeweils anderen Ultraschallwandler A, B detektiert. Dabei wird die Laufzeit t12 bzw. t21 der Signale 15 gemessen.
  • Für die Laufzeitmessung eines Ultraschallsignals 15 ist es von wesentlicher Bedeutung, dass der Empfangszeitpunkt des Ultraschallsignals 15 eindeutig und genau bestimmt wird. Als Empfangszeitpunkt eines Ultraschallsignals können unterschiedliche Ereignisse festgelegt werden. Aus dem Stand der Technik ist es z.B. bekannt, den ersten Nulldurchgang N0 des Ultraschallsignals 15 als „Empfangszeitpunkt" zu definieren, nachdem die Signalamplitude einen vorgegebenen Schwellenwert überschritten hat. Alternativ kann z.B. auch der Zeitpunkt der maximalen Amplitude oder der Schwerpunkt ts der Hüllkurve 16 des Ultraschallsignals 15 als Empfangszeitpunkt definiert werden. Darüber hinaus ist es bekannt, die Laufzeit des Ultraschallsignals 15 durch Auswertung der Phase des Signals gegenüber dem Referenztakt 8 zu bestimmen. Herkömmliche Verfahren zur Laufzeitmessung sind üblicherweise relativ aufwendig realisiert oder nicht ausreichend robust gegenüber Störsignalen.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals in einem Ultraschall-Strömungssensor, sowie einen Ultraschall-Strömungssensor mit einer speziellen Signalauswertung zu schaffen, das bzw. der besonders einfach zu realisieren ist und darüber hinaus eine hohe Robustheit gegenüber Störungen aufweist.
  • Gelöst wird diese Aufgabe gemäß. der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im -Patentanspruch 10 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, die Phasenlage (ΔΦ) eines Ultraschallsignals gegenüber einem Referenztakt mittels eines Quadratur-Demodulationsverfahrens zu bestimmen und die Gesamtlaufzeit des Ultraschallsignals aus der Phasenlage (ΔΦ) und einem Restanteil (r(t)) zu berechnen, der ein ganzzahliges Vielfaches von 2pi ist. Zur Bestimmung der Phasenlage (ΔΦ) wird das Ultraschallsignal mit Hilfe eines Taktsignals und eines phasenverschobenen Taktsignals abschnittsweise invertiert. Die abschnittsweise invertierten Signale werden dann vorzugsweise integriert oder gefiltert und die Phasenlage (ΔΦ) durch trigonometrische Berechnung ermittelt. Der Restanteil (r(t)) wird erfindungsgemäß aus einem vorgegebenen Empfangsereignis des Ultraschallsignals, wie z.B. dem Empfangszeitpunkt des Schwerpunkts einer Hüllkurve, ermittelt. Ein besonderer Vorteil der Quadratur-Demodulation besteht darin, dass diese Technik wie ein besonders schmalbandiger Filter gegenüber Störsignalen wirkt, ohne jedoch eine Phasenverschiebung des Signals zu verursachen. Eine herkömmliche Bandpassfilterung mit RC-Gliedern würde z.B. eine Phasenverschiebung hervorrufen, die mit der Temperatur driften würde, was potentiell zu Fehlern bei der Laufzeitmessung führen würde. Trotz der außerordentlichen Robustheit des Quadratur-Demodulationsverfahrens gegenüber Störsignalen ist der dazu benötigte Hardwareaufwand relativ gering im Vergleich zu ähnlich robusten Verfahren, wie z.B. der Kreuzkorrelation.
  • Das Empfangsereignis des Ultraschallsignals, aus dem schließlich der Restanteil (n·2pi) berechnet wird, ist vorzugsweise eine Größe des Ultraschallsignals, die von der Signalamplitude unabhängig ist, wie z.B. der Schwerpunkt des empfangenen Ultraschallsignals, der Schwerpunkt einer Hüllkurve des Signals oder der Zeitpunkt einer anderen Größe, die von der Signalamplitude unabhängig ist. Dies hat den Vorteil, dass sich der Empfangszeitpunkt bei unterschiedlichen Signalamplituden nicht verschiebt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Restanteil (r(t) = n·2pi) aus dem Schwerpunkt einer Hüllkurve des Ultraschallsignals bestimmt.
