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Die
Erfindung betrifft ein akustisches Durchflußmeßgerät mit einem Schallsender, einem
Schallempfänger
und einer mit dem Schallsender und dem Schallempfänger verbundenen
Steuer- und Auswerteeinheit, wobei mit dem Schallsender ein Schallsignal
emittierbar ist, das Schallsignal von dem Schallempfänger empfangbar
ist, mit der Steuer- und Auswerteeinheit die Laufzeit des Schallsignals
zwischen dem Schallsender und dem Schallempfänger ermittelbar ist und aus
der Laufzeit des Schallsignals die Fließgeschwindigkeit eines zwischen
dem Schallsender und dem Schallempfänger fließenden Mediums bestimmbar ist,
wobei die Steuer- und Auswerteeinheit so ausgestaltet ist, dass
sie ein zeitlich relativ langes, zeitabhängig moduliertes Anregungssignal (hstim(t), Hstim(ω)) für den Schallsender
erzeugen kann, so dass der Schallsender ein korrespondierendes,
zeitlich relativ langes, zeitabhängig
moduliertes Schallsignal relativ geringer Leistung generiert, und dass
ein von dem Schallempfänger
ausgegebenes, mit dem empfangenen Schallsignal korrespondierendes
Empfangssignal (hrec(t), Hrec(ω)) von der
Steuer- und Auswerteeinheit in ein zeitlich relativ kurzes Detektionssignal
(hdet(t), Hdet(ω)) relativ
hoher Leistung und/oder mit relativ hohem Signal-Rausch-Verhältnis gewandelt
werden kann. Ein derartiges Durchflußmeßgerät ist aus dem Aufsatz ”Chirp Excitation
of Ultrasonic Probes and Algorithm for Filtering Transit Times in
High-Rangebilaty Gas Flow Metering” (IEEE Transactions an Ultrasonics,
Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 40, No. 3, May 1993)
bekannt.
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Akustische
Durchflußmeßgeräte der angegebenen
Art sind seit vielen Jahren bekannt und werden beispielsweise in
der industriellen Prozeßmeßtechnik
in großem
Umfang verwendet. Der Schallsender und der Schallempfänger von
akustischen Durchflußmeßgeräten werden
in Strömungsrichtung eines
von einem Medium durchströmten
Rohres versetzt zueinander angeordnet, so daß ein von dem Schallsender
emittiertes Schallsignal eine Ausbreitungskomponente in Richtung
oder entgegengesetzt zu der Richtung des strömenden Mediums aufweist.
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Aus
der
EP 0 508 675 B1 ist
eine Ultraschall-Hochgeschwindigkeits-Durchfluss-Korrelations-Messung bei
Verwendung von kodierten Pulsen be kannt. Hierbei erzeugt eine Modulatoreinrichtung wenigstens
zwei verschiedene kodierte Pulse, die durch eine vorbestimmte Verzögerung getrennt
sind. Mittels einer Transducereinrichtung werden die zwei verschiedenen
kodierten Pulse zu einem Messobjekt übertragen. Nach dem Empfangen
des von dem Messobjekt zurückgegebenen
Echosignals dekodiert eine Dekodiereinrichtung das zurückgegebene
Echosignal zur Erzeugung von wenigstens zwei dekodierten Signalen,
die durch die vorbestimmte Verzögerung
getrennt sind. Durch Kreuzkorrelation dieser dekodierten Signale
wird ein Geschwindigkeitsprofil des Messobjekts erhalten.
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Aus
der
US 6,730,029 B1 ist
ein Ultraschalltransceiver bekannt, der eine Pulskompression und gechirpte
Sendesignale verwendet. Ein sich in der Mitte verjüngender
Quarzstab dient hierbei als Ultraschallwellenleiter, um die lange
andauernden Sende- und Empfangssignale zeitlich zu separieren.
