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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Laufzeitmessung anhand von Ultraschallpulsen, die in einen Raumbereich abgegeben werden und von diesem wieder empfangen werden. Der Zeitversatz zwischen gesendetem und empfangenen Puls dient als Grundlage für die Laufzeitmessung, wobei aus der Laufzeit auf Eigenschaften des akustischen Mediums im Raumbereich geschlossen werden kann.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, Ultraschalllaufzeiten anhand bekannter Absendezeitpunkte zu erfassen, wobei die empfangenen Signale in zeitlichem Verhältnis zu den Sendezeitpunkten gesetzt werden. Da die Ultraschallwandler im Allgemeinen das Ansteuersignal beim Absenden und das akustische Signal beim Empfangen aufgrund von Frequenzselektivitäten und insbesondere aufgrund von Einschwingprozessen stark verzerren bzw. verzögern, unterliegt der Vergleich des Sendepulses mit dem Empfangspuls starken Fehlern.
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Eine erste übliche Herangehensweise ist es, die Momentanamplitude bzw. die Momentanphasenlage des Empfangspulses mit einem vorgegebenen Sendepulsmuster zu vergleichen, wobei durch die hohe Trägerfrequenz ein derartiger Vergleich eine hohe Präzision bietet. Jedoch ergibt sich der grundsätzliche Nachteil, dass bei der Betrachtung der Phase alleine die Angaben nicht eindeutig sind, sondern nur innerhalb einer einzigen Ultraschallperiode eindeutig sind, wodurch der Messbereich stark eingeschränkt ist.
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Beispielsweise die Druckschrift
DE 10 2007 027 188 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem zwar momentanphasenbezogen die Laufzeit erfasst wird, jedoch durch zwei unterschiedliche Demodulationsfrequenzen ein Nonius-Effekt erreicht wird, der den Messbereich erweitert.
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Eine weitere Herangehensweise ist die Korrelation des Empfangssignals mit dem vorgegebenen Signalverlauf des Sendesignals, wobei jedoch hierbei eine sehr hohe zeitliche Abtastung über den gesamten Empfangsimpuls notwendig ist, wodurch die Komplexität bei der Berechnung sehr hoch ist.
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Weitere Verfahren verwenden eine Schwellwertauswertung des Momentanverlaufs des Empfangssignals, wodurch sich eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Rauschen ergibt und ferner gegebenenfalls eine Uneindeutigkeit der Messung, wenn vorangehende Halbwellen aufgrund von Rauschen den Schwellwert überschreiten oder wenn aufgrund der Schwellwerteinstellung nicht die erste Welle, sondern darauf folgende Wellen erfasst werden.
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Es ist ersichtlich, dass ein derartiges Verfahren eine geringe Robustheit gegenüber äußeren Störeinflüssen aufweist, insbesondere wenn die Laufzeitmessung dazu dient, eine Durchflussgeschwindigkeit innerhalb eines Raumbereichs zu erfassen, wobei auch insbesondere die Temperatur einen starken Einfluss auf die akustischen Eigenschaften des Übertragungsmediums in dem Raumbereich hat.
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Somit weisen bekannte Verfahren zur Bestimmung einer Laufzeitdifferenz mittels Ultraschall eine geringe Robustheit gegenüber Störungseinflüssen auf, haben nur einen begrenzten Messbereich oder sind mit einer sehr rechenaufwändigen Verarbeitung verknüpft.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzusehen, mit der eine Laufzeit eines Ultraschallpulses über große Bereiche und mit hoher Präzision erfasst werden kann, ohne dass eine komplexe Verarbeitung von Signalen erforderlich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung der unabhängigen Ansprüche.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Konzept ist es, den Sendepuls mit einer Frequenzmodulation, d. h. mit einem bestimmten Frequenzverlauf, vorzusehen, wobei sich dieser Frequenzverlauf im Empfangspuls wieder findet und verwendet wird, um den Empfangszeitpunkt zu bestimmen. Die Laufzeit ergibt sich dann durch den Vergleich zwischen dem (bekannten) Sendezeitpunkt und dem Empfangszeitpunkt, der aufgrund des spezifischen Frequenzverlaufs genau ermittelt werden kann. Der Empfangszeitpunkt, der auch als Empfangs-Zeitreferenz bezeichnet werden kann, ergibt sich durch den spezifischen Empfangs-Frequenzänderungsverlauf, der sich vom Frequenzänderungsverlauf des Sendepulses nur durch die Zeitverzögerung unterscheidet, die auf der Laufzeit des Ultraschallpulses beruht.
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Mit anderen Worten wird der abgesendete Ultraschallpuls mit einem spezifischen Frequenzmuster (d. h. mit einem spezifischen Frequenzverlauf) moduliert bzw. kodiert, wobei der (gesamte) Sendepuls (und somit auch der Empfangspuls) diese Frequenzmarkierung trägt. Da diese Frequenzmarkierung (d. h. der Frequenzänderungsverlauf) sich über den gesamten Puls erstreckt, kann auch der gesamte Empfangspuls, d. h. dessen gesamte Dauer bzw. Energie, verwendet werden, um den Empfangszeitpunkt, d. h. die Empfangs-Zeitreferenz, zu erfassen und präzise zu bestimmen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass einzelne Merkmale des Sendepulses selbst, beispielsweise der erste Nulldurchgang, nur eine sehr geringe Energie trägt, so dass die Präzision bei einer Rausch behafteten Erfassung unmittelbar leidet. Gleichermaßen wurde erkannt, dass die Betrachtung des Momentanamplitudenverlaufs über den gesamten Ultraschallpuls mit einem sehr hohen Aufwand bei der Berechnung verknüpft ist, wobei eine Verringerung des Berechnungsaufwands, beispielsweise durch große Abstände zwischen den Abtastzeitpunkten, das Ergebnis der Korrelation stark durch Fehler beeinflusst ist. Daher wird erfindungsgemäß der Empfangspuls nicht anhand eines einzelnen Amplitudenmerkmals oder anhand der gesamten Amplitude markiert, um eine Zeitreferenz für den Empfangspuls vorzusehen, sondern der Sendepuls trägt die Markierung, welche zur Zeitreferenz führt, in Form eines Frequenzverlaufs. Dieser kann insbesondere sehr einfach mit hoher Präzision für den gesamten Puls erfasst werden, indem lediglich die Nulldurchgänge des Momentanamplitudenverlaufs erfasst werden, um deren zeitliche Abstände zur Erfassung der Frequenzsignatur bzw. der Frequenzänderung zu erfassen. Es ist unmittelbar zu erkennen, dass die Erfassung des Frequenzverlaufs die zu verarbeitenden Daten um die Informationskomponente verringert, die in den Momentanamplitudenverlauf wiedergibt. Selbst wenn der gesamte Momentanamplitudenverlauf zur Erfassung der Frequenzänderung verwendet wird, beispielsweise bei der Verfolgung der Frequenz mittels eines Phasenregelkreises (PLL), ist ersichtlich, dass die Datenverarbeitung stark vereinfacht ist, da die genaue Amplitudeninformation ignoriert wird und nur noch eine „Dimension” des Signals, nämlich die Frequenz, zur Verarbeitung verwendet wird. Gleichermaßen wird durch diese Reduktion die Präzision nicht verringert, vielmehr werden amplitudenbezogene Fehler (Rauschen) zusammen mit der Amplitudeninformation entfernt. Der Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen frequenzmodulierten Verfahren und dem Verfahren nach dem Stand der Technik, die auf der Betrachtung der Amplitude basieren, ist ersichtlich, wenn die Übertragungseigenschaften einer FM-Funkstrecke mit den Übertragungseigenschaften einer AM-Funkstrecke verglichen werden: Während die FM-Funkstrecke, beispielsweise UKW-Rundfunk, ab einem bestimmten Signalpegel so gut wie kein Rauschen oder Verzerrungen aufweist, ist ein AM-Funkkanal, beispielsweise Mittelwellen-Rundfunk, immer mit einem merklichen Rauschpegel beaufschlagt, nahezu unabhängig von dem Signal/Rausch-Verhältnis.
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Bei der erfindungsgemäßen Laufzeitmessung wird durch eine verrauschte Übertragungsstrecke auch der Empfangs-Frequenzänderungsverlauf verrauscht, jedoch können durch die Reduktion des Empfangspulses (durch Entfernung präziser Amplitudeninformation) eine Vielzahl von Punkten zum Vergleich herangezogen werden, beispielsweise durch Korrelation. Diese können mit dem Sende-Frequenzänderungsverlauf verglichen werden, ohne dass die Datenverarbeitung mit einem übermäßigen Aufwand verbunden ist. Dadurch ergibt sich bei einem geringen Aufwand (auch verglichen mit dem Stand der Technik) eine sehr hohe Präzision für die Laufzeitmessung. Dies trifft auch für andere Varianten der Frequenzverlaufserfassung zu.
