DE102008043956A1

DE102008043956A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines fluiden Mediums

Info

Publication number: DE102008043956A1
Application number: DE200810043956
Authority: DE
Inventors: Roland Mueller; Gerhard Hueftle; Michael Horstbrink; Tobias Lang; Sami Radwan; Bernd Kuenzl; Roland Wanja
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2010-05-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines fluiden Mediums (116). Dabei wird eine Mehrzahl von Ultraschall-Laufzeitmessungen in dem fluiden Medium (116) in einem zeitlichen Abstand tSP durchgeführt, wobei jeweils mindestens ein Ultraschallsignal (122, 124, 132, 136, 142, 150) mit einer Geschwindigkeitskomponente entgegen einer Strömungsrichtung des fluiden Mediums (116) und/oder mindestens ein Ultraschallsignal (122, 124) mirt einer Geschwindigkeitskomponente in der Strömungsrichtung des fluiden Mediums (116) übermittelt wird. Der zeitliche Abstand tSP wird variabel gewählt, insbesondere automatisch, um ein Störeinfluss von Echosignalen (128, 130, 146) zu verringern.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines fluiden Mediums. Derartige Vorrichtungen und Verfahren werden beispielsweise im Rahmen von Ultraschall-Durchflussmessern im Automobilbereich eingesetzt, um insbesondere im Ansaugtrakt von Verbrennungsmotoren eine Strömungsrate, eine Geschwindigkeit oder eine Volumenstrom- oder Massenstrommessung durchzuführen. Als fluide Medien kommen insbesondere Gase in Betracht, wobei jedoch grundsätzlich auch Messungen in Flüssigkeiten möglich sind.
Bei derartigen Vorrichtungen und Verfahren werden typischerweise Ultraschallwandler eingesetzt, welche sowohl Ultraschallwellen in das fluide Medium emittieren können als auch Ultraschallwellen empfangen können. Dabei wird die Laufzeit von Ultraschallwellen, welche übermittelt werden, durch die Strömung des fluiden Mediums beeinflusst. Aus dem Grad der Beeinflussung der Laufzeit lässt sich auf die Strömungsgeschwindigkeit bzw. auf eine andere der oben genannten Größen schließen. Im Folgenden wird dabei zwischen den genannten Messgrößen der Strömungsgeschwindigkeit, der Volumenstrommessung, der Massenstrommessung oder ähnlicher Messgrößen, welche die Strömung des fluiden Mediums charakterisieren, nicht unterschieden, da sich diese Messgrößen im Wesentlichen ineinander umrechnen lassen.
Bekannt sind Strömungsmesser, welche Ultraschall in beide Richtungen, also mit einer Geschwindigkeitskomponente entgegen der Strömung des fluiden Mediums und mit einer Geschwindigkeitskomponente in Strömungsrichtung des fluiden Mediums, übertragen, beispielsweise zwischen zwei Ultraschallwandlern. Mit Hilfe der Signallaufzeiten wird dann die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt. Dabei wird der jeweils nächste Sendeimpuls entweder nach einer fest vorgegebenen Zeit ausgesendet, das heißt mit einer festen Messwiederholfrequenz, oder der Messvorgang wird vom Empfang des vorangehenden Ultraschallsignals ausgelöst.
Für die Messung dynamischer Strömungsverläufe, wie sie beispielsweise im Ansaugtrakt von Verbrennungsmotoren auftreten, wird eine möglichst hohe Messwiederholfrequenz angestrebt, um die Strömungsänderungen genau und mit minimaler Zeitverzögerung aufzulösen. Allerdings muss beachtet werden, dass die Ultraschallsignale beim Auftreffen auf den Empfänger in der Regel nicht vollständig umgewandelt werden, sondern speziell bei gasförmigen Strömungsmedien größtenteils reflektiert werden. Daraus resultieren Echosignale, welche so lange zwischen den Ultraschallwandlern laufen, bis die Amplitude dieser Echosignale beispielsweise durch Dämpfung im Strömungsmedium, durch Streuung oder durch Strahlverwehung auf ein nicht mehr zu detektierendes Maß abnimmt. Eine Überlagerung von Echosignalen und Nutzsignalen verursacht jedoch Messfehler, weil sich diese beiden Signalanteile aufgrund ihrer identischen Signalfrequenz in der Regel nicht nachträglich voneinander trennen lassen. Wünschenswert wäre daher ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche Messfehler und Ungenauigkeiten, die durch die Überlagerung von Echosignalen und Nutzsignalen verursacht werden, zumindest stark verringern oder vollständig zu vermeiden. Insbesondere sollte störender Einfluss von Echosignalen minimiert werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines fluiden Mediums vorgeschlagen, welches Echosignal-bedingte Messfehler zumindest weitgehend minimiert, sowie eine Vorrichtung, welche eingerichtet ist, um das Verfahren in einer oder mehreren der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. Bei dem Verfahren wird eine Mehrzahl von Ultraschall-Laufzeitmessungen in dem fluiden Medium in zeitlichen Abständen t_SP durchgeführt. Bei jeder dieser Ultraschall-Laufzeitmessungen wird jeweils ein Ultraschallsignal mit einer Geschwindigkeitskomponente entgegen einer Strömungsrichtung des fluiden Mediums und/oder, beispielsweise abwechselnd zu dem Ultraschallsignale entgegen der Strömungsrichtung, ein Ultraschallsignal mit einer Geschwindigkeitskomponente in Strömungsrichtung des fluiden Mediums übermittelt. Wie oben dargestellt, kann das Verfahren beispielsweise derart durchgeführt werden, dass abwechselnd die Laufzeiten dieser Ultraschallsignale bestimmt werden und aus der Differenz der jeweils zuletzt gemessenen zwei Laufzeiten auf die Strömungsgeschwindigkeit des fluiden Mediums geschlossen wird. Unter der Voraussetzung, dass diese Strömungsgeschwindigkeit klein ist gegenüber der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallsignale im fluiden Medium ist die Strömungsgeschwindigkeit zumindest näherungsweise proportional zur Laufzeitdifferenz. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Verfahren einsetzbar.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den zeitlichen Abstand t_SP zwischen den Ultraschall-Laufzeitmessungen nicht fest sondern variabel zu wählen, insbesondere automatisch, um einen Störeinfluss von Echosignalen zu verringern. Unter einer variablen Wahl kann dabei eine geeignete, insbesondere automatische, Anpassung der Messwiederholfrequenz bzw. der zeitlichen Abstände t_SP zwischen aufeinander folgenden Ultraschall-Laufzeitmessungen verstanden werden, wodurch die resultierende Messgenauigkeit je nach den Umgebungsbedingungen optimiert werden.