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Bei
akustischen Durchflußmessern
wird meist der Effekt ausgenutzt, daß der Ausbreitungsgeschwindigkeit
des Schallsignals in dem Medium die Transportgeschwindigkeit des
Mediums gegenüber dem
Rohr überlagert
ist, die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schallsignals gegenüber dem
Rohr also größer ist,
wenn das Medium in Richtung des Schallsignals transportiert wird,
und die Geschwindigkeit des Schallsignals gegenüber dem Rohr geringer ist als
im ruhenden Medium, wenn das Medium entgegengesetzt zu der Emissionsrichtung
des Schallsignals transportiert wird. Die Laufzeit des Schallsignals zwischen
dem Schallsender und dem Schallempfänger hängt aufgrund des Mitführeffekts
von der Transportgeschwindigkeit des Mediums gegenüber dem Rohr
und damit gegenüber
dem Schallsender und dem Schallempfänger ab. Bei anderen akustischen Durchflußmessern
wird der Doppler-Effekt ausgenutzt, insbesondere nämlich dann,
wenn das transportierte Medium schallstreuende Teilchen aufweist. Nachfolgend
werden ausschließlich
solche aku stischen Durchflußmesser
betrachtet, die auf dem Laufzeitverfahren basieren: nichts desto
trotz ist die hier dargestellte Erfindung auch auf akustische Durchflußmesser
anwendbar, die auf dem Doppler-Effekt beruhen.
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Der
Schallsender und der Schallempfänger akustischer
Durchflußmeßgeräte werden
entweder in ein speziell eingerichtetes Rohr eingebaut oder aber auf
ein ins Prozeß bereits
vorhandenes Rohr aufgesetzt und zueinander positioniert. Akustische
Durchflußmeßgeräte werden
für einen
großen
Bereich von Rohrdurchmessern eingesetzt, angefangen bei Rohren von
etwa 1 cm Durchmesser bis zu Rohren mit einigen Metern Durchmesser.
Das von denn Schallsender emittierte Schallsignal wird in seiner
Intensität während der
Fortpflanzung durch das Medium vergleichsweise stark gedämpft, so
daß insbesondere bei
großen
Rohrdurchmessern empfangsseitig ein für die Auswertung des Schallsignals
schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis
resultiert.
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Bei
akustischen Durchflußmessern,
die auf dem Laufzeitprinzip beruhen, wird gewöhnlich eine um so bessere Laufzeitauflösung erreicht,
je kürzer das
von dem Schallsender emittierte Schallsignal ist. Um das Signal-Rausch-Verhältnis zu
erhöhen,
wird üblicherweise
die Leistung des emittierten Schallsignals erhöht, was jedoch schnell dazu
führt,
daß ganz erhebliche
Sendeenergien – bei
der Abstrahlung kurzer Sendeimpulses damit auch verbundene erhebliche
Sendeleistungen – aufgebracht
werden müssen. Die
hier in sehr kurzer Zeit – z.
B. innerhalb weniger Mikrosekunden – aufzubringenden Sendeenergien können in
vielerlei Hinsicht problematisch sein. Zum einen sind die schaltungstechnischen
Aufwände
zur Handhabung großer
Leistungen sehr groß und
es müssen
kostspielige Leistungshalbleiter mit extremen Schaltzeiten und Spannungsfestigkeiten
eingesetzt werden. Zum anderen kann es auch überhaupt nicht erwünscht sein,
mit derartig großen
Leistungen im Bereich des Prozesses zu arbeiten, beispielsweise
dann, wenn die zu beobachtenden strömenden Medien entzündlich sind,
allgemein also bei Ex-Anwendungen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein akustisches Durchflußmeßgerät, insbesondere
ein akustisches Durchflußmeßgerät, das auf
der Laufzeitmessung beruht, anzugeben, das die aus dem Stand der
Technik bekannten Nachteile – zumindest
teilweise – vermeidet,
insbesondere ein gutes Signal- Rausch-Verhältnis realisiert,
ohne daß die
aus dem Stand der Technik bekannten hohen Leistungen von dem Schallsender
aufgebracht werden müssen.