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Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur Laufzeitmessung in einem Raumbereich vorgesehen, bei dem ein Sendepuls in Form von Ultraschallwellen in den Raumbereich ausgesendet wird. Das Aussenden ist an den Sendezeitpunkt verknüpft. Der Sendezeitpunkt kann insbesondere ein Triggerzeitpunkt oder der Zeitpunkt des Beginns eines Ansteuersignals sein, oder auch derartige Zeitpunkte, die um eine vorbestimmte Zeitdauer verzögert sind. Wird beispielsweise als Sendezeitpunkt ein Triggersignal angenommen, das einen Signalgenerator ansteuert, so entspricht die vorgegebene Verzögerungszeitdauer der Reaktionszeit des Generators und des Wandlers, die gegebenenfalls durch Einschwingprozesse oder aufgrund von Vorverarbeitungsprozessen ein Ultraschallsignal nicht unmittelbar zum Triggerzeitpunkt oder zum Ansteuerungszeitpunkt erzeugen, sondern um eine vorbestimmte Verzögerung verspätet. Die Verzögerung ist vorgegeben durch bekannte Eigenschaften des Wandlers und/oder des Signalgenerators. Anstatt den Sendezeitpunkt um die vorgegebene Verzögerung zu verschieben, kann auch der Sendezeitpunkt gleichzeitig mit dem Triggersignalzeitpunkt oder mit dem Ansteuersignalzeitpunkt vorgesehen werden, und die resultierende Laufzeitmessung wird um die vorbekannte Verzögerung verringert. Grundsätzlich kann daher bei dem Verfahren zur Laufzeitmessung während des Aussendens oder bei anderen Verfahrensschritten eine Verzögerung zwischen tatsächlichem, akustischem Sendezeitpunkt und ursächlichem Initiationszeitpunkt mitberücksichtigt werden.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Empfangspuls in Form von Ultraschallwellen empfangen, wobei sich der Empfangspuls aus dem Sendepuls durch Übertragung innerhalb des Raumbereichs ergibt. Auch hier kann beim Empfang des Empfangspulses eine Verzögerung berücksichtigt werden, die sich bei der Umwandlung der Ultraschallwellen in ein elektrisches Signal ergibt. Ferner kann beim Empfangen eine Verzögerung berücksichtigt werden, die sich durch Signalverarbeitung ergibt. Wie auch bei der Betrachtung des Sendepulses ist die Verzögerung bei der Betrachtung des Empfangspulses vorbekannt oder wird zumindest vorab geschätzt anhand bekannter Merkmale oder Reaktionszeiten des Wandlers einer Ansteuereinrichtung oder einer Empfangseinrichtung.
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Der Sendezeitpunkt wird mit einer Empfangs-Zeitreferenz des Empfangspulses verglichen, um die Laufzeit zu erfassen. Die Empfangs-Zeitreferenz ergibt sich anhand von Merkmalen des Empfangspulses, d. h. erfindungsgemäß durch den Frequenzänderungsverlauf des Ultraschallpulses oder dessen Entsprechung als elektrisches Signal anhand der Verlaufsform des Frequenzänderungsverlaufs.
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Das Aussenden des Sendepulses wird ausgeführt, indem ein Sendepuls mit einer sich ändernden Trägerfrequenz ausgesendet wird. Die sich ändernde Trägerfrequenz entspricht einem Sende-Frequenzänderungsverlauf. Die Laufzeit wird erfasst, indem eine Frequenzänderung des Momentanverlaufs des Empfangspulses als ein Empfangs-Frequenzänderungsverlauf, der dem Frequenzänderungsverlauf des Sendepulses entspricht bzw. mit diesem vergleichbar ist. Die Empfangs-Zeitreferenz des Empfangspulses wird aus dem Empfangs-Frequenzänderungsverlauf abgeleitet durch Betrachtung der Frequenzänderung innerhalb des Empfangspulses. Diese Betrachtung kann einzelne Abschnitte des Empfangspulses betreffen oder vorzugsweise den gesamten Empfangspuls. Grundsätzlich kann die Empfangs-Zeitreferenz aus dem gesamten, kontinuierlichen Frequenzänderungsverlauf des Empfangspulses abgeleitet werden, oder, vorzugsweise, anhand diskreter Merkmale, die den Frequenzänderungsverlauf in diskreter Weise darstellen, beispielsweise anhand von Nulldurchgängen oder von Vorzeichenwechseln. Die Laufzeit wird als Zeitversatz vorgesehen, der sich beim Vergleichen der Empfangs-Zeitreferenz mit dem Sendezeitpunkt des Sendpulses ergibt. Die Empfangs-Zeitreferenz und das Vorsehen der Laufzeit als Zeitversatz kann auch in einem kombinierten, gemeinsamen Schritt ausgeführt werden, beispielsweise wenn der Empfangs-Frequenzänderungsverlauf mit dem vorbekannten Sende-Frequenzänderungsverlauf korreliert wird, wobei der Empfangs-Frequenzänderungsverlauf auch den zeitlichen Abschnitt umfasst, der vor dem Empfang der ersten Signalkomponente des Empfangssignals liegt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Empfang beginnt, bevor der Empfangspuls zu erwarten ist, beispielsweise wenn der Empfang mit dem Sendezeitpunkt und/oder mit dem tatsächlichen Aussenden des akustischen Pulses beginnt, und somit der Empfangspuls im Wesentlichen um die Laufzeit zeitlich verzögert ist. Umfasst somit der Empfangspuls die Vorlaufzeit, während der ein akustischer Schallpuls durch den Raumbereich übertragen wird, so ergibt ein Korrelieren, das die Verfahrensschritte Ableiten und Vorsehen gemeinsam umfasst, unmittelbar die Laufzeit als Zeitdifferenz zwischen einem Nullpunkt der Korrelation und dem Maximum der Korrelationsfunktion.
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Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das besonders einfach umgesetzt werden kann, sieht vor, dass der Empfangs-Frequenzänderungsverlauf in Form von Nulldurchgängen oder als Vorzeichenverlauf des Empfangspulses vorgesehen wird. Alternativ kann der Empfangs-Frequenzänderungsverlauf auch in Form von Vorzeichenänderungen des Empfangspulses vorgesehen sein, wobei nicht nur der Zeitpunkt, sondern auch die Änderungsrichtung verwendet wird. Die Nulldurchgänge bzw. die Vorzeichenwechsel sind einzelne, diskrete Ereignisse, die verknüpft mit Zeitpunkten ein wesentliches Merkmal des Empfangs-Frequenzänderungsverlaufs wiedergeben. Da Nulldurchgänge oder Vorzeichenwechsel besonders einfach zu erfassen sind und gleichzeitig charakteristisch für den Frequenzverlauf sind, kann das Verfahren stark vereinfacht werden, ohne die Präzision zu verringern. Ferner kann nur der Vorzeichenverlauf des Empfangspulses dargestellt sein, der zwar kontinuierlich ist, jedoch anhand von zeitdiskreten Änderungen dargestellt werden kann. Alternativ kann der Empfangs-Frequenzänderungsverlauf in Form eines Momentanfrequenzverlaufs vorgesehen sein, beispielsweise mittels einer Signalverfolgung anhand eines Phasenregelkreises. Insbesondere kann dieser Momentanfrequenzverlauf diskret dargestellt sein anhand zeitdiskreter Frequenzangaben, die die einzelnen Frequenzen angeben, mit denen sich Nulldurchgänge oder Vorzeichenwechsel des Empfangspulses wiederholen oder mit der diese auftreten. Anstatt einer Darstellung anhand der Frequenz kann der Frequenzänderungsverlauf grundsätzlich auch als Phasenverlauf dargestellt sein, insbesondere als diskreter Phasenverlauf, der sich wie oben beschrieben an Nulldurchgängen oder Vorzeichenwechseln orientiert.
