DE102009049067A1

DE102009049067A1 - Verfahren und Vorrichtung zur verbesserten Ultraschall- Laufzeitdifferenzmessung

Info

Publication number: DE102009049067A1
Application number: DE102009049067A
Authority: DE
Inventors: Michael Horstbrink; Roland Wanja; Sami Radwan; Tobias Lang; Roland Mueller; Gerhard Hueftle; Bernd Kuenzl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2011-04-14
Also published as: WO2011045109A1; JP2013507624A; JP5490246B2; US20120266676A1; EP2488834A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laufzeitdifferenzmessung. Das Verfahren umfasst: Absenden eines Sende-Ultraschallpulses, der mit einem Sende-Referenzzeitpunkt ausgestattet ist und eine Einhüllende und eine Trägerfrequenz umfasst, in einen Raumbereich und Empfangen eines Empfangs-Ultraschallpulses, der dem Sende-Ultraschallpuls entspricht, welcher durch den Raumbereich übertragen wurde. Eine Grob-Zeitdifferenz wird als Ergebnis eines Schritts des Vergleichens des Sende-Referenzzeitpunkts mit einer Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses vorgesehen, für mindestens zwei Schritte des Absendens und Empfangens, die mit zueinander entgegengesetzten Übertragungsrichtungen ausgeführt werden. Eine Fein-Zeitdifferenz wird als Ergebnis eines Schritts des Vergleichens des Sende-Referenzzeitpunkts mit einem Momentanverlauf des Empfangs-Ultraschallpulses, für die mindestens zwei Schritte des Absendens und Empfangens, die mit zueinander entgegengesetzten Übertragungsrichtungen ausgeführt werden. Eine Kombination der Fein-Zeitdifferenzen, die für die entgegengesetzten Übertragungsrichtungen vorgesehen werden, wird als Einzelkombination vorgesehen. Eine Kombination der Grob-Zeitdifferenzen, die für die entgegengesetzten Übertragungsrichtungen vorgesehen werden, wird ebenso als Einzelkombination vorgesehen. Die Laufzeitdifferenz ergibt sich als eine Kombination dieser Einzelkombinationen. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung mit einem Grob-Vergleicher, einem ...

Description

Stand der Technik
Aus dem Bereich der technischen Akustik ist bekannt, Ultraschall in einen Raum abzugeben und anhand der im Raum übertragenen Schallwellen auf Eigenschaften des Raums zu schließen. Hierbei bildet die Änderung des Signals durch die Übertragung innerhalb des Raums die physikalische Grundlage für die Erfassung von Raumeigenschaften.
Diese physikalische Grundlage wird verwendet, um insbesondere eine Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz zu erfassen, um daraus Eigenschaften einer Strömung innerhalb des Raums zu erfassen. Anwendungsbeispiele hierfür finden sich beispielsweise in der Kfz-Technik, bei der Durchflusssensoren zur Erfassung der einströmenden Luftmenge bzw. für die Dosierung des Kraftstoffs bzw. des Kraftstoffgemischs verwendet werden. Grundsätzlich können Ultraschalldurchflusssensoren (auch diejenigen, die gemäß der im Weiteren beschriebenen Erfindung ausgebildet sind) in allen Bereichen der Technik verwendet werden, bei denen eine Durchflussrate oder Durchflussgeschwindigkeit oder andere Strömungseigenschaften innerhalb eines Raums erfasst werden sollen.
Die Genauigkeit, die mit derartigen Ultraschallsensoren erreicht werden kann, ist beschränkt durch die Genauigkeit des Ultraschallwandlers, sowie durch die Rauschsignalstärke, die von Störungen außerhalb des Sensors hervorgerufen werden. Derartige Störungen sind beispielsweise Störungen, die von der Umgebung abgestrahlt werden, und insbesondere Störungen durch Strömungsgeräusche, Ventile, Pumpen oder ähnliches. Wandler können aus Kostengründen sowie aus Platzgründen nicht mit unbegrenzter Genauigkeit und Sendeleistung vorgesehen werden, so dass bei Ultraschalldurchflusssensoren gemäß dem Stand der Technik sich Probleme hinsichtlich der Präzision ergeben, wobei die Präzisionsprobleme nicht vollständig durch hochpräzise und daher teure Sensoren ausgeglichen werden können.
Aus der Druckschrift DE 10 2005 037 458 A1 ist bekannt, einen Ultraschall-Strömungssensor mit Driftkompensation auszustatten, wobei ein Offset-Fehler des Ultraschallwandlers erfasst wird und bei der Laufzeitmessung berücksichtigt wird. Die dort beschriebene Vorrichtung umfasst eine Auswerteelektronik, die auf der Erfassung der Phasenverschiebung zwischen den Signalen beruht. Die erfindungsgemäße Kombination dient zur Berücksichtigung der Alterung eines Wandlers, die sich auf das Ansteuerungsverhalten niederschlägt.
Druckschrift 10 2007 027188 A1 zeigt ebenso einen Ultraschallsensor, der auf der Erfassung der Phasenverschiebung zwischen Empfangs- und Sendesignal beruht. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, unterschiedliche Demodulationsfrequenzen zu verwenden und mittels einer so genannten Nonius-Einheit einen eindeutigen Phasenmessbereich von mehreren Ultraschallperioden zu ermöglichen.
Druckschrift 10 2004 014 674 A1 beschreibt einen Ultraschall-Strömungssensor, wobei ein Nulldurchgang des Ultraschallsignals als Empfangszeitpunkt bestimmt wird, nachdem ein vorgegebener Schwellwert von der Tiefpass gefilterten Signalamplitude des Ultraschallsignals überschritten wurde.
Die im Stand der Technik beschriebenen Mechanismen zur Kombination von Fehlern sind hinsichtlich der erreichten Präzision beschränkt und erlauben ebenso nur eine beschränkte eindeutige Erfassung der Laufzeit, da ausschließlich die Phase betrachtet wird.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Ultraschall-Laufzeitmessung bzw. -Laufzeitdifferenzmessung vorzusehen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung nach Anspruch 9.
Die Erfindung erlaubt eine deutliche Verbesserung der Präzision bei Ultraschalllaufzeitmessungen, ohne dass auf kostenintensive hochpräzise Ultraschallwandler und einer entsprechend genauen Berechnungsschaltung zugegriffen werden muss. Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine eindeutige Erfassung der Laufzeitdifferenz über einen großen Messbereich, d. h. über mehrere Ultraschallperioden. Grundsätzlich ermöglicht die Erfindung die Erfassung der Laufzeitdifferenz über einen im Wesentlichen unbegrenzten Messbereich, ohne jedoch eine verringerte Präzision in Kauf nehmen zu müssen. Als besonderer Vorteil ermöglicht die Erfindung nicht nur eine preisgünstige einfache Realisierung, sondern ferner eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich vereinfachte Reduzierung des Berechnungsaufwands, ohne Präzision oder Messbereich bzgl. der Laufzeitdifferenzmessung des Sensors zu verringern. Besondere Ausführungsformen der Erfindung sehen ferner eine geringe zeitliche Auflösung der zu verarbeiteten Daten vor bzw. eine deutliche Reduktion der zeitlichen Auflösung der abgetasteten Wandlersignale, wodurch sich der Verarbeitungsaufwand verringert und kostengünstige Bauteile verwendet werden können, ohne jedoch substantielle Verschlechterungen bei der Genauigkeit hinnehmen zu müssen.
Vor allem ermöglicht die Erfindung, dass Alterungsprozesse sowie vom Wandler erzeugte Verzerrungen (insbesondere Verzögerungen durch das Ansprechverhalten des Wandlers) kompensiert werden, indem eine differenzielle Auswertung bzw. die erfindungsgemäße kombinierte Auswertung von entgegengesetzt übertragenen Schallpulsen durchgeführt wird. Hierbei kompensiert eine Auswertung der Laufzeit in zwei zueinander entgegengesetzten Wellenausbreitungsrichtungen das Wandlerverhalten und insbesondere die Kombination von Fein-Zeitdifferenzen sowie die Kombination von Grob-Zeitdifferenzen gegenläufiger Schallpulse, wobei zur Laufzeitdifferenzerfassung beide Kombinationen wiederum geeignet kombiniert werden.
Das der Erfindung zugrunde liegende Konzept ist es, eine Erfassung der Laufzeit anhand einer Einhüllenden mit einer Erfassung der Laufzeit anhand der Phasenbeziehung zwischen Sende-Zeitpunkt und Empfangs-Puls, d. h. mittels einer Messung der Phase des Momentanamplitudenverlaufs des selben Sende-/Empfangspulses zu kombinieren, wobei dies für Schallpulse in zwei zueinander entgegengesetzten Übertragungsrichtungen ausgeführt wird.
Die Ermittlungen der Laufzeit des gleichen Schallpulses, jedoch anhand unterschiedlicher Charakteristika des zugehörigen Wandlersignals (d. h. anhand der Einhüllenden und anhand des Momentanphasenverlaufs) werden als unterschiedliche Erfassungsmodi bezeichnet. Die beiden Zeitdifferenzermittlungen unterschiedlicher Erfassungsmodi, welche anhand von Phasenbetrachtungen des Momentanamplitudenverlaufs bzw. anhand der Erfassung der Einhüllenden am gleichen Empfangspuls ausgeführt werden, werden somit für einen Ultraschallpuls in einer Übertragungsrichtung sowie für einen Ultraschallpuls in der entgegengesetzten Richtung ausgeführt. Die Resultate der Zeitdifferenzermittlungen werden kombiniert, wobei sich Fehlerkompensationseffekte für Fehler ergeben, die von dem Wandlerverhalten verursacht werden. Die erfindungsgemäße Kombination der ermittelten Zeitdifferenzen sieht vor, dass die Zeitdifferenzen, welche jeweils anhand des selben Erfassungsmodus, jedoch für umgekehrte Übertragungsrichtungen erfasst werden, zu Einzelkombinationen des gleichen Erfassungsmodus miteinander kombiniert werden, und die sich ergebenden Einzelkombinationen der beiden Erfassungsmodi miteinander kombiniert werden, um die Laufzeitdifferenz als Endergebnis des Laufzeitdifferenzerfassungsverfahrens vorzusehen. Im einzelnen werden die Fein-Zeitdifferenzen (ermittelt durch Betrachtungen des Momentanamplitudenverlaufs) von Schallpulsen unterschiedlicher Übertragungsrichtung kombiniert, und die Grob-Zeitdifferenzen (ermittelt durch Betrachtungen der Einhüllenden) von Schallpulsen unterschiedlicher Übertragungsrichtung werden zu Einzelkombinationen kombiniert, insbesondere durch Subtraktion oder auch Addition.
Diese Einzelkombinationen werden zur Ermittlung des Endergebnisses (d. h. der Laufzeitdifferenz) zusammen mittels einer übergeordneten Kombination kombiniert, beispielsweise per Subtraktion. Diese übergeordnete Kombination sieht vor, einen Term, der die Einzelkombination der Grob-Zeitdifferenzen (d. h. deren Differenz, bzw. die Grob-Laufzeitdifferenz) umfasst, zu runden, und den gerundeten Term mit der Einzelkombination der Fein-Zeitdifferenzen (d. h. deren Differenz, bzw. die Fein-Laufzeitdifferenz) zu kombinieren, vorzugsweise per Addition. Der zu rundende Term umfasst ferner vorzugsweise die Fein-Laufzeitdifferenz, die von der Grob-Laufzeitdifferenz innerhalb des Terms abgezogen wird. Die Fein-Laufzeitdifferenz, die Grob-Laufzeitdifferenz, oder beide Differenzen innerhalb des Terms können mit einem Anpassungsfaktor multipliziert werden, so dass nach Multiplikation beide Laufzeitdifferenzen in der selben Domäne dargestellt sind, bsp. Winkelangaben oder Zeitangaben.