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Das
erfindungsgemäße akustische
Durchflußmeßgerät, bei dem
die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist,
ist zunächst
und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und
Auswerteeinheit ein Filter realisiert, das verschiedene Frequenzanteile
des Empfangssignals (hrec(t), Hrec(ω)) mit frequenzabhängigen Laufzeitverzögerungen überträgt und die
verschiedenen Frequenzanteile miteinander verknüpft, wobei die Laufzeitverzögerungen
so gewählt
sind, dass das zeitlich relativ kurze Detektionssignal (hdet(t), Hdet(ω)) eine maximale
Leistung dann aufweist, wenn der Schallsender mit dem zeitlich relativ
langen, zeitabhängig modulierten
Anregungssignal (hstim(t), Hstim(ω)) beaufschlagt
ist.
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Dadurch,
daß mit
der Steuer- und Auswerteeinheit ein zeitlich relativ langes Anregungssignal hstim(t) relativ geringer Leistung generiert
wird, wird durch den Schallsender auch ein damit korrespondierendes,
zeitlich relativ langes Schallsignal mit relativ geringer Leistung
generiert. Dieses zeitlich relativ langerstreckte Schallsignal mit
relativ geringer Leistung kann aufgrund seiner relativ großen zeitlichen
Dauer insgesamt einen relativ großen Energieinhalt haben. Dadurch,
daß es
mit der Steuer- und Auswerteeinheit möglich ist, das empfangene – zeitlich
relativ langerstreckte, eine relativ geringe Leistung aufweisende – Schallsignal
in ein zeitlich relativ kurzes Detektionssignal zu wandeln, kann
das Detektionssignal, begründet
durch seine relativ kurze Dauer, eine deutlich größere Leistung
und/oder ein relativ hohes Signal-Rausch-Verhältnis
aufweisen als das von dem Schallsender emittierte Schallsignal. Das
empfangene Schallsignal wird also gleichsam komprimiert, wodurch
eine höhere
Energiedichte und damit ein erheblich besseres Signal-Rausch-Verhältnis erzielt
werden.
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Wenn
davon die Rede ist, daß das
Anregungssignal bzw. das damit korrespondierende Schallsignal zeitlich
relativ lang ist und eine relativ geringe Leistung aufweist, dann
ist dies relativ zu dem von der Steuer- und Auswerteeinheit erzeugten Detektionssignal
zu verstehen. Umgekehrt ist das von der Steu er- und Auswerteeinheit
erzeugte, zeitlich relativ kurze, eine relativ hohe Leistung und/oder ein
relativ hohes Signal-Rausch-Verhältnis
aufweisende Detektionssignal nur hinsichtlich des empfangenen Schallsignals
relativ kurz und relativ leistungsstark; insoweit sind die Quantifizierungen ”relativ lang”, ”relativ
geringe Leistung”, ”relativ
kurz” und ”relativ
hohe Leistung” wohldefiniert.
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Dadurch,
daß das
Anregungssignal bzw. das dadurch verursachte Schallsignal zeitabhängig moduliert
ist, ist grundsätzlich
eine eindeutige Orientierung innerhalb des Anregungssignals bzw.
innerhalb des Schallsignals möglich.