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Um Rauschanteile wirkungsvoll auszublenden, werden vorzugsweise die Nulldurchgänge oder die Vorzeichenwechsel durch Vergleich des Empfangspulses mit zwei Schwellwerten vorgesehen. Die zwei Schwellwerte weisen unterschiedliche Vorzeichen auf und haben insbesondere den gleichen Betrag. Die Nulldurchgänge bzw. die Vorzeichenwechsel können durch Vergleich mit den Schwellwerten erfasst werden, wobei sich bei einer Momentanamplitude des Empfangspulses über dem oberen der beiden Schwellwerte beispielsweise eine +1 ergibt und unterhalb des kleineres Schwellwerts eine –1. Wenn die Momentanamplitude zwischen den beiden Schwellwerten liegt, kann eine Null vorgesehen werden, wodurch sich ein ternäres Signal ergibt. Dieses ternäre Signal ermöglicht zum einen, schwache Signalstellen aus der Bewertung herauszunehmen, indem nur +1- und –1-Werte zur weiteren Analyse verwendet werden. Vorzugsweise werden jedoch alle drei Stufen, d. h. –1, +1 und 0 als ternäres Signal verwendet, so dass Vergleichsergebnis der Momentanamplitude des Empfangspulses bezogen auf die beiden Schwellwerte als ternäres Signal wiedergegeben wird. Es ist ersichtlich, dass durch die Reduktion auf drei bzw. zwei diskrete Werte die Amplitudeninformation im Wesentlichen ausgeblendet wird, und lediglich die Zeitdauern der Zustände –1, +1 oder 0 oder die Zeitpunkte der Übergänge zwischen diesen Zuständen zur Wiedergabe des Empfangspulses verwendet wird. Dadurch wird im Wesentlichen der Empfangs-Frequenzänderungsverlauf dargestellt anhand der Nulldurchgänge, die für die Frequenz charakteristisch sind. Gleichermaßen sind Überquerungen der beiden Schwellwerte charakteristisch für die frequenzbezogene Darstellung des Empfangs-Frequenzänderungsverlauf. Weitere Ausführungsformen umfassen mehr als zwei Schwellwerte, um eine höhere Auflösung des Frequenzänderungsverlaufs zu ermöglichen. Die Schwellwerte werden jedoch nicht zur korrekten Auflösung des Momentanamplitudenverlaufs verwendet, sondern als Grenzwerte, um starke von schwachen Signalen zu unterscheiden. Beispielsweise eine Ausführungsform mit zwei Schwellwerten entspricht das Intervall zwischen den beiden Schwellwerten einer Mindestsignalstärke, die von Signalen nicht erreicht werden, die im Wesentlichen lediglich auf Rauschen der Umgebung basieren.
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Erfindungsgemäß wird somit der Empfangs-Frequenzänderungsverlauf in Form von Nulldurchgängen des Empfangspulses vorgesehen oder durch Vorzeichen des Empfangspulses. Der Verlauf der Nulldurchgänge, der Verlauf der Vorzeichen, ein Signal, das sich durch zeitliche Integration der Nulldurchgänge oder ein Signal, das sich durch zeitliche Integration der Vorzeichen ergibt, wird mit einem Verlauf korreliert, der dem Sendepuls entspricht. Der zur Korrelation herangezogene Verlauf gibt einen Nulldurchgangsverlauf oder einen Vorzeichenverlauf des Sendepulses wieder oder die zeitliche Integration des Nulldurchgangsverlaufs oder des Vorzeichenverlaufs. Der Verlauf, mit dem korreliert wird, und der den Sendepuls wiedergibt, kann insbesondere vorherbestimmt sein und definiert sich im Wesentlichen durch das Ansteuerungssignal des Wandlers beim Senden und die Änderungen, die dieses Signal durch die Wandlung in eine akustische Welle und durch die Rückwandlung in ein elektrisches Signal beim Empfangen erfährt. Beispielsweise kann der Verlauf, der den Sendepuls wiedergibt, durch Normierung oder Kalibrierung erhalten werden, wenn der von dem Graubereich vorgesehene Übertragungskanal durch ein Referenzobjekt versetzt wird (beispielsweise eine Wand), und anhand des so empfangenen Pulses der Verlauf vorgesehen wird, der den Sendepuls wiedergibt. Als Verlauf, der den Sendepuls wiedergibt, wird insbesondere der Verlauf des akustischen Pulses betrachtet, der abgesendet wird. Ferner kann der Verlauf, der den Sendepuls wiedergibt, die Verzerrungen mitberücksichtigen, die sich bei der Wandlung von Schallwelle in ein elektrisches Signal ergeben. Dadurch wird der Sendepuls mit einer Änderung beaufschlagt, die sich durch den Übertragungskanal ergibt, welcher das Verhalten des Empfängers, d. h. des Wandlers, wiedergibt.
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Der Sendepuls in Form von Ultraschallwellen wird mit einem nicht konstanten Frequenzverlauf vorgesehen. Der nicht konstante Frequenzverlauf kann die Ursache eines nicht konstanten Frequenzverhaltens des Wandlers sein, beispielsweise in der Nähe von Resonanzsituationen, kann durch die Ansteuerung mit einem Signal veränderlicher Frequenz vorgesehen sein oder durch eine Kombination hiervon. Der Sendepuls wird mit einem nicht konstanten Frequenzverlauf als Ultraschallwelle ausgesendet, wobei der veränderliche Frequenzverlauf insbesondere durch die folgenden Ausführungsformen vorgesehen werden kann. Zunächst kann ein Piezowandler mit einer Frequenz angeregt werden, die mit einem Frequenzabstand ungleich Null neben der Resonanzfrequenz des Wandlers liegt. Dies wird insbesondere für Piezowandler durchgeführt, wodurch der Sendepuls erzeugt wird, welcher aufgrund der angestrebten Resonanzsituation sich von der Anregungsfrequenz zur Resonanzfrequenz hin ändert. Der Frequenzverlauf ist somit definiert durch das Resonanzverhalten des Wandlers. Da die Wandlereigenschaften vorbekannt sind oder getrennt erfasst werden können, ist es möglich, den Frequenzverlauf vorzusehen, der den Sendepuls wiedergibt. Als weitere Möglichkeit ist vorgesehen, einen Wandler, vorzugsweise einen Piezowandler, mit einer Frequenz anzuregen, die sich mit der Zeit und innerhalb des Sendepulses kontinuierlich oder diskret ändert. Beispielsweise kann dies vorgesehen werden mittels eines Anregungssignals, mit dem der Wandler betrieben wird, und das zeitweise kontinuierlich die Frequenz ändert oder ein oder mehrere Frequenzsprünge aufweist. Die kontinuierliche Frequenzänderung kann ebenfalls periodisch sein, beispielsweise einem Sweep entsprechend. Diese Möglichkeit sieht vor, dass der Wandler gemäß Anregung einen veränderlichen Frequenzänderungsverlauf vorsieht, wobei die Frequenzänderung ursächlich mit der Anregung durch ein frequenzveränderliches Signal zusammenhängt.
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Eine damit verwandte, weitere Möglichkeit ist es, den Wandler mit Sendepulsabschnitten des Sendepulses anzuregen, wobei die Sendepulsabschnitte eine Mindestdauer aufweisen. Die Sendepulsabschnitte weisen unterschiedliche Frequenzen auf, die innerhalb des jeweiligen Sendepulsabschnitts konstant sind oder sich ebenso zeitlich ändern. Bei einer zeitlichen Änderung innerhalb des Sendepulsabschnitts unterscheiden sich die Frequenzänderungen verschiedener Sendepulsabschnitte. Die Sendepulsabschnitte können unmittelbar zeitlich ineinanderliegen oder sind vorzugsweise durch eine Anregungspause zeitlich getrennt. Die Sendepulsabschnitte sehen somit einzelne Unterpulse vor, die zusammen den Sendepuls bilden, voneinander zeitlich getrennt sind und unterschiedliche Frequenzen vorsehen. Auch hier geht der Frequenzänderungsverlauf auf die Anregungen mit unterschiedlichen Frequenzen zurück, die hier anhand von Sendepulsabschnitten mit unterschiedlichen Frequenzen ausgebildet wird.
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Bei diesen erfindungsgemäßen Vorgehensweisen wird als Wandler vorzugsweise ein Piezo-Wandler verwendet. Insbesondere wenn ein Wandler mit einer Frequenz betrieben wird, die um einen Frequenzabstand neben der Resonanzfrequenz liegt, beispielsweise bei der Verwendung eines Piezo-Wandlers, da diese geeignete Resonanzeigenschaften aufweisen, wird dieser zunächst gemäß der Anregungsfrequenz schwingen. Jedoch stellt sich zunehmend ein Resonanzzustand ein, so dass die Resonanzfrequenz trotz Anregung mit einer anderen Frequenz stetig zunimmt, wodurch sich trotz Anregung mit konstanter Frequenz (die neben der Resonanzfrequenz liegt) ein Frequenzverlauf ergibt, der als Frequenzmodulationsmuster bzw. als Empfangs-Zeitreferenz dienen kann. Die Empfangs-Zeitreferenz wird gebildet durch den charakteristischen Verlauf, der eine Zuordnung zum relativen Zeitverlauf des Empfangspulses erlaubt. Ein derartiges Resonanzverhalten sehen eine Vielzahl von Wandlern vor, insbesondere Piezo-Wandler. Das Resonanzverhalten wird gebildet durch schwingungsfähige Systeme, die mit der Membran des Wandlers mechanisch oder akustisch gekoppelt sind, sowie durch die Wandlermembran selbst, die eine Masse aufweist und mit einer Federkraft beaufschlagt ist. Das Resonanzverhalten wird ferner insbesondere bestimmt durch Dämpfungselemente innerhalb des Wandlersystems selbst sowie in Systemen, die mit dem Wandlersystem gekoppelt sind.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Empfangs-Zeitreferenz durch den Empfangs-Frequenzänderungsverlauf vorgesehen wird, wobei der Empfangs-Frequenzverlauf zeitversetzt dem Sende-Frequenzverlauf entspricht. Der Sende-Frequenzverlauf kann auch virtuell sein und durch Wandlereigenschaften des Senders und des Empfängers interpoliert sein, um von der Form her dem Empfangs-Frequenzverlauf zu entsprechen. Dieser ermöglicht eine besonders präzise Korrelation. Die Empfangs-Referenz wird aus dem Empfangs-Frequenzverlauf extrahiert durch einen Ähnlichkeitsvergleich zumindest eines Verlaufsmerkmals des Empfangs-Frequenzänderungsverlaufs mit zumindest einem entsprechenden Verlaufsmerkmal des Sende-Frequenzänderungsverlaufs. Insbesondere werden die Verlaufsmerkmale durch den gesamten Verlauf des Frequenzänderungsverlaufs dargestellt, sei es in Form einer Entsprechung der kontinuierlichen Verläufe oder einer Entsprechung von mehreren Stützpunkten. Insbesondere umfassen Verlaufsmerkmale eine zeitliche Abfolge von Nulldurchgängen oder der Vorzeichen, eine Flanke, ein Maximum, einen Wendepunkt oder einen Abschnitt eines vorgegebenen Sendepulsverlaufs und des Momentanverlaufs des empfangenen Empfangspulses. Vorzugsweise werden sämtliche Nulldurchgänge oder Vorzeichen als Verlaufsmerkmale vorgesehen, die in Bereichen des Sendepulsverlaufs oder des Empfangspulses liegen, die eine Mindestsignalstärke aufweisen.