Der zu rundende Term umfasst ferner eine Rundungsausgleichskonstante, die nachgeführt wird. Die Rundungsausgleichskonstante wird gemäß dem Abstand des zu rundenden Terms bzw. des Rundungsarguments zum gerundeten Term bzw. zu den benachbarten Rundungsgrenzen nachgeführt, um durch die Rundungsausgleichskonstante den zu rundenden Term im Durchschnitt oder über einen gleitenden Mittelwert in der Mitte zwischen den beiden Rundungsgrenzen der Rundung zu halten. Dadurch wird ein durch übliche Streuungen hervorgerufener Sprung zum nächsten diskreten Rundungswert vermieden. Insbesondere ermöglicht die Nachführung der Konstante, die in Form eines zu addierenden Wertes dem Rundungsargument hinzugefügt wird, dass Phasendrifts oder Zeitdrifts, die sich langsam ändernde Wandlereigenschaften oder Asymmetrien bzgl. der Schallübertragung z. B. aufgrund einer Strömung verursachen, zumindest teilweise kompensiert werden. Derartige Drifts werden von der Konstanten aufgenommen, die naturgemäß das gleiche zeitliche Verhalten zeigt, wie die Drifts. Die Konstante kann nachgeführt werden, indem die beiden Abstände zwischen dem Rundungsargument einschließlich der Konstanten und den beiden nächstliegenden Rundungsgrenzen für zumindest eine Messung ermittelt werde. Die Abstände werden akkumuliert, beispielsweise mit einem gleitenden Mittelwert oder mittels eines Tiefpass. Für eine folgende Laufzeitdifferenzerfassung wird die Konstante so vorgesehen (z. B. durch Verringern oder durch Erhöhen der Konstanten), dass die Konstante für die vergangenen Messungen das Argument im Wesentlichen in der Mitte zwischen den Rundungsgrenzen vorsieht, und diese Konstante für die folgende Laufzeitdifferenzerfassung verwendet wird. Bei einer Kombination von Fein-Zeitdifferenzen und Grob-Zeitdifferenzen entgegengesetzter Richtungen durch Differenzbildung heben sich die beiden zugehörigen Konstanten zumindest teilweise auf, so dass eine nachzuführende Konstante innerhalb des Rundungsarguments nicht unbedingt notwendig wäre. Eine vollständige Aufhebung tritt prinzipiell nur für streng symmetrische bzw. reziproke Übertragungs-Situationen. Dieser Idealzustand liegt nur bei einem isotropen Übertragungsmedium vor, welches also z. B. keinen makroskopischen Strömungszustand aufweisen darf. Im Fall einer Strömung dagegen kann sich u. U. außer der (zu messenden) Laufzeitdifferenz auch das Rundungsargument von der Mitte zwischen den beiden jeweils benachbarten Rundungsgrenzen wegbewegen. Dies kann z. B. dadurch hervorgerufen werden, dass sich mit und entgegen der Strömungsrichtung unterschiedlich starke Strahlverwehungen einstellen, so dass in beiden Übertragungsrichtungen unterschiedliche Bereiche der räumlichen Abstrahl- bzw. Empfangs-Charakteristik der Ultraschallwandler und damit leicht unterschiedliche Übertragungsfunktionen wirksam sind. Deshalb wird vorzugsweise eine nachzuführende Konstante verwendet, die sich in ihrer Nachführung an der Mitte zwischen beiden Rundungsgrenzen (als Zielvorgabe) orientiert.
Daher wird erfindungsgemäß vorgesehen, die Grob- und Fein-Differenzen für zueinander entgegengesetzte Richtungen zu erfassen und zunächst, für jeden Erfassungsmodus getrennt, die Zeitdifferenzen zu kombinieren, die entgegengesetzten Übertragungsrichtungen zugeordnet sind. Die für jeden Erfassungsmodus einzeln durchgeführte Kombinationen werden wiederum miteinander in einer übergeordneten Kombination kombiniert. Diese sieht vor, die (als Subtraktion vorgesehene) Kombination der Grob-Zeitdifferenzen und die (als Subtraktion vorgesehene) Kombination der Fein-Zeitdifferenzen zu kombinieren, vorzugsweise einschließlich der (zu addierenden) Rundungsausgleichskonstanten, und die erhaltene Kombination zu Runden. Das Rundungsergebnis wird mit der Fein-Zeitdifferenz durch Addition kombiniert. Somit umfasst die Erfassung der Laufzeitdifferenz lediglich die Kombination von Zeitdifferenzen als Subtraktion zweier Zeitdifferenzen, die in unterschiedliche Richtungen übertragen werden. Durch diese differenzielle Messweise ergeben sich im Vergleich zur absoluten Messweise Kompensationen von Wandlereigenschaften, die diese als Sender und als Empfänger in gleichem Maße aufweisen. Als Zeitdifferenzen werden hierbei Zeitdauern bezeichnet, die sich zwischen dem Senden und dem Empfangen ergeben.
Durch die Verwendung unterschiedlicher Erfassungsmodi wird die Uneindeutigkeit der Phasenmessung vollständig kompensiert anhand der Information, die sich aus der Laufzeiterfassung ergibt, und die Ungenauigkeit der Laufzeitmessung wird vollständig kompensiert durch die Genauigkeit der Phasenmessung. Um die Informationen aus der Phasenmessung mit den Informationen aus der Laufzeitmessung in Einklang bringen zu können, wird die Einhüllende des Sende-/Empfangs-Ultraschallpulses betrachtet, um eine erste, grobe Zeitinformation aus der Laufzeitmessung erhalten zu können. Diese wird zur Erhöhung der Präzision ergänzt durch die Information, die sich aus der Phasenmessung ergibt. Gemäß einer anderen Betrachtungsweise wird die genaue, jedoch uneindeutige Information aus der Phasenmessung für einen größeren Laufzeitbereich nutzbar gemacht, indem diese Information mit der Grobinformation aus der Betrachtung der Einhüllenden kombiniert wird. Die Information aus der Einhüllenden ermöglicht es, die aufgrund der Periodizität des Trägersignals uneindeutige Phaseninformation in den breiten Kontext der Einhüllenden zu stellen, wobei gegebenenfalls die (für sich genommen) uneindeutige Phaseninformation mittels der (groben) Laufzeitinformation auf einen sehr großen Messbereich eindeutig erweitert werden kann.
Während die Phase und der Zeitpunkt bzw. die Hüllkurve des Empfangs-Ultraschallpulses tatsächlich erfasst werden, in dem beispielsweise ein Zeitreferenzpunkt im Wellenverlauf berechnet oder konstruiert wird, sieht die Erfassung des Sende-Ultraschallpulses lediglich vor, einen Zeitreferenzpunkt bereitzustellen, d. h. einen Sende-Referenzzeitpunkt, beispielsweise in Form eines Triggerimpulses einer Zeitmarke oder anhand der elektrischen Ansteuersignale des Wandlers. Da durch die Wandler die Form der Ansteuersignale grundsätzlich verformt und auch verzögert werden (bsp. durch angekoppelte Schwinger und durch Resonanzverhalten der Wandler), erfordert die Erfassung (eines Zeitreferenzpunkts) des Empfangs-Ultraschallpulses eine tatsächliche Analyse (der Phase und der Form der Einhüllenden), während der Zeitreferenzpunkt des Sende-Ultraschallpulses in Form des Ansteuersignals durch eine Steuerung vorgegeben wird. Der Sende-Referenzzeitpunkt betrifft den Sende-Ultraschallpuls in seiner Darstellung als elektrisches Signal und kann aus einem Trigger- oder Ansteuersignal gewonnen werden, ggf. einschließlich einer konstanten oder als konstant anzunehmenden Verzögerung. Ebenso ergibt sich für den akustischen Sende-Ultraschallpuls eine eindeutige Abhängigkeit von dem Ansteuersignal, wobei diese Abhängigkeit wiederum von den Wandlereigenschaften (Ansprechverhalten) abhängt und ggf. eine vorgegebene Verzögerung umfasst.
Ferner können sich durch Änderungen der Wandlereigenschaften Fehler ergeben, die durch einen langsam zunehmenden Phasenfehler in den Wandlern entstehen. Da diese Phasenfehler zumindest innerhalb einer reziproken Übertragungssituation für einen Wandler im Sendemodus die gleichen sind wie im Empfangsmodus, kann durch eine Differenzbildung (d. h. durch die oben genannte Subtraktion) der Fein-Zeitdifferenz (und der Grob-Zeitdifferenz) für beide, zueinander entgegengesetzte Übertragungsrichtungen kompensiert werden. Darüber hinaus kann dem Term, der als Argument für die Rundung dient, eine additive Konstante hinzugefügt werden, wobei sich eine Rundung einschließlich der Konstanten ergibt. Die Konstante kann gemäß dem Abstand zwischen dem Rundungsargument und den Rundungsschwellen (oder einer der beiden Rundungsschwellen) nachgeführt werden. Als Abstand wird hierbei der Abstand zwischen Rundungsschwellen und einem zeitlich gemittelten Rundungsargument (oder einem Rundungsargument, das frühere und insbesondere die vorangehende Erfassung umfaßt) bezeichnet. Ergibt sich somit eine Phasendrift (d. h. langsam zunehmene Phasenverschiebung gegenüber der Grob-Zeitdifferenz), so kann durch integrierte oder tiefpassgefilterte Nachführung der Konstanten innerhalb des Rundungsterms vermieden werden, dass eine Phasendrift mit der Zeit aufläuft, die zu einer Rundung in die nächste Periode des Momentanamplitudenverlaufs führt, und somit ein nicht zutreffender Phasensprung in der Laufzeit- bzw. Laufzeitdifferenzerfassung (als Endergebnis) auftritt. Als Konstante wird daher ein Wert bezeichnet, der sich nur langsam mit der Phasendrift ändert, um diese zu kompensieren, im Gegensatz zu den sich (im Vergleich hierzu) schnell ändernden Zeitdifferenzen, Laufzeiten und Laufzeitdifferenzen.
Als „Empfangs-Ultrasschallpuls” und „Sende-Ultrasschallpuls” werden akustischen Wellen und deren elektrisches Äquivalent auf der anderen Seite des Wandlers gleichermaßen bezeichnet. Bei der Wandlung zwischen der elektrischen Seite und der akustischen Seite (und umgekehrt) können Verzögerungen und/oder Verformungen auftreten. Als Zeitdifferenzen (d. h. Fein- und Grob-Zeitdifferenzen) werden Zeitdauern bezeichnet, die das zeitliche Intervall zwischen Empfangs- und Sendepuls (bzw. Sendezeitpunkt) kennzeichnen.