Dieser zusätzliche
Informationsgehalt gestattet es der Steuer- und Auswerteeinheit
später
das Empfangssignal in geeigneter Weise zu einem relativ kurzen,
relativ leistungsstarken und/oder ein relativ hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisenden
Detektionssignal zu komprimieren.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen akustischen
Durchflußmeßgeräts zeichnet
sich dadurch aus, daß das
Anregungssignal und damit das relativ lange, zeitabhängig modulierte Schallsignal
frequenzmoduliert ist, insbesondere zeitlich linear oder zeitlich
sprungförmig
frequenzmoduliert ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die
zeitabhängige
Modulation folglich in einer Frequenzmodulation. Anhand der zusätzlichen
Frequenzinformation in dem Anregungssignal – und damit in dem Schallsignal – ist es
der Steuer- und Auswerteeinheit möglich, die unterschiedlichen
Frequenzanteile des modulierten Schallsignals zeitlich übereinanderzulegen,
was in einem zeitlich relativ kurzen, relativ leistungsstarken und/oder
ein relativ hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisenden Detektionssignal
resultiert.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung des akustischen Durchflußmeßgeräts realisiert
die Steuer- und Auswerteeinheit zur Erzeugung des Detektionssignals
hdet(t) aus dem Empfangssignal hrec(t) ein Filter Hcomp(ω), das gegeben
ist aus dem Quotienten aus einem gewünschten, zeitlich relativ kurzen
Detektionssignal h'det(t) – im
Frequenzbereich H'det(ω) – und dem
Anregungssignal hstim(t), Hstim(ω) zur Erzeugung
eines zeitlich relativ langen, zeitabhängig modulierten Schallsignals.
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Bei
dem gewünschten,
zeitlich relativ kurzen Detektionssignal kann es sich beispielsweise
um einen einfachen Sinuspuls handeln, also um ein Sinussignal, das
sich beispielsweise über
eine Periode erstreckt. Um eine ausreichende zeitliche Auflösung für die Laufzeitmessung
zu erhalten, sollte es sich um einen kurzen Sinuspuls handeln, mit
beispielsweise einer Dauer von 1 μs,
also mit einer Frequenz von 1 MHz.
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Als
Anregungssignal hstim(t), Hstim(ω) für ein verhältnismäßig einfach
zu erzeugendes, zeitlich relativ langes, zeitabhängig moduliertes Schallsignal kann
z. B. ein linear frequenzmoduliertes Chirp-Signal gewählt werden,
das einige – z.
B. 100 – Schwingungsperioden
aufweist und einen gewissen Frequenzbereich – z. B. von 800 kHz bis 1,2
MHz – überstreicht
und damit eine geringe Signaldauer – im vorliegenden Beispiel
von 100 μs – aufweist.
Das nach dem oben angegebenen Bildegesetz entworfene Filter Hcomp(ω)
erzeugt naturgemäß aus dem
zuvor beschriebenen Chirp-Signal einen Sinuspuls mit nur einem Hunderstel
der zeitlichen Ausdehnung des Chirp-Signals und einem entsprechend
besseren Signal-Rausch-Verhältnis.
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Dabei
ist jedoch insgesamt zu beachten, daß ein von der Steuer- und Auswerteeinheit
generiertes Anregungssignal zur Anregung des Schallsenders nicht
unverändert
den Schallempfänger
erreicht, sondern vielmehr durch die Übertragungscharakteristik der
gesamten Strecke – bestehend
aus den elektrischen Signalleitungen der Steuer- und Auswerteeinheit
zu dem Schallsender, der Übertragungscharakteristik
des Schallsenders selbst, der Übertragungscharakteristik
des Rohres mit dem transportierten Medium für das Schallsignal und der Übertragungscharakteristik
des Schallempfängers
für das
empfangene Schallsignal – beeinflußt wird.
Diese gesamte Übertragungscharakteristik
der Strecke kann in einer Systemübertragungsfunktion
Hsys(ω)
zusammengefaßt
werden.
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Beispielsweise
könnte
das Empfangssignal über
die gesamte Empfangssignaldauer hinweg zwei unterschiedliche Frequenzen
aufweisen. Der zuerst empfangene Empfangssignalanteil wird auf die
erste Frequenz gefiltert und mit einer Verzögerung, die der halben Empfangssignallaufzeit
entspricht, verzögert weitergeleitet.
Der zweite Teil des Empfangssignals, der eine zweite Frequenz aufweist,
wird dann ohne Zeitverzögerung
weitergeleitet, und beide Empfang signalanteile werden schließlich addiert.
