DE102005035584B4 - Verfahren zur Durchführung von Durchflussmessungen in einem strömenden Fluid - Google Patents

Verfahren zur Durchführung von Durchflussmessungen in einem strömenden Fluid Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Durchführung von Durchflussmessungen eines strömenden Fluids, bei dem in einer Messstrecke für das strömende Fluid vorgesehene Sende- und Empfangswandler richtungsabwechselnd mit Ultraschallfrequenz beaufschlagt werden, für jede Richtung mindestens eine Teilmessung durchgeführt wird, und die zeitliche Länge des Empfangssignals in einer Zeitmesseinrichtung vermessen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
(a) aus der zeitlichen Lage des Empfangssignals eines Wandlers eine Mehrzahl von Impulsen J1-JN erzeugt werden und daraus ein Maß für die Durchflussmessung abgeleitet wird sowie
(b) aus der Mehrzahl der Impulse J1-JN ein Vergleichsimpuls JV generiert wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Durchflussmessungen in einem strömenden Fluid, bei dem in einer Messstrecke für das strömende Fluid vorgesehene Sende- und Empfangswandler richtungsabwechselnd mit Ultraschallfrequenz beaufschlagt werden, für jede Richtung mindestens eine Teilmessung durchgeführt wird, und die zeitliche Lage des Empfangssignals in einer Zeitmesseinrichtung vermessen wird. Anschließend werden die gemessenen Impulse miteinander verglichen und daraus die Durchflussmenge abgeleitet.
  • Ein Verfahren der gattungsgemäßen Art ist in der DE 195 30 054 A1 beschrieben. Hierbei wird für jede Teilmessung ein einziger Impuls gebildet, dessen Länge in einer Zeitmesseinrichtung vermessen wird. Die Startflanke des Impulses wird aus einem Signal aus dem Prozessor gebildet, welches synchron zum Sende-Burst erzeugt wird. Das Stoppsignal des Impulses wird aus dem Empfangssignal generiert. Bei dem bekannten Verfahren taucht das Problem auf, dass insbesondere bei kleinen Empfangsspannungen durch Rauschen die Flanken der Empfangssignale streuen und damit eine hohe Streuung der Empfangszeiten verbunden ist. Abhängigkeiten der Laufzeitdifferenz vom Empfangszeitpunkt sowie auftretende Echos schlagen direkt auf das Messergebnis durch.
  • Die EP 0 686 832 B1 beschreibt ein Verfahren zur Durchführung von Durchflussmessungen, bei dem aus der zeitlichen Lage des Empfangssignals eines ersten sowie zweiten Wandlers eine Mehrzahl von Impulsen erzeugt und daraus ein Maß für die Durchflussmessung abgeleitet wird. Der erste und zweite Wandler werden simultan mit einer Ultraschallfrequenz beaufschlagt.
  • Die DE 10 2004 027 958 A1 betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeiten von Fluiden, bei dem für jede Teilmessung lediglich ein einziger Impuls gebildet wird und für die Vergleichsmessung herangezogen wird.
  • Die US 4 308 754 beschreibt einen Ultraschallfluidzähler, bei dem im Zuge der Signalverarbeitung das Dual-Slope-Verfahren eingesetzt wird.
  • Die EP 0 829 734 A2 betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Messung der Laufzeitdifferenz eines elektrischen, elektromagnetischen oder akustischen Signals, bei dem die Schwellenspannung auf einen oberhalb und/oder unterhalb eines vorgegebenen Vorzugswerts gelegenen Prüfwert eingestellt wird und die bei dem Prüfwert gemessene Laufzeitdifferenz direkt oder indirekt mit derjenigen Laufzeitdifferenz bei dem vorgegebenen Vorzugswert verglichen wird.
  • Die DE 196 02 810 A1 beschreibt ein Verfahren zur Laufzeitmessung, bei dem zwar eine Mehrzahl von Einzelmessungen durchgeführt wird und als Ergebnis der Laufzeitmessung der Mittelwert aus der Mehrzahl der ermittelten Laufzeiten berechnet wird. Hierbei handelt es sich allerdings nicht um eine Mehrzahl von Impulsen aus dem Empfangssignal, sondern um eine tatsächlich durchzuführende Mehrzahl von Einzelmessungen der Laufzeit.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem die Fehleranfälligkeit bei der Ermittlung des Laufzeitunterschiedes wirksam reduziert werden kann.
  • Die vorstehende Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass aus der zeitlichen Lage des Empfangssignals eine Mehrzahl von Impulsen J1-JN erzeugt werden und daraus ein Maß für die Durchflussmessung abgeleitet wird. Hierdurch werden negative Einflüsse von Fehlerquellen wirksam ausgeschlossen oder zumindest erheblich reduziert. Insbesondere werden negative Streueinflüsse, Einflüsse von Echos etc. vermieden bzw. reduziert d. h. direkt auf das Messergebnis einwirkende Fehlerquellen wirksam vermieden bzw. reduziert.