Um die Eindeutigkeit der Phaseninformation herzustellen bzw. deren Wertebereich auf mehrere Ultraschallperioden bzw. mehr als 2π auszudehnen, wird die Einhüllende des Ultraschallpulses betrachtet, deren Verlauf zur entsprechenden Grobregistrierung verwendet wird. Zur groben Erfassung der Laufzeit wird daher die Einhüllende verwendet, um die Form der Einhüllenden des Sende-Ultraschallpulses (genauer: der Sende-Referenzzeitpunkt) mit der Form oder einem Merkmal der Form der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses in Übereinstimmung zu bringen und so eine Grob-Zeitdifferenz zu erfassen. Als Merkmal der Form der Einhüllenden wird beispielsweise eine erste ansteigende Flanke der Einhüllenden bezeichnet oder auch ein erstes Maximum. Die Grob-Zeitdifferenz entspricht der Laufzeitinformation, die sich aus der Betrachtung der Laufzeit allein ergibt. Zusätzlich wird erfindungsgemäß eine Fein-Zeitdifferenz erfasst, die der Information entspricht, die aus der Phasenerfassung resultiert. Die Phasenerfassung basiert auf der Phasenbetrachtung des Trägersignals und ist somit naturgemäß nur innerhalb einer gesamten Periode (das heißt 0°–360° bzw. 0–2π oder –π–+π oder einem vergleichbaren Bereich) eindeutig. Die Einhüllende des Sende-Ultraschallpulses (insbesondere der Sende-Referenzzeitpunkt, bsp. ein Triggersignal oder ein Zeitsignal, das den Zeitpunkt des Erzeugens des Ultraschallpulses bestimmt) und die Einhüllende des Empfangs-Ultraschallpulses können durch eine übliche Korrelationsfunktion in Übereinstimmung gebracht werden, oder ebenso durch einen Matched-Filter, der auf die Einhüllende des Empfangs-Ultraschallpulses angewendet wird, wobei sich die Grob-Zeitdifferenz aus dieser Korrelation bzw. aus dem Ergebnis des Matched-Filters im Vergleich zu dem Sende-Referenzzeitpunkt ergibt. Neben einer Korrelation können auch andere Mechanismen zur Erfassung eines Zeitversatzes verwendet werden, insbesondere eines Merkmals des Empfangs-Ultraschallpulses, mit dem der Sende-Referenzzeitpunkt verglichen wird, beispielsweise indem ein Merkmal wie ein Maximum, ein Wendepunkt, ein Minimum oder ein Nulldurchgang der Einhüllenden, der ersten oder zweiten zeitlichen Ableitung der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses erfasst wird und mit einer Synchronisiervorrichtung, einem Zeitmesser (beispielsweise ein Zähler) oder ähnlichem mit dem gesendeten Signal (d. h. mit dem Sende-Referenzzeitpunkt) verglichen wird, um den Zeitversatz, das heißt die Grob-Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangs-Ultraschallpuls zu erfassen. Der Wendepunkt wird erfasst durch Erfassung eines Maximums der Steigung der Einhüllenden oder eines Nulldurchgangs der zweiten zeitlichen Ableitung der Einhüllenden. Der Empfangs-Ultraschallpuls muss nicht notwendigerweise mit dem Sende-Ultraschallpuls verglichen werden, sondern kann auch mit einem Signal verglichen werden, das an den Wandler abgegeben wird, oder mit dem der Wandler inklusive Vorstufe oder auch inklusive Pulsformfilter angesteuert wird. Beispielsweise kann der Vergleich mit dem Sende-Ultraschallpuls vorgesehen werden durch einen Vergleich mit einem Triggersignal, beispielsweise mit einer Flanke, mit welcher ein Signalgenerator (beispielsweise einen Pulsformfilter umfasst) angesteuert bzw. getriggert wird, um den Sende-Ultraschallpuls durch Ansteuerung des Ultraschallwandlers zu erfassen.
Die Betrachtung einer Zeitdifferenz (das heißt insbesondere die Betrachtung der Grob-Zeitdifferenz und der Fein-Zeitdifferenz) ist äquivalent zur Betrachtung der jeweiligen Phase, wobei sich, wie allgemein bekannt, Phase und Zeitdifferenz unmittelbar über die Trägerfrequenz proportional entsprechen. Daher sind hier aufgeführte Merkmale, die eine Zeitdifferenz betreffen, unmittelbar als Merkmale zu verstehen, die eine Phasenbetrachtung betreffen, und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Laufzeitdifferenzmessung umfasst daher einen Schritt des Absendens eines Sende-Ultraschallpulses in einem Raumbereich, wobei der Sende-Ultraschallpuls mit einer Trägerfrequenz vorgesehen ist, und eine Einhüllende aufweist. Um die Uneindeutigkeit der Fein-Zeitdifferenz (das heißt der Phaseninformation) aufzulösen, umfasst die Einhüllende nicht nur eine Gleichsignalkomponente (DC), sondern auch eine Wechselsignalkomponente (AC), selbst wenn die Wechselsignalkomponente nur aus einer ansteigenden oder abfallenden Flanke besteht. Grundsätzlich kann als Einhüllende jedes beliebige Signal verwendet werden, das nicht eine konstante Signalstärke zu jeder Zeit aufweist, sondern das zumindest eine Flanke aufweist. Besonders bevorzugt sind jedoch Einhüllende mit einer Autokorrelationsfunktion, die ein Maximum aufweist, welches sich stark von dem Wert der Autokorrelationsfunktion an einer anderen Stelle unterscheidet. Die Dauer der Einhüllenden, d. h. die Zeitdauer, für die die Signalstärke nicht null ist, umfasst eine Vielzahl von Trägersignalperioden. Ferner werden Einhüllende bevorzugt, die eine Dauer haben, die im Vergleich zur Periodendauer des Momentanamplitudensignals sehr groß ist (beispielsweise größer 100 1/f_Träger oder eine Länge der Einhüllenden, die das 5-, 10-, 20-, 50-, 100-, 200- oder 300-fache der Periodendauer des Trägersignals beträgt).
Gemäß einer allgemeinen Betrachtung sind orthogonale Signale zur Definition des Verlaufs der Einhüllenden zur Ausführung der Erfindung geeignet. Bei der Verwendung von periodischen Einhüllenden ist die Länge der Periodizität der Einhüllenden größer als der Messbereich des Laufzeitmessungsverfahrens, für den dieses eingesetzt wird.
Als Einhüllende werden insbesondere einzelne Pulse betrachtet, die nicht länger als eine anzunehmende Gesamtlaufzeit (das heißt Hin- und Rückweg des Ultraschallsignals) sind, und sich nach einer weiteren Echoberuhigungszeit wiederholen. Insbesondere ist die Einhüllende beendet, wenn der Anfang der Einhüllenden bereits am Empfänger (das heißt am Wandler) eintrifft, vorzugsweise inklusive einer zusätzlichen Schutzdauer, während der eine Sensorvorrichtung von Senden auf Empfangen umschaltet. Die oben betrachtet mögliche Periodizität der Einhüllenden betrifft nur eine Wiederholung der Signalform innerhalb ein und derselben Einhüllenden; insbesondere bezeichnet dies nicht die wiederholte Aussendung von Einhüllenden zur wiederholten Abtastung der Umgebung. Die Einhüllende ist somit ein und derselben Abtastperiode zugeordnet und umgreift insbesondere nicht mehr als eine einzelne Abtastperiode bzw. deren Sendeabschnitt zu Beginn der Abtastperiode. Die Länge der Einhüllenden ist daher definiert durch den anzunehmenden maximalen Hin- und Rückweg innerhalb des Sensors, wobei die Länge des Hin- und Rückwegs durch bauliche Gegebenheiten des Sensors gegeben ist, beispielsweise der Abstand zwischen Wandler und gegenüberliegendem Reflektor bzw. gegenüberliegender Wand oder Abstand zwischen den Wandlern.
Der Sende-Ultraschallpuls wird als Empfangs-Ultraschallpuls empfangen, wobei dieser dem Sende-Ultraschallpuls entspricht, der im Raumbereich reflektiert oder durch diesen hindurch gestrahlt wurde. Innerhalb des Raumbereichs befindet sich eine Strömung, deren Eigenschaften durch die Laufzeitmessung erfasst werden. Insbesondere die später erhaltene Laufzeitdifferenz hängt unmittelbar von der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Raumbereichs ab, so dass sich aus den kombinierten Zeitdifferenzen (das heißt aus der gemessenen Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz) auf die Strömungsgeschwindigkeit schließen lässt. Die Zeitdifferenzen zwischen den Sende-Ultraschallpulsen und den Empfangs-Ultraschallpulsen werden als (differentielle) Laufzeit erfasst; die Laufzeitdifferenz wiederum ist die physikalische Messgröße, aus der sich die physikalischen Eigenschaften der Strömung ableiten lassen.
Erfindungsgemäß wird der Sende-Ultraschallpuls von (mindestens) einem (weiteren) Wandler gesendet, der sich von dem Wandler unterscheidet, mit dem der Empfangs-Ultraschallpuls gesendet wird. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird das Absenden und das Empfangen wiederholt (z. B. doppelt oder abwechselnd) ausgeführt, wobei zunächst ein erster Wandler den Sende-Ultraschallpuls abgibt, der nach Durchtritt durch den Raumbereich von einem zweiten Wandler als Empfangs-Ultraschallpuls empfangen wird. Wie oben beschrieben werden die Zeitdifferenzen zwischen Senden und Empfangen (als Laufzeitkomponenten) erfindungsgemäß gemessen. Dann werden die Funktionen der Wandler für eine weitere erfindungsgemäße Laufzeitmessung umgekehrt. Bei der weiteren Laufzeitmessung sendet der zweite Wandler, d. h. der Wandler, der bei der vorherigen Laufzeitmessung den Empfangs-Ultraschallpuls erfasst hat, den Sende-Ultraschallpuls ab, und der erste Wandler, d. h. der Wandler, der bei der vorherigen Laufzeitmessung den Sende-Ultraschallpuls abgegeben hat, empfängt den Empfangs-Ultraschallpuls. Somit wird das erfindungsgemäße Verfahren wiederholt, insbesondere die Schritte des Empfangens und des Sendens, wobei die Funktionen des Sendens und des Empfangens bei der wiederholten Laufzeitmessung umgekehrt sind. In gleicher Weise sind die Ausbreitungswege umgekehrt: während der Schall sich bei der ersten Laufzeitmessung vom ersten Wandler zum zweiten Wandler ausbreitet, wird der Schall bei der wiederholten Laufzeitmessung vom zweiten Wandler (über den Raumbereich) an den ersten Wandler übertragen. Die Wiederholung kann ein- oder mehrmals ausgeführt werden, wobei jedoch vorzugsweise der Sende-Ultraschallpuls ungefähr gleich oft von allen (d. h. von beiden) Wandlern ausgesendet wird und sich somit die Übertragungsrichtung des Ultraschallpulses n-mal ändert, wobei n eine Zahl größer null ist.
Ferner kann das Senden und Empfangen verkettet vorgesehen werden, wobei ein erster Puls von einem ersten Wandler zu einem zweiten Wandler übertragen wird, und die zugehörige erste Fein-Zeitdifferenz und erste Grob-Zeitdifferenz wird erfasst. Daraufhin wird ein zweiter Puls von dem zweiten Wandler zu dem ersten Wandler übertragen, und die zugehörigen zweiten Fein- und Grob-Zeitdifferenzen werden erfasst. Ein dritter Puls wird wieder vom ersten an den zweiten Wandler übertragen, und die zugehörigen dritten Fein- und Grob-Zeitdifferenzen werden erfasst. Kombiniert werden nicht nur der erste und der zweite, sowie der dritte und ein weiterer Puls im Sinne von aufeinander folgenden Paaren, sondern der zweite und der dritte Puls werden ebenso für eine weitere Messung verwendet. Es werden allgemein Zeitdifferenzen aufeinander folgender Gruppen oder Paare von Pulsen ausgewertet, wobei die Kombinationen der erfassten Zeitdifferenzen innerhalb der Gruppen bzw. Paare ausgeführt werden. Verschiedene Paare oder Gruppen von Pulsen können entweder keine Messungen zu den gleichen Pulsen aufweisen (Beispiel: Pulse Nr. 1, 2, 3, 4; Kombinationen: 1/2 und 3/4, nicht jedoch 2/3 oder 2/4), oder die differenzielle Betrachtung umfasst die Kombination von Pulsen unterschiedlicher Gruppen, d. h. die Mehrfachverwendung der Zeitdifferenzen ein und des selben Pulses (Beispiel: Pulse Nr. 1, 2, 3, 4; neben den Kombinationen: 1/2 und 3/4: Kombination 2/3). Somit kann auch eine fortlaufende Differenzbildung (bsp. als Kombinationen ein- und derselben Zeitdifferenz mit einer nachfolgenden und einer vorangehenden Zeitdifferenz, die jeweils einer entgegengesetzten Übertragungsrichtung angehören) vorgesehen werden.