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Die Erfindung wird ferner vorgesehen durch eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens. Eine Vorrichtung zur Laufzeitmessung umfasst daher einen Ausgang eingerichtet zur Abgabe eines elektrischen Ansteuersignals in Form eines Sendepulses an einen Ultraschallwandler mit einem Ansteuerverhalten. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Eingang eingerichtet zum Empfang eines elektrischen Empfangssignals von einem Ultraschallwandler, der als Empfänger dient. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Signalgenerator, der mit dem Ausgang verbunden ist, um an diesen Ansteuersignale abzugeben, wobei der Generator ferner ein Sendezeitpunktsignal vorsieht, das mit einem Zeitpunkt der Abgabe des Ansteuersignals verknüpft ist. Dadurch gibt der Signalgenerator einen Zeitpunkt vor, an dem die Übertragung des Ultraschallpulses durch den Raumbereich hindurch beginnt.
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Die Vorrichtung umfasst ferner eine Zeiterfassungsvorrichtung, die mit dem Signalgenerator und dem Eingang verbunden ist, und die eingerichtet ist, eine Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt des Sendezeitpunktsignals und einer Eingangs-Zeitreferenz zu messen, die mit dem Auftrittszeitpunkt des Empfangspulses verknüpft ist. Zur Ausführung der Erfindung ist der Signalgenerator eingerichtet, das Ansteuersignal unter Berücksichtigung des Ansteuerverhaltens des Wandlers derart abzugeben, dass der Wandler ein Signal abgibt, das ein Signal mit einer sich ändernden Trägerfrequenz gemäß einer vorgegebenen Sende-Frequenzänderungsverlauf abgibt. Der vorgegebene Sende-Frequenzänderungsverlauf kann sich ergeben durch das Ansteuerverhalten des Wandlers, durch eine Frequenzänderung innerhalb des Ansteuersignals oder durch beides.
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Die Vorrichtung umfasst ferner eine Empfangszeitreferenz-Erfassungsvorrichtung, die eine Zeitreferenz aus dem Empfangssignal extrahiert. Die Erfassungsvorrichtung ist mit dem Eingang verbunden und ist eingerichtet, einen Empfangs-Frequenzänderungsverlauf vorzusehen, der eine Frequenzänderung des Momentanverlaufs des Empfangspulses wiedergibt, wie er von einem Einsignal dargestellt wird. Die Erfassungsvorrichtung wird ferner eingerichtet, aus der Frequenzänderung des Momentanverlaufs des Empfangspulses die Empfangs-Zeitreferenz abzuleiten, die mit dieser Frequenzänderung verknüpft ist. Da die Form der Frequenzänderung im Empfangspuls (anhand der Vorgabe durch den Sendepuls) bekannt ist, kann die Zeitreferenz einen Zeitpunkt des Empfangspulses zugeordnet werden, da der Empfangspuls die gleiche Frequenzänderung vorsieht, wie der Sendepuls, dessen zeitliche Anordnung bekannt ist. Die Zeiterfassungsvorrichtung ist mit der Empfangszeitreferenz-Erfassungsvorrichtung verbunden, um von dieser die Empfangs-Zeitreferenz zu erhalten, und um die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt der von dem Sendezeitpunktsignal wiedergegeben wird und einem Zeitpunkt, der von der Empfangs-Zeitreferenz wiedergegeben wird, als die Laufzeit an einer Laufzeitausgabe der Vorrichtung abzugeben. Die Funktion der Empfangszeitreferenz-Erfassungsvorrichtung ist somit, aus dem Empfangssignal bzw. aus dessen Frequenzverlauf die Zeitreferenz zu extrahieren, um dadurch eine zeitliche Markierung innerhalb des Empfangssignals vorzusehen, dessen Ursprung bekannt ist. Der Ursprung dieses Merkmals ist aus dem Frequenzverlauf des Sendepulses bekannt, da sich die beiden Frequenzverläufe des Sende- und des Empfangspulses ähneln. Funktion der Zeiterfassungsvorrichtung ist es, diese von der Empfangszeitreferenz-Erfassungsvorrichtung erhaltene Eingangs-Zeitreferenz geeignet mit dem Sendezeitpunkt zu vergleichen, um die Zeitspanne zwischen diesem Zeitpunkt zu erfassen. Das Sendezeitpunktsignal kann den Zeitpunkt wiedergeben, an dem der Signalgenerator mit der Erzeugung des Ansteuersignals begonnen hat oder ein dementsprechendes Triggersignal abgegeben hat, und kann ferner zusätzlich eine vorgegeben Verzögerung berücksichtigen (durch Summation oder Subtraktion), um das Reaktionsverhalten der Wandler bei der Erzeugung des akustischen Signals und bei der Erzeugung des elektrischen Empfangssignals zu berücksichtigen. Sowohl Wandler als gegebenenfalls auch Signalgenerator, Endstufe oder Empfangsstufe können eine Verzögerung vorsehen, die bekannt ist oder die bestimmt werden kann, beispielsweise durch Schätzung, und die mit der erfassten Laufzeit verrechnet wird. Anstatt eine Verrechnung mit der Laufzeit kann diese systembedingte Verzögerung auch mit der Eingangs-Zeitreferenz verrechnet werden, in dem diese um einen Verzögerungsbetrag, der die systembedingte Verzögerung wiedergibt, verzögert wird, beispielsweise durch Addition.
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Die Empfangszeitreferenz-Erfassungsvorrichtung umfasst einen Konverter, der aus einer Momentansignalamplitude bzw. deren Verlauf die Momentanfrequenz berechnet. Dieser Konverter kann kontinuierlich arbeiten oder kann diskret in Zeitintervallen arbeiten, insbesondere in Zeitintervallen, die durch Nulldurchgänge definiert werden. Dieser Konverter ist mit dem Eingang verbunden, um den dort anliegenden Empfangspuls in ein Momentanfrequenzsignal umzuwandeln. Das Momentanfrequenzsignal kann alternativ durch eine Phasendarstellung erstetzt werden. Das Momentanfrequenzsignal gibt die Frequenzänderung des Momentanverlaufs des Empfangspulses wieder. Bei einer kontinuierlichen Ausführung des Konverters kann dieser als Phasenregelkreis (phase locked loop, PLL) vorgesehen sein, der als eine Regelgröße die aktuelle Frequenz wiedergibt, um zu Frequenzänderungen einer Frequenzmodulation in ein Signal zu wandeln, mit dem ein Sendesignal ursprünglich moduliert wurde.
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Eine zeitdiskrete Ausführung des Konverters kann ebenso vorgesehen sein und bildet aufgrund der vereinfachten Berechnungsmodalitäten einer bevorzugten Ausführung der Erfindung. Beispielsweise umfasst die Empfangszeitreferenz-Erfassungsvorrichtung einen Amplituden-Diskretisierer in Form eines Nulldurchgangsdetektors, eines Vorzeichendetektors oder eines Schwellenvergleichers (mit zwei Schwellwerten unterschiedlichen Vorzeichens). Der Amplituden-Diskretisierer ist mit dem Eingang verbunden und entfernt die amplitudenrelevante Information, um lediglich Frequenzrelevante Information, beispielsweise in Form von Vorzeichenwechseln oder Schwellwertübergängen darzustellen. Der Schwellwertvergleicher mit zwei Schwellwerten erzeugt aus einem Momentanverlauf des Wandlersignals ein ternäres Signal, wobei der Nulldurchgangsdetektor oder der Vorzeichendetektor binäre Signale aus dem Momentanverlauf vorsehen.
