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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschalldurchflussmesser
zum Messen einer Durchflussrate eines Fluids, das durch eine Leitung
fließt, mit Ultraschallwellen.
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Erläuterungen zum
Stand der Technik
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In
bekannten Ultraschalldurchflussmessern zum Messen einer Durchflussrate
eines Fluids, das durch eine Leitung fließt, wird ein Ultraschallimpuls von
einer Stromaufwärtsposition in Richtung einer Stromabwärtsposition
innerhalb der Leitung gesendet, um eine Vorwärtsdurchgangszeit
des Ultraschallimpulses zu detektieren, und wird ein Ultraschallimpuls
von einer Abwärtsstromposition in Richtung einer Aufwärtsstromposition
innerhalb der Leitung gesendet, um eine Rückwärtsdurchgangszeit
des Ultraschallimpulses zu detektieren. Dann wird eine Differenz
zwischen der Vorwärtsdurchgangszeit und der Rückwärtsdurchgangszeit
detektiert, um eine Durchgangszeitdifferenz abzuleiten, und schließlich
wird eine Durchflussgeschwindigkeit des Fluids von der so detektierten
Durchgangszeitdifferenz des Ultraschallimpulses gemessen.
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In
einer
japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung
Kokai Nr. 2002-162269 wird ein bekannter Ultraschalldurchflussmesser
offenbart, in dem eine Durchgangszeitdifferenz des Ultraschallimpulses
unter Verwendung von Nulldurchgangspunkten detektiert wird. Die
Patentanmeldungsveröffentlichung
Kokai Nr. 2002-243514 offenbart einen weiteren bekannten
Ultraschalldurchflussmesser, in dem diese Durchgangszeitdifferenz
des Ultraschallimpulses unter Verwendung einer Kreuzkorrelation
der Ultraschallwellensignale detektiert wird.
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In
den bekannten Ultraschalldurchflussmessern empfängt, auch
wenn ein einzelner Ultraschallimpuls gesendet wird, die Ultraschallempfangseinheit
eine Ultraschallwelle über mehrere Zyklen, wie in 12 gezeigt
ist, aufgrund der Eigenresonanz der Ultraschallschwingungseinheit.
Deshalb enthält die empfangene Ultraschallwelle eine Vielzahl
von Nulldurchgangspunkten. In dem bekannten Ultraschalldurchflussmesser
unter Verwendung der Nulldurchgangspunktverfahren ist es notwendig,
entsprechende Nulldurchgangspunkte in der empfangenen Ultraschallwelle
des vorwärts gesendeten Ultraschallimpulses und in der
empfangenen Ultraschallwelle des rückwärts gesendeten
Ultraschallimpulses zu finden.
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Wenn
ein Signal-zu-Rauschen-Verhältnis der empfangenen Ultraschallwellen
aufgrund eines Abfallens des Signalpegels abnimmt oder wenn es eine
ziemlich große Differenz in der Amplitude zwischen den
empfangenen Ultraschallwellen gibt, können die entsprechenden
Nulldurchgangspunkte nicht richtig detektiert werden. Wenn die entsprechenden Nulldurchgangspunkte
nicht richtig detektiert werden können, kann ein großer
Fehler in die Messung der Durchflussrate eingeführt werden.
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In
dem bekannten Ultraschallflussmesser unter Verwendung des Kreuzkorrelationsverfahrens wird
ein empfangenes Ultraschallwellensignal statistisch behandelt, um
einen Punkt abzuleiten, bei dem eine maximale Kreuzkorrelation als
ein Maß erhalten wird, das eine Laufzeitdifferenz angibt.
Eine Kreuzkorrelationskurve zeigt keine scharfe Biegung und deshalb
ist es notwendig, um einen maximalen Punkt genau zu detektieren,
die Nulldurchgangskurve durch einen Polynomausdruck, zum Beispiel
eine quadratische Gleichung, anzunähern. 13 zeigt ein
Beispiel eines solchen Berechnungsergebnisses unter Verwendung einer
Kreuzkorrelation und 14 zeigt einen Kurven verlauf,
der eine Spitzenposition in einem vergrößerten
Maßstab wiedergibt.
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In
dem bekannten Ultraschalldurchflussmesser unter Verwendung des Kreuzkorrelationsverfahrens
wird ein empfangenes Ultraschallwellensignal des vorwärts
gesendeten Ultraschallimpulses abgetastet, um eine Digitaldatenserie
x abzuleiten, die aus N Abtastwerten zusammengesetzt ist, und wird
ein empfangenes Ultraschallwellensignal des rückwärts gesendeten
Ultraschallimpulses auch abgetastet, um eine Digitaldatenserie y
abzuleiten, die aus N Abtastwerten zusammengesetzt ist. Eine Kreuzkorrelation zwischen
diesen beiden Digitaldatenserien x und y wird durch die nachfolgende
Gleichung (1) abgeleitet. Rxy[m] = Σx[n]·y[n
+ m] (m = 0, 1, 2, ---, N – 1) (1)
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In
dieser Gleichung (1) gibt Rxy eine Kreuzkorrelation an, geben x[n],
y[n + m] die Datenserie x und y wieder und das F Zeichen bedeutet
eine Integration mit n =, 2, --- N.