So kann beispielsweise eine störende Überlagerung zwischen den Echosignalen und den Ultraschallsignalen zumindest weitgehend vermieden werden, wobei unter zumindest weitgehend” eine Überlagerung zu verstehen ist, bei welcher die Echosignale eine Abweichung um nicht mehr als eine vorgegebene Messtoleranz vom tatsächlichen Wert bedingen, beispielsweise um mehr als 2%. Alternativ oder zusätzlich zu einer zumindest weitgehenden Vermeidung einer Überlagerung kann, beispielsweise wenn eine Überlagerung unvermeidlich ist, die Wahl der zeitlichen Abstände derart angepasst werden, dass die Abweichungen infolge der Überlagerungen zumindest im Mittel minimiert werden können. Auf diese Weise kann eine Anpassung der Messung der Strömungsgeschwindigkeit an die jeweiligen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise die Temperatur, die tatsächliche Echo-Laufzeit, die Ultraschall-Geschwindigkeit im fluiden Medium, die Geschwindigkeit des fluiden Mediums, die Änderungsrate der Geschwindigkeit des fluiden Mediums, das heißt die Strömungsdynamik, oder an eine Kombination der genannten Umgebungsgrößen und/oder anderer Größen erfolgen.
Das Verfahren kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass eine Summenlaufzeit Σt aus einer Laufzeit t₁ des ersten Ultraschallsignals und einer Laufzeit t₂ des zweiten Ultraschallsignals gebildet wird, wobei die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP in Abhängigkeit von der Summenlaufzeit Σt erfolgt. Beispielsweise kann eine derartige Abhängigkeit zwischen dem zu wählenden zeitlichen Abstand t_SP zwischen den Ultraschallmessungen und der Summenlaufzeit Σt fest vorgegeben werden, beispielsweise in Form einer Wertetabelle, in Form von Funktionskurven, in Form von analytischen Relationen oder auf ähnliche, dem Fachmann bekannte Weise. Dabei kann ein stetiger Zusammenhang zwischen dem zu wählenden zeitlichen Abstand t_SP und der Summenlaufzeit Σt bestehen oder auch ein unstetiger Zusammenhang, beispielsweise eine bereichsweise Änderung.
Die Summenlaufzeit Σt entspricht im Wesentlichen der Laufzeit der Echosignale, da ein Echosignal von einem Ultraschallwandler ausgehend eine Messstrecke einmal in einer Richtung und ein anderes Mal in der Gegenrichtung zurücklegt. Insofern kann die Wahl des zeitlichen Abstands insbesondere derart erfolgen, dass, wie oben dargestellt, im Wesentlichen keine Überlagerung der Ultraschallsignale mit Echosignalen erfolgt. Auch hierfür kann die Kenntnis über die Summenlaufzeit Σt eingesetzt werden.
So kann der zeitliche Abstand t_SP beispielsweise derart gewählt werden, dass die Ultraschallsignale zu Zeiten empfangen werden, in welchen im Wesentlichen keine Echosignale empfangen werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der zeitliche Abstand t_SP nach der folgenden Relation gewählt wird: tSP = (n – 0,5 + k)·Σt (I).
Dabei ist n eine ganze Zahl, und k eine Zahl zwischen 0 und 1, also 0 < k < 1. Besonders bevorzugt ist es, wenn k zumindest näherungsweise bei 0,5 gewählt wird, da in diesem Fall die störenden Echosignale beispielsweise zumindest näherungsweise äquidistant von den eigentlichen Ultraschallsignalen empfangen werden.
Dieses Verfahren lässt sich jedoch allgemein noch erweitern, um auch die zeitliche Dauer der Ultraschallsignale zu berücksichtigen und eine Überlappung der Signale aufgrund dieser zeitlichen Dauer zumindest weitgehend zu vermeiden. So können die Ultraschallsignale eine zeitliche Dauer t_burst aufweisen, wobei der zeitliche Abstand t_SP nach der folgenden Relation gewählt wird: tSP = [(n – 0,5 + k)·Σt] + c·tburst (II).
Dabei ist n wiederum eine ganze Zahl und k eine Zahl mit 0 < k < 1, welche wiederum, aus den oben genannten Gründen vorzugsweise zumindest näherungsweise bei k = 0,5 gewählt wird. c ist dabei ebenfalls eine Zahl, welche ebenfalls vorzugsweise zu mindest näherungsweise bei 0,5 gewählt wird. Dabei soll k und c derart gewählt werden, dass insgesamt für den zeitlichen Abstand die folgende Relation gilt: tSP ≤ [(m + 0,5)·Σt] – tUS-Auswertung (III).
Dabei ist m eine ganze Zahl, welche vorzugsweise gleich n gewählt wird. Die Messdauer t_{US-Auswertung} ist ein Zeitraum während des jeweiligen Ultraschallsignals (Bursts), insbesondere ab Beginn des jeweiligen Ultraschallsignals, in dem das Ultraschallsignal ausgewertet wird. Dabei soll gelten 0 < t_{US-Auswertung} ≤ t_burst. Auf diese Weise lässt sich eine Überlappung der Wellenpakete der Echosignale und des ausgewerteten Teils der Ultraschallsignale zumindest weitgehend vermeiden oder zumindest minimieren.
Wie oben dargestellt, kann die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP der Ultraschallmessungen vorzugsweise, alternativ oder zusätzlich, auch in Abhängigkeit von einer oder mehreren der Umgebungsgrößen, welche die Randbedingungen der Messung in einem System charakterisieren, gewählt werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit und/oder einer zeitlichen Änderung der Strömungsgeschwindigkeit, welche auch als Strömungsdynamik bezeichnet werden kann, erfolgt. So kann beispielsweise die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP derart erfolgen, dass bei einer höheren Strömungsgeschwindigkeit und/oder höherer Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit ein geringerer zeitlicher Abstand t_SP gewählt wird als bei einer niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit und/oder niedrigeren Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit. Diese Weiterbildung der Erfindung, welche auch mit den oben beschriebenen optionalen Ausgestaltungen kombiniert werden kann, berücksichtigt insbesondere die Tatsache, dass bei einer höheren Strömungsdynamik, welche typischerweise bei steigender Drehzahl des Motors gegeben ist, eine gleichermaßen steigende Messwiederholfrequenz benötigt wird. Gleichzeitig steigt jedoch auch die zu messende Strömungsrate in der Regel dabei an. Die zur Motorsteuerung geforderte Messgenauigkeit wird typischerweise relativ zum aktuellen Messwert definiert, zum Beispiel mit einer zulässigen Abweichung von weniger als einem vorgegebenen Prozentsatz des gemessenen Wertes, beispielsweise mit einer zulässigen Abweichung von ±2% des gemessenen Wertes. Dadurch ergibt sich, dass die zulässigen Messfehler bei hoher Strömungsrate zunehmen und damit eine stärkere Verfälschung der Messung durch Überlagerung der Ultraschallsignale mit Echosignalen akzeptabel ist. Bei einer Anpassung der zeitlichen Abstände t_SP an die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Strömungsdynamik lassen sich also, wahlweise auch bei bewusster Akzeptanz von Überlagerungen mit Echosignalen, die Gesamtgenauigkeiten der Messungen erhöhen.
Die Strömungsgeschwindigkeit und die Strömungsdynamik, das heißt die Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit, lassen sich auf herkömmliche Weisen ermitteln. So lässt sich beispielsweise die Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit über eine vorgegebene oder variable Anzahl zurückliegender Messzyklen berechnen. Der Zusammenhang zwischen dem zu wählenden zeitlichen Abstand t_SP und der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit kann wiederum beispielsweise, wie oben dargelegt, vorgegeben sein, beispielsweise in Form von elektronischen Tabellen, Relationen, Kurven oder Funktionen. Wiederum kann die Anpassung stetig oder auch unstetig, beispielsweise schrittweise, erfolgen.