  • Der Restanteil r(t) wird vorzugsweise als eine Funktion des Empfangsereignisses (ts), der Phasenlage (ΔΦ) und eines Offsetwerts (t0) berechnet, wobei gilt: r(t) = f(ts, ΔΦ, t0).
  • Die Funktion f umfasst vorzugsweise eine Rundungsfunktion (z.B. round), mit der ein Wert auf die nächste ganze Zahl gerundet wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung berechnet die Auswerteeinheit einen Streuparameter, der das Ausmaß der Rundung angibt. Die Laufzeitberechnung ist besonders genau und robust, wenn dieser Streuparameter möglichst klein ist. Gemäß der Erfindung wird daher vorgeschlagen, den Streuparameter auf kleine Werte zu regeln und hierzu den Offsetwert (t0) entsprechend einzustellen. Der Offsetwert (t0) wird vorzugsweise variiert, wenn der Absolutwert des Streuparameters im zeitlichen Mittel einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
  • Im Rahmen der Streuparameter-Regelung wird vorzugsweise das zeitliche Mittel des Betrags des Streuparameters (s) berechnet. Alternativ oder zusätzlich kann auch das zeitliche Mittel des Streuparameters (s) berechnet werden.
  • Die mit dem Referenztakt bzw. dem phasenverschobenen Referenztakt invertierten Ultraschallsignale werden vorzugsweise jeweils einem Integrator zugeführt, der das Signal über mehrere Phasen, vorzugsweise über die gesamte Dauer des Ultraschallsignals integriert. Aus den Ausgangssignalen der Integratoren wird dann vorzugsweise die Phasenlage (ΔΦ) ermittelt. Anstelle der Integratoren kann wahlweise auch eine Filterschaltung vorgesehen sein.
  • Die abschnittsweise invertierten Ultraschallsignale werden vorzugsweise außerdem einem zweiten Paar von Integratoren zugeführt, die die Signale jeweils über eine Periode des Referenztakts integrieren. Aus den Ausgangssignalen dieser Integratoren wird vorzugsweise eine Hüllkurve berechnet, deren Schwerpunkt (ts) den Empfangszeitpunkt des Ultraschallsignals darstellt.
  • Ein erfindungsgemäß aufgebauter Ultraschall-Strömungssensor, bei dem die Laufzeit der Ultraschallsignale aus der Phasenlage (ΔΦ) eines empfangenen Signals gegenüber einem Referenztakt und einem Restanteil (r(t)) berechnet wird, umfasst wenigstens einen Ultraschallswandler zum Aussenden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen, einen mit dem Ultraschallwandler verbundenen Oszillator, der ein Taktsignal erzeugt, sowie eine Steuer- und Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit umfasst erfindungsgemäß eine Einrichtung (Schaltung oder Software) die die Phasenlage (ΔΦ) des Ultraschallsignals gemäß dem Quadratur-Demodulationsverfahren bestimmt, wobei ein empfangenes Ultraschallsignal mit der Frequenz des Taktsignals bzw. eines um pi/2 verschobenen Taktsignals abschnittsweise invertiert wird, sowie eine Einrichtung (Schaltung oder Software), die ein Empfangsereignis, wie z.B. den Schwerpunkt einer Hüllkurve, ermittelt und daraus den Restanteil (r(t)) berechnet.
  • Die Steuer- und Auswerteeinheit ist im Übrigen derart realisiert, dass eine oder mehrere der vorstehend genannten Funktionen ausgeführt werden können.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschall-Strömungssensor mit zwei Ultraschallwandlern;
  • 2 einen Ultraschall-Strömungssensor mit zugehöriger Steuer- und Empfangselektronik;
  • 3 den Signalverlauf eines einzelnen Ultraschallsignals mit dessen Hüllkurve;
  • 4 eine spezielle Ausführungsform eines Ultraschall-Strömungssensors mit einer Auswerteelektronik, die im Quadratur-Demodulationsverfahren arbeitet;
  • 5a ein Diagramm zur Darstellung der Phasenlagenberechnung
  • 5b den Verlauf der Ausgangssignale der Integratoren von 4;
  • 5c den Verlauf einer aus dem Ultraschallsignal berechneten Hüllkurve;