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Ein
Wert der Verschiebung m, bei dem die Kreuzkorrelation Rxy maximal
ist, gibt eine Laufzeitdifferenz zwischen der vorwärts
fortschreitenden Ultraschallwelle und der rückwärts
fortschreitenden Ultraschallwelle an. Um diesen Verschiebungswert
m detektieren zu können, muss eine große Menge
von Multiplikationen in Übereinstimmung mit der Gleichung
(1) berechnet werden. Wenn diese Berechnung durch Software ausgeführt
wird, wird eine lange Zeitdauer benötigt und, wenn die
Berechnung durch Hardware ausgeführt wird, ist es notwendig,
eine teure Signalverarbeitungseinheit, die eine hohe Geschwindigkeit
hat, zu verwenden.
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Ein
Verschiebungswert m, bei dem die berechnete Kreuzkorrelation Rxy
maximal ist, ist eine ganze Zahl, aber ein wahrer Maximalwert der
Kreuzkorrelation wird für gewöhnlich an einem
mittleren Punkt zwischen m und m – 1 oder m + 1 erhalten.
Um den wahren Maximalwert detektieren zu können, muss deshalb
die Kreuzkorrelationskurve durch einen Polynomausdruck, zum Beispiel
eine quadratische Gleichung, wie vorstehend erläutert wurde,
angenähert werden.
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Überblick über
die Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung hat als ihre Aufgabe, einen neuen und nützlichen
Ultraschalldurchflussmesser bereitzustellen, der die vorstehend
erwähnten Nachteile der bekannten Ultraschalldurchflussmesser
beseitigen kann, und die Laufzeitdifferenz zwischen der vorwärts
fortschreitenden Ultraschallwelle und der rückwärts
fortschreitenden Ultraschallwelle kann genau durch eine einfache
Berechnung innerhalb einer kurzen Zeitdauer detektiert werden.
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Gemäß der
Erfindung hat ein Ultraschalldurchflussmesser zum Messen einer Durchflussrate eines
Fluids, das durch eine Leitung fließt, durch Detektieren
einer Laufzeitdifferenz zwischen einer vorwärts fortschreitenden
Zeit einer Ultraschallwelle, die innerhalb der Leitung in einer
Vorwärtsrichtung von einer Stromaufwärtsseite
zu einer Stromabwärtsseite fortschreitet, und einer rückwärts
fortschreitenden Zeit einer Ultraschallwelle, die innerhalb der
Leitung in einer Rückwärtsrichtung von einer Stromabwärtsseite
zu einer Stromaufwärtsseite fortschreitet:
eine erste
Ultraschallschwingungseinheit, die an einer Aufwärtsstromseite
der Leitung vorgesehen ist, zum Senden einer Ultraschallwelle, die
in der Vorwärtsrichtung fortschreitet, und zum Empfangen
einer Ultraschallwelle, die in der Rückwärtsrichtung fortschreitet,
um ein Rückwärtsultraschallwellensignal zu erzeugen;
eine
zweite Ultraschallschwingungseinheit, die an der Stromabwärtsseite
der Leitung vorgesehen ist, zum Senden einer Ultra schallwelle, die
in der Rückwärtsrichtung fortschreitet, und zum
Empfangen der Ultraschallwelle, die von der ersten Ultraschallschwingungseinheit
gesendet wird und in der Vorwärtsrichtung fortschreitet,
um ein Vorwärtsultraschallwellensignal zu erzeugen;
einen
A/D-Wandler zum Abtasten und Wandeln des Rückwärtsultraschallwellensignals
und des Vorwärtsultraschallwellensignals, die von der ersten
und zweiten Ultraschallschwingungseinheit erzeugt werden, jeweils
in eine Rückwärtsdigitaldatenserie x und eine
Vorwärtsdigitaldatenserie y;
erste und zweite Speichereinheiten
zum Speichern der Rückwärtsdigitaldatenserie x
bzw. der Vorwärtsdigitaldatenserie y;
eine Steuereinheit
zum Lesen der Rückwärtsdigitaldatenserie x und
der Vorwärtsdigitaldatenserie y aus der ersten Speichereinheit
bzw. der zweiten Speichereinheit, während Datenpositionen
dieser Vorwärtsdigitaldatenserie y und Rückwärtsdigitaldatenserie
x relativ verschoben sind; und
eine Berechnungseinheit zum
Ableiten der Gesamtsummen der Absolutdifferenzwerte bzw. Absolutbetragdifferenzwerte
zwischen der Rückwärtsdigitaldatenserie x und
der Vorwärtsdigitaldatenserie y, die aus der ersten Speichereinheit
bzw. der zweiten Speichereinheit ausgelesen wird, und zum Detektieren
eines Verschiebungswerts der Datenpositionen, bei dem eine Gesamtsumme
der Absolutdifferenzwerte minimal ist, worin eine Ultraschallfortschreitungszeitdifferenz
in Übereinstimmung mit diesem detektierten Verschiebungswert
der Datenpositionen abgelitten wird, worin eine Durchflussgeschwindigkeit
des Fluids innerhalb der Leitung von dieser abgelittenen Ultraschallwellenfortschreitungszeitdifferenz abgelitten
wird und worin eine Durchflussrate des Fluids, das durch die Leitung
fließt, in Übereinstimmung mit dieser abgelittenen
Durchflussgeschwindigkeit und einer bekannten Querschnittsfläche
der Leitung abgelitten wird.