Das Verfahren kann weiterhin auch dadurch optimiert werden, dass wiederum eine Summenlaufzeit Σt aus einer Laufzeit t₁ des ersten Ultraschallsignals und einer Laufzeit t₂ des zweiten Ultraschallsignals gebildet wird. Wie oben dargestellt, charakterisiert diese Summenlaufzeit Σt im Wesentlichen die Laufzeit der Echos. Weiterhin können die Ultraschallsignale, wie oben dargestellt, eine zeitliche Dauer t_burst aufweisen. Das Verfahren kann derart ausgestaltet sein, dass die Summenlaufzeit Σt mit der zeitlichen Dauer t_burst der Ultraschallsignale verglichen wird, wobei die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs erfolgt. Auf diese Weise können beispielsweise, durch Vergleich der Summenlaufzeit Σt mit der zeitlichen Dauer t_burst der Ultraschallsignale, für den jeweiligen Betriebszustand optimierte Messwiederholfrequenzen bzw. zeitliche Dauern t_SP gewählt werden.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein absoluter Vergleich von Σt mit t_burst erfolgt, beispielsweise durch eine Differenzbildung und/oder eine Quotientenbildung. In diesem Fall kann, wenn beispielsweise Σt größer ist als t_burst, insbesondere wesentlich größer, die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP derart erfolgen, dass im Wesentlichen keine Überlagerung der Ultraschallsignale mit Echosignalen erfolgt. Dies kann insbesondere unter Verwendung einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausführungsformen erfolgen, beispielsweise nach den Formeln (I) und/oder (II). Insofern kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Unter dem Begriff „größer” oder „wesentlich größer” kann dabei beispielsweise ein direkter Vergleich verstanden werden, oder es können auch Schwellwertverfahren eingesetzt werden. So können beispielsweise eine oder mehrere Schwellen vorgegeben werden, wobei beispielswei se, wenn die Differenz aus Σt und t_burst eine bestimmte Schwelle überschreitet, das genannte Verfahren der Vermeidung einer Überlagerung von Ultraschallsignalen mit Echosignalen durchgeführt werden kann.
Wird bei dem Vergleich zwischen Σt und t_burst hingegen festgestellt, dass Σt nicht wesentlich größer ist als t_burst, wobei wiederum beispielsweise ein Schwellwertverfahren eingesetzt werden kann mit einem oder mehreren zu den obigen Schwellwerten identischen oder verschiedenen Schwellwerten, so kann, wie oben beschrieben, die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Strömungsdynamik, das heißt der Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit, erfolgen. Dabei können wiederum die oben beschriebenen Verfahrensvarianten eingesetzt werden, mittels derer eine entsprechende Wahl des zeitlichen Abstands t_SP in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit erfolgen kann. Insofern kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden.
Erfindungsgemäß wird der zeitliche Abstand t_SP zwischen den Ultraschall-Laufzeitmessungen variabel gestaltet und jeweils so gewählt, dass ein Störeinfluss der Echosignale möglichst gering ist und/oder sich in einem für die jeweiligen Betriebsbedingungen noch akzeptablen Rahmen hält. Dabei kann der zeitliche Abstand t_SP bei jeder neuen Ultraschall-Laufzeitmessung variiert werden. Alternativ kann jedoch auch eine Variation lediglich dann durchgeführt werden, wenn sich dies als erforderlich oder günstig für eine Optimierung der Messung erweist, insbesondere für eine Minimierung der störenden Einflüsse der Echosignale. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die zeitliche Änderung bzw. Änderungsrate (Strömungsdynamik) der Strömungsgeschwindigkeit überwacht werden, wobei eine Änderung der Wahl des zeitlichen Abstands t_SP nur dann durchgeführt wird, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit stark verändern und/oder betragsmäßig über mindestens einem Vergleichswert liegen. Auch in diesem Fall kann beispielsweise wiederum ein Schwellwertverfahren angewandt werden. So kann beispielsweise als Vergleichswert mindestens eine Toleranzschwelle vorgegeben werden, wobei, wenn die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit unterhalb dieser Toleranzschwelle verbleiben, keine Änderung der Wahl des zeitlichen Abstands t_SP durchgeführt wird. Lediglich bei einem Überschreiten dieser mindestens einen Toleranzschwelle kann dann eine entsprechende Änderung bzw. Anpassung durchgeführt werden. Auch kon tinuierliche Verfahren sind jedoch möglich und/oder Verfahren, in welchen eine stufenweise Änderung erfolgt, beispielsweise durch Vorgabe mehrerer Toleranzschwellen hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Änderungsrate.
Wiederum, ebenfalls alternativ oder zusätzlich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung, kann eine Wahl des zeitlichen Abstands t_SP auch in Abhängigkeit von dem störenden Einfluss der Echosignale erfolgen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Signalamplitude und/oder Signalintensität der Ultraschallsignale mit einer Echosignalamplitude und/oder Echosignalintensität der Echosignale verglichen werden. Dieser Vergleich kann beispielsweise wiederum absolut erfolgen, beispielsweise durch eine Differenzbildung und/oder eine Quotientenbildung. Wiederum kann auch ein Schwellwertverfahren eingesetzt werden, bei welchem die Signale mittels vorgegebener Schwellen miteinander verglichen werden. Die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP kann in Abhängigkeit von dem Vergleich der Signale erfolgen.
Beispielsweise kann das Verfahren derart ausgestaltet werden, dass bei einer im Verhältnis zur Signalamplitude und/oder Signalintensität hohen Echosignalamplitude und/oder hohen Echosignalintensität ein höherer zeitlicher Abstand gewählt wird, das heißt, dass der zeitliche Abstand t_SP im Vergleich zum derzeit gewählten zeitlichen Abstand vergrößert wird. Umgekehrt kann bei einer im Verhältnis zur Signalamplitude und/oder Signalintensität geringen Echosignalamplitude und/oder Echosignalintensität ein geringerer zeitlicher Abstand t_SP gewählt werden. Beispielsweise kann, wiederum zum Beispiel über Tabellen, Kurven, Funktionalitäten oder anderer Arten von Relationen, ein Zusammenhang zwischen dem zu wählenden zeitlichen Abstand t_SP und einer Differenz bzw. einem Quotienten aus Signalamplitude und/oder Signalintensität und Echosignalamplitude und/oder Echosignalintensität vorgegeben werden. Dieser Zusammenhang kann beispielsweise wiederum kontinuierlich und/oder stufenweise ausgestaltet sein. Auf diese Weise lässt sich das Verfahren unmittelbar dahingehend optimieren, dass bei zu starkem Störeinfluss der Echosignale bzw. bei einem Störeinfluss, welcher eine beispielsweise vorgegebene Schwelle überschreitet, dieser Einfluss durch gezielte Verminderung der Überlappung zwischen Echosignalen und Ultraschallsignalen vermindert wird. Verschiedne Ausgestaltungen sind denkbar.
In einer weiteren Verfahrensvariante zur Optimierung des Störeinflusses von Echosignalen wird ebenfalls der Tatsache Rechnung getragen, dass sich in vielen Fällen Über lagerungen zwischen den Echosignalen und den Ultraschallsignalen nicht oder kaum vermeiden lassen. In dieser Variante werden daher Mittelungsverfahren verwendet, bei welchen die Signalqualität zumindest im Mittel über mehrere Messungen hinweg verbessert oder sogar optimiert wird. Diese Methode kann auch mit den oben beschriebenen Methoden kombiniert werden.