  • 6 den zeitlichen Mittelwert eines Streuparameters |s| in Abhängigkeit vom Offsetwert t0.
  • 7 den Verlauf des Streuparameters |s| in Abhängigkeit vom Offsetwert t0 bei unterschiedlichen Signalstörungen; und
  • 8 den Verlauf des mittleren Streuparameters s in Abhängigkeit vom Offsetwert t0 bei unterschiedlich starken Störungen.
  • Bezüglich der Erläuterung der 1 bis 3 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
  • 4 zeigt eine Ausführungsform eines Ultraschall-Strömungssensors 6 mit zwei Ultraschallwandlern A, B und einer Steuer- und Auswerteelektronik 4. Die Elektronik 4 umfasst einen Oszillator 7, der ein Taktsignal 8 erzeugt, mit dem die Wandler A, B angeregt werden. Die beiden Wandler A erzeugen dadurch Ultraschallsignale 15, die zum jeweils anderen Wandler übertragen und dort detektiert werden. Aus der Laufzeit t12 eines Signals 15 in die eine Richtung und der Laufzeit t21 in die andere Richtung kann schließlich die Strömungsgeschwindigkeit v bzw. der Massestrom des strömenden Mediums 1 berechnet werden.
  • Die Laufzeit t eines Ultraschallsignals 15 lässt sich auch als Phase darstellen, wobei gilt: t ~ n·2pi + ΔΦ bzw. t ~ r(t) + ΔΦ
  • Dabei ist ΔΦ die Phasenlage des empfangenen Ultraschallsignals 15 gegenüber einem Referenztakt 8 und n·2pi bzw. r(t) der Restanteil der Gesamtphase, wobei n die Anzahl der ganzen Wellenzüge innerhalb der Laufzeit t ist.
  • Die Phasenlage ΔΦ wir hier im Quadratur-Demodulationsverfahren mittels zweier Integrierer 12, 13 bestimmt. (Das Quadratur-Demodulationsverfahren ließe sich alternativ analog z.B. auch durch invertierende bzw. nicht-invertierende Verstärker realisieren.) Der Restanteil r(t) wird aus einer das Ultraschallsignal 15 charakterisierenden Größe, wie z.B. dem Empfangszeitpunkt des Schwerpunkts der Hüllkurve 16, berechnet.
  • Zur Bestimmung der Phasenlage ΔΦ umfasst die Elektronik 4 einen A/D-Wandler 14, mit dem das Empfangssignal 15 digitalisiert wird, sowie weitere Elemente 10-13, die im folgenden erläutert werden. Das digitalisierte Empfangssignal wird in zwei Signalpfade aufgeteilt und in Abhängigkeit vom Zustand eines Referenztakts 8 bzw. eines um pi/2 (90°) Phasen verschobenen Referenztakts 9 entweder unverändert weitergegeben oder invertiert. Dabei wird das digitalisierte Empfangssignal z.B. im Zustand „high" unverändert weitergegeben und im Zustand „low" invertiert. Das Referenztaktsignal 8 und das um pi/2 verschobene Taktsignal 9 werden von einer Einheit 20 aus dem Oszillatortakt 8 erzeugt. Die unveränderte Weitergabe bzw. Invertierung des digitalisierten Empfangssignals 15 entspricht einer Multiplikation mit den Werten +1 und –1. Die zugehörige Signaloperation ist daher durch zwei Multiplizierer 10, 11 dargestellt.
  • Die abschnittsweise invertierten Signale werden dann zwei nachgeschalteten Integratoren 12 bzw. 13 zugeführt, die die Signale über ihre gesamte Signaldauer integrieren. (Alternativ zur Integration könnte auch eine Tiefpassfilterung angewendet werden).
  • Die beiden Integralwerte u1 und u2 stellen dabei die Komponenten eines Vektors u dar, dessen Winkel im Koordinatensystem gerade die Phasenlage ΔΦ ist. 5a zeigt den Vektor u und die Komponenten u1, u2, sowie den Winkel ΔΦ. Die Auswertung der der Signale u, u' wird von einer Elektronik, wie z.B. einem Mikrocontroller (nicht gezeigt) durchgeführt.
  • 5b zeigt den zeitlichen Integrationsverlauf über ein Ultraschallsignal 15. Aus den Endwerten u1, u2 kann über eine trigonometrische Funktion, wie z.B. arctan(u1/u2) oder atan2(u1, u2) die Phasenlage ΔΦ berechnet werden. Vorzugsweise wird folgende Beziehung angesetzt: ΔΦ = atan2 (u1, u2)
  • Diese Funktion ist nicht eindeutig und periodisch moldulo-2pi.