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Der Amplituden-Diskretisierer weist einen Ausgang auf, der die Ergebnisse des Nulldurchgangsdetektors, des Vorzeichendetektors oder des Schwellwertvergleichers als amplitudendiskretes Signal (ternär oder binär) als Datensignal ausgibt. Als amplitudendiskretes Signal kann neben einem binären oder ternären Signal auch ein Signal vorgesehen sein, das N verschiedene Werte aufweist, wobei N gleich 3 oder mindestens 3 ist. Das Datensignal gibt die Zeitpunkte des Nulldurchgangs, des Wechsels des Vorzeichens oder das Überschreiten bzw. Unterschreiten der Schwellwerte wieder. Darüber hinaus kann das Datensignal nicht nur die Zeitpunkte sondern auch die reduzierten Amplitudendaten wiedergeben, beispielsweise als Vorzeichen oder der ternäre Wert, der von dem Schwellwertvergleich ausgegeben wird.
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Die Empfangszeitreferenz-Erfassungsvorrichtung umfasst ferner einen Korrelator, der mit dem Ausgang des Amplituden-Diskretisierers verbunden ist. Der Korrelator ist eingerichtet, das amplitudendiskrete Signal oder das Datensignal mit einem gesteuerten oder eingegebenen Frequenzänderungssignals zu korrelieren, welches den Amplitudenverlauf ebenso amplitudendiskret wiedergibt, (d. h. als binäres oder ternäres Signal), wobei der von diesem vorgesehene Amplitudenverlauf einen typischen Ultraschallpuls entspricht, der von einem Wandler auf Grund des Ansteuersignals erzeugt wird. Vorzugsweise wird der Ultraschallpuls wiedergegeben, wie er auf Grund des Steuersignals abgesendet wird und anhand des Empfangswandlers in ein letzteres Sendesignal umgewandelt wird. Der Korrelator weist einen Ausgang auf, der mit der Zeiterfassungsvorrichtung verbunden ist. Der Korrelator ist eingerichtet, dass das Korrelationsergebnis und insbesondere ein Auftrittszeitpunkts eines Maximums des Korrelationsergebnisses über seinen Ausgang als Eingang-Zeitreferenz an die Zeiterfassungsvorrichtung abzugeben. Durch die Korrelation der amplitudendiskreten Sende- und Empfangssignale ergibt sich daher ein Maximum an der Stelle, dessen zeitliche Verschiebung derart gewählt ist, dass die Frequenzänderungen des Sende- und Empfangspulses im Wesentlichen übereinstimmen. Dies ist der Fall, wenn der Empfangspuls bzw. Sendepuls um die Laufzeit im Rahmen der Korrelation verschoben wurde, vorzugsweise inklusive der Reaktionszeiten der Wandler und der Sende- und Empfangsvorrichtungen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Signalgenerator eingerichtet ist, das Ansteuersignal mit einer Frequenz abzugeben, die sich mit der Zeit innerhalb des Sendepulses kontinuierlich oder diskret ändert. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Signalgenerator eingerichtet ist, das Ansteuersignal als Sendepuls-Abschnitte des Sendepulses abzugeben, wobei die Sendepulsabschnitte eine Mindestdauer aufweisen und unmittelbar aneinander liegen oder durch eine Anregungspause zeitlich getrennt sind. Die Sendepulsabschnitte, gegebenenfalls zusammen mit den sich ergebenden Zwischenpausen, sehen somit den Sendepuls vor, wobei durch die Aufteilung des Sendepulses in Sendepulsabschnitte unterschiedlicher Frequenz der erfindungsgemäße Frequenzänderungsverlauf vorgesehen wird. Diese Ausführungen sehen vor, die Frequenzänderung durch entsprechende Merkmale des Signalgenerators zu erzeugen, so dass der Signalgenerator selbst durch sein abgegebenes Signal den Sequenzänderungsverlauf vorsieht. Ist der Sendepuls in Sendepulsabschnitte aufgeteilt, so können diese jeweils konstante oder zeitlich veränderliche Frequenzen aufweisen, wobei jedoch sich die Frequenzen unterschiedlicher Sendepulsabschnitte unterscheiden und insbesondere die Frequenzverläufe unterschiedlicher Sendepulsabschnitte unterscheiden. Dies wird vorgesehen, in dem der Signalgenerator als ein Signalgenerator vorgesehen wird, dessen Frequenz veränderlich ist, beispielsweise gemäß eines weiteren Modulationssignals oder gemäß einem vorab gespeicherten Frequenzverlaufs.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass nicht der Signalgenerator, sondern im Wesentlichen das Anregungsverhalten des Wandlers den Frequenzänderungsverlauf vorsieht. In diesem Fall umfasst die Vorrichtung den Wandler, der an dem Ausgang der Vorrichtung angeschlossen ist und somit den Sendewandler darstellt. Dieser Wandler weist eine Resonanzsequenz auf. Der Signalgenerator ist eingerichtet, den Wandler über den Ausgang mit einer Frequenz anzuregen, die mit einem Frequenzabstand ungleich null neben der Resonanzfrequenz des Wandlers liegt. Der Wandler ist auf Grund von Federeigenschaften und Masseträgheit (gegebenenfalls auch Dämpfung) einer Membran bzw. des gesamten Wandlers mit einem Resonanzverhalten vorgesehen, das das Schwingen mit der Resonanzfrequenz unterstützt. Ein derartiges Resonanzverhalten kann ferner vorgesehen werden, indem weitere, passive Systeme mit der Membran des Wandlers akustisch oder mechanisch gekoppelt sind, unter anderem können auch Hohlräume, die von der Membran angeregt werden, wesentlich zu dem Resonanzverhalten beitragen. Derartige Wandler sind vorzugsweise Piezo-Wandler, die eine Membran mit einer wesentlichen Masse umfassen, sowie eine Fehlerkonstante, wobei das sich ergebende Resonanzverhalten gegebenenfalls durchmodifiziert ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich insbesondere zur Laufzeitmessung zur Erfassung von Laufzeitdifferenzen innerhalb des Raumbereichs, wobei vorgesehen ist, einen Ultraschallpuls in eine erste Richtung zu übermitteln, und darauf folgend in die umgekehrte Richtung zu übermitteln. Eine Laufzeitdifferenz ist die zeitliche Differenz zwischen (mindestens) zwei Laufzeiten, die für (mindestens) zwei unterschiedliche Ultraschallpulse erfasst werden. Die (mindestens) zwei Ultraschallpulse unterscheiden sich in der Übertragungsrichtung, und betreffen insbesondere zwei entgegengesetzte Übertragungsrichtungen. Sind zwei Wandler in eine Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet, kann dadurch die Verformung des Schallfelds erfasst werden, um daraus Strömungseigenschaften abzuleiten, die die Ursache für die Verformung des Schallfelds sind. Eine weitere Möglichkeit ist, zwei Ultraschallpulse zu erfassen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten in der gleichen Übertragungsrichtung gesendet wurden, und daraus Änderungen des Strömungsverhaltens zu erfassen. Mit anderen Worten bei unterschiedlichen Pulsen die gleiche Übertragungsrichtung zu unterschiedlichen Zeiten verwendet.
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Bei der Laufzeitdifferenzerfassung wird vorzugsweise nicht jeweils die Laufzeit durch Vergleich des Sendezeitpunkts mit einer Empfangs-Zeitreferenz für beide, zueinander entgegengesetzten Übertragungsrichtungen ermittelt und daraufhin die Laufzeitdifferenz ermittelt, sondern die zeitliche Beziehung (d. h. der zeitliche Versatz) der beiden Empfangs-Zeitreferenzen zueinander wird ermittelt. Beispielsweise wird hierzu eine erstes und ein zweites (Zeit-)Fenster mit den Empfangspulsen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen erfasst und diese werden zueinander korreliert, wobei das Korrelieren bzw. Vergleichen wie bereits beschrieben durch Vergleich der jeweiligen Frequenzverläufe ausgeführt wird.
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Die Empfangs-Zeitreferenzen entgegengesetzt übertragener Pulse werden durch das Korrelieren zueinander in zeitliche Beziehung gesetzt, woraus sich die Laufzeitdifferenz ergibt. Die beiden Empfangspulse entgegengesetzter Richtungen sind durch eine vorbekannte zeitliche Beziehung der zugehörigen Sendepulse (bzw. Sendezeitpunkte) miteinander zeitlich verknüpft. Dadurch sind die Empfangs-Zeitreferenzen Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste und das zweite Fenster gleichermaßen zu den zugehörigen Sendezeitpunkten orientiert. Für beide Fenster ergibt sich der gleiche zeitliche Zusammenhang zu den zugehörigen Sendezeitpunkten. Insbesondere kann der Beginn jedes Fensters (oder ein anderer Fenster-Zeitnormierungspunkt) um einen vorab festgelegten Zeitversatz zu dem zugehörigen Sendezeitpunkt zeitlich verschoben sein.