Diese wechselnde (da die Laufrichtung umkehrende) Ausführungsform der Erfindung sieht Differenzen der Fein- und der Grob-Laufzeit in eine Richtung abzüglich der Fein- und der Grob-Laufzeit in die umgekehrte Richtung vor. Aus den Differenzen kann unmittelbar auf die physikalischen Eigenschaften des Schallmediums innerhalb des Raumbereichs geschlossen werden, welches die mindestens zwei umgekehrt laufenden Schallpulse überträgt.
Die Laufzeitdifferenz ergibt sich vorzugsweise zu: Δt = (φ₁ – φ₂)/2π + round((t0₁ – t0₂)·f_empf – (φ₁ – φ₂)/2π + x)) mit:

Δt: = Laufzeitdifferenz
φ1: = Fein-Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangspuls in der ersten Übertragungsrichtung
φ2: = Fein-Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangspuls in einer Übertragungsrichtung umgekehrt zur ersten Richtung
t01: = Grob-Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangspuls in der ersten Übertragungsrichtung
t02: = Grob-Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangspuls in einer Übertragungsrichtung umgekehrt zur ersten Richtung
fempf: = Frequenz des Trägersignals des Empfangspulses.

(φ₁ – φ₂)/2π ist hierbei ein Term, der die Zeitdifferenz für die Übertragungen wiedergibt, die in zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen ausgeführt werden, und betrifft die Komponenten der Erfassung, die anhand des Phasenvergleichs als Fein-Zeitdifferenzen vorgesehen sind. „Fein-Zeitdifferenz” ist hierbei lediglich die Differenz zwischen dem Sende- und dem Empfangspuls einer einzelnen Übertragung.
(t0₁ – t0₂)·f_empf ist ein Term, der die Differenz der Grob-Zeitdifferenzen wiedergibt und entspricht einer Komponente der Zeitdifferenz, die basierend auf den Einhüllenden (in beide Richtungen) erfasst wird. Dieser Term wird um die Komponente der Zeitdifferenz korrigiert, der auf den Erfassungen der Fein-Zeitdifferenzen beruht, bevor eine Rundung stattfindet. Dieser korrigierte Term der Grob-Zeitdifferenz wird gerundet, da die Grob-Zeitdifferenzen fehlerbehaftet sind und nur zur Einordnung des Erfassungsergebnisses in eine bestimmte Trägerwellenperiode (oder -halbwelle) dienen. Im Falle einer kontinuierlichen Änderung der Laufzeit von Messung zu Messung (bezogen auf die jeweils gleiche Übertragungsrichtung) nimmt das Ergebnis der Rundung einen treppenförmigen Verlauf an, der gerade dann springt, wenn die zugehörige Phase den Phasenmessbereich (z. B. 0°–360°) überschreitet. Durch Addition mit dem phasenbasierten Erfassungsergebnisses wird das Gesamtergebnis präzisiert bzw. das mehrdeutige phasenbasierte Erfassungsergebnis wird durch die Addition auf einen größeren Phasenmessbereich erweitert.
x ist eine Rundungsausgleichskonstante, die so gewählt (und gegebenenfalls nachgeführt) wird, dass (t0₁ – t0₂)·f_empf – (φ₁ – φ₂)/2π + x) – round((t0₁ – t0₂)·f_empf – (φ₁ – φ₂)/2π + x) im zeitlichen Mittel Null oder nahe bei Null bleibt. Hierbei ist x ein Summand, der dem Argument der Rundung hinzuaddiert wird, wobei die Differenz zwischen dem Argument der Rundung und dem gerundeten Argument erfasst wird, um diese Differenz über die Zeit zu mitteln (bsp. mittels eines Integrators oder durch Mittelung über eine Zeitfenster). Dadurch wird eine sich entwickelnde Abweichung durch zunehmenden Phasenversatz (d. h. ein Phasendrift hervorgerufen durch den Wandler) erfassbar. Um Rundungsfehler (in Form von Sprüngen) zu vermeiden wird x langsam (bsp. Tiefpassfiltert) nachgeführt, um so den Drift zumindest teilweise auszugleichen.
Gemäß dieser Ausführungsform werden die einzelnen Ergebnisse, d. h. die Fein- und die Grob-Zeitdifferenzen, die sich durch die erste und die wiederholte Messung ergeben, (für jeden Erfassungsmodus einzeln) miteinander kombiniert. Diese Kombination kann vorgesehen werden durch: Addieren der Zeitdifferenzen, (arithmetisches) Mitteln der Zeitdifferenzen oder durch Ausbilden der relativen Differenz der Zeitdifferenzen (d. h. der sich aus Phasen- und Einhüllendenunterschied ergebenden Übertragungsdauer). Insbesondere wird diese Kombination vorgesehen durch Abziehen aller einzelnen Fein- und Grob-Zeitdifferenzen, die sich in einer Ausbreitungsrichtung ergeben, von den Fein- und Grob-Zeitdifferenzen, die sich in die umgekehrte Ausbreitungsrichtung ergeben. Die Kombination betrifft Messungen innerhalb eines kurzen Zeitraums, innerhalb dessen davon ausgegangen werden kann, dass Strömungsverhältnisse innerhalb des Raumbereichs sich nicht wesentlich geändert haben. Mit den Messergebnissen sind insbesondere physikalische Größen wie Temperatur, Luftfeuchte und Schallgeschwindigkeit des akustischen Mediums verknüpft, die sich deutlich langsamer ändern als die Strömungsverhältnisse, und daher aus den Messungen durch zeitliche Mittelung vorgesehen werden können. An die Stelle der oben stehenden Strömungsverhältnisse können durch die physikalische Verknüpfung auch die oben genannten physikalischen Größen treten. Alternativ betrifft die Kombination alle Zeitdifferenzen innerhalb eines gleitenden Zeitfensters, wobei die vorgesehene Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz einen Mittelwert für dieses Zeitfenster darstellt. Anstatt der Kombination über ein Zeitfenster können auch die einzelnen Zeitdifferenzen über die Zeit integriert werden.
Eine erfindungsgemäße Laufzeitdifferenzmessvorrichtung umfasst eine Kombinationsvorrichtung, die zur Ausführung dieser Kombinationen eingerichtet ist. Vorzugsweise umfasst die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung ferner einen Speicher, in dem mehrere Zeitdifferenzen gespeichert werden (d. h. zumindest die der ersten Messung und die der wiederholten Messung mit umgekehrter Richtung). Der Speicher ist mit der Kombinationsvorrichtung verbunden und gibt die einzelnen Zeitdifferenzen an die Kombinationsvorrichtung ab.
Grundsätzlich kann zwischen den verschiedenen Wandlern der Raumbereich vorgesehen sein, oder die Wandler können auf einer Seite des Raumbereichs vorgesehen sein, wobei ein Reflektor auf der gegenüberliegenden Seite vorgesehen ist.
Durch die Kombination der Fein- und Grob-Zeitdifferenzen, die umgekehrte Übertragungen des Sende-Ultraschallpulses betreffen, werden durch Wandler bedingte Fehler, die sich bei Absolutzeitmessungen der Laufzeit ergeben, gegeneinander aufgehoben, da durch die Kombination lediglich der Relativbetrag der Verzögerung vorgesehen wird, um den sich die Laufzeit eines Pulses übertragen in eine Richtung von der Laufzeit eines Pulses übertragen in die umgekehrte Richtung unterscheidet. Daher werden insbesondere Kombinationen bevorzugt, bei denen Laufzeiten unterschiedlicher Richtungen voneinander abgezogen werden.
Einerseits treten die erwünschten Fehlerkompensationen auf, wenn eine Laufzeitdifferenz ermittelt wird, da z. B. alterungsbedingte Veränderungen der Laufzeit näherungsweise in beiden Übertragungsrichtungen gleich sind und deshalb selbst innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs einer normalen Phasenmessung auch kleine Laufzeitdrifts durch die Differenzbildung noch kompensiert werden können. Andererseits treten weitere Kompensationen auf, wodurch zusätzlich der Eindeutigkeitsbereich der Phasenmessung erheblich erweitert werden kann, ohne auf zusätzliche empirische Konstanten zurückgreifen zu müssen, da Phasendrifts relativ zum Hüllkurvenverlauf bzw. zur Grobzeitdifferenz bei der Kombination durch Differenzbildung sich gegenseitig aufheben. Empirische Konstanten (die eine wandlerbedingte Phasenverzögerung wiedergeben) könnten nach einem anfänglichen Abgleich z. B. aufgrund von Alterung mit der Zeit ihre Gültigkeit verlieren. Dies ließe sich zwar durch Nachführungen kompensieren. Jedoch würden trotz Nachführung auftretende Fehler zu Fehlmessungen führen, die sich beliebig lang auswirken können.
Alternativ zur oben erwähnten abwechselnden Umkehr der Funktion der Wandler als Sender und Empfänger bzw. umgekehrt, ist es auch möglich an beiden Wandlern gleichzeitig oder zeitlich nur leicht versetzt zu senden und die Funktion der Wandler umzukehren, während die Ultraschallpulse sich noch in dem zu messenden Raumbereich ausbreiten. Die Sende-/Empfangsphasen können sich daher für zwei (oder mehrere) Wandler zeitlich überlappen oder können übereinstimmen.
Die Grob-Zeitdifferenz wird vorgesehen durch Vergleichen der Einhüllenden des Sende-Ultraschallpulses mit einer Einhüllenden, die von dem Empfangs-Ultraschallpuls vorgesehen wird. Der Vergleich bezieht sich auf die Zeitdifferenz zwischen beiden Ultraschallpulsen und kann wie oben beschrieben ermittelt werden durch Korrelieren, mittels eines Matched-Filters (der gemäß der Einhüllenden des (akustischen) Sende-Ultraschallpulses ausgebildet ist), durch Betrachten eines Triggersignals, das einen Beginn des Sende-Ultraschallpulses wiedergibt oder einem Sende-Referenzzeitpunkt, der die zeitliche Lage des Sende-Ultraschallpulses wiedergibt, und einem zugehörigen Verlaufsabschnitt der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses, beispielsweise eine steigende Flanke; durch Betrachtung von Verlaufsmerkmalen der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses oder deren erster oder zweiter zeitlichen Ableitung, beispielsweise ein Maximum, Minimum, Nulldurchgang oder Wendepunkt, der Zeitpunkt des Überschreitens einer festen oder variablen Triggerschwelle oder auch eine steigende oder abfallende Flanke anhand des zugehörigen Zeitpunkts in der Einhüllenden des Sende-Ultraschallpulses; oder durch andere Vergleichsverfahren, aus denen sich der Zeitversatz zwischen dem Sende-Ultraschallpulses und des Empfangs-Ultraschallpulses erfasst werden kann. Die Grob-Zeitdifferenz kann so beispielsweise mittels eines Zählers oder jeder anderen geeigneten Auswertelogik erfasst werden, vorzugsweise in digitaler Weise in einem Mikroprozessor. In gleicher Weise wird das Vergleichen vorgesehen durch Vergleichen digitaler Signale, vorzugsweise mittels eines Mikroprozessors, wobei die entsprechenden Verfahrensmerkmale realisiert sein können durch Software, durch festverdrahtete Schaltungen oder durch eine Kombination hiervon.