  • Beispielsweise ist es zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, dass eine Mehrzahl von Impulsen J1-JN zur Erzeugung eines Vergleichsimpulses JV gemessen werden.
  • Zweckmäßigerweise wird der Vergleichsimpuls JV durch Mittelwertbildung der Impulse J1-JN abgeleitet.
  • Die Startflanke des jeweiligen Impulses J1-JN wird aus dem Taktsignal U1, vorzugsweise aus einer positiven Flanke desselben, des Prozessors abgeleitet.
  • Zur Beendigung der Impulse J1-JN werden Stoppsignale erzeugt, die vorzugsweise in festem Abstand zueinander stehen. Diese lassen sich aufgrund dessen messtechnisch einfach realisieren.
  • Abgeleitet wird das Stoppsignal in vorteilhafter Weise aus dem digitalisierten Empfangssignals U4. Zweckmäßigerweise können die Impulse für die Stoppsignale ein ganzzeiliges Vielfaches der Periode der Startflanken der Impulse J1-JN haben.
  • Alternativ kann zur Erzeugung der Startflanken des jeweiligen Impulses J1-JN aber auch das digitalisierte Empfangssignal U4 herangezogen werden, d. h. aus diesem die Startflanke abgeleitet werden. In diesem Zusammenhang bietet sich an, alternativ das Stoppsignal des jeweiligen Impulses J1-JN aus dem Taktsignal U1 des Prozessors abzuleiten.
  • Zur Gewährleistung einer Mindestimpulsdauer wird ein Freischaltsignal U5 erzeugt, derart, dass das Stoppsignal erst dann erfolgen kann, wenn das Freischaltsignal U5 anliegt. Hierdurch entfallen Fehler, die ansonsten entstehen würden, wenn auf die Startflanke sehr schnell das Stoppsignal generiert werden würde.
  • Weitere Freischaltimpulse U5 werden in einem festen Abstand vom ersten Freischaltimpuls generiert. Hierdurch wird sichergestellt, dass auch im zeitlichen Grenzbereich (z. B. wenn die negative Flanke gleichzeitig mit dem Startsignal zusammenfällt) kein Fehler von einer Periode des Empfangssignals entsteht.
  • Die Aufsummation der einzelnen Zeiten der Impulse J1-JN erfolgt im so genannten Dual-Slope-Verfahren.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird aus dem Taktsignal U1 ein abgeleitetes Taktsignal U7 generiert, welches zur Steuerung des Verfahrens verwendet wird. Durch das abgeleitete Taktsignal U7 kann die Schaltung vereinfacht werden, z.B. indem das abgeleitete Taktsignal U7 unmittelbar an die jeweiligen Schaltungseinheiten, z.B. Flip-Flops, angelegt wird.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der hierzu gehörigen Zeichnungen.
  • Es zeigen:
  • 1 die Darstellung der Signalverläufe bei der Umsetzung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Schaltung zur Erzeugung der Impulse J1-JN.
  • In einem ersten Schritt eines Messzyklus wird ein (nicht dargestellter) erster Wandler als Sender und ein (ebenfalls nicht dargestellter) zweiter Wandler als Empfänger betrieben. Mit einem (nicht dargestellten) Generator wird ein interner Takt U1 generiert. Aus dem internen Takt U1 wird ein Sende-Burst U2 erzeugt, der auf den ersten Wandler gegeben wird. Der erste Wandler sendet daraufhin ein Ultraschallsignal in die Messstrecke, welches von dem gegenüberliegenden zweiten Wandler aufgenommen und in ein elektrisches Signal U3 umgewandelt wird.
  • Mittels eines (nicht dargestellten) Komparators wird das elektrische Signal U3 in ein digitales Signal U4 umgewandelt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Empfangs wird aus dem internen Takt U1 über ein abgeleitetes Signal U7 eine positive Flanke +FN1 ausgewählt, welche den Beginn eines ersten Impulses J1 der Serie der Impulse J1-JN in der Signalfolge U6 der 1 darstellt. Das Ende des Impulses J1 wird aus einer ausgewählten positiven Flanke +FN4 des digitalisierten Empfangssignals U4 abgeleitet.
  • Die Zeit zwischen der Startflanke und Stoppflanke des Impulses J1 wird z. B. im Dual-Slope-Verfahren vermessen.
  • Darüber hinaus wird ein Freischaltsignal U5 erzeugt. Hierzu wird eine negative Flanke –FN4 abgewartet und das Freischaltsignal U5 erzeugt. Das Freischaltsignal U5 endet an der darauf folgenden nächsten negativen Flanke des digitalen Signals U4. Durch das Freischaltsignal U5 wird zum einen eine Mindestimpulsdauer der Impulse J1-JN sichergestellt. Darüber hinaus entfallen Fehler, die entstünden, wenn auf die Startflanke des Impulses J1-JN sehr schnell die Stoppflanke generiert werden würde.