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Der Zeitversatz ist für beide Übertragungsrichtungen gleich, so dass bei einer Laufzeitdifferenzbildung der Zeitversatz nicht in die Laufzeitdifferenz eingeht. Der Zeitversatz umfasst eine Mindestübertragungsdauer, die durch die Länge der Übertragungsstrecke (bei Strömungsverhältnissen an einem Rand (insbesondere dem unteren Rand) des Messbereichs) zwischen zwei Wandlern gegeben ist. Da die Schallgeschwindigkeit von der Temperatur des Mediums abhängt, wird die daraus resultierende Laufzeitänderung mit berücksichtigt. Ferner kann der Zeitversatz um eine zusätzliche, vorab festgelegte Sicherheitsdauer verringert sein, um zu gewährleisten, dass der Beginn des Empfangspulses (zusammen mit einem Vorlauf) vollständig im zugehörigen Zeitfenster liegt. Da die Empfangspulse gleichermaßen zu den zugehörigen Fenstern zeitlich angeordnet sind, ergibt, eine Korrelation (oder ein andere Art von Vergleich) der Fenster von Empfangspulsen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen unmittelbar die Laufzeitdifferenz, ein etwaiger System bedingter Versatz entsteht nicht, da die miteinander zu vergleichenden Empfangspulse anhand von Darstellungen (Fenstern) verglichen werden, die in gleicher Weise zeitlich zu den zugehörigen Empfangspulsen angeordnet sind. Die zeitliche Anordnung ist daher im wesentlichen frei zu wählen (soweit die gleiche zeitliche Anordnung für zu vergleichende Empfangspulse verwendet wird); durch die Laufzeitdifferenzbildung heben sich die Einflüsse der zeitlichen Anordnung zwischen Empfangspuls und dessen Darstellung, die für die Laufzeitdifferenzbildung verwendet wird, auf.
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Zwischen dem Absenden eines weiteren Sendepulses und dem Empfang eines vorangehenden Empfangspulses (gemäß entgegengesetzter oder umgekehrter Übertragungsrichtungen) liegt vorzugsweise eine Echoberuhigungszeit. Während dieser Zeit tritt zumindest ein erstes Echo der vorangehenden Absendung auf, oder auch ein zweites und ggf. ein drittes. Der Startzeitpunkt der Pulse, die abwechselnd in entgegengesetzter Richtung gesendet werden, wird so gewählt, daß die Empfangspulse sich nicht mit den Echos der vorher in entgegengesetzter Richtung gesendeten Pulse überlagern. Die Pulslaufzeiten können hierbei aus der Geometrie des Systems abgeleitet werden. Das erste, zweite oder auch dritte Echo kann als Startzeitpunkt für eine darauffolgende Absendung (in die entgegengesetzte Richtung) verwendet werden, wobei zwischen Startzeitpunkt und Ansteuern des Wandlers eine zusätzliche vorgegebene Zeitdauer liegen kann. Dadurch ist gewährleistet, dass sich aufeinander folgende Pulse nicht gegenseitig stören.
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Die Erfindung sieht somit ein Verfahren zur Laufzeitdifferenzmessung in einem Raumbereich vor, bei dem ein Sendepulse in Form von Ultraschallwellen in den Raumbereich gesendet wird, ein Empfangspuls in Form von Ultraschallwellen empfangen wird, der Empfangspuls dem Sendepuls nach dessen Übertragung durch den Raumbereich entspricht, und das Aussenden und das Empfangen jeweils ausgeführt wird für eine Übertragungsrichtung und für eine hierzu entgegengesetzte Übertragungsrichtung. Die bei der Laufzeitdifferenzmessung verwendeten zeitlichen Markierungen werden wie bei den erfindungsgemäßen Laufzeitmessungen vorgesehen, d. h. durch einen Frequenzverlauf des Sendepulses, so dass Laufzeitdifferenzmessung und Laufzeitmessungen auf dem selben erfindungsgemäßen Konzept beruhen.
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Die Laufzeitdifferenz wird erfasst durch Vergleichen einer zeitlichen Differenz zwischen zwei Empfangs-Zeitreferenzen der Empfangspulse der entgegengesetzten Übertragungsrichtungen. Das Aussenden des Sendepulses wird, wie bereits beschrieben, vorgesehen wird durch Aussenden des Sendepulses mit einer sich ändernden Trägerfrequenz gemäß einem Sende-Frequenzänderungsver-lauf. Die Laufzeitdifferenz wird erfasst durch Erfassen von Frequenzänderungen des Momentanverlaufs der Empfangspulse entgegengesetzter Übertragungsrichtungen als Empfangs-Frequenzänderungsverläufe, Ableiten der Empfangs-Zeitreferenzen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen aus den Empfangs-Frequenzänderungsverläufen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen und Vorsehen der Laufzeitdifferenz als Zeitversatz, der sich durch Vergleichen der Empfangs-Zeitreferenzen der Empfangspulse entgegengesetzter Übertragungsrichtungen ergibt.
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Eine zugehörige Vorrichtung sieht eine Schnittstelle vor, die abwechselnd als Eingang und als Ausgang für externe, anzuschließende Wandler dient. Dadurch können Ultraschallpulse in entgegengesetzten Richtungen übertragen werden. Die zugehörige Vorrichtung sieht Einrichtungen zur Erfassung der Frequenzverläufe der Empfangspulse vor, sowie Einrichtungen, um die Frequenzverläufe von entgegengesetzt übertragenen Empfangspulse miteinander zeitlich zu vergleichen, um daraus die Laufzeitdifferenz zu ermitteln.
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Insbesondere sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren geeignet, um zur Durchflussmessung eines Mediums verwendet zu werden, wobei in dem Raumbereich eine Strömung des Mediums vorgesehen ist, und der Durchfluss, der die Strömung darstellt, anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfasst wird. Insbesondere bei der Erfassung von großen Luftmassen werden Ultraschallsignale stark in ihrer Amplitude verzerrt und gedämpft, wobei die Erfindung die Nachteile dadurch verringert, dass das frequenzmodulationsbezogene Messverfahren der Erfindung eine hohe Robustheit gegenüber Amplitudenverzerrungen aufweist. Ferner ergibt sich eine hohe Robustheit gegenüber additiven Störungen, wie sie elektromagnetische Pulse vorsehen, die beispielsweise bei automotiven Anwendungen entstehen. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung für eine Erfassung eines Luftmasse-Durchflusses. Diese kann auch bei hohen Luftdrücken präzise ausgeführt werden. Da die Schallgeschwindigkeit proportional zur Wurzel der absoluten Temperatur in Kelvin ist, wird vorzugsweise eine Temperaturkompensation vorgesehen, die auf einer Temperaturmessung beruht, und anhand der die Laufzeit mittels der korrigierten Schallgeschwindigkeit korrigiert wird.
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Grundsätzlich gehen die oben stehenden Betrachtungen von frequenzbezogenen Betrachtungen aus. Da sich Frequenz- und Periodendauer unmittelbar entsprechen, gelten sämtliche oben stehenden Aussagen auch für die Periodendauer, wobei die Aussagen für Frequenzen äquivalent zu reziproken Eigenschaften der Periodenlänge sind, und umgekehrt. Ferner kann die Frequenzänderung erfasst werden durch Betrachtung des Frequenzverlaufs der Momentanamplitude selbst (insbesondere Anzahl der Maxima, Anzahl der Nulldurchgänge, Anzahl der Schwingungsperioden pro Zeiteinheit oder Zeitdauer pro Periode) oder durch Betrachtung der Länge des Pulses (d. h. des Empfangspulses). Die letztgenannte Alternative beruht darauf, dass die Anzahl der Perioden pro Puls bekannt ist und somit die Länge des Pulses ein Maß für die Frequenz darstellt. Die erfindungsgemäß betrachtete Frequenz(-änderung) kann daher erfasst werden als Anzahl der Perioden bezogen auf die Länge des Pulses.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die 1a zeigt einen typischen Verlauf zweier Empfangspulse, die 1b zeigt die zugehörigen Empfangs-Frequenzverläufe in diskreter Darstellung;
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die 2 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Kreuzkorrelationsfunktion und
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die 3 zeigt eine beispielhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt einen ersten Empfangsimpuls (10) sowie einen zweiten Empfangspuls (12). Der Empfangspuls (10) wurde in einer ersten Richtung innerhalb des Raumbereichs übertragen, und der Empfangspuls (12) wurde in der entgegengesetzten Richtung übertragen. In dem Raumbereich (nicht dargestellt) ist eine Medienströmung vorgesehen, wobei die Aufteilungsrichtungen der beiden Empfangspulse (10, 12) in Richtung der Medienströmung geneigt sind. Dadurch ergibt sich eine Schallfeld-Deformation innerhalb des Mediums des Raumbereichs, die sich auf die Propagation der Ultraschallpulse auswirkt, wodurch sich bei unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Empfangspulse (10, 12) ergeben. Eine bevorzugte Anwendung ist es, die Differenz der beiden Laufzeiten in den Richtungen der Empfangspulse (10, 12) zu verwenden, um auf die Schallfeld-Deformation und somit auf die Medienströmung schließen zu können.