Es ist ohne weiteres verständlich,
daß beide
Empfangssignalanteile den Addierer zeitgleich erreichen und dort
zusammenfallen. Es resultiert ein Detektionssignal mit einer höheren Leistung
als der des Empfangssignals – bzw.
mit einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis als
der des Empfangssignals – und
halber zeitlicher Erstreckung des Empfangssignals.
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Gemäß einer
alternativen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen akustischen Durchflußmeßgeräts wird
anstelle eines frequenzmodulierten Anregungssignals ein Anregungssignal hstim(t) ein phasenmoduliertes Signal verwendet,
das insbesondere durch Puls-Phasenmodulation kodiert ist. Die zusätzliche,
durch die Modulation gegebene Information innerhalb des Anregungssignals
bzw. des Schallsignals liegt hier nicht in einer veränderlichen
Frequenz, sondern in einer veränderlichen
Phasenlage, besonders gut erkennbar insbesondere in einem Phasensprung.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels
besteht das relativ lange, zeitabhängig modulierte Anregungssignal hstim(t) bzw. das relativ lange, zeitabhängig modulierte Schallsignal
aus wenigstens zwei Signalabschnitten mit wenigstens einem Phasensprung;
eine Phasendetektion bzw. eine Detektion einer Phasenänderung ist
hier vergleichsweise einfach und sicher realisierbar. Bevorzugt
wird für
alle Signalabschnitte ein Signal mit gleicher Signalform und gleicher
Signalfrequenz verwendet. Der Phasensprung ist bevorzugt als 180°-Phasensprung
umgesetzt, was zusätzlich die
Erkennbarkeit steigert.
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Bei
Verwendung einer digitalen Signalfolge als Anregungssignal hstim(t) bzw. daraus resultierend als Schallsignal
bietet es sich an, daß die
Steuer- und Auswerteeinheit so eingerichtet ist, daß sie ein
Matched-Filter bezüglich
des Anregungssignals hstim(t) darstellt.
Ein solches Matched-Filter realisiert – ganz ähnlich wie zuvor für die frequenzmodulierten
Signale beschrieben – eine
empfangsseitige Auswertung auch einiger zurückliegender empfangener Signale, was
der Verwendung von Totzeitgliedern entspricht, wobei eine maximale
Amplitude des Detektionssignals nur dann erreicht wird, wenn die
erfaßte
Signalfolge des Empfangssignals gleich der von dem Matched-Filter
realisierten Signal- bzw. Vorzeichenfolge ist. Bevorzugt sind das
Matched-Filter und das zugehörige
Anregungssignal nach Vorbild eines Barker-Codes realisiert.
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Im
einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße akustische
Durchflußmeßgerät zu gestalten
und weiterzubilden. So wird verwiesen auf die dem Patentanspruch
1 nachgeordneten Patentansprüche
und auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung
mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines akustischen Durchflußmeßgeräts bekannter
Bauart,
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2 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen akustischen Durchflußmeßgeräts,
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3a,
b die Zeitverläufe
eines im Stand der Technik üblichen
Anregungssignals hstim.p(t) und eines zeitlich
relativ langen, zeitabhängig
modulierten Anregungssignals hstim(t), das
als Chirp-Signal realisiert ist.
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4a,
b die Amplitudenspektren des Anregungspulses gemäß 3a und
des Chirp-Signals gemäß 3b (4a)
und das Amplituden spektrum eines sich daraus ergebenden Filters
Hcomp(ω) (4b)
und
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5a,
b das resultierende Empfangssignal hrec(t)
bei Anregung des Systems mit einem einzigen Sinuspuls gemäß 3a (5a)
und das resultierende Detektionssignal hdet(t)
bei Anregung des Systems mit einem relativ langen Anregungssignal – hier mit
dem Chirp-Signal gemäß 3b – und anschließender Filterung
des Empfangssignals mit Hcomp(ω).