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In
dem Ultraschalldurchflussmesser gemäß der Erfindung
ist es möglich, eine Laufzeitdifferenz der Ultraschallwellen
durch eine einfache Berechnung innerhalb einer kurzen Zeitdauer
genau abzuleiten. Die Anzahl der Messungen innerhalb einer Einheitszeitdauer
kann deshalb im Vergleich mit den bekannten Ultraschalldurchflussmessern
erhöht werden und somit, wenn die Anzahl der Messungen gleich
zu der der bekannten Ultraschalldurchflussmessern ist, kann die
Berechnung durch eine weniger teure Signalverarbeitungseinheit niedriger
Geschwindigkeit ausgeführt werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm, das ein Blockdiagramm einer Ausführungsform
des Ultraschalldurchflussmessers gemäß der Erfindung
zeigt;
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2 ist
ein Blockdiagramm, das eine Berechnungseinheit zeigt;
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3 ist
ein Flussdiagramm, das einen Teil der hintereinanderfolgenden Schritte
zum Ableiten einer Laufzeitdifferenz wiedergibt;
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4 ist
ein Flussdiagramm, das einen Teil der hintereinanderfolgenden Schritte
zum Ableiten einer Laufzeitdifferenz wiedergibt;
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5 ist
ein Flussdiagramm, das den verbleibenden Teil der hintereinanderfolgenden
Schritte zum Ableiten einer Laufzeitdifferenz wiedergibt;
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6 ist
ein Kurvenverlauf, der ein berechnetes Ergebnis einer Kreuzkorrelation
zeigt;
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7 ist
ein Kurvenverlauf, der einen Abschnitt wiedergibt, der einen Datenpunkt
enthält, bei dem die berechnete Kreuzkorrelation einen
Minimalwert mit einem vergrößerten Maßstab
zeigt;
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8 ist
ein erläuterndes Diagramm, das die Art und Weise des Detektierens
eines wahren Minimalwertes der Kreuzkorrelation zeigt;
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9 ist
ein Kurvenverlauf, der ein Ultraschallwellensignal zeigt, das eine
gute Qualität hat;
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10 ist
ein Kurvenverlauf, der ein Ultraschallwellensignal zeigt, das eine
schlechte Qualität hat;
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11 ist
ein Kurvenverlauf, der ein Ultraschallwellensignal darstellt, das
eine sehr schlechte Qualität hat;
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12 ist
ein Kurvenverlauf, der ein bekanntes Nulldurchgangspunktverfahren
zeigt;
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13 ist
ein Kurvenverlauf, der eine empfangene Ultraschallwelle in dem bekannten
Kreuzkorrelationsverfahren wiedergibt; und
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14 ist
ein Kurvenverlauf, der einen Spitzenabschnitt in einem vergrößerten
Maßstab erläutert.
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Kurzbeschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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1 ist
ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform des Ultraschalldurchflussmessers
gemäß der Erfindung zeigt. Ein Fluid, dessen Durchflussrate
gemessen werden soll, fließt durch eine Leitung 1.
An einer Stromaufwärtsposition und einer Stromabwärtsposition
der Leitung 1 sind Ultraschallschwin gungselemente 2 bzw. 3 vorgesehen.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Ultraschallelement 2 dazu
dient, eine Ultraschallwelle zu senden und auch eine Ultraschallwelle
zu empfangen, die von dem Ultraschallschwingungselement 3 gesendet
wird, und dass ähnlich das Ultraschallschwingungselement 3 derart
funktioniert, dass es eine Ultraschallwelle sendet und auch eine
Ultraschallwelle empfängt, die von dem Ultraschallschwingungselement 2 gesendet wird.
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Die
Ultraschallschwingungselemente 2 und 3 sind mit
einem Sendeverstärker 5 und einem Empfangsverstärker 6 mit
variabler Verstärkung selektiv über einen Schalter
und einen Multiplexer 4 verbunden. Ein Ausgang des Empfangsverstärkers 6 mit
variabler Verstärkung ist mit einer Berechnungseinheit 9,
einem RAM 10 und einer CPU 11 über einen A/D-Wandler 7 und
einen Datenbus 8 verbunden. Mit der CPU 11 sind
auch ein I/O-Block 12 und eine Anzeige-Eingabeschaltung 13 verbunden.
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Zudem
ist eine I/O-Steuereinheit 14 mit dem Datenbus 8 verbunden
und ein Taktgenerator 15 ist mit der I/O-Steuereinheit 14 verbunden.
Ausgänge des I/O-Controllers 14 sind mit dem Schalter 4,
dem Sendeverstärker 5, dem Empfangsverstärker 6 mit variabler
Verstärkung und dem A/D-Wandler 7 verbunden.
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Beim
Messen einer Durchflussrate des Fluids, das durch die Leitung 1 fließt,
werden die verschiedenen Schaltungen durch geeignete Programmbefehle,
die in der CPU 11 gespeichert sind, gesteuert. Das Stromaufwärtsultraschallschwingungselement 2 wird
angetrieben, eine Ultraschallwelle in Richtung des Stromabwärtsultraschallschwingungselements 3 zu
senden, und die Ultraschallwelle, die durch das fließende
Fluid gesendet wird, wird von dem Stromabwärtsultraschallschwingungselement 3 empfangen
und dann wird das Stromabwärtsultraschallschwingungselement 3 angetrieben,
eine Ultraschallwelle in Richtung des Stromaufwärtsultraschallschwingungselements 2 zu erzeugen
und die Ultraschallwelle, die somit durch das Fluid gesendet wird,
wird durch das Stromaufwärtsultraschallschwingungselement 2 empfangen.
Eine Durchflussrate des Fluids, das durch die Leitung 1 fließt,
wird durch eine geeignete Verarbeitung der empfangenen Ultraschallwellen
abgelitten. Es wird darauf hingewiesen, dass das Stromabwärtsultraschallschwingungselement 3 zuerst
angetrieben werden kann und dass dann das Stromaufwärtsultraschallschwingungselement 2 angetrieben
werden kann.