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Die 1b zeigt die erfindungsgemäß benutzte Darstellung des Empfangspulses anhand dessen Frequenzänderungsverlaufs. Der Frequenzänderungsverlauf der 1b ist diskret dargestellt und entspricht pro Wert der Frequenz, die sich aus der Auswertung der Länge einer Periode des Empfangspulses ergibt. Für die Länge einer Periode sind daher die Frequenzen der 1b als konstant anzunehmen. Der Frequenzverlauf (10) entspricht dem Empfangspuls (10) und der Frequenzverlauf (12) entspricht dem Empfangspuls (12). Da die 1b die Empfangspulse anhand ihres Frequenzverlaufs darstellt, werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die 1a und 1b zeigen dieselben Signale, jedoch in unterschiedlicher Darstellung, wobei die 1a die fein aufgelöste zeitliche Momentanamplituden-Darstellung ist und die 1b eine zeitdiskrete Darstellung, die lediglich die Frequenz in zeitdiskreten Werten wiedergibt. In 1a ist somit mit A die Amplitude dargestellt und 1b mit f die Frequenz an der y-Achse dargestellt, wobei beide Zeitverläufe in Zeitrichtung t aufgetragen sind und sich einander entsprechen.
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Es ist zu erkennen, dass die Frequenzverläufe der 1b nicht konstant sind sondern typische, aufgeprägte Verläufe aufweisen. Insbesondere an den Stellen t = 0,07–0,09 werden für die beiden Empfangspulse (10, 12) starke Verringerungen der Frequenz dargestellt, die ungefähr 10–20% der Zwischenfrequenz darstellen. Mit anderen Worten verringert sich an der Stelle t = 0,07–0,09 die Frequenz um ein minus von 30–50 bei einer mittleren Frequenz von 250. Diese Werte sind kHz-Werte. Auch in den nachfolgenden Bereichen, beispielsweise bei t = 0,1–0,11 sind starke Verringerungen der Frequenz zu erkennen. Diese weisen jeweils eine charakteristische Form auf, die sich leicht durch Korrelieren zeitlich erfassen lässt. Weitere Abweichungen von der Mittenfrequenz sind beispielsweise vor 0,05 sowie nach t = 1,3 zu erkennen, wobei hier jedoch der Empfangspuls eigentlich beendet ist und starke Rauscheinflüsse sich bemerkbar machen. Insbesondere bei t = 0–0,04 werden im Wesentlichen nur Rauschsignale empfangen. Die Zeitangaben sind in ms dargestellt. Da die Rauschsignale zufällig sind, haben diese nur bedingten Einfluss auf das Korrelationsergebnis. Insbesondere lässt sich durch das Einführen eines Zeitfensters der wesentliche Bereich herausschneiden und es lassen sich die Bereiche ausblenden, in denen keine zur Präzision beitragenden Signale erfasst werden. Ein derartiges Zeitfenster gibt den Zeitraum wieder, in dem sich vernünftiger Weise (beispielsweise anhand von Grenzabschätzungen) ein Empfangspuls erwarten lässt. Gleichermaßen könnten Teile des Empfangspulses ausgeschnitten oder allgemein von der Signalverarbeitung ausgenommen werden, deren Signalstärke unter einem Mindestschwellwert liegt, der einem Rauschsignalmaximum entspricht, jedoch von dem Empfangspuls wesentlich überschritten wird.
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Die 2 zeigt die Korrelationsfunktion φTR(τ) in Abhängigkeit von der Korrelationsverzögerung τ. Dargestellt sind Korrelationsergebnisse (110), die auf einer vollwertigen Amplitudenkorrelation beruhen, bei der das Empfangssignal mehr als ausreichend, d. h. gemäß dem Nyquist-Kriterium zeitlich abgetastet ist, und die Korrelationsfunktion (112) zeigt das Ergebnis bei einer Korrelation des Empfangs- und Sendepulses anhand des Sequenzänderungsverlaufs, der diskret, wie in 1b dargestellt, vorgegeben ist. Der Frequenzverlauf der Korrelationsfunktion (112) basiert somit auf diskreten Frequenzwerten, die für jede Periode berechnet werden. Es ist klar zu erkennen, dass sich die beiden Korrelationsfunktionen kaum unterscheiden, vielmehr hat die erfindungsgemäß vorgesehene Korrelationsfunktion (112) ein deutlich stärker ausgeprägtes relatives Maximum, wodurch eine eindeutige Auswahl des absoluten Maximums erleichtert wird. Die 2 stellt somit dar, dass eine Verringerung der Information des Empfangspulses auf dessen Nulldurchgänge bzw. auf die Frequenz, mit der die Nulldurchgänge aufeinander folgen, mehr als ausreichend ist, um eine präzise Information über die Laufzeit zu erhalten. In der 2 entspricht die Laufzeit ca. 6, d. h. die Stelle τ, an der die Korrelationsfunktion das absolute Maximum vorsieht.
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Die 3 zeigt eine konkrete Ausführungsform der Erfindung anhand eines Blockschaltbilds. Die in 3 dargestellte Ausführungsform umfasst einen Signalgenerator (nicht dargestellt), mit dem der Sendepuls erzeugt wird. Dieser wird an einem Eingang (200) empfangen und einer analogen Vorverarbeitungsstufe (210) zu geführt. Dies umfasst einen Tiefpass (212) und einen Hochpass (214), der mit dem Tiefpass (212) in Serie geschaltet ist. Dadurch oder durch einen Bandpass lassen sich nicht relevante Frequenzteile unterdrücken. Die Grenzfrequenz des Tiefpasses und des Hochpasses (212, 214) richtet sich jeweils nach der zu erwartenden Frequenzspanne und somit nach der Maximal- und Minimalfrequenz des Empfangs-Frequenzänderungsverlaufs. Das analoge, gefilterte Signal wird einem Amplitudendiskretisierer (216) zugeführt, der zunächst mittels eines Abtasters (216a) abtastet und das abgetastete Ergebnis einem Komparator (216b) zuführt, der einen Schwellwerteingang (217) aufweist, der von dem Komparator (216b) verwendet wird. Der Komparator (216b) verwendet den Schwellwert mit beiden Vorzeichen, so dass der Komparator einen ersten Abschnitt aufweist, der das Eingangssignal mit einem positiven Schwellwert (217) vergleicht, und einen zweiten Abschnitt aufweist, der das Eingangssignal mit einem zweiten Schwellwert vergleicht, der dem negativen des ersten Schwellwerts entspricht. Es ergeben sich zwei Ausgaben, die einer Logik (216c) zugeführt werden, die Teil des Amplitudendiskretisierers sind, und die aus den Vergleichsergebnissen ein ternäres Signal (218) vorsieht. Das ternäre Signal kann einstellig mittels der Symbole –1, 0, +1 dargestellt sein, oder in binärer Darstellung aufgelöst sein anhand von zwei binären Stellen, wie in der 3 dargestellt ist. Der in 3 dargestellte Amplitudendiskretisierer zieht auf Grund des Abtasters (216a) auch eine Zeitdiskretisierung vor, vorzugsweise eine Zeitdiskretisierung, die einen Abtastpunkt bei jedem Nulldurchgang des Momentan-Amplitudensignals aufweist.
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Das ternäre Signal (218) wird einer Auswertungsschaltung (220) zugeführt, um eine Laufzeit anhand einer Verzögerung zu erfassen. Die Auswertungsschaltung umfasst einen Zeitfensterschaltkreis (222), der eingerichtet ist, aus dem gesamten Empfangssignal einen Zeitfensterausschnitt auszuschneiden, von dem auszugehen ist, dass dieser die gesamte Entsprechung des Sendepulses umfasst, und außerhalb eines zu erwartenden Zeitfensters gelegene Signale nicht weitergibt. Gemäß einer ersten Ausführungsform gibt der Zeitfensterschaltkreis (222) das ausgeschnittene Signal (218) an ein Schieberegister (224) weiter, in dem das ausgeschnittene Zeitfenster des Empfangspulses zwischengespeichert wird. Die Auswerteschaltung (222) umfasst ferner einen Korrelator (226), der mit dem Schieberegister (224) verbunden ist. In der ersten in 3 dargestellten Ausführung (mit durchgezogenen Linien) umfasst die Auswerteschaltung (222) ferner einen Speicher für den Sende-Frequenzänderungsverlauf (228), der den Verlauf des Sendesignals vorgibt, zuzüglich aller systembedingten Verzögerungen. Der Korrelator (226) korreliert den Sende-Frequenzänderungsverlauf des Speichers (228) mit dem Empfangs-Frequenzänderungsverlaufs, der im Schieberegister (224) gespeichert ist. Das Korrelationsergebnis (226a) wird an einen Interpolator (230) weitergegeben.