  • Der Restanteil (r(t) = n·2pi, mit n als ganze Zahl) wird hier aus dem Schwerpunkt ts der Hüllkurve des Ultraschallsignals 15 berechnet. (Wahlweise könnte auch eine andere Größe herangezogen werden, die von der Signalamplitude unabhängig ist). Hierzu werden die digitalisierten und abschnittsweise invertierten Signale jeweils einem Integrator 18 bzw. 19 zugeführt und über jeweils eine Periode des Referenztakts 8 integriert. Die Integration wird dabei in jeder Periode neu von Null begonnen. Aus den Ausgangssignalen u1'(i) bzw. u2'(i) ergibt sich die in 5c dargestellte Hüllkurve 17. Die Integratoren 18 und 19 sind mit den Multiplizierern 10 und 11 verbunden und werden an ihrem Takteingang mit dem Referenztakt 8 getaktet. i ist dabei eine Laufzahl für die jeweilige Periode des Ultraschallsignals 15.
  • Aus dieser Hüllkurve 17 wird nun der Schwerpunkt ts als charakteristischer Zeitpunkt ermittelt. Der charakteristische Zeitpunkt ts liefert dabei ein grobes Maß für die Gesamtlaufzeit tmes des Ultraschallsignals. Für den Schwerpunkt ts kann beispielsweise folgende Gleichung angesetzt werden:
    Figure 00090001
    wobei h (i) = u1'(i)2 + u2' (i)2 ist. Zur Reduzierung der Rechenschritte (u1, u2) und zur überproportionalen Gewichtung größerer Signalamplituden wurde hier nicht die Hüllkurve, sondern die quadrierte Hüllkurve h(i) angesetzt.
  • Aufgrund der erwähnten Modulo-2pi-Mehrdeutigkeit der Phasenlage ΔΦ = atan2(u1, u2) würde die Gesamtlaufzeit einen sägezahnartigen Verlauf gegenüber der Strömungsrate aufweisen. Um eine kontinuierliche lineare Kennlinie für die Laufzeit zu erhalten, muss zu der gemessenen Phasenlage ΔΦ eine Treppenfunktion r(t) addiert werden. Dabei ist es wichtig, dass die Sprünge der Treppenfunktion r(t) immer gleichzeitig mit den Sprüngen der Sägezahnkurve ΔΦ(t) erfolgen. Der gewünschte Restanteil r(t) lässt sich z.B. aus einer Größe trest (Restlaufzeit) ableiten, wobei gilt: r(t) = f(trest), mit trest = ts– ΔΦ + t0
  • Dabei ist t0 ein konstanter Offsetwert, der später näher erläutert wird. Diese Restlaufzeit trest ist ein grobes Maß für die Gesamtlaufzeit t des Ultraschallsignals 15 abzüglich der genauen Phasenverschiebung ΔΦ.
  • Die Funktion trest(t) ist zwar treppenähnlich, jedoch überlagert von einem Rauschen, das durch Störsignale, Turbulenzen oder Änderungen der Hüllkurvenform verursacht wird. Die Treppenfunktion r(t) wird daher nicht direkt durch trest(t) definiert, sondern vorzugsweise durch eine Rundungsfunktion, wobei gilt: r(t) = 2pi·round (trest(t)/2pi).
  • Dabei ist die Funktion „round" eine Rundungsfunktion, die einen Zahlenwert auf die nächste ganze Zahl auf- oder abrundet.
  • Bezüglich des Offsetwerts t0 ist folgendes zu bemerken: Wenn die Restlaufzeit trest Werte annimmt, die genau an der Grenze der Rundungsfunktion (zwischen Aufrunden und Abrunden) liegen, kann es zu einem Sprung im Restanteil r(t) kommen. Zur Vermeindung eines Signalsprungs wird der Offsetwert t0 daher so gewählt, dass das Ausmaß der Rundung in der Funktion r(t) im zeitlichem Mittel möglichst gering ist. Zur Bestimmung des Ausmaßes der Rundung wird im Folgenden ein Streuparameter s definiert, mit: s = g(t5, t0, ΔΦ) = round (trest/2pi) – trest/2pi.
  • Der Streuparameter s gibt also an, wie weit gerundet wird bzw. wie weit trest von der idealen Treppenfunktion r(t) entfernt liegt. Der Offsetwert t0 ist genau dann günstig gewählt, wenn |s| in zeitlichem Mittel über mehrere Laufzeitmessungen möglichst klein ist. In diesem Fall wird etwa genauso oft auf- wie abgerundet.