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Zuerst
wird der Schalter 4 derart angetrieben bzw. angesteuert,
dass der Ausgang des Sendeverstärkers 5 mit dem
Stromaufwärtsultraschallschwingungselement 2 verbunden
wird und dass der Eingang des Empfangsverstärkers 6 variabler
Verstärkung mit dem Stromabwärtsultraschallschwingungselement 3 verbunden
ist. Dann erzeugt die I/O-Steuereinheit 14 ein Burstsignal
zum Erregen des Ultraschallschwingungselements. Nach dem Verstärken des
Burstsignals durch den Sendeverstärker 5 wird das
verstärkte Burstsignal an das Stromaufwärtsultraschallschwingungselement 2 angelegt.
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Das
Stromaufwärtsultraschallschwingungselement 2 wird
durch das Burstsignal erregt und eine Ultraschallwelle wird durch
das Fluid, das durch die Leitung 1 fließt, in
Richtung des Stromabwärtsultraschallschwingungselements 3 gesendet.
Wenn das Stromaufwärtsultraschallschwingungselement 3 die Ultraschallwelle
empfängt, erzeugt es ein Ultraschallwellensignal, das heißt
ein Impulssignal, und das so erzeugte Impulssignal wird durch den
Empfangsverstärker 6 mit variabler Verstärkung
verstärkt. Dann wird das so verstärkte Impulssignal
in eine Digitaldatenserie x durch den A/D-Wandler 7 gewandelt.
Die Digitaldatenserie x wird in dem RAM 10 gespeichert. Ein
Pegel des Impulssignals, das durch das Stromabwärtsultraschallschwingungselement 3 erzeugt
wird, kann aufgrund verschiedener Ursachen variieren und deshalb
funktio niert der Empfangsverstärker 6 mit variabler
Verstärkung derart, dass er eine solche Schwankung so kompensiert,
dass das verstärkte Impulssignal einen geeigneten Pegel
bzw. Wert innerhalb eines gegebenen Bereichs hat.
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Als
Nächstes wird der Schalter 4 derart betätigt,
dass der Eingang des Empfangsverstärkers 8 mit variabler
Verstärkung mit dem Stromaufwärtsultraschallschwingungselement 2 verbunden
wird und dass der Ausgang des Sendeverstärkers 5 mit
dem Stromabwärtsultraschallschwingungselement 3 verbunden
wird. Dann wird das Stromabwärtsultraschallschwingungselement 3 durch
ein Burstsignal angetrieben, um eine Ultraschallwelle zu senden.
Die Ultraschallwelle, die durch das Fluid, das durch die Leitung 1 fließt,
gesendet wird, wird von dem Stromaufwärtsultraschallschwingungselement 2 empfangen,
um ein Ultraschallwellensignal zu erzeugen, d. h. ein Impulssignal.
Das Impulssignal wird in der gleichen Art und Weise wie vorstehend
erläutert wurde, behandelt, um eine Digitaldatenserie y
zu erzeugen, und die so erzeugte Digitaldatenserie y wird in dem
RAM 10 gespeichert.
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Die
CPU 11 umfasst zwei Speicher mit wahlfreiem Zugriff (Random
Access Memories) RamA und RamB, die die Digitaldatenserie x bzw.
die Digitaldatenserie y speichern. Diese Speicher RamA und RamB
arbeiten unabhängig voneinander und digitale Daten können
aus den Speichern RamA und RamB gleichzeitig zu der Berechnungseinheit 9 ausgelesen
werden.
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Die
Anzeigeeingabeschaltung 13 hat die Funktion, ein Ergebnis
anzuzeigen und verschiedene Parameter wie zum Beispiel einen Bereich
einer Durchflussrate, eine untere Alarmgrenze und eine obere Alarmgrenze
der Durchflussrate, eine Nulleinstellung und eine Korrektur der
Linearität zu setzen. Der I/O-Block 12 dient dazu,
eine Durchflussrate und ein A larmsignal auszugeben. Der I/O-Block 12 enthält
die Fähigkeit für serielle Kommunikation.
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2 ist
ein Schaltungsdiagramm, das eine Ausführungsform der Berechnungseinheit 9 zeigt,
die durch Hardware aufgebaut ist. Die Digitaldatenserien x und y,
die durch Verarbeiten der Ultraschallwellensignale erhalten werden,
die durch die Ultraschallschwingungselemente 2 und 3 erzeugt
werden, werden der Subtraktionsschaltung 16 zugeführt,
wobei ein Ausgang der Subtraktionsschaltung 16 mit einer Absolutschaltung 17 verbunden
ist und Absolutwerte bzw. Betragswerte, die von der Absolutschaltung 17 erzeugt
werden, werden durch eine Summationsschaltung 18 aufsummiert
bzw. angehäuft. Ein Löschsignal wird auch der
Summationsschaltung 18 bei geeigneten Zeitpunkten zugeführt.
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In
der Berechnungseinheit 9 wird eine Differenz Sxy[m] zwischen
den beiden Digitaldatenserien x und y in Übereinstimmung
mit der nachfolgenden Gleichung (2) berechnet, worin die F eine
Integration für n = 1, 2, --- N und m = 0, 1, 2, ---, N – 1
angibt. Sxy[m] = Σ|x[n] – y[n
+ m]| (2)
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In
dem bekannten Ultraschalldurchflussmesser unter Verwendung des Kreuzkorrelationsverfahrens
wird die Kreuzkorrelation Rxy in Übereinstimmung mit der
Multiplikation, wie durch die Gleichung (1) gezeigt ist, berechnet.