  • Der erste Impuls J1 wird durch die nächste positive Flanke +FN4 beendet. Die Zeit des Impulses J1 wird wie oben beschrieben gemessen. Die Impulse für die Stoppflanken haben ein ganzzeiliges Vielfaches der Frequenz der Startflanken. Vor dem ersten Stopp wird auf die invertierte Flanke des Stoppsignals als Freigabe gewartet. Nach der Freigabe des Stoppsignals wird die nächste Flanke das eigentliche Stoppsignal generieren.
  • Das Freischaltsignal U5 wird ab dem ersten Auftreten in festen Abständen synchron zum Empfangssignal wiederholt, wodurch alle weiteren Stoppsignale in festen Abständen zum ersten Stoppsignal generiert werden.
  • Das Signal U7 stellt ein aus dem Taktsignal U1 abgeleitetes Taktsignal mit größerer Signaldauer dar. Dieses abgeleitete Taktsignal U7 kann im Rahmen der Steuerung unmittelbar angelegt werden, wodurch zusätzliche, notwendige Schaltungen entfallen.
  • Die Aufsummation der Einzelzeiten der Impulse J1-JN erfolgt zweckmäßigerweise im so genannten Dual-Slope-Zeitmesser.
  • 2 zeigt einen Teil einer Gesamtschaltung als Ausführungsbeispiel dafür, wie die Impulse J1-JN erzeugt werden können. Realisiert wird das Verfahren durch das Hintereinanderschalten von zwei jeweils taktgesteuerten JK Flip-Flops 1 sowie 2. Mit dem Flip-Flop 1 mit negativer Clock wird das Freischaltsignal U5 erzeugt, mit dem Flip-Flop 2 mit positiver Clock die Stoppflanken der Impulssequenz J1-JN generiert. Das Glied 3 ist ein logisches Glied, welches aus den Signalen U7 und den Ausgangssignalen von Flip-Flop 2 das Signal U6 bildet.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird es möglich, dass störende Einflüsse wie Rauschen durch hohe Streuung der Empfangszeiten bei kleinen Empfangsspannungen, Echos etc. wirksam ausgeschlossen werden können. Die Erfindung bietet daher einen ganz besonderen Beitrag auf dem einschlägigen Gebiet der Technik.
  • 1
    JK Flip-Flop mit negativer Clock
    2
    JK Flip-Flop mit positiver Clock
    3
    Glied

Claims (12)

  1. Verfahren zur Durchführung von Durchflussmessungen eines strömenden Fluids, bei dem in einer Messstrecke für das strömende Fluid vorgesehene Sende- und Empfangswandler richtungsabwechselnd mit Ultraschallfrequenz beaufschlagt werden, für jede Richtung mindestens eine Teilmessung durchgeführt wird, und die zeitliche Länge des Empfangssignals in einer Zeitmesseinrichtung vermessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass (a) aus der zeitlichen Lage des Empfangssignals eines Wandlers eine Mehrzahl von Impulsen J1-JN erzeugt werden und daraus ein Maß für die Durchflussmessung abgeleitet wird sowie (b) aus der Mehrzahl der Impulse J1-JN ein Vergleichsimpuls JV generiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichsimpuls JV durch Mittelwertbildung der Impulse J1-JN abgeleitet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Startflanke des jeweiligen Impulses J1-JN aus dem Taktsignal U1 abgeleitet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den jeweiligen Impuls J1-JN zur zeitlichen Limitierung ein Stoppsignal insbesondere in festen zeitlichen Abständen erzeugt wird.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoppsignal für den jeweiligen Impuls J1-JN aus dem digitalisiertem Empfangssignal U4 abgeleitet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoppsignale ein insbesondere ganzzahliges Vielfaches der Periode der Startflanken haben.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Freischaltsignal U5 erzeugt wird, wobei eine Beendigung des Impulses J1-JN durch ein Stoppsignal erst dann erfolgt, wenn das Freischaltsignal U5 anliegt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Freischaltimpulse U5 in festen Abständen vom ersten Freischaltimpuls erzeugt werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Startflanke des jeweiligen Impulses J1-JN aus dem digitalisierten Empfangssignal U4 abgeleitet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoppsignal des jeweiligen Impulses J1-JN aus dem Taktsignal U1 abgeleitet wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Taktsignal U1 ein abgeleitetes Taktsignal U7 generiert wird und das Taktsignal U7 zur Steuerung verwendet wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung der Impulse J1-JN das Dual-Slope-Verfahren angewandt wird.
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