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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungssensor zum Bestimmen der
Laufzeit eines Ultraschallsignals gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
10.
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Ultraschall-Strömungssensoren
dienen insbesondere dazu, den Volumen- oder Massestrom oder die
Strömungsgeschwindigkeit
eines gasförmigen
oder flüssigen
Mediums zu messen, das durch eine Rohrleitung oder dgl. strömt. Ein
bekannter Typ von Ultraschall-Strömungssensoren umfasst zwei
in Strömungsrichtung
versetzt angeordnete Ultraschallwandler, die jeweils Ultraschallsignale
erzeugen und diese jeweils an den 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.
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1 zeigt
eine typische Anordnung eines Ultraschall-Strömungssensors mit zwei Ultraschallwandlern
A, B, die sich in einem Abstand L gegenüber stehen. 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 δ 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.
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2 zeigt
eine stark vereinfachte schematische Darstellung der elektrischen
Auswerteschaltung 4. Die beiden Ultraschallwandler A, B
sind mit der Steuer- und Auswerteelektronik 4 verbunden
und werden von einem Oszillator mit einer vorgegebenen Taktfrequenz 8 (hier
ein Rechtecksignal) angeregt. Die dadurch erzeugten Ultraschallsignale 15 (in
der Figur 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.
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Zur
Bestimmung der Laufzeit von Ultraschallsignalen sind aus dem Stand
der Technik verschiedene Verfahren bekannt. Eine erste Art von Verfahren
beschäftigt
sich damit, den Empfangszeitpunkt eines Ultraschallsignals eindeutig
und genau zu bestimmen. Üblicherweise
bildet der erste Nulldurchgang des Ultraschallsignals, nachdem die
Signalamplitude einen vorgegebenen Schwellenwert überschritten
hat, den „Empfangszeitpunkt" des Signals. Alternativ
wird auch der Zeitpunkt der maximalen Amplitude des Signals oder
z. B. der Schwerpunkt der Hüllkurve
des Ultraschallsignals als „Empfangszeitpunkt" herangezogen.
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Eine
zweite Art von Verfahren zur Laufzeitmessung beschäftigt sich
damit, die Phase eines empfangenen Ultraschallsignals gegenüber einem Referenztakt
zu bestimmen. So ist es beispielsweise bekannt, die Phasenlage (ΔΦ) eines
Ultraschallsignals gegenüber
einem Referenzsignal mittels eines Quadratur-Demodulationsverfahrens zu bestimmen und
die Gesamtlaufzeit des Ultraschallsignals aus der Phasenlage (ΔΦ) und einem
Restanteil zu berechnen, der ein ganzzahliges Vielfaches von 2 π ist. Dabei
wird das Ultraschallsignal mit Hilfe eines Demodulationssignals
und eines phasenverschobenen Demodulationssignals abschnittsweise
invertiert. Die abschnittsweise invertierten Signale werden dann vorzugsweise
gefiltert bzw. integriert und die Phasenlage (ΔΦ) durch trigonometrische Berechnung
ermittelt. Bei diesem Auswerteverfahren ist der Eindeutigkeitsbereich
der ausgerechneten Phasen gleich dem Kehrwert der Modulationsfrequenz.
Letztere wird jedoch durch die Ultraschallfrequenz bzw. die Eigenschaften
der Ultraschallwandler bestimmt. Dies führt daher meist zu einem relativ
kleinen Eindeutigkeitsbereich. Bei Signalen mit einer Frequenz von
z. B. 200 kHz ergibt sich ein Eindeutigkeitsbereich von nur 5 μs. Der Restanteil
(n·2 π) ist i.
d. R. sehr aufwendig bestimmbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Eindeutigkeitsbereich
der Phasen- bzw. Laufzeitmessung von Ultraschallsignalen zu vergrößern.
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Gelöst wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung
durch die im Patenanspruch 1 sowie im Patentanspruch 10 angegebenen
Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
von Unteransprüchen.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, ein empfangenes
Ultraschallsignal mehreren parallel geschalteten Quadratur-Demodulatoren
zuzuführen,
die mit unterschiedlichen Demodulationsfrequenzen arbeiten und jeweils
eine Phaseninformation über
das empfangene Ultraschallsignal ermitteln, und die einzelnen Phaseninformationen
einer Nonius-Einheit zuzuführen,
die daraus den Phasenwinkel (ΔΦ) des Ultraschallsignals
mit einem größeren Eindeutigkeitsbereich
berechnet. Als Referenzwert für
die Phasenbestimmung dient vorzugsweise eine Nullphase aller Demodulationsfrequenzen.