Ferner wird die Fein-Zeitdifferenz vorgesehen als Ergebnis eines Schritts des Vergleichens einer Phase des Trägersignals. Hierbei wird der Phasenverlauf des Trägersignals des Sende-Ultraschallpulses (oder der Sende-Referenzzeitpunkt) mit dem Phasenverlauf des Trägersignals des Empfangs-Ultraschallpulses verglichen. Dieser Schritt des Vergleichens entspricht dem Vergleich von Momentanamplituden zwischen Sende- und Empfangsultraschallpuls. Die Fein-Zeitdifferenz orientiert sich daher an dem unmittelbaren Signalverlauf, wie er vom Wandler empfangen wird, wobei jedoch auch hiervon nach der Zeit abgeleitete Signale verwendet werden können.
Erfindungsgemäß werden die Fein-Zeitdifferenzen mit den Grob-Zeitdifferenzen kombiniert, beispielsweise durch Addition von Kombinationen von Fein-Zeitdifferenzen unterschiedlicher Erfassungsschritte mit Kombinationen von Grob-Zeitdifferenzen unterschiedlicher Erfassungsschritte, wobei sich die Erfassungsschritte auf entgegengesetzte Übertragungsrichtungen beziehen. Insbesondere kann die Kombination darin bestehen, die Kombination der Grob-Zeitdifferenzen nur als ganzzahlige Vielfache einer Periodenlänge oder einer halben Periodenlänge vorzusehen (beispielsweise durch Runden der nicht gerundeten Kombination der Grob-Zeitdifferenzen abzüglich der Kombination der Fein-Zeitdifferenz als Rundungsargument), und die „Nachkommastelle”, das heißt den entsprechenden genauen Anteil innerhalb der Periode oder halben Periode als (Kombination der) Fein-Zeitdifferenzen.
Die Einhüllende ergibt sich bei einigen Wandlerarten, bsp. Piezowandler, durch das Ansprechverhalten des Wandlers auf ein Rechteck-Ansteuersignal oder -impuls und ist definiert durch Trägheit, Resonanzverhalten, Einschwingverhalten, Nachschwingverhalten und Wechselwirkung mit weiteren Schwingungssystemen. Die folgende Betrachtung betrifft Wandler, bei denen näherungsweise angenommen wird, dass diese das Ansteuersignal im Wesentlichen unverfälscht wiedergeben, insbesondere hinsichtlich der Hüllkurve. Derartige Wandler werden als ideale Wandler angenommen und dienen zur Erläuterung der Erfindungsprinzipien, nicht jedoch der Erläuterung von realen Umsetzungen, da reale Wandler wesentliche eigene Ansteuercharakteristika aufweisen. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht daher vor, die Einhüllende oder auch nur einen Abschnitt der Einhüllenden derart vorzusehen, dass die zugehörige Autokorrelationsfunktion der Einhüllenden mindestens ein Maximum aufweist. Im Falle von mehreren Maxima unterscheidet sich vorzugsweise das größte Maxima deutlich von den anderen Maxima, insbesondere unterscheiden sich die beiden größten Maxima um einen Mindestbetrag, um Mehrdeutigkeiten bei der Grob-Zeitdifferenz zu vermeiden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die mit dieser kombinierbar ist, ist der gesamte Verlauf der Einhüllenden, vorzugsweise jedoch nur ein Abschnitt der Einhüllenden eine streng monoton verlaufende Funktion der Zeit. Mit anderen Worten ist die Einhüllende zumindest abschnittsweise nicht konstant, wobei als streng monoton verlaufende Funktion der Zeit Funktionen bezeichnet werden, die für zwei Zeitpunkte, selbst wenn diese unmittelbar aufeinander folgen, nicht den gleichen Wert aufweisen. Alternativ zu streng monoton verlaufenden Funktionen kann auch eine Rechteck-Funktion vorgesehen sein, die zwar eine weniger signifikante Autokorrelationsfunktion aufweist, jedoch anhand der Flanken präzise Information über die Grob-Zeitdifferenz ermöglicht. Insbesondere erlaubt eine einfache Funktion wie die Rechteck-Funktion eine einfache Umsetzung der Auswerteschaltung, da sich diese lediglich an einer Flanke orientieren muss. Gemäß einer Betrachtungsweise werden die Stellen, an denen die Rechteck-Funktion (oder eine andere Funktion) eine Flanke aufweist als Abschnitt bezeichnet, der gemäß einer streng monoton verlaufenden Funktion verläuft (das heißt eine streng monoton steigende Funktion oder streng monoton fallende Funktion, je nach Flankenverlauf), wobei dazwischen ein Abschnitt vorgesehen ist, der nicht streng monoton verläuft, sondern konstant ist. Es genügt daher für die Einhüllende, nur einen Abschnitt aufzuweisen, bei dem eine nicht konstante Funktion den Verlauf definiert, das heißt eine streng monoton verlaufende Funktion, wobei andere Bereiche durchaus als nicht streng monoton verlaufende Funktion vorgesehen sein können (beispielsweise eine konstante Funktion), da der Abschnitt, welcher die streng monoton verlaufende Funktion umfasst, ein Merkmal zu späteren Erfassung wiedergibt. Gemäß einer praxisorientierten Umsetzung kann die Einhüllende dem Schallsignal entsprechen, das sich beim Ansteuern eines Ultraschallwandlers mit einem Rechteckimpuls ergibt, wobei die Impulsantwort des Wandlers eine deutliche Einschwingphase bei der ansteigenden Flanke des Ansteuersignals aufweist, während der die Signalstärke kontinuierlich, jedoch nicht sprunghaft mit der Flankensteilheit des Ansteuersignals, ansteigt.
Generell gilt, dass die der Einschwingphase des Wandlers zuzuordnenden Bereiche des Empfangs-Ultraschallpulses weniger empfindlich auf Unterschiede der Wandlereigenschaften untereinander oder auf Änderungen der Wandlereigenschaften beispielsweise durch Alterung oder Verschmutzung reagieren als nachfolgende Bereiche. Auch aus diesem Grund ist es vorteilhaft, sowohl zur Ermittlung der Grob-Zeitdifferenz vor allem die Einschwingphase des Empfangs-Pulses zu nutzen. Hierbei kann der erste Wendepunkt der Einhüllenden oder das erste Maximum der Einhüllenden verwendet werden, wobei als Einschwingphase beispielsweise die gesamte erste ansteigende Flanke der Einhüllenden bezeichnet wird.
Wie bereits bemerkt, ist die Fein-Zeitdifferenz mehrdeutig, da sich die Phase der Trägerfrequenz periodisch wiederholt, wenn die Ultraschall-Laufzeit um einen Bereich von mehr als einer Ultraschallperiode variiert. Das Vorsehen der Fein-Zeitdifferenz umfasst daher das Erfassen einer Phasendifferenz zwischen Sende-Ultraschallpuls (oder dessen Sende-Referenzzeitpunkts) und Empfangs-Ultraschallpuls. Hierbei wird der Momentanverlauf des Trägersignals betrachtet, das heißt der Momentanverlauf des Empfangs-Ultraschallpulses und gegebenenfalls auch des Sendepulses bzw. dessen Ansteuersignals. Insbesondere können Merkmale des Momentanverlaufs zum Vergleich herangezogen werden, das heißt beispielsweise Maxima, Minima oder Nulldurchgänge sowie auch Wendepunkte des Trägersignals des Empfangs-Ultraschallpulses. Insbesondere können die Ultraschallpulse (das heißt die des Empfangs-Ultraschallpulses) jeweils mit zwei periodischen Demodulationssignalen moduliert, gemischt oder multipliziert werden. Um die Phaseninformation zu erhalten, sind die Demodulationssignale zueinander phasenversetzt, beispielsweise orthogonale Rechteck- oder alternativ Sinus- oder Kosinussignale mit einem Phasenversatz von 90°. Die beiden Ergebnisse, die sich für den jeweiligen Ultraschallpuls durch Modulation mit verschiedenen Demodulationssignalen ergeben, können miteinander verglichen werden, insbesondere in gemittelter oder integrierter Form, als Quotient ins Verhältnis gesetzt werden, um die Phase zu erfassen. Gemäß einer anderen Betrachtungsweise können die Ultraschallpulse mittels eines Quadraturempfängers erfasst werden, um hieraus den Phasenversatz zwischen Empfangs- und Sende-Ultraschallpuls zu erfassen. Das Verfahren sieht hierbei vor, die beiden sich durch das Modulieren, Mischen bzw. Multiplizieren ergebenden Signale zu vergleichen, insbesondere für den Empfangs-Ultraschallpuls zu vergleichen. Dieser Vergleich zwischen den sich durch das Modulieren ergebenden Signale ergibt (für den Sende-Ultraschallpuls sowie) für den Empfangs-Ultraschallpuls die Phaseninformation, da der Unterschied zwischen den beiden sich durch das Modulieren ergebenden Signale durch die Phase relativ zu den Demodulationssignalen definiert ist.
Die Phase des Empfangs-Ultraschallpulses wird insbesondere ermittelt, indem der Puls mit den beiden Demodulationssignalen multipliziert wird, dann tiefpassgefiltert (und/oder dezimiert) wird und aus den resultierenden Werten der atan2-Wert bezogen auf deren Amplitude oder bezogen auf deren Leistung gebildet wird. Die Phasenbildung kann über den gesamten Ultraschallpuls integriert oder summiert werden, oder vorzugsweise lediglich für den Bereich der Anstiegsflanke (z. B. bis zum ersten Maximum oder Wendepunkt), da diese am wenigsten durch Alterungseffekte oder Unterschiede zwischen den Wandlern beeinflusst wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Grob-Zeitdifferenz zwar zeitlich hochauflösend ermittelt, jedoch mit geringer zeitlicher Auflösung weiterverarbeitet (insbesondere aus dem Grund, dass bereits die Fein-Zeitdifferenz die präzisen Anteile wiedergibt). Die Einhüllende des Signals, das sich durch Abtastung des Empfangs- und gegebenenfalls auch Sende-Ultraschallpulses ergibt, wird durch ein zeitdiskretes Signal mit einer geringen Datenrate wiedergeben und zur weiteren Berechnung verwendet. Beispielsweise beträgt die Datenrate, die beim Vergleichen der Einhüllenden (des Empfangs- und gegebenenfalls auch Sende-Ultraschallpulses) verwendet wird, nur ein geringes Vielfaches der Trägerfrequenz oder auch ein nichtganzzahliges Vielfaches in dieser Größenordnung. Die geringe Abtastung lässt zwar keine besonders genaue Erfassung der Zeitdifferenz zu, jedoch ist für die Grob-Zeitdifferenz ausreichend, dass die korrekte Periode erfasst wird, für die die Fein-Zeitdifferenz gilt. Auch der Momentanverlauf kann mit einer Abtastfrequenz abgetastet werden, die kein geradzahliges Vielfaches der Trägerfrequenz ist. Das abgetastete Signal kann dezimiert werden und/oder mittels Tiefpassfilter oder Bandpassfilter in seiner Maximalfrequenz oder in seiner Bandbreite begrenzt sein.