Unterschiedlich dazu wird in dem neuartigen Ultraschalldurchflussmesser
der Erfindung die Differenz Sxy in Übereinstimmung mit den
Absolutwerten der Differenz zwischen den beiden digitalen Datenserien
x und y, wie durch die Gleichung (2) ausgedrückt wird,
berechnet. Im Vergleich zu dem bekannten Multiplikationsverfahren
kann das Subtraktionsverfahren gemäß der Erfindung
innerhalb einer kurzen Zeitdauer durch eine viel ein fachere Hardware
oder Software durchgeführt werden. Die Berechnung mit der
Gleichung (2) kann deshalb viel schneller als die Berechnung mit
der Gleichung (1) ausgeführt werden.
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Nun
wird davon ausgegangen, dass jede der beiden Digitaldatenserien
x und y aus 512 Datenwerten zusammengesetzt ist und dass Differenzen
zwischen diesen Datenwerten durch die Subtraktionsschaltung 16 berechnet
werden. Dann werden 512 Differenzwerte erhalten, wobei die Absolutwerte
dieser 512 Differenzwerte durch die Absolutschaltung 17 abgelitten
werden und diese Absolutwerte werden in der Summationsschaltung 18 summiert
bzw. angehäuft, um eine Gesamtsumme der absoluten Differenzwerte
abzuleiten. Die vorstehend erwähnte Berechnung wird 512-mal
ausgeführt, während Datenpositionen der beiden
Digitaldatenserien x und y relativ verschoben werden, um einen vollständigen
Satz von Gesamtsummen der absoluten Differenzwerte erhalten zu können.
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In
der vorliegenden Ausführungsform erzeugt die Berechnungseinheit 9 eine
Gesamtsumme der Absolutdifferenzwerte jedes Mal, wenn Datenpositionen
verschoben werden. Die Datenpositionsverschiebung kann einfach durch
Software in Übereinstimmung mit einem Programm der CPU 11 durchgeführt
werden. Durch Detektieren eines Wertes der Datenpositionsverschiebung,
bei dem die Differenz zwischen den beiden Digitaldatenserien x und
y minimal wird, in der vorstehend erwähnten Art und Weise, ist
es möglich, eine Laufzeitdifferenz der Ultraschallwellen
zu erhalten und dann kann eine Durchflussgeschwindigkeit des Fluids
innerhalb der Leitung 1 abgelitten werden. Schließlich
kann eine Durchflussrate des Fluids innerhalb der Leitung 1 aus
der so abgeleiteten Durchflussgeschwindigkeit und einer bekannten
Querschnittsfläche der Leitung 1 berechnet werden.
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In
der vorliegenden Ausführungsform wird die Laufzeitdifferenz
der Ultraschallwelle durch Hardware berechnet, d. h. der Berechnungseinheit 9, aber
gemäß der Erfindung, kann die Laufzeitdifferenz durch
Software abgelitten werden. Unter Verwendung der Hardware kann die
Berechnung mit einer höheren Geschwindigkeit durchgeführt
werden.
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Das
berechnete Ergebnis, das durch die Berechnungseinheit 9 in Übereinstimmung
mit der Gleichung (2) erhalten wird, wird weiterhin durch die CPU 11 verarbeitet,
um einen wahren Minimalwert der Differenz abzuleiten. Die Durchflussgeschwindigkeit des
Fluids innerhalb der Leitung 1 wird auf der Basis dieses
wahren Minimalwertes berechnet und die Durchflussrate wird auf der
Basis der somit erhaltenen Durchflussgeschwindigkeit berechnet.
Die abgelittene Durchflussrate wird der Anzeigeeingabeschaltung 13 über
den I/O-Block 12 zugeführt. Auf diese Art und
Weise wird die detektierte Durchflussrate auf der Anzeigeeingabeschaltung 13 angezeigt.
Wenn gewünscht kann ein Alarm durch die Anzeigeeingabeschaltung 13 erzeugt
werden, wenn die detektierte Durchflussrate außerhalb eines
vorgegebenen, annehmbaren Bereichs ist.
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Wie
in der Gleichung (2) gezeigt ist, muss, wenn jede der beiden Digitaldatenserien
x und y aus N Datenwerten zusammengesetzt ist, um einen kompletten
Satz von Differenzwerten ableiten zu können, die Subtraktion
N × N-mal ausgeführt werden. In der Praxis ist
es jedoch nicht immer notwendig, die Subtraktion N × N-mal
auszuführen. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass ein
Abstand zwischen den Ultraschallschwingungselementen 2 und 3 10
cm beträgt, dass eine Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle
innerhalb des Fluids 1500 m/s beträgt und dass eine geschätzte
maximale Durchflussgeschwindigkeit 10 m/s beträgt, dass
eine Laufzeitultraschallwelle von dem Stromaufwärtsultraschallschwingungselement 2 zu
dem Stromabwärtsultraschallschwingungselement 3 gleich
0,1/(1500 + 10) beträgt und dass eine Laufzeit der Ultraschallwelle von
dem Stromabwärts ultraschallschwingungselement 3 zu
dem Stromaufwärtsultraschallschwingungselement 2 gleich
0,1/(1500 – 10) beträgt. Eine Laufzeitdifferenz
beträgt dann ungefähr 0,9 μs.