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In 1 ist
dargestellt ein einsatzbereites akustisches Durchflußmeßgerät mit einem
Schallsender 1 und einem Schallempfänger 2, wobei der Schallsender 1 und
der Schallsender 2 einander zugewandt auf ein Rohr 3 montiert
sind. Schallsender 1 und Schallempfänger 2 sind mit einer
Steuer- und Auswerteeinheit 4 verbunden, wobei mit dem
Schallsender 1 ein Schallsignal 5 emittierbar
ist, das Schallsignal 5 von denn Schallempfänger 2 empfangbar
ist und mit der Steuer- und Auswerteeinheit 4 letztendlich
die Laufzeit des Schallsignals 5 zwischen dem Schallsender 1 und
dem Schallempfänger 2 bestimmbar
ist. Aus der Laufzeit des Schallsignals 5 ist letztlich
die Fließgeschwindigkeit
v des zwischen dem Schallsender 1 und dem Schallempfänger 2 fließenden,
näher nicht
dargestellten Mediums bestimmbar.
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Es
ist ferner zu erkennen, daß die
Steuer- und Auswerteeinheit 4 ganz allgemein ein Anregungssignal
hstim.p(t) – generiert, mit dem die Strecke Hsys(ω)
beaufschlagt wird, wobei die Strecke aus der Zuleitung zum Schallsender 1,
aus der wegführenden
Leitung vom Schallempfänger 2,
aus nur angedeuteten Leistungstreibern, dem Rohr 3 und
der Schallübertragungsstrecke
innerhalb des Rohres 3 besteht.
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Um
eine gute zeitliche Auflösung
bei der Laufzeitmessung zu erzielen, ist es grundsätzlich vorteilhaft,
ein möglichst
zeitlich kurzes Anregungssignal bereitzustellen, beispielsweise
in Form eines Sinus- oder Rechtecksignals. In 3a ist
ein solches Anregungssignal hstim(t) in
Form eines Sinuspulses dargestellt, wobei der Sinuspuls eine vollständige Sinusschwingung
mit der Periode von 1 μs
umfaßt.
Als Empfangssignal hrec(t) liegt am Ausgang
der Strecke mit der Übertragungsfunktion
Hsys(ω)
dann beispielsweise das in 5a dar gestellte
Signal vor, was sich aus der Faltung der nicht näher dargestellten Systemfunktion
hsys(t) mit dem Anregungssignal hsys(t) ergibt; im Frequenzbereich entspricht
dies der Multiplikation der entsprechenden Signal- bzw. Übertragungsfunktionen
Hstim.p(ω)
und Hsys(ω).
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Wie
eingangs erläutert
worden ist, besteht ein Problem oftmals darin, daß insbesondere
bei großen
Nennweiten des Rohres 3 – die Dämpfung des Anregungssignals
hstim.p(t) und des daraus sich ergehenden
Schallsignals 5 so erheblich ist, daß große Leistungen aufgebracht werden
müssen,
um ein gut detektierbares Empfangssignal hrec(t)
zu erhalten, was aus schaltungstechnischen und aus sicherheitstechnischen
Gründen
häufig
problematisch ist.
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Die
Steuer- und Auswerteeinheit 4 des in 2 dargestellten
akustischen Durchflußmeßgeräts ist so
ausgestaltet, daß sie
ein zeitlich relativ langes, zeitabhängig moduliertes Anregungssignal hstim(t) bzw. Hstim(ω) für den Schallsender 1 erzeugen kann,
so daß der
Schallsender 1 ein korrespondierendes, zeitlich relativ
langes, zeitabhängig
moduliertes Schallsignal 5 relativ geringer Leistung generiert, so
wie es beispielsweise in 3b dargestellt
ist. Die Steuer- und Auswerteeinheit 4 ist ferner so ausgestaltet,
daß ein
von dem Schallempfänger 2 ausgegebenes,
mit dem empfangenen Schallsignal 5 korrespondierendes Empfangssignal
hrec(t) bzw. Hrec(ω) in ein
zeitlich relativ kurzes Detektionssignal hdet(t)
bzw. Hdet(ω) relativ hoher Leistung gewandelt
werden kann. Durch die in 2 dargestellte
und angedeutete Ausgestaltung der Steuer- und Auswerteeinheit 4 ist
es möglich,
ein vergleichsweise einfach zu erzeugendes, zeitlich relativ langes
Anregungssignal hstim(t) zu erzeugen und
aus dem dann naturgemäß ebenfalls
zeitlich relativ langen, zeitabhängig
modulierten Schallsignal 5 bzw. aus dem ebenfalls zeitlich relativ
langen, zeitabhängig
modulierten Empfangssignal hrec(t) ein zeitlich
relativ kurzes Detektionssignal hdet(t)
zu erzeugen.