Ferner kann das zur Erfassung der Zeitdifferenzen verwendete Signal gegenüber dem Empfangspuls nicht frequenzgefiltert oder nicht dezimiert sein (dies gilt für eine Ermittlung anhand des analogen Signals oder des digitalen, abgetasteten Signals), oder das abgetastete Signal wird durch einen Dezimierfilter gefiltert. Der Dezimierfilter sieht vor, ein Signal, das mit einer höheren Abtastrate abgetastet wurde, zu vereinfachen, indem mehrere aufeinanderfolgende Abtastpunkte zusammengeführt werden, beispielsweise durch Mittelwertbildung innerhalb der so gruppierten abgetasteten Punkte, wodurch sich eine geringere Abtastrate ergibt und die einzelnen Werte auf einer Mittelwertbildung eines höher abgetasteten Signals basieren. Durch die Mittelwertbildung werden hohe Frequenzanteile blockiert, so dass ein Dezimierfilter auf das höher abgetastete Signal im Sinne eines Tiefpasses wirkt. Die Mittelwertbildung, bei der einzelne aufeinanderfolgende Werte des höher abgetasteten Signals zusammengeführt werden, kann als Fensterintegrator aufgefasst werden, wobei dieser jedoch nicht gleitet, sondern von Gruppe zu Gruppe springt, um jeweils eine Gruppe zu integrierten (und gegebenenfalls auch zu normieren), um dadurch einen Mittelwert auszubilden.
Die Erfassung des Momentanamplitudenverlaufs kann eine oder mehrere Tiefpass- oder Bandpassfilterungen umfassen, sowie eine Dezimation, die gegebenenfalls eine Interpolation umfasst.
Die Fein-Zeitdifferenz wird vorzugsweise als ein Anteil der Periodenlänge vorgesehen, der kleiner als die Periodenlänge der Trägerfrequenz ist. Insbesondere betreffen Grob-Zeitdifferenz und Fein-Zeitdifferenz dann eine halbe Periodenlänge, wenn die Fein-Zeitdifferenz keine Vorzeicheninformation enthält. Jedoch ist bevorzugt, dass sich die Fein-Zeitdifferenz auf die gesamte Periodenlänge bezieht und somit eine Periodeninformation im Bereich von 0–360° (für eine Periode) bietet. Hierbei wird die Grob-Zeitdifferenz beispielsweise als gerundeter Wert vorgesehen, beispielsweise als ein ganzzahliger Wert, der einem Vielfachen einer Wellenlänge der Trägerfrequenz entspricht. Durch die Rundung werden Fehler verringert, die sich bei der Erfassung der Grob-Zeitdifferenz ergeben, wobei die so gelöschte Information ersetzt wird durch die Fein-Zeitdifferenz, welche eine höhere Präzision vorsieht. Die Grob-Zeitdifferenz wird vorzugsweise auf ein ganzzahliges Vielfaches einer einzelnen Wellenlänge der Trägerfrequenz gerundet.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Fein-Zeitdifferenz für einen Zeitpunkt vorgesehen wird, der mindestens um eine vorgegebene Mindestzeitdauer nach dem Beginn des Sende-Ultraschallpulses bzw. des Empfangs-Ultraschallpulses liegt. Somit liegt der Punkt, für den die Fein-Zeitdifferenz erfasst wird, nicht am Rand der Einhüllenden, insbesondere nicht am Beginn der Einhüllenden. Die Mindestzeitdauer ist mindestens solange wie eine Einschwingzeit des Ultraschallwandlers. Der Ultraschallwandler wird zum Absenden, zum Empfangen oder für beides verwendet. Hierdurch wird vermieden, dass die Fein-Zeitdifferenz für einen Zeitpunkt vorgesehen wird, in dem sich der Ultraschallwandler noch in einem Einschwingzustand am Anfang des Ultraschallpulses mit entsprechend schlechtem Signal/Rausch-Verhältnis befindet. Dies gilt für den Einschwingvorgang während des Sendens, während des Empfangens oder vorzugsweise für beides. Die Fein-Zeitdifferenz wird vorzugsweise für einen Zeitpunkt vorgesehen bzw. ermittelt, bei dem der Verlauf des Ultraschallpulses ein besonderes Merkmal aufweist. Dieses Merkmal kann vorgesehen werden durch ein relatives Maximum, ein relatives Minimum, einen Nulldurchgang, einen Wendepunkt, eine maximale Steigung oder ähnliches. Die Erfassung dieser Merkmale kann vorgesehen werden durch Ableiten des Ultraschallpulses und Betrachten der zeitlichen Ableitung, wobei beispielsweise bei einem relativen Maximum oder Minimum die Ableitung Null beträgt und bei einem Wendepunkt das zeitlich abgeleitete Signal ein Maximum (oder Minimum) aufweist. Dadurch wird eine Zeitreferenz für den Empfangspuls vorgesehen, mit der der Sende-Zeitreferenzpunkt verglichen werden kann, um die Fein-Zeitdifferenz vorzusehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Fein-Zeitdifferenz vorgesehen durch Erfassen von mehreren Momentanphasen, die während unterschiedlicher Zeitpunkte innerhalb desselben Ultraschallpulses bestehen (das heißt innerhalb derselben Einhüllenden), wobei vorgesehen wird durch Extrapolieren der Momentanphasen auf einen Zeitpunkt für den die Fein-Zeitdifferenz vorgesehen werden soll. Der Zeitpunkt kann beispielsweise einem Nulldurchgang, einem Maximum, einem Minimum, einem Wendepunkt oder einem von solchen Merkmalen ausgehend extrapolierten Zeitpunkt entsprechen.
Weiterhin kann eine Verschiebung zwischen Phasenlage und Einhüllenden, die sich zwischen zwei Messrichtungen unterscheidet, mit einer Nachführung kompensiert werden. Als Messrichtungen werden zwei unterschiedliche Orientierungen gegenüber einer zu messenden Strömung bezeichnet, wobei sich die Messrichtungen insbesondere vom Betrag gegenüber der Strömung unterscheiden können, so dass eine erste Messrichtung in eine Richtung gegen die Strömung und eine zweite Messrichtung in eine Richtung mit der Strömung geneigt ist oder in Strömungsrichtung verläuft. Derartige Unterschiede können resultieren aus unterschiedlichen Temperatur- oder Strömungseinflüssen oder aber aus der durch die Strömung gebrochene Symmetrie abweichend von einem streng reziproken Übertragungssystem, wobei die Nachführung die Verschiebung aus vergangenen Messungen erfasst und für zukünftige Verschiebungen einen Kompensationsfaktor bzw. einen Korrekturwert vorsieht. Die oben beschriebene Reduktion mittels eines Dezimierfilters (der mehrere Abtastpunkte durch Mittelung vereint), kann durch einen Si²-Filter vorgesehen werden. Die Übertragungsfunktion des Si²-Filters ist definiert durch (sinx/x)². Insbesondere ist eine Dezimation auf die einfache oder auf die doppelte Signalfrequenz vorteilhaft, weil dadurch bei der Demodulation auftretende Oberwellen unterdrückt werden. Als Signalfrequenz wird hierbei die Trägerfrequenz bezeichnet. Insbesondere können FIR-Filter verwendet werden, um den Empfangs-Ultraschallpuls zu filtern, bevor dieser weiterverwertet wird. Ein derartiger Einsatz von FIR-Filtern kann kombiniert werden mit der Verwendung eines Dezimierungsfilters oder kann an die Stelle des Dezimierungsfilters treten.
Das Verfahren kann die Ermittlung der Phase und der Amplitude umfassen, wobei die Phaseninformation bei der Ermittlung der Fein-Zeitdifferenz verwendet wird, und die so gewonnene Amplitude für die Grob-Zeitdifferenz verwendet wird. Die Erfassung der Phase und der Amplitude kann vorgesehen werden durch Erfassung der Phase und der Amplitude, wobei gemäß einer Ausführungsform der Empfangs-Ultraschallpuls wie oben beschrieben gefiltert sein kann (beispielsweise mittels eines Dezimierungsfilters oder FIR-Filters), oder ungefiltert sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Laufzeitmessung für mehrere Richtungen durchgeführt, wobei sich die Richtung an der Strömungsrichtung innerhalb des erfassten Raumbereichs orientiert.
Ferner kann erfindungsgemäß der Verlauf des Empfangs-Ultraschallpulses verwendet werden, um anhand einer Tangenten-Extrapolation einen Schnittpunkt der Tangente, die an den Punkt der Einhüllenden des Ultraschallpulses mit maximaler Steigung angelegt wird, mit der Zeitachse zu berechnen. Dieser Referenzpunkt kann zur Erfassung der Grob-Zeitdifferenz herangezogen werden, indem der zeitliche Versatz zu einem entsprechenden Zeitpunkt des Sende-Ultraschallpulses, beispielsweise eine ansteigende Flanke eines Ansteuersignals des Senders, erfasst wird.
Das Vorsehen der Fein-Zeitdifferenz kann das Erfassen mehrerer Phasenlagen während desselben Pulses umfassen, wobei die Phase anhand dieser verschiedenen Phasenpunkte extrapoliert wird auf einen Zeitpunkt, für den die Grob-Zeitdifferenz erfasst wird, d. h. für einen Referenzpunkt der Einhüllenden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Laufzeitdifferenzmessvorrichtung wie sie in Anspruch 10 definiert ist. Weitere Ausführungsformen dieser Laufzeitdifferenzmessvorrichtung können ein FIR-Filter oder einen Dezimierfilter wie oben beschrieben umfassen, der zwischen Eingang des Empfangs-Ultraschallpulses und Grob-Vergleicher bzw. Fein-Vergleicher geschaltet ist. Ferner kann die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung eine Extrapoliervorrichtung umfassen, der mit dem Fein-Vergleicher verbunden ist, um mehrere von dem Fein-Vergleicher vorgesehenen Ergebnisse, die sich auf denselben Ultraschallpuls beziehen, auf einen gewünschten Zeitpunkt zu extrapolieren. Der gewünschte Zeitpunkt kann beispielsweise vorgesehen werden von dem Grob-Vergleicher, wobei dieser zur Eingabe dieses Extrapolationszielzeitpunkts mit dem Extrapolierer verbunden ist. Zur Phasenerfassung kann die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung ferner eine Quadraturschaltung umfassen, um die Phasenverläufe des Sende-Ultraschallpulses und des Empfangs-Ultraschallpulses zu vergleichen. Bevorzugte Ausführungsformen sehen nur eine Quadraturschaltung für den Empfangs-Ultraschallpuls vor, wobei der Phasenverlauf des Sende-Ultraschallpulses vorgesehen wird von einem Signalgenerator der Laufzeitdifferenzmessvorrichtung oder einer Ansteuerung für einen Signalgenerator innerhalb der Laufzeitdifferenzmessvorrichtung.
Die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung kann vorgesehen werden durch teilweise oder vollständig programmierbare Hardware wie einen Prozessor, der gegebenenfalls festverdrahtete Logikschaltungen umfasst, sowie durch einen Speicher, der mit dem Prozessor interagiert, und der Programmcodes speichert, welcher die oben beschriebenen Funktionen vorsieht. Die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung kann ferner eine Eingabe-/Ausgabeschnittstelle umfassen, um die jeweiligen Daten oder Signale dem Prozessor von außen zuzuführen oder die vom Prozessor erzeugten Ergebnisse nach außen, beispielsweise an einen Wandler oder an eine Ausgabevorrichtung, zu übermitteln.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen beispielhaften Empfangs-Ultraschallpuls;
2 zeigt den Phasenverlauf innerhalb des in der 1 dargestellten Ultraschallpulses;
3 zeigt den Verlauf des Amplitudenbetrags des in 1 dargestellten Ultraschallpulses;
4 zeigt den Signalverlauf von 3 nach Filterung mittels eines Dezimierfilters;
5 zeigt einen ähnlichen Verlauf wie in 4 mit einer terenten Konstruktion, und
6 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Laufzeitdifferenzmessvorrichtung.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Die 1 zeigt einen beispielhaften Empfangs-Ultraschallpuls mit einer Einhüllenden, die vier Abschnitte mit streng monotonem Verlauf umfasst. Nach einer vor diesen Verläufen vorgesehenen Pausenzeit beginnt ein stark ansteigender Abschnitt, auf dem ein stark fallender Abschnitt folgt. Der stark ansteigende Abschnitt betrifft die Reaktion eines realen, mit Trägheit beaufschlagten Wandlers auf eine ansteigende Rechteckflanke eines Ansteuersignals. Diesem folgt wiederum ein leicht steigender Abschnitt, auf den ein schwach fallender Abschnitt folgt, bis wiederum eine Amplitude von Null erreicht ist. Die beiden äußersten Teile des in 1 dargestellten Verlaufs zeigen den störenden Einfluss von Rauschquellen. Die beschriebenen steigenden und fallenden Abschnitte definieren die Einhüllende, um durch Vergleich mit dem Sende-Ultraschallpuls eine Grob-Zeitdifferenz zu erfassen. Ferner ist anhand 1 zu erkennen, dass die Trägerfrequenz entlang der Zeit zumindest in grober Näherung konstant ist.