Die Bestimmung mehrerer Phaseninformationen aus einem Ultraschallsignal
und Auswertung mittels eines Noniusverfahrens haben den Vorteil,
dass der Phasenwinkel des Ultraschallsignals wesentlich größeren Eindeutigkeitsbereich
hat als mit bekannten Verfahren. Dadurch kann z. B. ein Eindeutigkeitsbereich von
150 μs und
mehr erreicht werden.
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Die
erfindungsgemäße Auswerteeinheit
umfasst vorzugsweise drei oder mehr Quadratur-Demodulatoren. Grundsätzlich kann
die Qualität
der Messung mit höherer
Anzahl von Quadratur-Demodulatoren verbessert werden. Allerdings
entstehen dadurch auch höhere
Kosten.
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Im
Rahmen der Quadratur-Demodulation wird das Ultraschallsignal mit
der jeweiligen Demodulationsfrequenz und einem um 90° phasenverschobenen
Demodulationssignal multipliziert. Das resultierende Signal entspricht
jeweils dem Realteil bzw. Imaginärteil
des gesuchten Phasenwinkels. Nach den einzelnen Quadratur-Demodulatoren
ist vorzugsweise jeweils ein Sinc-Filter vorgesehen, der den hochfrequenten
Störanteil
des Realteils und Imaginärteils,
z. B. Rauschen, unterdrückt.
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Bei
einer Anordnung von drei Quadratur-Demodulatoren ist eine der Demodulationsfrequenzen vorzugsweise
gleich der Oszillatorfrequenz bzw. Resonanzfrequenz des Ultraschallsignals,
eine zweite Demodulationsfrequenz kleiner als die Resonanzfrequenz,
und eine dritte Demodulationsfrequenz größer als die Resonanzfrequenz.
Die einzelnen Demodulationsfrequenzen werden vorzugsweise in Abhängigkeit
von der Bandbreite der Ultraschallsignale, der Abtastfrequenzen
eines Analog/Digital-Wandlers und der Fehlertoleranz der Noniuseinheit
ausgewählt.
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Die
empfangenen Ultraschallsignale werden vorzugsweise mittels eines
Analog/Digital-Wandlers digitalisiert, der am Eingang der Quadratur-Demodulatoren vorgesehen
ist.
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Die
Abtastfrequenz des Analog/Digital-Wandlers ist vorzugsweise durch
das ganzzahlige 4-fache aller verwendeten Demodulationsfrequenzen teilbar.
Durch diese Wahl der Demodulationsfrequenzen kann die Fehlertoleranz
des Noniusverfahrens optimiert werden.
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In
jeder der Quadratur-Demodulatoren ist vorzugsweise eine erste Einheit
vorgesehen, mittels derer das empfangene, digitalisierte Ultraschallsignal mit
einem Demodulationssignal moduliert wird, sowie eine zweite Einheit
vorgesehen, an der das empfangene Ultraschallsignal mit dem um 90° Phasen verschobenen
Demodulationssignal moduliert wird.
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Wenn
die Abtastfrequenz des A/D-Wandlers nicht genau der vorstehend genannten
Bedingung entspricht, d. h., wenn der Quotient aus Abtastfrequenz
und den Demodulationsfrequenzen z. B. ein ganzzahliges Vielfaches
von zwei ist, kann es bei dem resultierenden Signal zu einem Phasenfehler kommen.
Dieser Phasenfehler (Δ)
kann mittels einer einfachen Phasenkorrektur eliminiert werden.
In diesem Fall umfasst die Auswerteeinheit eine optionale Elektronik
zur Phasenkorrektur. Aus dem gefilterten Signal lässt sich
dann in einfacher Weise der Phasenfehler herausrechnen. Die Einheit
zur Phasenkorrektur ist vorzugsweise als integrierte Schaltung realisiert.
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Nach
dem Quadratur-Demodulator bzw. – sofern
vorhanden – der
Einheit zur Phasenkorrektur ist vorzugsweise eine CORDIC-Einheit
vorgesehen, die vorzugsweise eine Arcus-Tangens-Berechnung durchführt und
aus der zugeführten
Phaseninformation die einzelnen Phasenwinkel berechnet. Die Phasenwinkel
haben dabei die Kehrwerte der Demodulationsfrequenzen als Eindeutigkeitsbereich
(0–2 pi). Die
einzelnen Phasenwinkel bilden dann die Eingangsgrößen für die Noniuseinheit,
die daraus die Phasenverschiebung des Ultraschallsignals berechnet.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedenste Noniusverfahren zur Signalauswertung
bekannt. Im Rahmen der Erfindung wird vorzugsweise ein Noniusverfahren
mittels linearer Abbildungen eingesetzt. Dieses ist insbesondere
wegen seiner höheren
Fehlertoleranz und der höheren
Robustheit vorteilhaft gegenüber
den anderen bekannten Noniusverfahren. Bei dem Noniusverfahren mittels
linearer Abbildungen wird aus mehreren Phasenwinkeln ein gewichteter
Mittelwert gebildet. Parallel dazu wird eine winkelbereichsabhängige Konstante
mit Hilfe von mehreren linearen Abbildungen und einer Quantisierung
ermittelt. Die gesuchte Messgröße, d. h.