So wird vorgeschlagen, bei der Mehrzahl von Ultraschall-Laufzeitmessungen die zeitlichen Abstände t_SP der Ultraschall-Laufzeitmessungen um einen Sollabstand t_SP* zu variieren. Dieser Sollabstand kann beispielsweise konstant gewählt werden. Alternativ oder zusätzlich kann dieser Sollabstand jedoch auch beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Verfahrensvarianten gewählt werden, so dass dieser Sollabstand t_SP* den oben beschriebenen zeitlichen Abständen t_SP entspricht, nun jedoch als Sollwert verwendet wird.
Dabei kann die Variation der zeitlichen Abstände t_SP um den Sollabstand t_SP* beispielsweise periodisch oder auch stochastisch erfolgen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die zeitlichen Abstände t_SP derart variiert werden, dass statistisch betrachtet eine gleiche Anzahl zeitlicher Abstände t_SP oberhalb und unterhalb des Sollabstands t_SP* liegen. Die zeitlichen Abstände t_SP können also insbesondere gleichverteilt in einem Intervall um den Sollabstand t_SP* liegen, beispielsweise einem Intervall gemäß der unten angeführten Beschreibung. Auf diese Weise, sei es nun periodisch oder stochastisch, lassen sich durch Mittelwertbildung über beispielsweise einen vorgegebenen Zeitraum und/oder eine vorgegebene Anzahl von Messzyklen, die Störeinflüsse durch Überlagerung der Ultraschallsignale mit Echosignalen vermindern oder zumindest weitgehend minimieren.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Variation der zeitlichen Abstände t_SP um den Sollabstand t_SP* herum derart erfolgt, dass eine Überlagerung von Nutzsignalen, das heißt den empfangenen eigentlichen Ultraschallsignalen, und störenden Echosignalen nicht mehr mit einer konstanten Phasenverschiebung stattfindet, was zu einem konstanten Messfehler (Offset) führen würde. Stattdessen sollte die Phasenverschiebung verschiedene Werte zwischen 0° und 360° annehmen, so dass im Mittel kein Messfehler mehr auftritt, sondern das Messergebnis lediglich mit einem Pseudorauschen überlagert ist. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die folgende Verfahrensvariante eingesetzt werden, bei welcher die Ultraschallsignale eine Frequenz f_US aufweisen. In diesem Fall können die zeitlichen Abstände t₅ in einem Intervall [t_SP* – (m·a/f_US), t_SP* + (m·a/f_US)) gewählt werden. Insbesondere können dabei, wie oben aufgeführt, die zeitlichen Abstände gleichverteilt in dem Intervall um t_SP* liegen. Auch eine andere Verteilung ist jedoch grundsätzlich möglich. Dabei bezeichnet eine eckige Klammer „]” bzw. „[” hier und im folgenden jeweils eine geschlossene Intervallgrenze, wohingegen eine runde Klammer „)” bzw. „(” eine offene Intervallgrenze bezeichnet. Dabei ist m eine ganze Zahl, vorzugsweise m = 1, und a ist eine Zahl mit 0 < a < 1, besonders bevorzugt mit a zumindest näherungsweise = 0,5. Eine besonders vorteilhafte Version für die periodische Variation ist die Verwendung von t_SP = {t_SP* – 0,5/f_US, t_SP* – 0,25/f_US, t_SP*, t_SP* + 0,25/f_US}. Dabei bezeichnet die geschweifte Klammer „{..., ..., ..., ...}” eine Menge bevorzugter Werte, aus denen t_SP vorzugsweise ausgewählt ist, vorzugsweise in der dargestellten Reihenfolge. Im Gegensatz zu einem konstanten Offset lässt sich auf diese Weise die Verfälschung durch die Echosignale durch eine einfache Filterung, beispielsweise eine gleitende Mittelwertbildung, minimieren, beispielsweise auf ein jeweils zulässiges Maß reduzieren.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren in einer der dargestellten Ausführungsformen wird weiterhin ein Ultraschall-Strömungsmesser zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines fluiden Mediums vorgeschlagen. Der Ultraschall-Strömungsmesser weist mindestens einen Ultraschallwandler auf, also eine Vorrichtung, welche eingerichtet ist, um elektrische Signale in Ultraschallsignale umzuwandeln und umgekehrt. Beispielsweise kann dieser Ultraschallwandler mindestens ein Piezoelement aufweisen. Dabei kann der Ultraschall-Strömungsmesser vorzugsweise zwei Ultraschallwandler aufweisen, welche einander beispielsweise gegenüberliegen und/oder welche miteinander über eine Messstrecke, die ein oder mehrere Reflektoren für Ultraschallsignale umfasst, verbunden sind. Diesbezüglich kann der Ultraschall-Strömungsmesser beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschall-Strömungsmessern entsprechen, so dass auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen werden kann. Weiterhin ist der Ultraschall-Strömungsmesser eingerichtet, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen. Zu diesem Zweck kann der Ultraschall-Strömungsmesser beispielsweise eine Ansteuer- und Auswerteelektronik umfassen. Diese Ansteuer- und Auswerteelektronik, welche mittels einer oder mehrerer Komponenten realisiert werden kann und welche auch ganz oder teilweise in andere Komponenten integriert sein kann, kann beispielsweise programm-technisch eingerichtet sein, um das oben beschriebene Verfahren in einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. Beispielsweise kann die Ansteuer- und Auswerteelektronik zu diesem Zweck ein oder mehrere Datenverar beitungsgeräte umfassen und/oder einen oder mehrere Speicherelemente, wie beispielsweise flüchtige und/oder nicht-flüchtige Speicher.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel von Ultraschallsignalen und Echosignalen bei einer einfachen Ultraschall-Laufzeitmessung;
2 ein Ausführungsbeispiel von Ultraschallsignalen und Echosignalen bei wiederholter Ultraschall-Laufzeitmessung mit abwechselnder Senderichtung;
3 ein einfaches Beispiel eines Messfehlers einer gemessenen Strömungsrate als Funktion einer Phasenverschiebung zwischen Ultraschallsignalen und Echosignalen; und
4 ein einfaches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Strömungsmessers.