Die 2 zeigt den Phasenverlauf des in 1 dargestellten Empfangs-Ultraschallpulses für eine Zeitspanne, während der die Amplitude der Einhüllenden nicht Null ist. Aus 2 ist zu erkennen, dass sich die Amplitude sinusförmig zwischen 0 und 2π ändert, wobei die Änderung mit der Frequenz ausgeführt wird, die der Trägerfrequenz des Sende-Ultraschallpulses (und damit auch des Empfangs-Ultraschallpulses) entspricht. Anhand der Betrachtung der 1 und 2 ist zu erkennen, dass ohne präzise Auflösung aus der 1 keine besonders exakte Grob-Zeitdifferenz ermittelbar ist, und dass aus der 2 keine Zeitdifferenz zu ermitteln ist, die für den Zeitpunkt innerhalb der Einhüllenden eindeutig wäre.
Die 3 zeigt den in 1 dargestellten Empfangs-Ultraschallpuls anhand des Amplitudenbetrags. Dieser Amplitudenbetrag kann auch als Signalstärke angesehen werden, wobei sich die in 1 dargestellten einzelnen Signalbereiche in 3 Wiederspiegeln. Zu erkennen sind an den beiden Enden der dargestellten Funktion Bereiche, in denen die Einhüllende bzw. die Signalstärke 0 ist und somit nur ein Rauschsignal dargestellt ist. Dazwischen befinden sich die vier Bereiche, zunächst ein stark ansteigender Bereich, gefolgt auf einen stark abfallenden Bereich, gefolgt von einem schwach steigenden Bereich, gefolgt von einem schwach fallenden Bereich, bis der Amplitudenbereich von im Wesentlichen 0 wieder erreicht wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die in 3 dargestellte Signalform der Signalform, die zum Vorsehen der Grob-Zeitdifferenz verwendet wird. Beispielsweise die erste stark ansteigende Flanke kann verwendet werden, um als Merkmal zu dienen, das sowohl im Sende- als auch im Empfangs-Ultraschallpuls vorhanden ist, so dass beide Ultraschallpulse gemäß dieses Merkmals miteinander verglichen werden können, um die Grob-Zeitdifferenz zu ermitteln.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird nicht die in 3 dargestellte Momentanamplitude als Ausgangspunkt für die Einhüllende zur Berechnung der Grob-Zeitdifferenz verwendet, sondern eine vereinfachte Signalform, wie sie in 4 zu erkennen ist. Die 4 stellt einen Verlauf eines Amplitudenbetrags dar, der im Wesentlichen der Einhüllenden entspricht, wobei der Verlauf gemäß Trägerfrequenz nicht mehr zu erkennen ist. Ein Verlauf wie in 4 dargestellt, ergibt sich aus der 3 durch zeitliche Mittelung, insbesondere durch Filterung mittels eines Dezimierfilters. Ein ähnlicher Verlauf würde sich auch ergeben durch eine Filterung mittels eines Tiefpass, der die Trägerfrequenz unterdrückt. Insbesondere ergibt sich der in 4 dargestellte Verlauf durch Filterung mittels eines Dezimierfilters, wenn dieses von einer Gruppe von Abtastpunkten nur den maximalen Wert übernimmt und die so zusammenzufassenden Abtastpunkte im Wesentlichen eine halbe Periode (oder eine gesamte Periode) oder ein Vielfaches hiervon zeitlich umgreifen.
In der 5 ist ein weiterer beispielhafter Verlauf einer Einhüllenden dargestellt, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die 5 dient der Darstellung eines Verfahrensschritts, mit dem sich ein Zeitpunkt t0 ermitteln lässt, für den gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Grob-Zeitdifferenz, die Fein-Zeitdifferenz oder beide erfasst werden. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Steigung der Einhüllenden erfasst, und aus der Steigung die Maximalsteigung ermittelt. Insbesondere wird aus der erfassten Steigung der Zeitpunkt ermittelt, an dem die maximale Steigung auftritt. Der in 5 dargestellte Verlauf weist eine Steigung auf, die sich bis zum Erreichen der ersten Spitze wieder verringert. Der Punkt des Maximums dieser Steigung ergibt einen Zeitpunkt, an dem die Steigung der Einhüllenden maximal ist. An diesem Punkt der Einhüllenden wird eine Tangente 10 angelegt, die die t-Achse schneidet. Die Tangente 10 wird vorgesehen durch den Zeitpunkt, an dem die erfasste Steigung der Einhüllenden maximal wird, wobei neben dem Zeitpunkt der maximalen Steigung auch der Wert der maximalen Steigung selbst als Tangentensteigung verwendet wird. Durch Extrapolation mittels der entstehenden Geradengleichung der Tangente ergibt sich ein Zeitpunkt t0, für den die Grob-Zeitdifferenz und insbesondere die Fein-Zeitdifferenz ermittelt wird, und der bei der Berechnung der Grob-Zeitdifferenz einen Referenzpunkt für die Einhüllende des Empfangs-Ultraschallpulses vorsieht. Bei der Verwendung zum Vorsehen der Grob-Zeitdifferenz kann die Tangente 10 verwendet werden, um Sende- und Empfangs-Ultraschallimpuls miteinander zu vergleichen, um die Grob-Zeitdifferenz zu ermitteln. Da t0 im Wesentlichen den Beginn der Einhüllenden darstellt (das heißt der Einhüllenden mit einer Amplitude von größer Null), kann dieser Zeitpunkt t0 auch dazu verwendet werden, um die Grob-Zeitdifferenz anhand eines Triggersignals zu ermitteln, das den Beginn des Sende-Ultraschallpulses markiert. Aufgrund der bekannten Anregungszeit des Wandlers oder vordefinierter Verzögerungen zwischen Ansteuerungsbeginn und Abstrahlen des Signals durch den Wandler, können derartige Verzögerungen berücksichtigt werden, so dass sich die Grob-Zeitdifferenz als Differenz zwischen Triggerzeitpunkt und t0 ergibt, wobei zu diesem Term die aus dem System bekannte Verzögerung hinzu addiert wird (oder substrahiert wird). Ist somit der Beginn der Ansteuerung des Ultraschallwandlers durch den Sende-Ultraschallpuls bekannt, beispielsweise mittels eines Triggersignals, so muss lediglich der Punkt t0 anhand der maximalen Steigerung der ersten ansteigenden Flanke der Einhüllenden erfasst werden, um die Grob-Zeitdifferenz als Differenz zwischen t0 und dem Triggerzeitpunkt zu berechnen, wobei eine vordefinierte, das System wiederspiegelnde Verzögerung berücksichtigt wird, um systemimmanente Verzögerungen bei der Interpolation von t0 berücksichtigen zu können. Die Tangente 10 weist die maximale Steigung der ersten ansteigenden Flanke der Einhüllenden auf und schneidet die Einhüllende an dem Punkt, an welchem die Steigung der ersten steigenden Flanke maximal ist, da sowohl Steigung als auch ein Punkt der Tangente wie bereits beschrieben bekannt sind.
Die 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführung der erfindungsgemäßen Laufzeitdifferenzmessvorrichtung mit einem Ausgang 110 zur Abgabe eines Signals, das den Sende-Ultraschallpuls wiedergibt, sowie einen Eingang zum Empfang eines Empfangs-Ultraschallpulses. Hierzu kann der Ausgang 110 und der Eingang 120 an einen Ultraschallwandler 130 angeschlossen werden, gestrichelt dargestellt, vorzugsweise über einen Umschalter 132, der zwischen Empfangs- und Sendemodus hin- und herschaltet, so dass der gleiche Wandler 130 sowohl als Empfänger als auch als Sender verwendet werden kann. Ebenso kann ein (in 6 nicht eingezeichneter) zweiter Umschalter und ein zweiter Ultraschallwandler verwendet werden, so dass entweder der erste Ultraschallwandler als Sender und der zweite als Empfänger verwendet wird oder umgekehrt, wobei die entsprechende Sende-Empfangs-Richtung umschaltbar ist. Wie bereits beschrieben, sind sowohl Umschalter 132 als auch Ultraschallwandler 130 nicht notwendigerweise Teil der erfindungsgemäßen Laufzeitdifferenzmessvorrichtung. Vielmehr sind Ausgang und Eingang vorzugsweise eingerichtet, um an den Ultraschallwandler 130 über den Umschalter 132 angeschlossen zu werden.
Die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung umfasst ferner eine Signalquelle 140 zum Erzeugen eines Signals, das über den Ausgang 110 an einen daran anschließbaren Ultraschallwandler 130 abgegeben werden kann.
Die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung umfasst ferner eine Zeiterfassungsvorrichtung 150, die in der in 6 dargestellten Ausführungsform mit dem Signalgenerator 140 verbunden ist, um von diesem zumindest ein Triggersignal oder eine andere Zeitinformation zu erhalten, das den Beginn des Sende-Ultraschallpulses oder Sende-Referenzzeitpunkt wiedergibt. Der Eingang 120 ist ebenso mit der Zeiterfassungsvorrichtung 150 verbunden, so dass eine Zeitdifferenz zwischen Empfangs-Ultraschallpuls und Sende-Ultraschallpuls erfasst werden kann. Hierzu umfasst die Zeiterfassungsvorrichtung 150 einen Grob-Vergleicher 160, der eine Grob-Zeitdifferenz anhand der Einhüllenden wie oben beschrieben erfasst. Um beispielsweise die anhand von 5 dargestellten Schritte ausführen zu können, umfasst der Grob-Vergleicher 160 einen Differentiator, eine Vorrichtung zur Erfassung der maximalen Steigung sowie eine Extrapoliereinrichtung, mit der der Zeitpunkt t0 für den Empfangs-Ultraschallpuls wie oben beschrieben vorgesehen werden kann. Dieser Zeitpunkt t0 kann dann verglichen werden mit der von Signalgenerator 140 gelieferten Zeitinformation, wobei der Grob-Vergleicher 160 ferner beispielsweise einen Speicher oder eine andere Vorrichtung umfasst (nicht dargestellt), die eine systemimmanente Verzögerung vorsieht, die bei der Ermittlung der Grob-Zeitdifferenz berücksichtigt werden kann.
Die Zeiterfassungsvorrichtung 150 umfasst ferner einen Fein-Vergleicher 170, der den Phasenverlauf des Sende- oder Schaltpulses versucht und miteinander vergleicht. Hierzu empfängt der Fein-Vergleicher von dem Signalgenerator 140 ein Signal, das den Sende-Ultraschallpuls und dessen Amplituden Momentanverlauf wiedergibt.