  • Aufgrund von Änderungen der Dämpfungsparameter der Ultraschallwandler A, B kann sich die Hüllkurve 17 mit der Zeit ändern. Dadurch kann es wiederum zu Signalsprüngen kommen. Es wird daher vorgeschlagen, den Offsetparameter t0 zu variieren und den Streuparameter s auf möglichst kleine Werte zu regeln. Dabei kann vorgesehen sein, den zeitlichen Mittelwert von |s| mit einem vorgegebenen Schwellenwert smax zu vergleichen und den Offsetparameter t0 zu ändern, wenn der zeitliche Mittelwert von |s| den Schwellenwert smax überschreitet. Der Schwellenwert smax kann beispielsweise bei etwa smax = 0,3 festgelegt sein. Wahlweise könnte der Mittelwert von |s| auch auf ein Minimum (gegen Null) geregelt werden.
  • 6 zeigt den Verlauf des zeitlichen Mittelwerts von |s|, wobei die Kurve 22 einen zeitlich früheren Zustand und die Kurve 23 einen zeitlich späteren Zustand darstellt, in dem sich die Form der Hüllkurve 17 geändert hat. Bei Kurve 23 steigt der zeitliche Mittelwert |s| entsprechend Pfeil A auf einen höheren Wert. Im Rahmen der Regelung wird der Offsetwert t0 nun derart verändert, dass der zeitliche Mittelwert des Streuparameters |s| minimal wird (siehe Pfeil b).
  • 7a zeigt den Verlauf des Mittelwerts von |s| für unterschiedlich starke Störeinflüsse, wobei die Kurve 24 einen Zustand mit relativ schwachen Signalstörungen und die Kurve 25 einen Zustand mit starken Signalstörungen repräsentiert. Wie zu erkennen ist, sind die Minima der Kurve 25 weniger stark gekrümmt und daher ungenauer definiert.
  • 7b zeigt die entsprechenden Kurven für den Verlauf des zeitlichen Mittelwerts s bei schwachen Signalstörungen (Kurve 27) und starken Signalstörungen (Kurve 28).
  • In den Bereichen der Minimas der Kurve 25 hängt s linear vom Offsetparameter t0 ab und wird nur wenig von der Stärke der Signalstörungen beeinflusst. In diesem Fall ist es die beste Regelstrategie, den Offsetparameter t0 so zu variieren, dass s = 0 wird. Der zeitliche Mittelwert des Absolutwerts |s| wird allerdings weiterhin benötigt, um überhaupt in diesen Regelbereich zu gelangen. Ist z.B. |s| maximal, so ist ebenfalls s = 0, aber der Offsetwert t0 schlecht gewählt. Um dies zu berücksichtigen, kann z.B. zunächst geprüft werden, ob |s| größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, z.B. |s| > 0,25. In diesem Fall kann der Mittelwert |s| durch eine Änderung von t0 um +–3/4·pi sofort in einen Bereich |s| < 0,25 gebracht werden. Die Änderung von t0 muss in positiver Richtung verlaufen, falls |s| < 0 ist, und in negativer Richtung, falls |s| > 0 ist.
  • Ist der Mittelwert |s| dagegen kleiner als der Schwellenwert, z.B. |s| ≤ 0,25, dann wird t0 durch t0–2pi·|s| ersetzt. Auf diese Weise wird |s| immer unmittelbar in das nächstgelegene Minimum nachjustiert, ohne dass dabei Regelschwingungen auftreten.
    • 1
    strömendes Fluid
    2
    Strömungsrichtung
    3
    Rohrleitung
    4
    Steuer- und Auswerteeinheit
    5
    Wandler-Ausgangssignal
    6
    Ultraschall-Strömungssensor
    7
    Oszillator
    8
    Taktsignal
    9
    Phasen verschobenes Taktsignal
    10
    Multiplizierer
    11
    Multiplizierer
    12
    Integrator
    13
    Integrator
    14
    A/D-Wandler
    15
    Ultraschallsignal
    16
    Hüllkurve
    17
    berechnete Hüllkurve
    18
    Integrator
    19
    Integrator
    20
    Zeitsteuereinheit
    21
    ODER-Gatter
    22
    Kurvenverlauf von |s| im Ausgangszustand
    23
    Kurvenverlauf von |s| im veränderten Zustand
    24
    Verlauf von |s| bei geringen Störungen
    25
    Verlauf von |s| bei starken Störungen
    27
    Verlauf von s bei geringen Störungen
    28
    Verlauf von s bei starken Störungen
    L
    Messstrecke
    A, B
    Ultraschallwandler
    ts
    Schwerpunkt der Hüllkurve