der Phasenwinkel bzw. die Laufzeit des Ultraschallsignals werden
dann vorzugsweise durch Addition modulo 2n dieser
Werte gebildet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschall-Strömungssensor
mit zwei Ultraschallwandlern;
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2 einen
Ultraschall-Strömungssensor mit
zugehöriger
Steuer- und Empfangselektronik;
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3 den
Signalverlauf eines einzelnen Ultraschallsignals und dessen Hüllkurve;
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4 eine
Blockdarstellung eines Ultraschall-Strömungssensors mit Auswerteelektronik,
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5 eine
schematische Darstellung des Aufbaus einer Quadratur-Demodulator-Einheit mit mehreren
Quadratur-Demodulatoren;
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6 eine
schematische Darstellung des Aufbaus eines einzelnen Quadratur-Demodulators;
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7 eine
schematische Darstellung der Phasenmessung eines Ultraschallsignals;
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8 eine
schematische Darstellung eines Noniusverfahrens mittels linearer
Abbildungen; und
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9 den
Frequenzgang eines Ultraschallsignals mit Demodulationsfrequenzen.
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Ausführungsformen
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 schematischen Überblick über eine
Anordnung zur Messung der Phase bzw. Laufzeit eines Ultraschallsignals 15.
Die Anordnung umfasst (von links nach rechts) einen Sensor 26,
wie z. B. einen Wandler A bzw. B, eine Demodulator-Einheit 27 mit
mehreren Quadratur-Demodulatoren (siehe 5), eine
optionale Einheit 28 zur Phasenkorrektur der von der Demodulator-Einheit 27 gelieferten Signale,
einen CORDIC-Algorithmus, der eine Arcus-Tangens-Berechnung durchführt, und eine Noniuseinheit 30,
die aus den einzelnen Phasenwinkeln α1–αn die
Phasenlage Φ bzw.
Laufzeit t des Ultraschallsignals 15 berechnet.
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5 zeigt
die Demodulator-Einheit 27 von 4 im Detail.
Die Demodulator-Einheit 27 umfasst einen
A/D-Wandler 14, mit dem das empfangene Ultraschallsignal 15 digitalisiert
wird, sowie mehrere parallel geschaltete Quadratur-Demodulatoren 23a–23c,
die jeweils das digitalisierte Signal verarbeiten. Die Funktion
eines Quadratur-Demodulators wird im Folgenden anhand von 6 näher erläutert.
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6 zeigt
einen Ultraschall-Strömungssensor 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 Ultraschallsignale könnten wahlweise auch mit Hilfe
eines kurzen Burst-Signals erzeugt werden.) Die beiden Wandler A,
B 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 wird schließlich die Strömungsgeschwindigkeit
v oder der Massestrom des strömenden
Mediums 1 berechnet. Die Laufzeit der Signale ergibt sich
aus der Phase der Ultraschallsignale 15 gegenüber einem
Referenztakt, z. B. dem Taktsignal 8, plus einem ganzzahligen
Vielfachen einer Periodendauer.
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Zur
Bestimmung der Phasenlage ΔΦ wird das
empfangene Ultraschallsignal 15 zunächst einem A/D-Wandler 14 zugeführt und
digitalisiert. Das digitalisierte Empfangssignal wird dann in zwei
Signalpfade aufgeteilt und mit einem Demodulationssignal 18 und
einem um pi/2 (90°)
Phasen verschobenen Demodulationssignal 19 moduliert und
dabei entweder unverändert
weitergegeben oder invertiert. Das digitalisierte Empfangssignal 15 wird
z. B. im Zustand „high" der Demodulationssignale 18, 19 unverändert weitergegeben
und im Zustand „low" invertiert. Die
Demodulationssignale 18, 19 werden von einer Einheit 17 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 und 11 dargestellt.
Die abschnittsweise invertierten Signale werden dann Tiefpassfiltern 12 bzw. 13 zugeführt, die
zur Filterung hochfrequenter Störsignale dienen.
Die Größen u1 bzw.
u2 entsprechen dem Real- bzw. Imaginärteil des Phasenwinkels ΔΦ.
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Die
Demodulations-Einheit 27 von 5 umfasst
drei solcher Quadratur-Demodulatoren 23a–23c,
die mit unterschiedlichen Demodulationsfrequenzen f1–f3 arbeiten. Die Demodulationsfrequenzen stehen
dabei in einer bestimmten Relation zueinander, wie später noch
anhand von 9 erläutert werden wird. Die abschnittsweise
invertierten Signale (nach den Multiplizierern 10 bzw. 11)
werden gemäß 5 jeweils
einem zugehörigen
Sinc-Filter 24a–24c zugeführt, der
im Wesentlichen als Tiefpassfilter wirkt.