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Es
wird nachfolgend weiterhin angenommen, dass die Digitaldatenserien
x und y durch Durchführen des Abtastens mit einer Abtastfrequenz von
50 MHz erhalten werden. Dann entspricht die vorstehend erwähnte
maximale Laufzeitdifferenz 45 Abtastperioden. Anders ausgedrückt
verschieben sich die beiden Digitaldatenserien x und y nicht über 45
Abtastperioden. Die Differenz Sxy, die durch die Gleichung (2) ausgedrückt
wird, kann deshalb durch Ausführen der Berechnung für
m = 0 – 45 erhalten werden. In der Praxis können
Werte von m auf einen etwas weiteren Bereich, zum Beispiel 0 – 60,
gesetzt werden.
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Nachfolgend
werden hintereinanderfolgende Schritte zum Ausführen der
Messung durch den Ultraschalldurchflussmesser gemäß der
Erfindung im Detail mit Bezug auf die Flussdiagramme, die in 3, 4 und 5 gezeigt
sind, erläutert.
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Schritt
1: Ein Kanal A (Ultraschallwelle pflanzt sich von stromaufwärts
nach stromabwärts fort) wird mittels des Schalters 4 ausgewählt.
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Schritt
2: Ein Burstsignal wird an das Stromaufwärtsultraschallschwingungselement 2 von dem
Sendeverstärker 5 angelegt.
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Schritt
3: Warten bis die Ultraschallwelle, die von dem Stromaufwärtsultraschallschwingungselement 2 gesendet
wird, das Stromabwärtsultraschallschwingungselement 3 erreicht.
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Schritt
4: Das Ultraschallwellensignal, das von dem Stromabwärtsultraschallschwingungselement 3 erzeugt
wird, wird mit einer Abtastrate von 50 MHz abgetastet und wird dem
A/D- Wandler 7 über den Empfangsverstärker 6 mit
variabler Verstärkung zugeführt und 512 Datenwerte
werden in dem RamA in dem RAM 10 gespeichert.
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Schritt
5: Ein Kanal B (Ultraschallwelle pflanzt sich von stromabwärts
nach stromaufwärts fort) wird mittels des Schalters 4 ausgewählt.
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Schritt
6: Ein Burstsignal wird an das Stromabwärtsultraschallschwingungselement 3 von dem
Sendeverstärker 5 angelegt.
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Schritt
7: Warte bis Ultraschallwelle, die von dem Stromabwärtsultraschallschwingungselement 3 gesendet
wird, an dem Stromabwärtsultraschallschwingungselement 3 ankommt.
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Schritt
8: Das Ultraschallwellensignal, das von dem Stromaufwärtsultraschallschwingungselement 2 erzeugt
wird, wird mit einer Abtastrate von 50 MHz abgetastet und wird dem
A/D-Wandler 7 über den Empfangsverstärker 6 mit
variabler Verstärkung zugeführt und 512 Datenwerte
werden in dem RamB in dem RAM 10 gespeichert.
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Schritt
9: Eine Variable i des ersten Schleifenzählers wird auf
0 gesetzt.
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Schritt
10: Eine Variable p, die einen Wert der Verschiebung der Datenpositionen
beim Berechnen der Absolutwertdifferenzen wiedergibt, wird auf –10 gesetzt.
Wenn eine Durchflussgeschwindigkeit des Fluids Null ist, ist ein
Verschiebungswert der Datenpositionen, bei denen eine Totalsumme
der Absolutdifferenzwerte minimal wird, gleich Null. Dann können
die Daten neben dem Verschiebungswert nicht erhalten werden. Da
in der vorliegenden Ausführungsform ein wahrer Minimalwert
der Gesamtsumme der Absolutdifferenzwerte geschätzt bzw.
er mittelt wird, kann die Tatsache, dass Daten neben dem Verschiebungswert
nicht erhalten werden können, darin resultieren, dass ein
wahrer Minimalwert gemäß der Gleichung (2) so
nicht ermittelt werden kann. Deshalb wird in der vorliegenden Ausführungsform
ein Anfangswert der Variablen p auf –10 gesetzt.
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Schritt
11: Eine Variable Xmin wird auf zum Beispiel 70000 gesetzt. Diese
Variable ist vorgesehen, um einen Minimalwert einer Gesamtsumme
der Absolutdifferenzwerte zu speichern und sollte auf einen Wert
so groß wie möglich gesetzt werden.
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Schritt
12: Eine Variable Tmin und eine Variable Xmax werden auf 0 gesetzt.
Die Variable Tmin wird verwendet, um einen Verschiebungswert zu speichern,
bei dem eine Gesamtsumme der Absolutdifferenzwerte minimal wird,
und die Variable Xmax wird verwendet, um eine maximale Gesamtsumme der
Absolutdifferenzwerte zu speichern.
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Schritt
13: Eine Variable j des zweiten Schleifenzählers wird auf
0 gesetzt.
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Schritt
14: Eine variable Summe zum Anhäufen einer Gesamtsumme
der Absolutdifferenzwerte wird anfangs auf 0 gesetzt.
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Schritt
15: Datenwerte der Digitaldatenserien x und y werden hintereinanderfolgend
aus dem RamA und RamB in die Berechnungseinheit 9 ausgelesen.
Differenzen der Datenwerte werden durch die Subtraktionsschaltung 16 abgelitten,
Absolutwerte der Differenzen werden durch die Absolutschaltung 17 abgelitten
und die Absolutwerte der Differenzen werden durch die Summationsschaltung 18 angehäuft
bzw. summiert, um eine Gesamtsumme der Absolutdifferenzwerte abzuleiten.