Sowohl der Fein-Vergleicher 170 als auch der Grob-Vergleicher 160 sind mit einer Kombiniervorrichtung 180 der erfindungsgemäßen Laufzeitdifferenzmessvorrichtung verbunden, um an diesen sowohl die Grob-Zeitdifferenz als auch die Fein-Zeitdifferenz zu übertragen. Die Kombiniervorrichtung 180 ist eingerichtet, die Grob- und Fein-Zeitdifferenzen zu kombinieren, insbesondere mindestens zwei Grob- und Fein-Zeitdifferenzen aufeinander folgender Erfassungsschritte oder Zeitdifferenzen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen. Die Kombiniervorrichtung 180 umfasst eine Einzelkombiniervorrichtung (nicht dargestellt) und ist ferner mit einem Ergebnis-Ausgang 190 der Laufzeitdifferenzmessvorrichtung der 6 verbunden, um an diesem Ergebnis-Ausgang ein Signal vorzusehen, das die kombinierten Grob- und Feindifferenzen als Laufzeitdifferenz wiedergibt. Kombiniervorrichtung 180, zusammen mit der Einzelkombiniervorrichtung, ist eingerichtet, zunächst die Grob-Zeitdifferenzen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen zu einer Einzelkombination zu kombinieren und die Fein-Zeitdifferenzen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen zu einer Einzelkombination zu kombiniere. Von der Einzelkombiniervorrichtung werden diese Einzelkombinationen wiederum kombiniert, um die Fein-Zeitdifferenzen gemäß der Grob-Zeitdifferenzen für einen breiten Laufzeiterfassungsbereich vorzusehen bzw. um die Grob-Zeitdifferenzen gemäß der Fein-Zeitdifferenzen mit einer höheren Genauigkeit auszustatten.
Der Ergebnis-Ausgang 190 ist eingerichtet, um an eine weitere Auswertevorrichtung angeschlossen zu werden, die anhand der erfassten Laufzeitdifferenz, die von der Laufzeitdifferenzmessvorrichtung der 6 ermittelt wurde, auf die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Raums zu schließen, durch die die Ultraschallpulse propagieren. Falls mehrere Laufzeitdifferenzmessvorrichtungen verwendet werden bzw. mehrere Zeitdifferenzen verwendet werden, so betreffen diese vorzugsweise denselben Raum, in den Ultraschallpulse abgegeben werden.
Um die Ultraschallsignale wechselweise (oder umschaltbar) in entgegengesetzte Richtungen zu übertragen, umfasst die Laufzeitdifferenzerfassungsvorrichtung vorzugsweise ferner einen Umschalter, der mit dem Ausgang und dem Eingang verbunden ist, um die daran anschließbaren Wandler wechselweise als Sender und als Empfänger umschaltbar zu betreiben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005037458 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Laufzeitdifferenzmessung, umfassend: Absenden eines Sende-Ultraschallpulses an einem Sende-Referenzzeitpunkt in einen Raumbereich; Empfangen eines Empfangs-Ultraschallpulses, der dem Sende-Ultraschallpuls entspricht, aus dem Raumbereich; und Ermitteln der Laufzeitdifferenz; wobei das Ermitteln der Laufzeitdifferenz umfasst: Vorsehen einer Grob-Zeitdifferenz als Ergebnis eines Schritts des Vergleichens des Sende-Referenzzeitpunkts mit einer Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpuls, für mindestens zwei Schritte des Absendens und Empfangens, die mit zueinander entgegengesetzten Übertragungsrichtungen ausgeführt werden; Vorsehen einer Fein-Zeitdifferenz als Ergebnis eines Schritts des Vergleichens des Sende-Referenzzeitpunkts, mit einem Momentanverlauf des Empfangs-Ultraschallpulses, für die mindestens zwei Schritte des Absendens und Empfangens, die mit zueinander entgegengesetzten Übertragungsrichtungen ausgeführt werden; Vorsehen einer Kombination der Fein-Zeitdifferenzen, die für die entgegensetzten Übertragungsrichtungen vorgesehen werden, als Einzelkombination, Vorsehen einer Kombination der Grob-Zeitdifferenzen, die für die entgegensetzten Übertragungsrichtungen vorgesehen werden, als Einzelkombination; und Vorsehen der Laufzeitdifferenz als eine Kombination der Einzelkombinationen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorsehen einer Kombination der Grob-Zeitdifferenzen umfasst: Vorsehen eines Terms, der die Grob-Zeitdifferenzen in Form einer Differenz kombiniert, und wobei das Vorsehen einer Kombination der Fein-Zeitdifferenzen umfasst: Vorsehen eines Terms, der die Fein-Zeitdifferenzen in Form einer Differenz kombiniert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Vorsehen der Laufzeitdifferenz umfasst: Vorsehen eines ersten Terms als Einzelkombination der Fein-Zeitdifferenz, wobei der erste Term die Differenz zwischen den Fein-Zeitdifferenzen wiedergibt; Vorsehen eines zweiten Terms als Einzelkombination der Grob-Zeitdifferenz, wobei der zweite Term mit einem Argument vorgesehen wird, das die Grob-Zeitdifferenzen in Form einer Differenz umfasst, wobei das Argument des zweiten Terms ferner einen Korrektursummanden umfasst, der die Differenz zwischen den Fein-Zeitdifferenzen, eine gemäß vergangener Rundungsprozesse nachzuführende Rundungskorrekturkonstante, oder beides umfasst, wobei das Vorsehen des zweiten Terms umfasst: Kombinieren des ersten Terms und des Arguments und Runden der dadurch erhaltenen Kombination;
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fein-Zeitdifferenz von einer mehrdeutigen Phasendifferenz abhängt, und das Vorsehen der Fein-Zeitdifferenz umfasst: Erfassen eines Momentanamplitudenverlaufs des Empfangs-Ultraschallpulses und Vergleichen des Momentanverlaufs des Empfangs-Ultraschallpulses mit einem Sende-Referenzzeitpunkt des Sende-Ultraschallpulses, um die Fein-Zeitdifferenz als Ergebnis des Verlaufs vorzusehen, wobei das Vergleichen umfasst: Erfassen eines Merkmals des Momentanamplitudenverlaufs des Empfangs-Ultraschallpulses, das mit dem Sende-Referenzzeitpunkt verknüpft ist oder Modulieren des Empfangs-Ultraschallpulses mit zwei periodischen Demodulationssignalen, die um einen Betrag von > 0°, von < 180° oder um im Wesentlichen 90° zueinander versetzt sind, und das Vorsehen der Fein-Zeitdifferenz umfasst: Vergleichen eines Phasenwerts, der sich aus einem Vergleich der modulierten Signale ergibt, mit einem Phasenwert, der den Sende-Referenzzeitpunkt wiedergibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vorsehen der Einzelkombination der Grob-Zeitdifferenzen umfasst: Vorsehen der Differenz der Grob-Zeitdifferenz abzüglich der Einzelkombination der Fein-Zeitdifferenzen, als ein ganzzahliges Vielfaches einer Periodendauer der Trägerfrequenz; wobei das Verfahren ferner umfasst: Vorsehen der Einzelkombination der Fein-Zeitdifferenzen als ein Anteil der Periodenlänge kleiner als die Periodenlänge; und Kombinieren der Einzelkombination der Grob-Zeitdifferenzen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen mit den Einzelkombination der Fein-Zeitdifferenzen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen, wobei die resultierende Summe der Laufzeitdifferenz entspricht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fein-Zeitdifferenzen und die Grob-Zeitdifferenzen für Zeitpunkte des Empfangs-Ultraschallpulses ermittelt werden, die um eine vorgegebene Mindestzeitdauer nach dem Beginn der Übertragung des Sende-Ultraschallpulses oder Anregung des Wandlers zur Erzeugung des Sende-Ultraschallpulses liegen, wobei die Mindestzeitdauer mindestens so lange wie eine durch einen Schalllaufweg der Übertragung vorgegebene Mindestübertragungszeitdauer, eine Einschwingzeit und/oder Ansprechzeit eines Ultraschallwandlers ist, der zum Absenden, zum Empfangen, oder für beides verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für den Empfangs-Ultraschallpuls ein Empfangs-Referenzzeitpunkt vorgesehen wird, anhand dessen die Grob-Zeitdifferenz ermittelt wird, wobei der Empfangs-Referenzzeitpunkt einem Zeitpunkt oder einer Extrapolation dieses Zeitpunkts entspricht, wobei ferner an dem Zeitpunkt der Betrag der Steigung der Einhüllenden oder die Einhüllende selbst ein relatives Maximum, vorzugsweise das erste relatives Maximum der Einhüllenden, oder einen Nulldurchgang, vorzugsweise den ersten Nulldurchgang der Einhüllenden aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vorsehen der Fein-Zeitdifferenz umfasst: Erfassen von mehreren Phasenwerten, die für unterschiedliche Zeiten innerhalb desselben Ultraschallpulses gelten; und Extrapolieren der Phasenwerte zu einem Wert, der der Fein-Zeitdifferenz entspricht.
Laufzeitdifferenzmessvorrichtung mit: einem Ausgang (110) zur Abgabe eines Signals, das einen Sende-Ultraschallpuls wiedergibt, der eine Einhüllende und eine Trägerfrequenz umfasst; mit einem Eingang (120) zum Empfang eines Empfangs-Ultraschallpulses; einer Zeiterfassungsvorrichtung (150), die eingerichtet ist, eine Laufzeitdifferenz mit Hilfe einer Sende-Zeitreferenz des Sende-Ultraschallpulses und dem Empfangs-Ultraschallpuls zu erfassen, wobei die Zeiterfassungsvorrichtung umfasst: einen Grob-Vergleicher (160), der eingerichtet ist, die Sende-Zeitreferenz mit einer Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses zu vergleichen, wobei der Grob-Vergleicher (160) eine Grob-Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangs-Ultraschallpuls als Ergebnis vorsieht einen Fein-Vergleicher (170), der eingerichtet ist, die Sende-Zeitreferenz mit der Momentanamplitude des Empfangs-Ultraschallpuls zu vergleichen, wobei der Fein-Vergleicher (170) eine Fein-Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangs-Ultraschallpuls als Ergebnis vorsieht; wobei die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung eingerichtet ist, den Sende-Ultraschallpuls in zwei zueinander entgegengesetzte Übertragungsrichtungen zu übertragen und jeweils die Grob- und Fein-Zeitdifferenz zu erfassen; wobei die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung ferner eine Einzelkombiniervorrichtung umfasst, die mit dem Grob-Vergleicher (160) und dem Fein-Vergleicher (170) verbunden ist und die von diesen vorgesehenen Grob- und Fein-Differenzen empfängt, um diese zu kombinieren, und die eingerichtet ist, die Grob-Zeitdifferenzen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen zu einer Einzelkombination zu kombinieren und die die Fein-Zeitdifferenzen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen zu einer Einzelkombination zu kombinieren; und die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung ferner eine Kombiniervorrichtung (180) umfasst, die mit der Einzelkombiniervorrichtung verbunden ist, um von dieser die Einzelkombinationen der Grob- und Fein-Zeitdifferenzen zu empfangen und zu kombinieren, wobei die Kombiniervorrichtung (180) ferner mit einem Ergebnis-Ausgang verbunden ist, um an diesem ein Signal vorzusehen, das die kombinierten Einzelkombinationen als Laufzeitdifferenz wiedergibt.
Laufzeitdifferenzmessvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Einzelkombiniervorrichtung eingerichtet ist, jeweils die Differenz zwischen den Grob- und den Fein-Zeitdifferenzen von Ultraschallpulsen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen vorzusehen, und die Kombiniervorrichtung (180) eingerichtet ist, die Einzelkombination der Fein-Zeitdifferenzen zu addieren mit dem Ergebnis einer Rundungsvorrichtung der Kombiniervorrichtung (180), die mit der Einzelkombiniervorrichtung verbunden ist und eingerichtet ist, einen Term zu runden, der Einzelkombinationen der Fein-Zeitdifferenzen und der Grob-Zeitdifferenzen als Differenz oder als Summe der Einzelkombinationen umfasst.