In 4 ist ein stark vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Strömungsmessers 110 schematisch dargestellt. Der Ultraschall-Strömungsmesser 110 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Strömungsrohr 112, durch welches in einer Strömungsrichtung 114 ein fluides Medium 116 strömen kann. Grundsätzlich kann die Strömung dabei in beide Richtungen mit korrektem Vorzeichen vermessen werden, kann also prinzipiell auch ihre Strömungsrichtung 114 ändern. Beispielsweise kann es sich dabei um ein Gas handeln, beispielsweise ein Gas im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, insbesondere Luft. Weiterhin weist der Ultraschall-Strömungsmesser 110 einen ersten Ultraschallwandler 118 und einen zweiten Ultraschallwandler 120 auf. Diese Ultraschallwandler 118 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf einander gegenüberliegenden Seiten des Strömungsrohrs 112 angeordnet und sind eingerichtet um erste Ultraschallsignale 122 und zweite Ultraschallsignale 124 zu emittieren. Während die ersten Ultraschallsignale 122 eine Richtungskomponente entgegen der Strömungsrichtung 114 aufweisen, weisen die zweiten Ultraschallsignale 124 eine Komponente in Strömungsrichtung 114 auf. Wie oben dargestellt, lässt sich aus den Laufzeitunterschieden zwischen diesen Ultraschallsignalen 122, 124 auf die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Strömungsrate schließen. Weiterhin weist der Ultraschall-Strömungsmesser 110 eine Ansteuer- und Auswerteelektronik 126 auf, welche in 4 lediglich symbolisch angedeutet ist. Diese kann beispielsweise die Ultraschallwandler 118, 120 zur Emission der Ultraschallsignale 122, 124 anregen und/oder von diesen Ultraschallwandlern 118, 120 aufgenommene Signale verarbeiten. Weiterhin ist die Ansteuer- und Auswerteelektronik 126 ausgestaltet, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zu steuern.
In den 1 und 2 sind die zeitlichen Verläufe des ersten Ultraschallsignals 122 und/oder des zweiten Ultraschallsignals 124 als Intensität 1 in willkürlichen Einheiten über einer Zeit, ebenfalls in willkürlichen Einheiten aufgetragen, dargestellt. Dabei ist in 1 eine einzelne Messung gezeigt, in welcher ein erstes Ultraschallsignal 122 und/oder zweites Ultraschallsignal 124 empfangen wird. Wie in dieser Figur erkennbar ist, werden diese Ultraschallsignale 122, 124 reflektiert und erzeugen Echosignale 128, 130, welche jeweils nach der Laufzeit Σt auftreten. Die eigentlichen, durch die Ultraschallsignale 122, 124 erzeugten Nutzsignale sind in 1 mit der Bezugsziffer 132 bezeichnet. Diese Nutzsignale stellen jeweils die von einem zweiten Ultraschallwandler empfangenen Ultraschallsignale eines ersten Ultraschallwandlers oder umgekehrt dar. Begrifflich wird daher im Rahmen der vorliegenden Beschreibung zwischen den Ultraschallsignalen und den dadurch erzeugten Nutzsignalen nicht unterschieden.
Während in 1 lediglich eine Messung mit einem einzelnen Ultraschallsignal 122, 124 gezeigt ist, ist in 2 eine wiederholte Messung dargestellt, bei welcher in einem zeitlichen Abstand t_SP nach einer ersten Messung mit Ultraschallsignalen 122, 124 weitere Messungen mit Ultraschallsignalen 122, 124 erfolgen. Diese Darstellung verdeutlicht die oben beschriebene Problematik, dass die Echosignale 128, 130 sich bei ungeeigneter Wahl der Wiederholrate bzw. des zeitlichen Abstands t_SP mit den Ultraschallsignalen 122, 124 überlagern können, so dass eine Verfälschung der Messwerte auftreten kann.
Die 2 zeigt die Signalverläufe an beiden Ultraschallwandlern A und B, beispielsweise den in 4 mit den Bezugsziffern 118 und 120 bezeichneten Ultraschallwandlern, am Beispiel einer abwechselnden Laufzeitmessung. Dies bedeutet, dass zunächst in einem durch den Ultraschallwandler A vorgenommenen ersten Sendevorgang 134 ein erstes Ultraschallsignal 122 vom Ultraschallwandler A zum Ultraschallwandler B übersandt wird und dort ein erstes Nutzsignal 136 erzeugt. Dort wird das erste Ultraschallsignal 122 jedoch auch reflektiert und erzeugt am ersten Ultraschallwandler A Echosignale 128, 130. Der räumliche Signalverlauf des ersten Ultraschallsignals 122 zwischen den Ultraschallwandler A und dem Ultraschallwandler B ist in 2 mit der Bezugsziffer 138 bezeichnet. Weiterhin wird in einem durch den Ultraschallwandler B vorgenommenen zweiten Sendevorgang 140 ein zweites Ultraschallsignal 124 erzeugt, welches zum Ultraschallwandler A übersandt wird und dort ein zweites Nutzsignal 142 erzeugt. Dieses zweite Ultraschallsignal 124 breitet sich wiederum räumlich aus, was in 2 mit der Bezugsziffer 144 bezeichnet ist. Auch dieses zweite Ultraschallsignal 124 erzeugt wiederum Echosignale 146 am Ultraschallwandler B. An das erste Ultraschallsignal 122 und das zweite Ultraschallsignal 124 können sich weitere Sendevorgänge, Ultraschallsignale und entsprechende Nutzsignale sowie Echos an beiden Ultraschallwandlern A, B anschließen, was in 2 durch einen dritten Sendevorgang 148 und ein drittes Nutzsignal 150 angedeutet ist.
Wie aus 2 erkennbar ist, werden die Ultraschallsignale 122, 124 an beiden Ultraschallwandlern A, B teilweise reflektiert, sodass auf jeden Sendevorgang 134, 140 neben den erwünschten Nutzsignalen 136, 142 auch mehrere Echos folgen, beispielsweise die Echosignale 128, 130 und 146 in 2. Diese Echosignale laufen mit abnehmender Signalamplitude zwischen den Ultraschallwandlern A, B hin und her. Eine Überlagerung von Echosignalen und Nutzsignalen sollte erfindungsgemäß möglichst verhindert werden, da sich hieraus Messfehler ergeben können. In 2 ist ein Beispiel einer derartigen Überlagerung zwischen dem zweiten Nutzsignal 142 und dem Echosignal 130 hervorgehoben und mit der Bezugsziffer 152 bezeichnet.
Zur Bestimmung der Strömung, also zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit, der Strömungsrate, eines Massenstroms oder eines Volumenstroms, werden die Signallaufzeiten t₁, t₂ der Ultraschallsignale 122, 124 in der Anordnung gemäß 4 gemessen. Daraus wird eine Differenzlaufzeit Δt = t₁ – t₂, welche zumindest näherungsweise proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des fluiden Mediums 116 ist. Zur Auswertung der Messung kann dabei jeweils eine Messdauer t_{US-Auswertung} herangezogen werden, beispielsweise eine Messdauer ab Beginn eines jeweiligen Ultraschallsignals 122, 124 beziehungsweise des zugehörigen Nutzsignals 136, 142, während derer die Ultraschallsignale 122, 124 beziehungsweise die auf diesen Ultraschallsignalen 122, 124 beruhenden Nutzsignale 136, 142 ausgewertet werden. Diese Messdauer t_{US-Auswertung}, welche in 2 exemplarisch dargestellt ist, kann dabei grundsätzlich größer, gleich oder kleiner als die zeitliche Dauer t_burst der Ultraschallsignale 122, 124 beziehungsweise der zugehörigen Nutzsignale 136, 142 gewählt werden. Je nachdem, ob das gesamte Nutzsignal 136, 142 rechentechnisch ausgewertet wird (t_{US-Auswertung} = t_burst) oder nur ein Teil davon (t_{US-Auswertung} < t_burst), beispielsweise der Beginn des Nutzsignals 136, 142, kann die oben beschriebene Überlagerungen 152 für die Auswertung störend seien oder nicht. Der zeitliche Abstand t_SP kann gegebenenfalls entsprechend angepasst werden, beispielsweise wie im Folgenden beschrieben wird.