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Die
Sinc-Filter 24a–24c erzeugen
an ihrem Ausgang jeweils ein Signal u1 und
u2. Diese Werte u1, u2 stellen
dabei die Komponenten eines Vektors u dar, dessen Winkel im Koordinatensystem
gerade die Phasenlage ΔΦ bzw. α ist. 7a zeigt den Vektor u und die Komponenten
u1, u2, sowie eine
Phasenlage α1 des empfangenen Ultraschallsignals 15.
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Die
Robustheit bzw. Fehlertoleranz des Auswerteverfahrens kann erhöht werden,
wenn die Abtasffrequenz des A/D-Wandlers 14 so gewählt wird, dass
sie durch das ganzzahlige 4-fache aller verwendeten Demodulationsfrequenzen
f1–f3 teilbar ist. Wird diese Bedingung nicht
exakt erfüllt,
kann es je nach Art des Demodulationssignals zu einem Phasenfehler Δ kommen.
Dieser kann mittels einer einfachen Phasenkorrektur (siehe Block 28 in 4)
eliminiert werden, wie sie im Folgenden erläutert werden wird. Dadurch
ergeben sich größere Freiheiten
bei der Wahl der Demodulationsfrequenzen und in Folge eine größere Fehlertoleranz
des Noniusverfahrens.
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Die
Demodulationssignale 18, 19 können beispielsweise mit cos(ωt) und sin(ωt + Δ) angesetzt werden.
Das mit der Demodultionsfrequenz f1–f3 modulierte Signal ergibt sich somit zu
cos(ωt
+ φ) bzw. sin(ωt + φ + Δ). Nach den
Sinc-Filtern 24a–24c ergibt sich
daraus u1 = 0,5·cos(φ) bzw. u2 =
Im = 0,5·sin(Δ – φ).
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Mittels
der Korrektureinheit 28 können diese Werte phasenkorrigiert
werden. Danach ergibt sich für
die einzelnen Signale u1,kor = Re = 0,5·cos(φ) bzw. u2kor = Im = u1·tan(Δ) – Im·1/cos(Δ) = 0,5·sin(φ).
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Diese
Korrektur lässt
sich mit sehr geringem Aufwand, beispielsweise in einer integrierten
Schaltung, realisieren.
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Am
Ausgang der Demodulationseinheit 27 ist ein Multiplexer 25 vorgesehen.
Die serielle Ausgabe der einzelnen Phaseninformationen u1, u2 mittels eines
Multiplexers 25 wurde hier vor allem aus Kostenerwägungen gewählt. Alternativ
könnten
die folgenden Einheiten 29, etc. natürlich auch mehrfach parallel
ausgeführt
sein.
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Die
einzelnen Phaseninformationen u1, u2 aus den Sinc-Filtern 24a–24c werden
dann einem Cordic-Algorithmus 29 zugeführt, der eine Arcus-Tangens-Berechnung durchführt. Ergebnis
dieser Berechnung sind jeweils ein Phasenwinkel α1–αn. Die
einzelnen Phasenwinkel α1–αn an
werden dann der Noniuseinheit 30 zugeführt.
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8 zeigt
eine genauere Darstellung des Noniusverfahrens mittels linearer
Abbildungen. Darin wird in Block 34 aus den Phasenwinkeln α1–αn ein
gewichteter Mittelwert gebildet. Parallel dazu wird im unteren Ast
zunächst
eine erste lineare Abbildung durchgeführt (Block 31), bei
der ein n-dimensionaler Vektor zunächst in einen n-1-dimensionalen
Vektor T abgebildet wird. Nach einer Quantisierung im Modul 32 folgt
eine weitere lineare Abbildung (Block 33), die einen Skalar
erzeugt. (Bei weniger als drei Quadratur-Demodulatoren dient Einheit 33 als
Gewichtungsfaktor). Im Block 35 werden dann der gewichtete
Mittelwert und der aus der linearen Abbildung erzeugte Skalar modulo
2n addiert. In Block 36 wird das
Ergebnis dann durch 2n dividiert. Dieses
Verfahren liefert schließlich
die Phasenlage ΔΦ bzw. den
Phasenwinkel Φ des
empfangenen Ultraschallsignals.
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8 zeigt
den Frequenzgang eines empfangenen Ultraschallsignals 15 mit
verschiedenen Demodulationsfrequenzen f1–f3. Die Frequenz f2 entspricht
dabei der Resonanzfrequenz des Ultraschallsignals 15. Die
Demodulationsfrequenz f3 ist höher und
die Ferquenz f3 niedriger als die Resonanzfrequenz
f2.