Diese Gesamt summe ist die variable Summe. Hier wird, wenn ein Bereich von
j gleich 0–511 ist und zudem j + p unter der Bedingung
negativ wird, dass der Anfangswert von p auf –10 gesetzt
ist, deshalb 512 zu diesem Wert derart hinzuaddiert, dass ein Index
i zur Bezugnahme auf eine Tabelle positiv wird, die die variable
Summe speichert.
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Schritt
16: Die Variable j des zweiten Schleifenzählers wird um
1(j = j + 1) inkrementiert.
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Schritt
17: Wenn die Variable j des zweiten Schleifenzählers nicht
größer als 512 ist, werden der Schritt 15 und
der Schritt 16 wiederholt. Wenn der Zählwert j des zweiten
Schleifenzählers 512 wird, schreitet der Prozess zum Schritt
18 fort.
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Schritt
18: Die variable Summe, die durch den oben stehenden Prozess erhalten
wird, wird im RamC[i] gespeichert. Der RamC kann in dem RAM 10 oder
in der CPU 11 vorgesehen sein.
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Schritt
19: Wenn die variable Summe kleiner als die variable Xmin ist, schreitet
der Prozess zum Schritt 20 und Schritt 21 fort. Wenn die variable
Summe gleich oder größer als Xmin ist, wird der
Schritt 22 ausgeführt.
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Schritt
20: Die Variable Xmin wird durch die Variable Summe ersetzt.
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Schritt
21: Die Variable Tmin wird durch i ersetzt.
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Schritt
22: Wenn die Variable Summe, die durch die Berechnung erhalten wird,
größer als die Variable Xmax ist, wird der Schritt
23 ausgeführt, aber wenn nicht, wird der Schritt 24 durchgeführt.
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Schritt
23: Die Variable Xmax wird durch die Variable Summe ersetzt.
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Schritt
24: Die Variable p wird um Eins inkrementiert (p = p + 1).
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Schritt
25: Die Variable i wird um Eins inkrementiert (j = j + 1).
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Schritt
26: Wenn die Variable i kleiner als 60 ist, wird der Prozess vom
Schritt 13 wiederholt. Wenn nicht, wird der Schritt 27 durchgeführt.
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Schritt
27: Wenn die Variable Tmin größer als ein vorgegebener
Wert ist, z. B. 55, wird die Messung mit einem Fehler beendet.
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Schritt
28: Wenn ein Verhältnis der Variablen Xmax zu der Variablen
Xmin kleiner als ein vorgegebener Wert ist, z. B. 2,0, wird die
Messung mit einem Fehler beendet.
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Schritt
29: Ein wahrer Minimalwert T der Differenz wird durch die CPU 11 in Übereinstimmung
mit einem Inhalt in dem RamC und dem Wert der Variablen Tmin berechnet.
In diesem Schritt 29 wird der wahre Minimalwert T durch Subtrahieren
von 10 von dem wahren Minimalwert T abgelitten. Dies ist aufgrund
der Tatsache richtig, dass der Wert von p anfangs auf –10
gesetzt worden ist.
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6 ist
ein Kurvenverlauf, der ein Beispiel des Berechnungsergebnisses zeigt
und 7 ist eine vergrößerte Kurvenansicht,
die einen Abschnitt neben dem berechneten Minimalwert zeigt. In
der Kreuzkorrelation, die durch die Gleichung (1) erhalten wird,
bezeichnet ein Punkt des Maximalwertes einen Minimalwert der Laufzeitdifferenz.
In dem Differenz verfahren, das durch die Gleichung (2) gezeigt ist,
bezeichnet ein Punkt des Minimalwertes den Minimalwert der Laufzeitdifferenz.
Das heißt, dass in 6 eine Position
einer abfallenden Spitze auf der linken Seite den Minimalwert der
Laufzeitdifferenz angibt. Es wird darauf hingewiesen, dass ein Punkt eines
wahren Minimalwertes ein Punkt sein kann, der gegenüber
der Position der abfallenden Spitze verschoben ist. Der Punkt des
wahren Minimalwertes wird durch Ermittlung in Übereinstimmung
mit den Werten an benachbarten Punkten abgelitten, wie in dem Schritt
29 ausgedrückt ist.
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In 8 gibt
S1 einen berechneten Minimalwert an, der bei einem Punkt m erhalten
wird, und S0 und S2 sind berechnete Werte bei Positionen, die von
dem Punkt m um –1 bzw. +1 verschoben sind. P0 kann in einem
Punkt positioniert sein, wo eine Gesamtsumme der Absolutdifferenz
als ein Minimum angenommen wird und von S1 um einen Abstand a verschoben
ist, der ein Bruchteil des Verschiebungswertes ist (0 < a < 1). Es wird darauf
hingewiesen, dass der wahre Minimalwert P0 der Gesamtsumme der Absolutdifferenzwerte
sehr klein ist und mit Null angenähert werden könnte
und dass weiterhin ein Absolutwert einer Steigung einer Linie bzw.