Claims (17)

  1. Verfahren zum Bestimmen der Laufzeit (t) eines Ultraschallsignals (15) eines Ultraschallsensors (6), das von einem Ultraschallwandler (A, B) in eine Messstrecke (L) eingekoppelt wurde, wobei die Phasenverschiebung (ΔΦ) des Ultraschallsignals (15) gegenüber einem Referenztakt (8) und ein Restanteil (r(t)) als Maß für die Laufzeit (t) des Ultraschallsignals (15) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Phasenverschiebung (ΔΦ) mittels eines Quadratur-Demodulationsverfahrens ermittelt wird, bei dem das empfangene Ultraschallsignal (15) mit Hilfe eines Taktsignals (8) und eines phasenverschobenen Taktsignals (9) abschnittsweise invertiert wird, und – der Restanteil (r(t)) aus einer charakteristischen Größe (ts) des Ultraschallsignals (15) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Restanteil (r(t)) aus einer Größe des Ultraschallsignals (15) ermittelt wird, die unabhängig von der Amplitude des empfangenen Ultraschallsignals (15) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Restanteil (r(t)) eine Funktion der charakteristischen Größe (ts), der Phasenverschiebung (ΔΦ) und eines Offsetwerts (t0) ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Offsetwert (t0) variabel ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Restanteil (r(t)) eine Rundungsfunktion (round) umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Streuparameter (s) berechnet wird, der das Ausmaß der Rundungen angibt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Streuparameter (s) auf einen kleinen Wert geregelt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Regelung das zeitliche Mittel der Streuparameter (s) mehrerer aufeinander folgender Messungen berechnet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abschnittsweise invertierten Ultraschallsignale (15) jeweils mittels eines Integrators (18, 19) integriert werden, wobei die Integration in jeder Periode des Taktsignals (8) neu begonnen wird, und der Restanteil (r(t)) aus den Ausgangssignalen der Integratoren (18, 19) bestimmt werden.
  10. Ultraschallsensor, insbesondere zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit (v) eines durch eine Rohrleitung (3) strömenden Mediums (1), umfassend wenigstens einen Ultraschallwandler (A, B) zum Aussenden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen (15), einen mit dem Ultraschallwandler (A, B) verbundenen Oszillator (7) und einer Auswerteeinheit (4), die eine Phasenverschiebung (ΔΦ) des empfangenen Ultraschallsignals (15) gegenüber einem Taktsignal (8) und einen Restanteil (r(t)) als Maß für die Laufzeit (t) des Ultraschallsignals (15) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) eine Einrichtung (10-13), die die Phasenverschiebung (ΔΦ) gemäß einem Quadratur-Demodulationsverfahren bestimmt, sowie eine Einrichtung (18, 19) umfasst, die eine charakteristische Größe (ts) ermittelt, aus der der Restanteil (r(t)) der Laufzeit (t) berechnet wird.
  11. Ultraschall-Strömungssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) den Schwerpunkt (ts) einer Hüllkurve (17) des empfangenen Ultraschallsignals (15) ermittelt.
  12. Ultraschall-Strömungssensor nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) einen Invertierer (10, 11), der das empfangene Ultraschallsignal (15) mit Hilfe eines Taktsignals bzw. eines phasenverschobenen Taktsignals (9) abschnittsweise invertiert, sowie einen ersten Integrierer (12), dem das mit Hilfe des Taktsignals (8) invertierte Ultraschallsignal (15), und einen zweiten Integrierer (13), dem das mit Hilfe des phasenverschobenen Taktsignals (9) invertierte Ultraschallsignal (15) zugeführt wird, umfasst.
  13. Ultraschall-Strömungssensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) einen Integrierer (18), dem das mit Hilfe des Taktsignals (8) invertierte Ultraschallsignal (15), sowie einen Integrierer (19), dem das mit Hilfe des phasenverschobenen Taktsignals (9) invertierte Ultraschallsignal (15) zugeführt wird, umfasst, wobei die Integration in jeder Periode des Signals (15) neu begonnen wird.
  14. Ultraschall-Strömungssensor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) den Restanteil (r(t)) als Funktion des Empfangsereignisses (ts), der Phasenverschiebung (ΔΦ) und eines Offsetwerts (t0) berechnet.
  15. Ultraschall-Strömungssensor nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) den Restwert (r(t)) mit einer Rundungsfunktion (round) berechnet.
  16. Ultraschall-Strömungssensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) einen Streuparameter (s) berechnet, der das Ausmaß der Rundungen angibt.
  17. Ultraschall-Strömungssensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) den Streuparameter (s) regelt.
DE102005004331.3A 2005-01-31 2005-01-31 Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals eines Ultraschallsensors sowie Ultraschallsensor Expired - Fee Related DE102005004331B4 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005004331.3A DE102005004331B4 (de) 2005-01-31 2005-01-31 Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals eines Ultraschallsensors sowie Ultraschallsensor
US11/576,284 US7614310B2 (en) 2005-01-31 2005-12-06 Ultrasound flow sensor with a modulo-2Pi for a remaining part tracing
PCT/EP2005/056520 WO2006081887A1 (de) 2005-01-31 2005-12-06 Ultraschallströmungssensor mit modulo-2pi-restnachführung
EP05816309A EP1846734A1 (de) 2005-01-31 2005-12-06 Ultraschallstr\mungssensor mit modulo-2pi-restnachführung
JP2007552537A JP4904289B2 (ja) 2005-01-31 2005-12-06 モジュロ２ｐｉ剰余トラッキングを用いた超音波流量センサ