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In einer dazu alternativen Ausführungsform, die ebenso in 3 in gestrichelten Linien dargestellt ist, umfasst für die Auswertungsschaltung (220) ein zweites Schieberegister (224'). In dieser Ausführung werden zwei Empfangspulse empfangen, ein erster Empfangspuls, der in einer ersten Richtung des Raumbereichs übertragen wird, und ein zweiter Empfangspuls, der in entgegengesetzter Richtung übertragen wird. Bei der Übertragung in entgegengesetzte Richtung werden die Wandler mit umgekehrten Funktionen betrieben, so dass ein Sendewandler die Empfangsfunktion übernimmt, und ein Empfangswandler die Sendefunktion übernimmt. Dadurch ergeben sich die umgekehrten Richtungen. Wenn die Richtungen zu einer Strömung geneigt sind, beispielsweise diagonal verlaufen, dann lässt sich durch die unterschiedlichen Laufzeiten zwischen den verschiedenen Richtungen eine physikalische Eigenschaft der Strömung die Strömungsgeschwindigkeit erfassen. Die erste Stufe (210) wird hierbei für beide Empfangspulse verwendet. Der Fensterschaltkreis (222) dient hierbei ferner dazu, die beiden Empfangspulse in die beiden unterschiedlichen Schieberegister (224, 224') zu überführen. Die beiden Schieberegister können jeweils den Frequenzänderungsverlauf in Form von Einträgen speichern, die jeweils eine Breite von 2 Bit haben, da sich mit 2 Bit das ternäre Signal (228) darstellen lässt. In dieser Ausführungsform wird lediglich die Laufzeitdifferenz zwischen den beiden Empfangspulsen gemessen, die in den Schieberegistern (224, 224') liegen. Daher ist in dieser Ausführung in der Auswertungsschaltung kein Speicher (228) für ein Sende-Frequenzänderungsverlauf vorgesehen, so dass der Korrelator (226) mit beiden Schieberegistern verbunden ist und die Inhalte der beiden Schieberegister (224, 224') miteinander korreliert. Das sich ergebende Korrelationsergebnis (226a) wird dem Interpolator (230) zugeführt, wie in der oben beschriebenen Ausführung ebenfalls der Fall ist. Der Interpolator (230) bildet aus der diskreten Korrelation der diskreten Empfangsfrequenz Änderungsverläufe in ternärer Form (vergleiche Signal 228) zu einem durchgängigen Verlauf, beispielsweise mittels einer Mehrfachinterpolation mit dem Faktor m anhand einer kubischen b-spline Interpolation. Dadurch wird die zeitliche Auflösung verfeinert, wodurch sich die Frequenzänderungsverläufe und insbesondere das Korrelationsergebnis mit höherer zeitlicher Auflösung darstellen lassen. Der Interpolator (230) führt das interpolierte Korrelationsergebnis einer Maximumserfassungsvorrichtung (240) zu, die das absolute Maximum des Korrelationsergebnisses erfasst und dessen zugehörigen Korrelationszeitversatz an eine Laufzeit-Berechnungsvorrichtung (250) ausgibt. Diese berechnet die Laufzeit auf Grund des Zeitpunkts, der von der Maximumerfassungsvorrichtung (240) vorgesehen wurde und berücksichtigt gegebenenfalls systembedingte Verzögerungen durch Wandleransteuerung oder Erfassung/Berechnung. Darüber hinaus sieht die Maximumerfassungsvorrichtung (240) den Abstand zwischen den Maxima vor sowie das Werteverhältnis der Nebenmaxima und gibt die Ergebnisse an einen Frequenzfehlerdetektor (260) aus. Der Frequenzfehlerdetektor erfasst die Differenz zwischen den zeitlichen Abstand der Maxima (die einer Periodendauer entspricht) und vergleicht diese mit einer Referenzfrequenz. Anhand des Fehlers, der sich durch den Vergleich ergibt, wird ein Signalgenerator (270) betrieben, der den Sende-Frequenzände-rungsverlauf des Sendepulses vorsieht.
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Die Vorrichtung kann ferner optional einen digitalen Signalprozessor (280) umfassen, der die Korrelationsergebnisse erhält (nicht dargestellt) und der sowohl den Korrelator (226) als auch die Zeitfenstervorrichtung (222) durch Vorgabe von Pulsfensterparametern (Fensterbeginn, Fensterlänge) ansteuert.
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Die in 3 dargestellte Ausführung sieht somit eine Empfangszeitreferenz-Erfassungsvorrichtung vor in Form des Korrelators (226) und der Maximumermittlungsvorrichtung (240) sowie der Laufzeitberechnungsvorrichtung (250). Eine erfindungsgemäße Zeiterfassungsvorrichtung wird von im wesentlichen allen Komponenten der 3 vorgesehen, wobei die Vorstufe (210) zunächst das Eingangssignal (200) in ternäre Signale (218) umwandelt, die daraufhin durch Korrelation mit einem vorgesteuerten Signal-Frequenzänderungsverlauf (228) bzw. von der Laufzeiterfassungsvorrichtung (250) vorgesehen werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Momentansignalamplitude/Momentanfrequenz-Konverter vorgesehen von dem Komparator (216), der das Eingangssignal (200) (gefiltert) durch Filter (212, 214) auf dessen Nulldurchgang reduziert und somit im wesentlichen lediglich frequenzbezogene Information in Form des ternären Signals (218) weitergibt. In der in 3 dargestellten Ausführung wird keine Umwandlung in ein konkretes Frequenzsignal vorgesehen, vielmehr verbleibt das Signal nach der Konvertierung in einer Form, die sich auf die Pulsbreiten einer Periode bezieht und somit die Frequenz reziprok darstellt. Da Periodenbreite und Frequenz als äquivalente Darstellungsformen angesehen werden, kann das ternäre Signal (218) auch als Frequenzverlaufsignal angesehen werden. Somit kann auch der Komparator (216) als Konverter angesehen werden, der ein Amplitudensignal in ein Frequenzsignal (hier: in Pulsperiodenbreitendarstellung) umwandelt.
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In der 3 ist ferner eine weitere, optionale Komponente dargestellt, die vorsieht, die Schwellwerte gemäß einem erfassten Rauschpegel anzupassen. Dieser Schwellwertgenerator (280), gestrichelt dargestellt, empfängt das ternäre Signal (218), jedoch vor der Zeitfenstervorrichtung (222). Dadurch kann der Schwellwertgenerator (280) einen Signalpegel feststellen, der sich auf ein Zeitfenster vor dem eigentlichen Empfangspuls bezieht, und kann daraus den Rauschpegel ableiten. Der Schwellwert wird daraufhin gemäß dem Rauschpegel eingestellt, d. h. derart eingestellt, dass der Schwellwert über dem Rauschpegel liegt. Dabei kann von dem maximal erfassten Rauschpegel ausgegangen werden, wobei sich die Schwellwerte dadurch ergeben, dass dem maximalen Rauschpegel eine Sicherheitsmarge addiert wird, wie beispielsweise einen bestimmten Betrag, beispielsweise 10% des maximalen Rauschpegels entspricht. Die Sicherheitsmarge kann jedoch auch weggelassen werden, und der Schwellwert kann dem maximalen Rauschpegel plus eine Wertdiskretisierungsstufe entsprechen.
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Die Vorrichtung, auch die in 3 dargestellte Vorrichtung kann in Form von analoger Hardware, fest verdrahteter Hardware, Software und programmierbarer Hardware oder eine Kombination hiervon vorgesehen werden. Insbesondere kann die Vorrichtung vorgesehen werden durch einen Mikrocontroller mit einem Analog-Digitalwandler, wobei der Komparator sowie sämtliche in der Auswertungsschaltung (220) dargestellten Komponenten in Form von Software vorgesehen werden, die auf einem Prozessor abläuft. Die Tief- und Hochpässe (212, 214) können entweder analog vorgesehen werden oder in Form eines Softwarecode-Abschnitts.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die Filter (212, 214) als analoge Filter vorgesehen, wobei der Komparator 216 als Durchschaltung ausgeführt wird. Ebenso kann der Korrelator als fest verdrahtete Logikschaltung ausgeführt sein. Die Schieberegister (224, 224') sowie der Speicher (228) können durch einen Lese-/Schreibspeicher vorgesehen werden, wobei vorzugsweise die Werte des Speichers (228) in einem Bereich abgelegt werden, der nicht vorgesehen ist, beschrieben zu werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007027188 A1 [0004]