Geraden, die die Punkte S0, S1 und P0 verbindet, identisch zu einem
Absolutwert einer Steigung bzw. Neigung einer Linie ist, die die
Punkte S2 und P0 verbindet. Der Teil des Verschiebungswertes kann
dann durch die nachfolgende Gleichung (3) ermittelt werden. S0/(1 + a) = S2/(1 – a) (3)
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Aus
dem Teil des Verschiebungswertes a, der mit der Gleichung (3) berechnet
wird, kann eine Zeitposition T, bei der der ermittelte Minimalwert
erhalten wird, in Übereinstimmung mit der nachfolgenden
Gleichung (4) abgelitten werden. T
= m + a = m + (S0 – S2)/(S0 + S2) (4)
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Aus
dieser Gleichung (4) ist offensichtlich, dass die Zeitposition T,
bei der der wahre Minimalwert erhalten wird, durch eine einzige
Division abgelitten werden kann und dass deshalb die Verarbeitungszeit
verkürzt werden kann.
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Die
wahre Minimalwertposition kann unter Verwendung von S0 und S1 oder
S1 und S2 anstelle von S0 und S2 abgelitten werden. Wenn S0 größer als
S2 ist, kann die wahre Minimalwertposition durch eine Extrapolation
unter Verwendung von S0 und S1 oder durch eine Interpolation unter
Verwendung von S1 und S2 abgelitten werden. Wenn S0 kleiner als
S2 ist, kann die wahre Minimalwertposition durch eine Interpolation
unter Verwendung von S0 oder S1 oder durch eine Extrapolation unter
Verwendung von S1 und S2 ermittelt werden.
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In
der vorstehend erwähnten Art und Weise kann die wahre Minimalwertposition
T, d. h. eine wahre Laufzeitdifferenz, erhalten werden. Jedes Mal, wenn
die Ultraschallimpulswelle gesendet wird, kann die Durchflussrate
des Fluids innerhalb der Leitung gemessen werden. Die Messung der
Durchflussrate kann mehrere 10-Male pro Sekunde durchgeführt werden.
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In
dem Ultraschalldurchflussmesser kann, wenn eine Durchflussrate einer
Flüssigkeit gemessen wird, die Ultraschallwelle während
des Durchgangs durch die Flüssigkeit aufgrund von Luftblasen oder
festen Teilchen, die in der Flüssigkeit enthalten sind,
verschlechtert werden. Eine Qualität des Ultraschallwellensignals,
das durch das Ultraschallschwingungselement erzeugt wird, kann dann schlecht
sein, Dies kann einen Fehler in der Messung der Durchflussrate verursachen.
Deshalb ist es wichtig, eine Qualität des Ultraschallwellensignals
zu ermitteln.
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9 ist
ein Kurvenverlauf, der ein Beispiel des Differenzergebnisses zeigt,
das aus dem Ultraschallwellensignal berechnet wird, das eine hohe Qualität
hat, und 10 ist ein Kurvenverlauf, wenn eine
Qualität des Ultraschallwellensignals verschlechtert ist. 12 ist
ein ähnlicher Kurvenverlauf, wenn das Ultraschallwellensignal
weiter verschlechtert ist. Es wird darauf hingewiesen, dass in 9, 10 und 11 eine
Durchflussgeschwindigkeit des Fluids identisch ist.
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Wie
aus diesen Kurvenverläufen ersichtlich ist, wird eine Schärfe
der Maximalwerte der Differenz vermindert und deshalb, wenn ein
Verhältnis des Maximalwertes zu dem Minimalwert einen vorgegebenen
Schwellenpegel bzw. Schwelle überschreitet, oder wenn ein
Verhältnis des Maximalwertes zu dem Minimalwert unter einen
vorgegebenen Schwellenpegel absinkt, wird es beurteilt, dass eine
Qualität des Ultraschallwellensignals zu stark verschlechtert worden
ist, um eine Durchflussgeschwindigkeit korrekt messen zu können.
In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Verhältnis
des Maximalwertes zu dem Minimalwert mit dem Schwellenwert von 2,0
verglichen, wie in dem Schritt 28, der in 5 gezeigt ist,
ausgedrückt ist, und die Messung wird als ein Fehler beendet.
In diesem Fall kann ein Alarm erzeugt werden.
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In
den Kurvenverläufen, die in 9 und 10 gezeigt
sind, ist eine Position, bei der der Minimalwert erhalten wird,
bei etwa 24, aber in dem Kurvenverlauf, der in 11 gezeigt
ist, ist die Minimalposition 166, die stark von der Minimalwertposition
von 24 abweicht. In der vorliegenden Ausführungsform, wie
in dem Schritt 27 gezeigt ist, wird die Variable Tmin mit einem
vorgegebenen Schwellenwert von 55 verglichen und, wenn Tmin größer
als 55 ist, wird die Messung als ein Fehler beendet. In dieser Art
und Weise ist es möglich, Fehlerdaten auszuschließen
und die Messung der Durchflussrate des Fluids kann genau durchgeführt
werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht nur auf die zuvor erwähnte
Ausführungsform beschränkt, sondern viele Modifikationen
und Änderungen können durch einen Fachmann innerhalb
des Bereichs der Erfindung vorgesehen werden. Zum Beispiel wird in
der vorstehenden Ausführungsform ein wahrer Minimalwert
einer Gesamtsumme der absoluten Differenzwerte zwischen den beiden
Digitaldatenserien ermittelt, aber gemäß der Erfindung
muss nicht immer diese Ermittlung durchgeführt werden,
Dann kann auf den Speicher zum Speichern der Gesamtsumme der Absolutdifferenzwerte
für jeweilige Verschiebungspositionen der Daten verzichtet
werden. Es ist jedoch erwünscht, diese Speicher vorzusehen und
ein wahrer Minimalwert wird aus einer oder mehreren tatsächlich
berechneten Gesamtsummen neben dem wahren Minimalwert ermittelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2002-162269 [0003]
- - JP 2002-243514 [0003]