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005004331.3A DE102005004331B4 (de) 2005-01-31 2005-01-31 Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals eines Ultraschallsensors sowie Ultraschallsensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102005004331A1 true DE102005004331A1 (de) 2006-08-03
DE102005004331B4 DE102005004331B4 (de) 2016-05-04

Family

ID=36095649

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102005004331.3A Expired - Fee Related DE102005004331B4 (de) 2005-01-31 2005-01-31 Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals eines Ultraschallsensors sowie Ultraschallsensor

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7614310B2 (de)
EP (1) EP1846734A1 (de)
JP (1) JP4904289B2 (de)
DE (1) DE102005004331B4 (de)
WO (1) WO2006081887A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009129886A1 (de) * 2008-04-21 2009-10-29 Mib Gmbh Messtechnik Und Industrieberatung Konzentrationsbestimmungsverfahren und messgerät
DE102011004830A1 (de) 2011-02-28 2012-08-30 Holger Löhmer Phasenverfahren zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen mit dynamischem Messfenster

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007027188A1 (de) * 2007-06-13 2008-12-18 Robert Bosch Gmbh Ultraschallströmungssensor mit Quadratur-Demodulation
DE102009049067A1 (de) * 2009-10-12 2011-04-14 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur verbesserten Ultraschall- Laufzeitdifferenzmessung
EP2642256B1 (de) * 2012-03-23 2018-07-18 ams AG Messanordnung und Verfahren
US10046112B2 (en) 2013-05-24 2018-08-14 Icu Medical, Inc. Multi-sensor infusion system for detecting air or an occlusion in the infusion system
EP3003442B1 (de) * 2013-05-29 2020-12-30 ICU Medical, Inc. Infusionssystem und verfahren zur verwendung zur verhinderung der übersättigung eines analog-digital-wandlers
US9335194B2 (en) 2013-09-16 2016-05-10 Agena A/S System or a method for measuring flow of fluid or gas
ES2776363T3 (es) 2014-02-28 2020-07-30 Icu Medical Inc Sistema de infusión y método que utiliza detección óptica de aire en línea de doble longitud de onda
DK178362B1 (en) * 2014-04-07 2016-01-11 Agena As System for control of inlet air
US10850024B2 (en) 2015-03-02 2020-12-01 Icu Medical, Inc. Infusion system, device, and method having advanced infusion features
US20220064032A1 (en) * 2020-08-28 2022-03-03 ElectroSea, LLC Electrolytic biocide-generating unit with flow transition detection