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Bei
dem in den 2 bis 5 insgesamt
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Anregungssignal hstim(t) und damit
das relativ lange, zeitabhängig
modulierte Schallsignal 5 frequenzmoduliert, im vorliegenden
Fall nämlich
zeitlich linear frequenzmoduliert, bildet also ein Chirp-Signal,
wie es in 3b dargestellt ist. Das dort
dargestellte Chirp-Signal hstim(t) hat eine
zeitliche Erstreckung von 100 μs
und durchläuft einen
Frequenzbereich von 80 kHz bis 1.2 MHz, die mittlere Periodendauer
beträgt
demzufolge 1 μs.
Der Energiegehalt des in 3b dargestellten
Chirp-Signals ist erheblich höher
als der Energiegehalt des in 3a dargestellten
Sinus-Impulses hstim.p(t), nämlich um
den Faktor 100 höher.
Die Frequenzmodulation innerhalb des Anregungssignals hstim(t)
ermöglicht
eine zeitliche Orientierung innerhalb des Signals, was von der Steuer-
und Auswerteeinheit 4 ausgenutzt wird, um verschiedene
Anteile des Anregungssignals hstim(t) bzw.
des Schallsignals 5 bzw. des korrespondierenden Empfangssignals
hrec(t) zu erkennen und zeitlich zu überlagern,
woraus sich ein kürzeres
Signal höherer
Leistung bzw. mit größerem Signal-Rausch-Verhältnis ergibt.
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Bei
dem in 2 dargestellten akustischen Durchflußmeßgerät realisiert
die Steuer- und Auswerteeinheit 4 zur Erzeugung des Detektionssignals hdet(t) aus dem Empfangssignal hrec(t)
ein Filter Hcomp(ω), das gebildet ist aus dem
Quotienten aus einem gewünschten,
zeitlich relativ kurzen Detektionssignal h'det(t) relativ
hoher Leistung und dem Anregungssignal hstim(t)
zur Erzeugung eines zeitlich relativ langen, zeitabhängig modulierten
Schallsignals 5. Es gilt also: Hcomp(ω)
= H'det(ω)/Hstim(ω). (1)
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Bei
einem so gewählten
Filter ergibt sich für das
tatsächlich
erhaltene Detektionssignal hdet(t) bzw. Hdet(ω): Hdet(ω) = Hsys(ω)·Hcomp(ω)·Hstim(ω). (2)
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Wenn
für das
gewünschte
Detektionssignal H'det(ω)
beispielsweise der in 3a dargestellte kurze Sinus-Impuls
gewählt
wird, also h'det(t) = hstim.p(t), dann
resultiert als tatsächliches
Detektionssignal schließlich: Hdet(ω) = Hsys(ω)·Hstim.p(ω). (3)
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Als
Ergebnis wird also das in 5b dargestellte
Detektionssignal erhalten, allerdings erzielt mit einem zeitlich
relativ langen, zeitabhängig
modulierten Anregungssignal hstim(t). Die
das Filter ausmachende Übertragungsfunktion
Hcomp(ω)
bzw. deren Amplitudenspektrum ist in 4b dargestellt.