Weiterhin lässt sich, zusätzlich zur Differenzlaufzeit Δt, auch eine Summenlaufzeit Σt = t₁ + t₂ ohne zusätzlichen Messaufwand berechnen. Je nach Verhältnis zwischen dem zeitlichen Abstand zweier Echosignale 128, 130 Σt einerseits und der Länge eines einzelnen Ultraschall-Wellenpakets, welches in den 1 und 2 mit der Zeitdauer t_burst bezeichnet ist, andererseits, ergeben sich zwei bevorzugte Vorgehensweisen.
Ist Σt deutlich größer als t_burst, so kann der Sende-Rhythmus derart angepasst und nachgeführt werden, dass eine Überlagerung 152 der Nutzsignale 136, 142 der Ultraschallsignale 122, 124 und der Echosignale 128, 130 zumindest weitgehend verhindert wird, insbesondere eine Überlagerung während der Auswertungs-relevanten Messdauer t_{US-Auswertung}. Dies ist in 2 ebenfalls dargestellt. Die Summenlaufzeit Σt = t₁ + t₂ entspricht dem zeitlichen Abstand zwischen Echosignalen 128, 130, denn ein derartiges Echosignal 128, 130 läuft während dieser Zeitperiode genau ein Mal von einem der Ultraschallwandler 118, 120 zum anderen und wieder zurück. Die Summenlaufzeit Σt hängt neben der vorgegebenen Geometrie der Messanordnung des Ultraschall-Strömungsmessers 110 von der Schallgeschwindigkeit ab, welche wiederum vom fluiden Medium 116 und seinem Zustand bestimmt wird. Beispielsweise kann es sich dabei um Luft handeln, wobei deren Temperatur und Zusammensetzung, beispielsweise Luftfeuchte, CO₂-Anteil oder ähnliches, den Zustand und damit die Schallgeschwindigkeit des fluiden Mediums 116 beeinflussen können. Die Einflussgrößen unterliegen beim Einsatz im Motoransaugtrakt in der Regel nur relativ langsamen Änderungen, können also während der Zeit bis zum Abklingen der Echosignale 128, 130, welche typischerweise nur wenige Millisekunden beträgt, als konstant angenommen werden.
Wenn der Zeitabstand Σt zwischen den Echosignalen 128, 130 groß genug ist, so kann durch einen entsprechend angepassten Sensorrhythmus, also durch eine geeignete Wahl des zeitlichen Abstands t_SP zwischen den in 1 mit der Bezugsziffer 132 bezeichneten Nutzsignalen der Ultraschallsignale 122, 124, eine störende Überlagerung der Nutzsignale 132 und der Echosignale 128, 130 verhindert werden. Im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung eignet sich zum Beispiel eine Periodendauer t_SP zwischen den Nutzsignalen 132, welche beispielsweise bei t_SP = 1,1·Σt liegen kann. Allgemein kann dabei beispielsweise bei dieser oder auch bei anderen Ausgestaltungen der Erfindung eine Summenlaufzeit Σt verwendet werden, welche einem aktuellen Wert oder auch einem über die letzten Messzyklen und/oder eine vorgegebene Mittelungszeit gemittelten Summenlaufzeit entspricht. Dabei kann, durch eine kontinuierliche Nachführung des zeitlichen Abstands t_SP der Nutzsignale 132, gewährleistet werden, dass die Signalqualität der Laufzeitmessungen stets durch die Echosignale 130, 132 unbeeinflusst oder nur wenig beeinflusst bleibt, wodurch sich beispielsweise Temperaturänderungen ausgleichen lassen.
Eine zweite Verfahrensvariante wird im Wesentlichen dann vorteilhaft eingesetzt, wenn die Summenlaufzeit Σt nicht deutlich größer ist als die zeitliche Dauer t_burst der Nutzsignale 132. Dabei kann der Senderhythmus, das heißt der zeitliche Abstand t_SP, je nach gemessener Strömungsrate, die im Folgenden mit dt bezeichnet wird, oder je nach gemessener Strömungsdynamik, das heißt nach der Änderungsrate von dt, beispielsweise wiederum der aktuellen Änderungsrate und/oder einer Änderungsrate über die letzten Messzyklen bzw. einen vorgegebenen Messzeitraum, derart variiert werden, dass bei hoher Dynamik mit größerer Messwiederholfrequenz, das heißt kleinerem t_SP, gearbeitet wird und bei kleinerer Strömungsrate mit niedrigerer Wiederholfrequenz, das heißt größerem t_SP. Auf diese Weise wird die Summe von Dynamik-Fehlern und Messfehlern aufgrund von Echosignalen 128, 130 minimiert. Diese Verfahrensvariante wird insbesondere vorteilhaft dann eingesetzt, wenn der Abstand Σt zwischen den Echosignalen 128, 130 nicht für eine störungsfreie Messung ohne Überlagerung der Echosignale 128, 130 und der Nutzsignale 132 ausreicht. Bei dieser Variante der Erfindung wird ausgenutzt, dass die Geschwindigkeit der Strömungsänderungen von der Motordrehzahl abhängen kann, da die einzelnen Ansaugzyklen die größte Dynamik verursachen. Mit steigender Drehzahl nimmt also die Dynamik zu, das heißt es wird eine gleichermaßen steigende Messwiederholfrequenz benötigt. Gleichzeitig steigt jedoch auch die zu messende Strömungsrate an. Die zur Motorsteuerung geforderte Messgenauigkeit wird jedoch typischerweise relativ zum aktuellen Messwert definiert, das heißt zum Beispiel eine zulässige Abweichung von ≤ ±2% des gemessenen Werts. Daraus ergibt sich, dass eine stärkere Verfälschung der Messung durch überlagerte Echosigna le 128, 130 bei höheren Motordrehzahlen akzeptabel ist. Mit einer der Motordrehzahl angepassten Messwiederholfrequenz lässt sich die Gesamtgenauigkeit optimieren. So kann bei geringerer Strömung in einem langsameren Takt gemessen werden, damit die Echosignale 128, 130 vor Beginn des nächsten Messzyklus abklingen können. Bei hoher Strömung kann hingegen öfter gemessen werden, das heißt mit geringeren Zeitabständen t_SP, um die Dynamik sehr genau zu erfassen. Die Überlagerung der Nutzsignale 132 mit den Echosignalen 128, 130 wird bewusst akzeptiert, soweit der dadurch entstehende Fehler kleiner ist als der Vorteil durch die schnelle Strömungsabtastung.
Die oben beschriebenen Varianten können auch kombiniert eingesetzt werden. So lässt sich beispielsweise bei einer strömungsabhängigen Messwiederholfrequenz-Anpassung zusätzlich die zeitliche Lage der Echosignale 128, 130 berücksichtigen. Beispielsweise kann, insbesondere strömungsdynamikabhängig, zwischen Periodenlängen t_SP von (n – 0,5 + k)·Σt umgeschaltet werden, wobei n eine variable ganze Zahl ist und wobei k eine Zahl zwischen Null und Eins ist.
Um speziell den Anfang der Wellenpakete der Nutzsignale 132 während der Messdauer t_{US-Auswertung} vor störenden Echosignalen 128, 130 zu schützen, kann die Periodenlänge vergrößert werden, beispielsweise auf t_SP = [(n + k – 0,5·Σt] + 0,5·t_burst, vorzugsweise maximal auf [(n + 0,5)·Σt] – t_{US-Auswertung}. Dabei bezeichnet wiederum n eine ganze Zahl, und k bezeichnet eine Zahl mit 0 < k < 1.
Um mögliche Störungen bei der Messfrequenz-Umschaltung zu reduzieren, kann die Häufigkeit der Umschaltung auch durch eine Hysterese reduziert werden. So kann die Umschaltung beispielsweise lediglich dann erfolgen, wenn sich die Dynamik bzw. Strömungsrate sehr stark verändert.
Mit Hilfe der bekannten Größen des Sendezeitpunkts und des Abstands zwischen den Echosignalen 128, 130 kann auf einfache Weise auch das Echo und seine aktuelle Amplitude bzw. Intensität detektiert werden. Das Verhältnis aus Nutzsignal- zu Echoamplitude, das heißt beispielsweise deren Quotient und/oder Differenz, kann zur Anpassung der Messwiederholfrequenz bzw. des zeitlichen Abstands t_SP verwendet werden. Je stärker die Echosignale 128, 130 im Vergleich zu den Nutzsignalen 132 sind, desto seltener wird ein neuer Messvorgang gestartet.
In einer weiteren Verfahrensvariante, welche anhand der 3 erläutert werden soll, werden die zeitlichen Abstände t_SP der Ultraschall-Laufzeitmessungen um einen Sollabstand t_SP* variiert. Diese Verfahrensvariante kann wiederum auch mit einer oder mehreren der oben beschriebenen Verfahrensvarianten vorteilhaft kombiniert werden. Diese Variante der Erfindung ermöglicht eine Reduktion des störenden Echo-Einflusses auf die Auswertung überlagerter Nutzsignale 132. Dabei wird die Zeitdauer t_SP zwischen den Sendevorgängen im Bereich beispielsweise von [–0,5/f_US, +0,5/f_US) um die gewünschte Periodendauer, welche im Folgenden als Sollabstand t_SP bezeichnet wird, variiert. Dabei stellt f_US die Frequenz der Nutzsignale 132 dar. Dadurch findet die Überlagerung von Nutzsignalen 132 und störenden Echosignalen 128, 130 nicht mehr mit einer konstanten Phasenverschiebung statt, was zu einem konstanten Messfehler (Offset) führen würde. Stattdessen nimmt die Phasenverschiebung, welche im Folgenden mit φ bezeichnet wird und in rad angegeben wird, verschiedene Werte zwischen 0 und 2π an. Dementsprechend tritt im Mittelwert kein Messfehler mehr auf, sondern das Messergebnis ist lediglich mit einem Pseudorauschen überlagert. Im Gegensatz zu einem konstanten Offset lässt sich diese Verfälschung jedoch durch eine einfache Filterung, beispielsweise eine gleitende Mittelwertbildung, auf das jeweils zulässige Maß reduzieren. Zur Erläuterung dieser Variante der Erfindung soll eine kurzes Beispiel dienen. Dabei wird angenommen, dass die Frequenz der Ultraschallsignale 122, 124, das heißt der Nutzsignale 132, und gleichzeitig auch der Echosignale 128, 130, welche mit f_US bezeichnet wird, ca. 100 kHz beträgt. Die Phasenverschiebung zwischen den Nutzsignalen 132 und den Echosignalen 128, 130 wird, wie oben dargestellt, mit φ bezeichnet: φ = φNutz – φEcho.
φ liegt dabei zwischen 0 und 2π. Weiterhin wird angenommen, dass die Nutzsignale 132 eine Amplitude U_Signal aufweisen, welche bei 1 V_eff liegt. Die Echosignale 128, 130, bzw. eines dieser Echosignale 128, 130, soll eine angenommene Amplitude U_Echo von 0,1 V_eff aufweisen. Mit diesen einfachen Annahmen ergibt sich folgender Messfehler pro Laufzeitmessung welche im Folgenden dt bezeichnet wird und welcher in 3 als Funktion der Phasenverschiebung φ aufgetragen ist: dt(φ) = arctan(UEcho·sin φ/(USignal + UEcho·cos φ))/(2π·fUS) (IV).
Die mittels dieser Gleichung berechneten Messfehler sind in Tabelle 1 aufgetragen:

Phasenverschiebung φ in rad Messfehler dt(φ) in ns

0 0

π/4 105

π/2 159

3π/4 121

π 0

5π/4 –121

3π/2 –159

7π/4 –105

2π 0

Tabelle 1: Phasenverschiebung zwischen Nutzsignalen und Echosignalen und zugehörige Messfehler.
Wie man aus Tabelle 1 erkennt, ist der Messfehler dt in diesem Phasenverschiebungsbereich punktsymmetrisch um φ = π. Diese Punktsymmetrie ergibt sich aus der Punktsymmetrie der Sinusfunktion in Gleichung (IV) und der Tatsache, dass die Kosinusfunktion achsensymmetrisch verläuft. Der Messfehler dt ist in 3 als Funktion der Phasenverschiebung φ aufgetragen. Außerdem ist die Funktion dt von φ periodisch mit einer Periode von 2 π, entsprechend den zugrunde liegenden Funktionen von Sinus und Kosinus. Bei einer Mittelung über diese periodische Funktion wird dementsprechend auch über den Fehler summiert bzw. integriert:
Daraus ergibt sich, dass insgesamt bei einer Mittelung der Messfehler in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zumindest näherungsweise verschwindet. Der Einfluss der störenden Echosignale 130 lässt sich auf diese Weise nahezu vollständig beseitigen.
Die Phasenverschiebung zwischen dem Nutzsignal 132 und den Echosignalen 130 ist wiederum von der Echo-Laufzeit Σt und dem Zeitabstand t_SP zwischen zwei Sendevorgängen abhängig. Die Echolaufzeit Σt wird jedoch bei vorgegebener Geometrie des Ultraschall-Strömungsmessers 110 nur von der Schallgeschwindigkeit beeinflusst und ist kurzfristig als konstant anzunehmen, sofern sich die Temperatur des fluiden Medi ums 116, beispielsweise die Lufttemperatur, und die Zusammensetzung des fluiden Mediums 116 nicht schlagartig ändern. Dann folgt, dass die Phasenverschiebung φ nur noch von der Zeitdauer zwischen zwei Sendevorgängen abhängt: φ = 2π·fUS·tSP + const.
Wird die Zeitdauer t_SP zwischen den Sendevorgängen also, wie oben empfohlen, im Bereich von [–0,5/f_US, +0,5/f_US) um die gewünschte Periodendauer varriert, liegt die Phasenverschiebung in einem Bereich von φ = [0, 2π) + const. Bei einer gleichverteilten Wahl von t_SP wird damit der mittlere Messefehler dt = 0, und das Ziel der vorliegenden Erfindung ist erfüllt. Die zusätzliche Streuung des Messergebnisses, im obigen Beispiel ±159 ns bei einer Standardabweichung von 113 ns, kann beispielsweise durch Mittelung über N Messungen ca. auf den Faktor (N-1)^–0,5 reduziert werden.
In einer Verallgemeinerung des oben beschriebenen Messprinzips kann die Sendeperiodendauer t_SP beliebige, ganzzahlige Vielfache des oben angegebenen Bereiches umfassen, das heißt diese kann in einem Bereich [–0,5·n/f_US, +0,5·n/f_US) liegen.
Weiterhin kann, alternativ oder zusätzlich, die Sendeperiodendauer bzw. der zeitliche Abstand t_SP auch einem (pseudo-)zufälligen Verlauf folgen oder einem fest vorgegebenen Schema. Beispielsweise kann, wie oben beschrieben, als besonders vorteilhafte Version eine periodische Variation mit t_SP = {t_SP* – 0,5/f_US, t_SP* – 0,25/f_US, t_SP*, t_SP* + 0,25/f_US} verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist jeweils eine Gleichverteilung im gewählten Variationsbereich, sobald der Verlauf über die geringste anzunehmende Mittelungsdauer betrachtet wird. Weiterhin kann, wie oben dargestellt, die Verteilung der zeitlichen Abstände t_SP bzw. der Sendeperiodendauer auch mit einem oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsvarianten mit variabler Messwiederholfrequenz kombiniert werden. Weiterhin kann, ebenfalls alternativ oder zusätzlich, die Sendeperiodendauer t_SP auch generell oder nur bei dynamischem Strömungsratenverlauf und/oder nur bei hoher Strömungsrate variiert werden. Verschiedene Ausgestaltungen sind denkbar.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines fluiden Mediums (116), wobei eine Mehrzahl von Ultraschall-Laufzeitmessungen in dem fluiden Medium (116) in einem zeitlichen Abstand t_SP durchgeführt werden, wobei jeweils mindestens ein Ultraschallsignal (122, 124, 132, 136, 142, 150) mit einer Geschwindigkeitskomponente entgegen einer Strömungsrichtung des fluiden Mediums (116) und/oder mindestens ein Ultraschallsignal (122, 124, 132, 136, 142, 150) mit einer Geschwindigkeitskomponente in der Strömungsrichtung des fluiden Mediums (116) übermittelt werden, wobei der zeitliche Abstand t_SP variabel gewählt wird, insbesondere automatisch, um einen Störeinfluss von Echosignalen (128, 130, 146) zu verringern.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP derart erfolgt, dass im wesentlichen keine Überlagerung der Ultraschallsignale (122, 124, 132, 136, 142, 150) mit Echosignalen (128, 130, 146) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Summenlaufzeit Σt aus einer Laufzeit t₁ des ersten Ultraschallsignals (122, 124, 132, 136, 142, 150) und einer Laufzeit t₂ des zweiten Ultraschallsignals (122, 124, 132, 136, 142, 150) gebildet wird, wobei die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP in Abhängigkeit von der Summenlaufzeit Σt erfolgt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zeitliche Abstand t_SP nach der Relation t_SP = (n – 0,5 + k)·Σt gewählt wird, wobei n eine ganze Zahl ist und wobei k eine Zahl ist mit 0 < k < 1, wobei insbesondere k = 0,5.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallsignale (122, 124, 132, 136, 142, 150) eine zeitliche Dauer t_burst aufweisen, wobei die Auswertung der Ultraschallsignale (122, 124, 132, 136, 142, 150) während einer Messdauer t_{US-Auswertung} erfolgt, wobei der zeitliche Abstand t_SP nach der Relation t_SP = [(n – 0,5 + k)·Σt] + c·t_burst gewählt wird, wobei n eine ganze Zahl ist, wobei k eine Zahl ist mit 0 < k < 1, insbesondere k = 0,5, wobei c eine Zahl ist, insbesondere c = 0,5, und wobei k und c derart gewählt werden, dass t_SP ≤ [(m + 0,5)·Σt] – t_{US-Auswertung}, wobei m eine ganze Zahl ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit und/oder einer Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP derart erfolgt, dass bei höherer Strömungsgeschwindigkeit und/oder höherer Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit ein geringerer zeitlicher Abstand t_SP gewählt wird als bei einer niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit und/oder niedrigeren Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Summenlaufzeit Σt aus einer Laufzeit t₁ des ersten Ultraschallsignals (122, 124, 132, 136, 142, 150) und einer Laufzeit t₂ des zweiten Ultraschallsignals (122, 124, 132, 136, 142, 150) gebildet wird, wobei die Ultraschallsignale (122, 124, 132, 136, 142, 150) eine zeitliche Dauer t_burst aufweisen, wobei die Summenlaufzeit Σt mit der zeitlichen Dauer t_burst der Ultraschallsignale (122, 124, 132, 136, 142, 150) verglichen wird, wobei die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs erfolgt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei, wenn Σt größer ist als t_burst, insbesondere wesentlich größer, die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP derart erfolgt, dass im Wesentlichen keine Überlagerung der Ultraschallsignale (122, 124, 132, 136, 142, 150) mit Echosignalen (128, 130, 146) erfolgt, insbesondere unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 5, und wobei, wenn Σt nicht wesentlich größer ist als t_burst oder nicht größer ist als t_burst, die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt, insbesondere unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 und 7.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsgeschwindigkeit und/oder eine Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit überwacht werden, wobei eine Änderung der Wahl des zeitlichen Abstands t_SP nur dann durchgeführt wird, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit stark verändern und/oder betragsmäßig über mindestens einem Vergleichswert liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Signalamplitude und/oder Signalintensität der Ultraschallsignale (122, 124, 132, 136, 142, 150) mit einer Echosignalamplitude und/oder Echosignalintensität der Echosignale (128, 130, 146) verglichen wird und die Wahl des zeitlichen Abstands t_SP in Abhängigkeit von diesem Vergleich erfolgt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei bei einer im Verhältnis zur Signalamplitude und/oder Signalintensität hohen Echosignalamplitude und/oder Echosignalintensität ein höherer zeitlicher Abstand t_SP gewählt wird und wobei bei bei einer im Verhältnis zur Signalamplitude und/oder Signalintensität geringen Echosignalamplitude und/oder Echosignalintensität ein geringerer zeitlicher Abstand t_SP gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Mehrzahl von Ultraschall-Laufzeitmessungen die zeitlichen Abstände t₅ der Ultraschall-Laufzeitmessungen um einen Sollabstand t_SP* variiert werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Ultraschallsignale (122, 124, 132, 136, 142, 150) eine Frequenz f_US aufweisen, wobei die zeitlichen Abstände t_SP in einem Intervall [t_SP* – (m·a/f_US), t_SP* + (m·a/f_US)] gewählt werden, wobei m eine ganze Zahl ist, mit vorzugsweise m = 1, und wobei a eine Zahl ist mit 0 < a < 1, insbesondere mit a = 0,5.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Variation der zeitlichen Abstände t_SP derart erfolgt, dass die gewählten zeitlichen Abstände t_SP gleichverteilt in einem Intervall um t_SP* liegen.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Variation der zeitlichen Abstände t_SP periodisch oder stochastisch erfolgt.
Ultraschall-Strömungsmesser (110) zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines fluiden Mediums (116), wobei der Ultraschall-Strömungsmesser (110) mindestens einen Ultraschaschallwandler (118, 120) aufweist und einge richtet ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.