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1135827A (en) * 1978-12-04 1982-11-16 Rainer Fehr Determination of flow velocities by measuring phase difference between the doppler signals
JPS5749813A (en) * 1980-09-10 1982-03-24 Toshiba Corp Ultrasonic flowmeter
US4542657A (en) * 1983-08-26 1985-09-24 General Electric Company Time domain technique to determine mean frequency
JPH01270865A (ja) 1988-04-22 1989-10-30 Daikin Ind Ltd 咀嚼測定装置
JPH01270859A (ja) * 1988-04-22 1989-10-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd 超音波ドップラ血流計および血流速度測定法
US5046500A (en) 1988-10-03 1991-09-10 Kontron Instruments Holding N.V. Doppler flow velocity meter
JPH09103431A (ja) * 1995-10-13 1997-04-22 Olympus Optical Co Ltd 超音波診断装置
US6062091A (en) * 1997-04-22 2000-05-16 Baumoel; Joseph Method and apparatus for determining ultrasonic pulse arrival in fluid using phase correlation
US6293156B1 (en) * 1999-01-22 2001-09-25 Panametrics, Inc. Coherent multi-path flow measurement system

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009129886A1 (de) * 2008-04-21 2009-10-29 Mib Gmbh Messtechnik Und Industrieberatung Konzentrationsbestimmungsverfahren und messgerät
DE102011004830A1 (de) 2011-02-28 2012-08-30 Holger Löhmer Phasenverfahren zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen mit dynamischem Messfenster
DE102011004830B4 (de) * 2011-02-28 2015-10-29 Holger Löhmer Phasenverfahren zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen mit dynamischem Messfenster

Also Published As

Publication number Publication date
EP1846734A1 (de) 2007-10-24
US7614310B2 (en) 2009-11-10
JP4904289B2 (ja) 2012-03-28
JP2008528980A (ja) 2008-07-31
DE102005004331B4 (de) 2016-05-04
US20080250868A1 (en) 2008-10-16
WO2006081887A1 (de) 2006-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102005004331B4 (de) Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals eines Ultraschallsensors sowie Ultraschallsensor
DE69529391T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Messung mittels Rundsing-Technik
EP2818874B1 (de) Ultraschallmessvorrichtung
DE10206134B4 (de) Ultraschall-Strömungsmesser
DE3688141T2 (de) Verfahren zur anzeige der zeit eines akustischen impulses und geraet zur durchfuehrung des verfahrens.
DE2406630C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Durchflußgeschwindigkeitsmessung
DE102007027188A1 (de) Ultraschallströmungssensor mit Quadratur-Demodulation
DE102009046561A1 (de) Verfahren zum Betrieb mindestens eines Ultraschallwandlers
EP2488834A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur verbesserten ultraschall-laufzeitdifferenzmessung
WO2013092099A1 (de) Verfahren und messgerät zur füllstandsmessung
WO2005064284A2 (de) Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des volumen- und/oder massendurchflusses eines messmediums
DE102017005207A1 (de) Verfahren zur Bestimmung des Drucks eines Fluids
EP1941243A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur ultraschall-messung des durchflusses fliessfähiger medien
DE102015102200B4 (de) Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften eines Mediums und Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften eines Mediums
DE2828937C2 (de)
DE19841154A1 (de) Verfahren und Gerätesystem zur Messung der Laufzeit von Schallwellen
DE10328662A1 (de) Verfahren zur Durchflußmessung mittels eines Ultraschall-Durchflußmessers
DE102004025243A1 (de) Bestimmung des Empfangszeitpunkts eines Ultraschallsignals mittels Pulsformerfassung
EP3545269A1 (de) Verfahren zur laufzeitmessung eines ultraschallsignals in einem strömenden fluid
DE10062875B4 (de) Durchflussmesser
DE102009035983A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Durchflussmenge eines Fluids
DE4319344C2 (de) Verfahren zur Messung einer Phasendifferenz
EP0025026B1 (de) Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids
DE102008043956A1 (de) Verfahren zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines fluiden Mediums
DE102011016963A1 (de) Verfahren zur Messung von Durchflussmengen nach dem Prinzip der Ultraschalllaufzeitdifferenz

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed

Effective date: 20111206

R084 Declaration of willingness to licence

Effective date: 20140428

R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee