DE102011004830B4 - Phase method for measuring the propagation velocity of sound waves with dynamic measurement window - Google Patents

Phase method for measuring the propagation velocity of sound waves with dynamic measurement window Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen, umfassend die Schritte: Einspeisen von mindestens zwei Schallwellen mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen (f1 bis fn) in eine Messstrecke, wobei die Schallwellen zeitlich nacheinander eingespeist werden; Empfang der gesendeten Schallwellen nach dem Durchlaufen der Messstrecke; Bestimmen der Phasenwinkel (φ1 bis φn) der empfangenen Schallwellen gegenüber einem jeweils zugehörigen Referenzsignal gleicher Frequenz (f1 bis fn); Vorbestimmen einer Näherung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in der Messstrecke aus den gemessenen Phasenwinkeln (φ1 bis φn); Nachbestimmen der Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Messstrecke unter Verwendung eines der gemessenen Phasenwinkel (φ1 bis φn) als Differenz gegenüber einem Bezugspunkt mit bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit und bekanntem Phasenwinkel (φb) innerhalb eines Messfensters, wobei die genäherte vorbestimmte Ausbreitungsgeschwindigkeit zur Positionierung des Messfensters verwendet wird.A method for measuring the propagation velocity of sound waves, comprising the steps of: feeding at least two sound waves having at least two different frequencies (f1 to fn) into a measurement path, the sound waves being fed in succession; Receiving the transmitted sound waves after passing through the measuring section; Determining the phase angles (φ1 to φn) of the received sound waves with respect to a respectively associated reference signal of the same frequency (f1 to fn); Predetermining an approximation of the propagation velocity of the sound waves in the measurement path from the measured phase angles (φ1 to φn); Defining the propagation velocity in the measurement path using one of the measured phase angles (φ1 to φn) as a difference from a reference point with known propagation velocity and known phase angle (φb) within a measurement window, using the approximated predetermined propagation velocity to position the measurement window.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. der Laufzeit von Schallwellen, insbesondere zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in flüssigen und gasförmigen Medien. Aus diesem Grund wird in den folgenden Ausführungen der Schwerpunkt auf die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit gelegt, denn Laufzeit und Geschwindigkeit können bei bekannter Schallweglänge ineinander umgerechnet werden. Die Anwendung erfolgt bevorzugt in Medien mit schwankender Schalldämpfung und einer im verwendeten Frequenzgebiet nicht vernachlässigbaren Schalldispersion (Frequenzabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit).The invention relates to a method for measuring the propagation velocity or the transit time of sound waves, in particular for determining the speed of sound in liquid and gaseous media. For this reason, the following emphasis is placed on the determination of the speed of sound, because running time and speed can be converted into each other with known sound path length. The application preferably takes place in media with fluctuating sound attenuation and a sound dispersion which is not negligible in the frequency range used (frequency dependence of the speed of sound).

Bekannte Messverfahren zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit beruhen auf einer Laufzeitmessung von entweder pulsförmig modulierten oder kontinuierlichen Schallsignalen. Dabei muss die Schallweglänge in der Regel bekannt sein und die Laufzeit der Schallsignale wird entweder absolut oder als Differenz gegenüber einer Bezugslaufzeit gemessen.Known measuring methods for determining the speed of sound are based on a propagation time measurement of either pulse-shaped or continuous sound signals. In this case, the sound path length must be known in the rule and the duration of the sound signals is measured either absolute or as a difference compared to a reference period.

Die Impulsverfahren lassen sich nach dem Fehlen oder Vorhandensein einer Rückkopplung in Impuls-Laufzeit-Verfahren und Sing-Around-Verfahren unterteilen. Mit ihnen wird die Schalllaufzeit absolut gemessen. Sie können nur angewendet werden, wenn in dem zu messenden Medium Gruppen- und Phasengeschwindigkeit identisch sind, das heißt keine Dispersion auftritt.The impulse methods can be subdivided into impulse-runtime and sing-around methods after the absence or presence of feedback. With them, the sound propagation time is measured absolutely. They can only be used if the group and phase velocity in the medium to be measured are identical, ie no dispersion occurs.

Das Prinzip einer Impuls-Laufzeitmessung besteht darin, die Laufzeit eines Schallimpulses vom Sender zum Empfänger direkt zu messen. Dazu muss der Empfangsimpuls zeitlich immer an der selben Stelle detektiert werden. Die einfachste Realisierungsmöglichkeit einer solchen Detektion ist die Flankentriggerung. Bei ihr wird der Empfangszeitpunkt durch das Überschreiten einer fest vorgegebenen Triggerspannung im Empfangsimpuls ermittelt. Das führt bei einer schwankenden Schalldämpfung und somit auch einer schwankenden Empfangssignalamplitude zu teilweise erheblichen Messfehlern oder sogar zum völligen Ausfall des gesamten Messsystems. Durch eine Erhöhung der Grundfrequenz der Schallimpulse kann dieser Fehler aufgrund des dann steileren Spannungsanstiegs verringert aber nicht beseitigt werden, da die Schalldämpfung mit dem Quadrat der Schallfrequenz ansteigt und somit diese nicht beliebig erhöht werden kann. Deshalb wurde eine größere Anzahl von komplexeren Detektionsmethoden entwickelt, bei denen die Amplitude des Empfangssignals keinen oder nur einen sehr geringen Einfluss auf den Detektionszeitpunkt und damit auf die Genauigkeit der Laufzeitmessung besitzt.The principle of pulse transit time measurement is to directly measure the transit time of a sonic pulse from transmitter to receiver. For this purpose, the received pulse must always be detected at the same point in time. The simplest possible realization of such a detection is the edge triggering. In her, the reception time is determined by exceeding a fixed trigger voltage in the received pulse. This results in a fluctuating sound attenuation and thus also a fluctuating received signal amplitude to some significant measurement errors or even complete failure of the entire measuring system. By increasing the fundamental frequency of the sound pulses, this error can be reduced due to the then steeper voltage increase but not eliminated, since the sound attenuation increases with the square of the sound frequency and thus it can not be increased arbitrarily. Therefore, a larger number of more complex detection methods has been developed in which the amplitude of the received signal has no or only a very small influence on the detection time and thus on the accuracy of the transit time measurement.

Die einfachste Erweiterung ist eine Nachtriggerung auf den nächsten Signalnulldurchgang. Das heißt, nach dem Überschreiten einer vorgegebenen Triggerschwelle wird der Zeitpunkt des nächsten Nulldurchgangs des Empfangssignals als Empfangszeitpunkt verwendet. Dieser ist von der Amplitude des Signals nahezu unabhängig. Bei größeren Amplitudenschwankungen und einem langsamen Anstieg der Impulsamplituden über mehrere Perioden der Trägerschwingung hinweg, ist das Risiko eines Totalausfalls der Flankentriggerung, und damit der gesamten Messung, auch hier sehr hoch. Der Grund dafür ist, dass unter diesen Bedingungen nicht mehr sicher immer die gleiche Periode der Trägerschwingung detektiert werden kann, was bei einer sich anschließenden Signalnulldurchgangstriggerung dann auch für den ermittelten Signalnulldurchgang gilt. Daher wird z. B. in EP 0 324 731 A1 anstatt einer Triggerschwelle zunächst die Position des Maximums (Schwerpunktes) der Hüllkurve des Empfangsimpulses ermittelt. Als Bezugszeitpunkt für die anschließende Nulldurchgangstriggerung dient dann die Position des nächstfolgenden Scheitelwertes der Trägerschwingung des Impulses. Da aber schon die zeitliche Lage des Hüllkurvenmaximums weitgehend unabhängig von seiner Höhe ist, kann in Abhängigkeit von der an die Laufzeitmessung gestellten Genauigkeitsanforderung bei einigen Anwendungen auch auf die nachgeschaltete Ermittlung eines Signalnulldurchgangs verzichtet und die Position des Hüllkurvenmaximums direkt verwendet werden. Ein solches Verfahren wird in EP 1 293 801 A2 beschrieben, wobei dort auf die Bildung einer Hüllkurve verzichtet und statt dessen die Position des globalen Maximums der Trägerschwingung des Impulses ermittelt wird.The simplest extension is a retriggering for the next signal zero crossing. That is, after exceeding a predetermined trigger threshold, the time of the next zero crossing of the received signal is used as a reception time. This is almost independent of the amplitude of the signal. For larger amplitude fluctuations and a slow increase in the pulse amplitudes over several periods of the carrier oscillation, the risk of a total failure of the edge triggering, and thus of the entire measurement, is very high here as well. The reason for this is that the same period of the carrier oscillation can no longer be reliably detected under these conditions, which then also applies to the determined signal zero crossing in the case of a subsequent signal zero crossing triggering. Therefore, z. In EP 0 324 731 A1 instead of a trigger threshold, the position of the maximum (center of gravity) of the envelope of the received pulse is first determined. The reference point for the subsequent zero-crossing triggering is then the position of the next following peak value of the carrier oscillation of the pulse. However, since the temporal position of the envelope maximum is largely independent of its height, depending on the accuracy requirement imposed on the transit time measurement, the downstream determination of a signal zero crossing can also be dispensed with and the position of the envelope maximum can be used directly in some applications. Such a procedure is described in EP 1 293 801 A2 described there, where dispensed with the formation of an envelope and instead the position of the global maximum of the carrier oscillation of the pulse is determined.

An Stelle der Nulldurchgangsdetektion nach der Bestimmung eines Bezugszeitpunktes kann auch eine Phasenwinkelmessung zwischen der Trägerschwingung des Empfangsimpulses und eines Referenzsignals erfolgen. Bei dieser Kombination wird eine höhere Toleranz gegenüber Empfangssignalstörungen, wie z. B. den Signalfluktuationen bei einem geringen Signal-Rausch-Abstand, erreicht. So arbeitende Laufzeitverfahren werden in DE 10 2005 004 331 A1 , EP 0 201 989 A2 und DE 4 407 369 A1 beschrieben.Instead of the zero-crossing detection after the determination of a reference time, a phase angle measurement between the carrier oscillation of the received pulse and a reference signal can also take place. In this combination, a higher tolerance to received signal interference, such. B. the signal fluctuations at a low signal-to-noise ratio achieved. So working runtime procedures are in DE 10 2005 004 331 A1 . EP 0 201 989 A2 and DE 4 407 369 A1 described.

Hier sei angemerkt, daß bei jeder absoluten Laufzeitmessung die gemessene Laufzeit immer größer als die tatsächliche Laufzeit der Schallsignale durch die Meßstrecke in dem zu messenden Medium ist. Die Differenz zwischen diesen beiden Zeiten wird als Totzeit des Meßsystems bezeichnet. Sie ist unabhängig von der Schallgeschwindigkeit in der Meßstrecke und hat unter anderem nach Sorge, G.: „Faszination Ultraschall”, Verlag B. G. Teubner, 1. Auflage, Stuttgart 2002, Seite 65, Henning, B.; Zuber, A.: „Ultraschall-Meßgerät und -system für die Prozessmesstechnik in Flüssigkeiten”, Dissertation, Technische Universität Magdeburg (1991), Seiten 14 und 16 sowie Burda, W.: „Ultraschallresonator zur prozessmesstechnischen Bestimmung der Eigenschaften statischer und dynamischer Fluide”, Dissertation, Verlag Shaker (1993), Seite 9, sowohl mechanische als auch elektrische Ursachen. Zu den mechanischen Ursachen zählen im Wesentlichen akustische Verzögerungen, die bei dem Übergang der Schallsignale vom Schallwandler in das sich in der Meßstrecke befindende Medium und umgekehrt auftreten. Die elektrischen Ursachen sind Signalverzögerungen in den elektronischen Teilen des Meßsystems. Besteht das verwendete Meßsystem aus hochwertigen Komponenten, so kann die Totzeit in aller Regel als eine von den Mebedingungen unabhängige meßsystemspezifische Konstante angesehen werden, die bei einer einmaligen Kalibrierung des Meßsystems ermittelt und bei allen nachfolgenden Messungen als Korrekturfaktor berücksichtigt wird. Eine solche Korrektur wird z. B. in DE 2 110 570 A beschrieben. Vor allem aber Meßsysteme für den Einsatz in pädagogischen Einrichtungen, wie z. B. höheren Schulen, bestehen jedoch häufig teilweise oder sogar ganz aus Low-Cost-Komponenten. Nach US 6 738 312 B1 kann die Totzeit dann im Allgemeinen nicht mehr als meßsystemspezifische Konstante angesehen werden. Vielmehr ist hier davon auszugehen, daß sie eine deutliche Abhängigkeit von den Meßbedingungen, wie z. B. der Temperatur, zeigt. Das führt zu erheblichen Fehlern bei der Schallgeschwindigkeitsermittlung.It should be noted that for each absolute propagation time measurement, the measured transit time is always greater than the actual transit time of the sound signals through the measurement path in the medium to be measured. The difference between these two times is called the dead time of the measuring system. She is independent of the speed of sound in the test section and has, inter alia, after Sorge, G .: "Fascination Ultrasound", Publisher BG Teubner, 1st edition, Stuttgart 2002, page 65, Henning, B .; Zuber, A .: "Ultrasonic measuring instrument and system for process measurement in liquids", Dissertation, Technical University Magdeburg (1991), pages 14 and 16 and Burda, W .: "Ultrasonic resonator for process-technical determination of the properties of static and dynamic fluids" , Dissertation, Publisher Shaker (1993), page 9, both mechanical and electrical causes. The mechanical causes essentially include acoustic delays which occur during the transition of the sound signals from the sound transducer into the medium in the measuring path and vice versa. The electrical causes are signal delays in the electronic parts of the measuring system. If the measuring system used consists of high-quality components, then the dead time can generally be regarded as a measuring system-specific constant independent of the conditions, which is determined in a single calibration of the measuring system and taken into account as a correction factor in all subsequent measurements. Such a correction is z. In DE 2 110 570 A described. Above all, measuring systems for use in educational institutions, such. However, for example, secondary schools often consist partly or even entirely of low-cost components. To US Pat. No. 6,738,312 B1 the dead time can then generally no longer be considered as a measuring system-specific constant. Rather, it is assumed here that they have a significant dependence on the measurement conditions, such. As the temperature shows. This leads to significant errors in the speed of sound detection.

In US 6 738312 B1 wird daher ein Impuls-Laufzeit-Verfahren vorgestellt, dass im Reflektionsbetrieb und mit getrennten Sende- und Empfangswandlern arbeitet, wobei sich der Empfangswandler in der Schallstrecke zwischen dem Sendewandler und dem Reflektor befindet. Dadurch läuft ein Teil des vom Sendewandler abgestrahlten Schallimpulses direkt zum Empfangswandler und ein weiterer Teil erst zum Reflektor und dann zurück zum Empfangswandler. Zur Detektion dieser beiden Empfangsimpulse wird eine Schwellwerttriggerung mit anschließender Ermittlung des nächstfolgenden Scheitelwertes der Trägerschwingung der Impulse genutzt. Wird nun als Meßstreckenlänge der Abstand zwischen dem Empfangswandler und dem Reflektor angenommen, so ist die Laufzeit der Schallimpulse der Quotient aus dem doppelten Empfangswandler-Reflektor-Abstand und der Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen der beiden Empfangsimpulse am Empfangswandler. Da die Totzeit des Meßsystems das Eintreffen beider Impulse in gleicher Weise verzögert, hat sie keinen Einfluß auf den ermittelten Schallgeschwindigkeitswert.In US Pat. No. 6,738,312 B1 Therefore, a pulse transit time method is presented that operates in reflection mode and with separate transmit and receive transducers, wherein the receive transducer is located in the sound path between the transmit transducer and the reflector. As a result, part of the sound pulse emitted by the transmitting transducer runs directly to the receiving transducer and another part first to the reflector and then back to the receiving transducer. To detect these two received pulses, a threshold triggering with subsequent determination of the next peak value of the carrier oscillation of the pulses is used. If the distance between the receiving transducer and the reflector is assumed to be the measuring path length, the transit time of the sound pulses is the quotient of twice the receiving transducer-reflector distance and the time difference between the arrival of the two receiving pulses at the receiving transducer. Since the dead time of the measuring system delays the arrival of both pulses in the same way, it has no influence on the determined sound velocity value.

Das Sing-Around-Verfahren, das auch als Impuls-Umlauf- oder Impuls-Folgefrequenz-Verfahren bezeichnet wird, wurde von E. Hiedemann entwickelt („Wellenausbreitung in festen Körpern, Ultraschall”, Physik des festen Körpers, Teil 1, (Fiat Review of German Science, Band 8) hrsg. von G. Joos, Wiesbaden 1947, S. 154–178). Hier erfolgt die Erzeugung des Sendeimpulses mit Hilfe eines triggersignalgesteuerten Impulsgenerators. Nachdem der so erzeugte Schallimpuls die Messstrecke durchlaufen hat, wird er detektiert, was die Erzeugung eines neuen Triggersignals und infolge dessen auch Sendeimpulses bewirkt. Diese Rückkopplungsschleife läuft kontinuierlich weiter, solange kein Schallimpuls durch Störungen verloren geht oder durch eine zu starke Schaldämpfung nicht detektiert werden kann. Die sich einstellende Impulsfolgefrequenz kann mit einem Frequenzmesser auf einfache Weise ermittelt werden (Toda, K.; Rabe, A.: „A method for measuring the change of ultrasound velocity in a liquid, Journal of Applied Physics”, Band 53 (1982), S. 194–196; Ficken, G. W., Hiedemann, E. A.: „Simple form of the 'sing-around' method for the determination of sound velocities”, Journal of Acoustical Society of America, Band 28, Heft 5 (1956), S. 921–923). Bei bekannter Messstreckenlänge ist aus ihr die Laufzeit der Schallimpulse berechenbar, wobei Impulsfolgefrequenz und Laufzeit zueinander umgekehrt proportional sind. Dieses Verfahren ist in seiner konventionellen Form nicht für Messungen in Medien mit einer sehr geringen Schalldämpfung geeignet, da ansonsten mehrfach hin und her reflektierte Echo-Impulse mit nachfolgend gesendeten Schallimpulsen interferieren würden. Das führt fast immer zu einer scheinbaren Verschiebung der Empfangsimpulse und infolge dessen zu einer Verfälschung der sich einstellenden Impulsfolgefrequenz.The sing-around method, also referred to as the pulse-orbit-repetition rate method, was developed by E. Hiedemann ("Wave Propagation in Solid Bodies, Ultrasound," Solid State Physics, Part 1, (Fiat Review of German Science, Volume 8) edited by G. Joos, Wiesbaden 1947, pp. 154-178). Here, the generation of the transmission pulse by means of a trigger signal controlled pulse generator. After the sonic pulse thus generated has passed through the measuring path, it is detected, which causes the generation of a new trigger signal and, as a result, also transmission pulse. This feedback loop continues to run as long as no sound pulse is lost due to interference or can not be detected by excessive damping of the sound. The resulting pulse repetition frequency can be easily determined with a frequency meter (Toda, K., Rabe, A .: "A Method for Measuring the Change of Ultrasound Velocity in a Liquid, Journal of Applied Physics", Volume 53 (1982), Pp. 194-196; Ficken, GW, Hiedemann, EA: "Simple form of the sing-around method for the determination of sound velocities", Journal of Acoustic Society of America, Vol. 28, No. 5 (1956), p 921-923). With known measuring length from her the duration of the sound pulses can be calculated, with pulse repetition frequency and running time are inversely proportional to each other. This method, in its conventional form, is not suitable for measurements in media with a very low sound attenuation, since otherwise repeated back and forth reflected echo pulses would interfere with subsequently transmitted sound pulses. This almost always leads to an apparent shift of the received pulses and as a result to a falsification of the self-adjusting pulse repetition frequency.

Diese Einschränkung wird mit der in US 4 926 395 A vorgestellten erweiterten Variante des Sing-Around-Verfahrens beseitigt. Das triggergesteuerte Senden und die Empfangssignaldetektion sowie die sich daraus ergebende Rückkopplungsschleife bleiben auch hier unverändert. Als Sendesignale werden jedoch anstelle von kurzen, nur aus wenigen Schwingungen bestehenden Schallimpulsen, längere Schallbursts verwendet, die aus einem kontinuierlichen, sinusförmigen Referenzsignal erzeugt werden und somit die gleiche Frequenz und Phasenlage wie dieses besitzen. Nach dem Senden und Durchlaufen der Messstrecke wird die Phasenverschiebung des erhaltenen Empfangsbursts gegenüber dem Sendeburst bzw. dem Referenzsignal ermittelt und die Frequenz des Referenzsignals solange verändert, bis der Sende- und der Empfangsburst in Phase schwingen. Ist das erreicht, so ist die Länge der Messstrecke ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge der Schallsignale und die gezählten Perioden des Referenzsignals vom Sendezeitpunkt bis zur Detektion des Empfangssignals dividiert durch die eingestellte Referenzsignalfrequenz ergibt die Schallaufzeit durch die Messstrecke. Bei einer bekannten Messstreckenlänge kann daraus anschließend die Schallgeschwindigkeit berechnet werden. Da die eingestellten Schallfrequenzen sowie die sich jeweils ergebenden Phasenwinkel sehr genau bestimmt bzw. gemessen werden können und kleine zeitliche Schwankungen der Empfangssignaldetektion keinen Einfluß auf die ermittelte Laufzeit der Schallsignale haben, ist hier die Genauigkeit der Schallgeschwindigkeitsmessung deutlich höher als bei konventionellen Sing-Around-Verfahren. Weiterhin sind, wenn die Sende- und Empfangsbursts in Phase schwingen, auch alle in Medien mit schwacher Schalldämpfung entstehenden Echo-Bursts mit diesen in Phase. Dadurch können nur konstruktive Interferenzen auftreten, die lediglich die Amplitude der Empfangssignalbursts geringfügig erhöhen, was prinzipbedingt nicht zu einer Verfälschung der ermittelten Laufzeit- bzw. Schallgeschwindigkeitswerte führt.This restriction is with the in US 4,926,395 A introduced extended variant of the sing-around method eliminated. The trigger-controlled transmission and the received signal detection as well as the resulting feedback loop also remain unchanged here. As transmission signals, however, instead of short, only a few oscillations of sound pulses, longer bursts of sound are used, which are generated from a continuous, sinusoidal reference signal and thus have the same frequency and phase position as this. After transmitting and traversing the measuring section, the phase shift of the receiving burst obtained is determined relative to the transmission burst or the reference signal, and the frequency of the reference signal is changed until the transmitting and receiving bursts oscillate in phase. If this is achieved, the length of the measuring path is an integer multiple of the wavelength of the sound signals and the counted periods of the reference signal from the transmission time to the detection of the received signal divided by the set reference signal frequency gives the Sound transit time through the measuring section. With a known measuring line length, the speed of sound can then be calculated from this. Since the set sound frequencies and the respectively resulting phase angle can be determined or measured very accurately and small temporal fluctuations of the received signal detection have no effect on the determined transit time of the sound signals, the accuracy of the sound velocity measurement is significantly higher than in conventional sing-around method , Furthermore, when the transmit and receive bursts oscillate in phase, all the echo bursts resulting in low attenuation media are also in phase with them. As a result, only constructive interference can occur, which only slightly increase the amplitude of the received signal bursts, which in principle does not lead to a falsification of the determined transit time or sound velocity values.

Bei Festkörpern können auch Schallwellen mit Hilfe eines Laserinterferometers detektiert werden, wenn sie nach dem Durchlaufen des Festkörperinneren an seiner Oberfläche eintreffen und diese in Bewegung versetzen. Ein solches Verfahren, das für geophysikalische Untersuchungen von Meeresuntergründen entwickelt wurde, wird in US 2008/0007715 A1 offenbart. Hier wird ein Laserinterferometer und eine Vielzahl von matrixförmig auf einer Festkörperoberfläche (dem Meeresboden) angeordneter Detektoren verwendet. Das Laserinterferometer sendet einen konvergenten Objektstrahl nacheinander in Richtung jedes einzelnen Detektors und vermisst so die Änderungen der Abstände aller Detektoren von dem Laserinterferometer in sehr schneller Folge. Dadurch kann die Bewegung der Detektoren bzw. der Festkörperoberfläche und damit auch die dort eintreffenden Schallwellen gemessen werden.With solid bodies, sound waves can also be detected with the aid of a laser interferometer if they arrive at their surface after passing through the interior of the solid and set it in motion. Such a method, which was developed for geophysical investigations of seabeds, is published in US 2008/0007715 A1 disclosed. Here, a laser interferometer and a plurality of detectors arranged in matrix form on a solid surface (the seabed) are used. The laser interferometer sends a convergent object beam sequentially toward each individual detector, thus measuring the changes in the distances of all the detectors from the laser interferometer in a very rapid sequence. As a result, the movement of the detectors or the solid surface and thus also the sound waves arriving there can be measured.

Die mit kontinuierlichen Schallsignalen arbeitenden Messverfahren lassen sich in solche mit breitbandigen und solche mit schmalbandigen, also sinusförmigen, Schallsignalen aufteilen. Die breitbandigen Verfahren verwenden entweder amplitudenimodulierte Schallsignale wie in DE 4437 205 A1 oder frequenzmodulierte Schallsignale wie in DE 3 412 089 A1 . Dem Sendesignal wird so ein Kode aufgeprägt, der anschließend im Empfangssignal detektiert wird. Das ermöglicht, wie bei den Impuls-Laufzeit-Verfahren, eine direkte Messung der Schallwellenlaufzeit. Eine Erhöhung der Messgenauigkeit kann auch hier wieder durch eine zusätzliche Phasenwinkelmessung zwischen der Trägerschwingung des Empfangssignals und einem Referenzsignal erreicht werden. Die schmalbandigen Verfahren können wiederum in optische Verfahren, Resonanz- bzw. interferometrische Verfahren und Phasenverfahren unterteilt werden. Sie besitzen gegenüber den Impulsmessverfahren einige entscheidende Vorteile, aber auch Nachteile. Zu Letzterem gehört von allem ein sehr viel höherer elektronischer und teils auch apparativer Aufwand, der vor allem für eine automatisierte Messung notwendig ist. Durch die Entwicklung der digitalen Messtechnik in Verbindung mit ihrer fortschreitenden Miniaturisierung und Verbilligung besitzt dieser Nachteil gegenüber den Impulsverfahren heute aber keine große Bedeutung mehr. Ihre wesentlichen Vorteile sind die hohe Resistenz gegenüber Empfangssignalstörungen, da diese leicht herausgefiltert werden können, die hohe Sendestärke und Empfangsempfindlichkeit, da die Schallwandler mit oder nahe ihrer Resonanzfrequenz betrieben werden können und, aufgrund der Schmalbandigkeit, die Unempfindlichkeit gegenüber dem Auftreten von Schalldispersion in dem zu messenden Medium.The measuring methods working with continuous sound signals can be divided into those with broadband and those with narrowband, ie sinusoidal, sound signals. The wideband methods use either amplitude-modulated sound signals as in DE 4437 205 A1 or frequency modulated sound signals as in DE 3 412 089 A1 , The transmission signal is impressed as a code, which is then detected in the received signal. This allows, as with the pulse transit time method, a direct measurement of the sound wave propagation time. An increase in the measurement accuracy can also be achieved here by an additional phase angle measurement between the carrier oscillation of the received signal and a reference signal. The narrowband methods can in turn be divided into optical methods, resonance or interferometric methods and phase methods. They have some decisive advantages over the pulse measuring methods, but also disadvantages. The latter includes a much higher level of electronic and partly equipment-related effort, which is necessary above all for automated measurement. Due to the development of digital measurement technology in conjunction with its progressive miniaturization and cheapening, this disadvantage no longer has any great significance compared to pulse methods. Their main advantages are the high resistance to received signal interference, since they can be easily filtered out, the high transmission strength and reception sensitivity, since the transducers can be operated at or near their resonance frequency and, due to the narrow band, the insensitivity to the occurrence of sound dispersion in the zu measuring medium.

Das Prinzip der optischen Verfahren beruht auf den Beugungserscheinungen von Licht an einem durchschallten flüssigen oder gasförmigen Medium, das optisch transparent sein muss. Da der Brechungsindex eines solchen Mediums dichteabhängig ist, schwankt er örtlich und zeitlich mit dem Schalldruck einer sich ausbreitenden Schallwelle, wobei die lokalen Änderungen des Brechungsindex proportional zu den momentanen Werten des Schallwechseldruckes sind. Daraus folgt, dass der Abstand der Maxima und Minima des Brechungsindex eine Schallwellenlänge, entsprechend der Lage der Kompressions- und Dilatationsgebiete, beträgt. Das Schallfeld produziert somit im durchschallten Medium ein optisches Phasengitter mit der Schallwellenlänge als Gitterkonstante, die mit den aus der Optik bekannten Methoden aus der Lage der Beugungsbilder ermittelt werden kann. Die Schallgeschwindigkeit ergibt sich dann durch die Multiplikation der Gitterkonstanten mit der Schallfrequenz.The principle of the optical method is based on the diffraction phenomena of light in a sound-through liquid or gaseous medium, which must be optically transparent. Since the refractive index of such a medium is density-dependent, it varies spatially and temporally with the sound pressure of a propagating sound wave, with the local changes in the refractive index being proportional to the instantaneous values of the sound pressure. It follows that the distance of the maxima and minima of the refractive index is a sound wave length, corresponding to the position of the compression and dilatation areas. The sound field thus produces in the sound-transmitted medium an optical phase grating with the sound wave length as a grating constant, which can be determined by the methods known from optics from the position of the diffraction images. The speed of sound then results from the multiplication of the lattice constants with the sound frequency.

Die genauesten Messungen der Schallfrequenz sind mit Resonanzverfahren möglich. Ihr schon lange bekanntes Funktionsprinzip beruht auf der Erzeugung von stehenden Schallwellen in dem zu untersuchenden gasförmigen oder flüssigen Medium. Dazu stehen sich im Allgemeinen zwei ebene Wandler oder ein ebener Wandler und ein ebener Reflektor mit bekanntem Abstand planparallel gegenüber. Aus der Frequenz der stehenden Wellen und dem Wandler- bzw. Wandler-Reflektor-Abstand, also der Schallweglänge, kann dann die Schallgeschwindigkeit bzw. -laufzeit ermittelt werden. Je nachdem ob zur Erzeugung der stehenden Wellen die Schallweglänge oder die Schallfrequenz variiert wird, werden nach diesem Verfahren arbeitende Messsysteme entweder als akustische Interferometer oder Resonanzzellen bezeichnet.The most accurate measurements of the sound frequency are possible with resonance methods. Their long-known operating principle is based on the generation of standing sound waves in the gaseous or liquid medium to be examined. For this purpose, two planar transducers or a planar transducer and a planar reflector with a known distance are generally opposite in plane. From the frequency of standing waves and the transducer or transducer-reflector distance, so the sound path length, then the speed of sound or -laufzeit can be determined. Depending on whether the sound path length or the sound frequency is varied to produce the standing waves, measuring systems operating according to this method are referred to as either acoustic interferometers or resonance cells.

Die Entwicklung Ersterer geht auf Pierce, G. W.: „Piezoeiectric Crystal Oscillators Applied to the Precision Measurement of the Velocity of Sound in Air and CO2 at High Frequencies”, Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences, Band 60 (1925), Heft 5, S. 271–302 zurück. Bei dieser Variante wird das Resonanzverfahren häufig auch als interferometrisches Verfahren bezeichnet. Bei ihnen erfolgt die Änderung der Schallweglänge in der Regel mit Hilfe einer Mikrometerschraube. Da hier also mechanisch bewegliche Teile benötigt werden, sind akustische Interferometer für automatisierte Messungen eher ungeeignet. Resonanzzellen kommen dagegen ohne bewegliche Teile aus, weshalb auch schon auf ihrer Grundlage automatisch arbeitende Messsysteme entwickelt wurden. Als Beispiel sei hier das von Burda, W. in seiner schon genannten Dissertation „Ultraschallresonator zur prozessmesstechnischen Bestimmung der Eigenschaften statischer und dynamischer Fluide”, Verlag Shaker (1993), sowie von Burda, W. und Becker, E.-J. in „Ultraschall-Resonanz-Messgerät für die Fluid-Messtechnik” Tech. Mess., R. Oldenbourg Verlag, Heft 10 (1993), S. 376–382, beschriebene System genannt. Der entscheidende Nachteil aller Resorianzverfahren ist, dass wegen der erforderlichen Mehrfachreflexion der Schallwellen nur in Medien mit einer sehr geringen Schalldämpfung gemessen werden kann. Zu untersuchende Flüssigkeiten müssen z. B. absolut blasenfrei sein.The development of the former goes to Pierce, GW: "Piezoeiectric Crystal Oscillators Applied to the Precision Measurement of the Velocity of Sound in Air and CO 2 at High Frequencies", Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences, Volume 60 (1925), No. 5, pp. 271-302. In this variant, the resonance method is often referred to as interferometric method. With them, the change in the sound path length usually with the aid of a micrometer screw. Since mechanically moving parts are needed here, acoustic interferometers are rather unsuitable for automated measurements. Resonance cells, on the other hand, can do without moving parts, which is why automatic measurement systems have already been developed on their basis. As an example, here is the Burda, W. in his aforementioned dissertation "ultrasonic resonator for process-technical determination of the properties of static and dynamic fluids", published by Shaker (1993), and Burda, W. and Becker, E.-J. in "Ultrasonic Resonance Meter for Fluid Measurement" Tech. Mess., R. Oldenbourg Verlag, Issue 10 (1993), pp. 376-382. The decisive disadvantage of all Resorianzverfahren is that because of the required multiple reflection of the sound waves can be measured only in media with a very low sound attenuation. To be examined liquids must z. B. be absolutely free of bubbles.

Auch mit Phasenmessverfahren, die ebenfalls sinusförmige, kontinuierliche Schallsignale verwenden, sind extrem genaue Laufzeitmessungen möglich. Bei Ihnen wird der Phasenwinkel des Empfangssignals gegenüber einem Referenzsignal gemessen, das in der Regel mit dem Sendesignal identisch ist oder mit ihm in Frequenz und Phasenlage übereinstimmt. Dabei sind, im Gegensatz zu den Resonanzverfahren, Mehrfachreflexionen und damit stehende Wellen unerwünscht, da sie die Phasenwinkelmessung stören oder sogar völlig verhindern würden. Sie können daher auch für Laufzeitmessung in Medien mit starker Schalldämpfung eingesetzt werden. Da Phasenwinkel bekanntlich nur Modulo 2π gemessen werden können, also auf den Wertebereich [0; 2π] begrenzt sind, liefert eine Phasenmessung prinzipiell vieldeutige Aussagen, weshalb zur Gewinnung eindeutiger Laufzeitwerte zusätzliche Überlegungen oder Messungen erforderlich sind. Auch bei Ihnen gibt es solche mit und solche ohne Rückkopplung.Even with phase measurement methods, which also use sinusoidal, continuous sound signals, extremely accurate transit time measurements are possible. With you, the phase angle of the received signal is measured against a reference signal, which is usually identical to the transmission signal or coincides with it in frequency and phase. In this case, in contrast to the resonance method, multiple reflections and thus standing waves are undesirable because they disturb the phase angle measurement or even completely prevent it. They can therefore also be used for transit time measurement in media with strong sound attenuation. As is known, phase angles can only be measured modulo 2π, that is to say the value range [0; 2π] are limited, a phase measurement in principle provides ambiguous statements, which is why additional considerations or measurements are required to obtain unique propagation time values. Also with you there are those with and those without feedback.

Bei Ersteren wird entweder die Schallfrequenz ( DE 1 156257 B ) oder die Schallweglänge solange geändert, bis der gemessene Phasenwinkel einen vorgegebenen Wert annimmt. In DE 1 219 700 B wird z. B. eine Generatorschaltung vorgeschlagen, welche die Frequenzanpassung automatisch durchführt. Aus der Schallfrequenz, der Schallweglänge und dem Phasenwinkel kann dann die Schallgeschwindigkeitsänderung gegenüber einem Bezugspunkt ermittelt werden. Da aber die Phasenwinkelmesswerte, wie schon erwähnt, auf den Wertebereich [0; 2π] begrenzt sind, können auch Schallgeschwindigkeitsänderungen nur bis zu einer bestimmten Grenze gemessen werden. Hierbei gilt, je höher die Schallfrequenz und je größer die Schallweglänge, desto geringer ist die maximal messbare Geschwindigkeitsänderung. Weiterhin muss angemerkt werden, dass Messungen mit variabler Schallfrequenz nur in Medien ohne Schalldispersion im genutzten Frequenzbereich durchgeführt werden können.In the former, either the sound frequency ( DE 1 156257 B ) or the sound path length changed until the measured phase angle assumes a predetermined value. In DE 1 219 700 B is z. B. a generator circuit proposed, which performs the frequency adjustment automatically. From the sound frequency, the sound path length and the phase angle can then be determined the sound velocity change from a reference point. However, since the phase angle measured values, as already mentioned, are limited to the value range [0; 2π] are limited, also sonic velocity changes can be measured only up to a certain limit. In this case, the higher the sound frequency and the greater the sound path length, the lower the maximum measurable change in speed. Furthermore, it must be noted that measurements with variable sound frequency can only be performed in media without sound dispersion in the frequency range used.

Phasenmessverfahren ohne Rückkopplung arbeiten im einfachsten Fall mit einer festen Schallfrequenz. Von Schaafs und Kalweit wird ein so arbeitendes Gerät in „Das Phasenvergleichs-Interferometer zur Messung kleinster Schallgeschwindigkeitsänderungen bis zu 1 mm/s”, Acustica, Band 10 (1960), S. 385–393, vorgestellt. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die dort verwendete Bezeichnung „Phasenvergleichs-Interferometer” im Sinne der hier getroffenen, und auch in der Literatur für Interferometer allgemein üblichen Definition, nicht zutreffend ist, da es sich hier um ein Phasenmessverfahren handelt. Zur Vermeidung von Störsignalen bei der Phasenwinkelmessung durch Körperschall, Übersprechsignale (Teile der elektrischen Erregersignale, die direkt zum Empfangswandler gelangen) und Mehrfachreflexionen bei Messungen in Medien mit geringer Schalldämpfung werden, wie in 3 zu sehen, häufig sinusförmige Schallsignale in Form längerer Signalbursts verwendet, wobei die Ein- und Ausschwingphase eines Empfangsbursts für die Phasenwinkelmessung nicht verwendet wird. Auch solche Schallsignale können hier als kontinuierlich angenommen werden, da ihre Tastung, abgesehen von der erwünschten Störsignalunterdrückung, die Phasenmessung nicht beeinflusst. Ein solches, mit Schallbursts arbeitendes Phasenmessverfahren wird in DE 2950 862 C2 beschrieben. Aufgrund des begrenzten Wertebereiches der Phasenwinkelmesswerte können auch hier statt absoluter Geschwindigkeitswerte nur Geschwindigkeitsdifferenzen gegenüber einem bekannten Bezugspunkt mit bekannter Laufzeit vb und bekanntem Phasenwinkel φb innerhalb bestimmt vorgegebener Grenzen, dem Messfenster, ermittelt werden. Auch die Größe eines solchen Messfensters ist wieder umgekehrt proportional von der Wellenlänge der verwendeten Schallsignale und bei Geschwindigkeitsmessungen auch umgekehrt proportional von der Schallweglänge abhängig.Phase measurement methods without feedback work in the simplest case with a fixed sound frequency. Schaafs and Kalweit, a so-working device in "The phase comparison interferometer for measuring minute changes in sound velocity up to 1 mm / s", Acustica, Volume 10 (1960), pp 385-393 presented. It should be noted that the term "phase-comparison interferometer" as used herein in the sense of the definition given here, and also in the literature for interferometer generally common definition, is not applicable, since this is a phase measurement method. To avoid interference signals in the phase angle measurement by structure-borne noise, crosstalk signals (parts of the electrical excitation signals that go directly to the receiving transducer) and multiple reflections in measurements in media with low sound attenuation, as in 3 Frequently, sinusoidal sound signals are used in the form of longer signal bursts, with the arrival and decay phase of a receiving burst not being used for the phase angle measurement. Even such sound signals can be assumed to be continuous here since their keying, apart from the desired noise suppression, does not affect the phase measurement. Such a, with sound bursts working phase measurement method is in DE 2950 862 C2 described. Due to the limited value range of the phase angle measured values, only speed differences with respect to a known reference point with known propagation time v b and known phase angle φ b can be determined within predefined limits, the measurement window, instead of absolute velocity values. The size of such a measurement window is again inversely proportional to the wavelength of the sound signals used and in speed measurements also inversely proportional to the sound path length.

Vor dem Beginn einer Messung muss sichergestellt werden, dass alle Geschwindigkeitswerte der aufzunehmenden Messreihe innerhalb des Messfensters liegen. Da die Fensterposition während der gesamten Aufnahme der Messreihe unveranderlich ist, kann es auch als statisches Messfenster bezeichnet werden. Dazu wird ausgehend von dem Bezugspunkt der zur oberen oder unteren Fenstergrenze, also zur maximal bzw. minimal messbaren Geschwindigkeit, gehörige Phasenwinkel φo bzw. φu berechnet. Bei der Auswahl der ersten Variante wird das Messfenster mit

Figure DE102011004830B4_0002
positioniert. Dabei ist φo der Phasenwinkel und vo die Schallgeschwindigkeit an der oberen Messfensterbegrenzung, s die Schallweglänge, f die Schallfrequenz und Δt der Laufzeitunterschied zu dem Bezugspunkt mit vb und φb. Um φo auf den Wertebereich 0 ≤ φo < 2π zu begrenzen, muss die Gleichung 1 wie folgt erweitert werden:
Figure DE102011004830B4_0003
Before starting a measurement it must be ensured that all velocity values of the measurement series to be recorded lie within the measurement window. Since the window position is invariable during the entire recording of the measurement series, it can also be called a static measurement window. For this purpose, starting from the reference point to the upper or lower window limit, ie the maximum or minimally measurable speed, associated phase angle φ o or φ u calculated. When selecting the first variant, the measurement window is also displayed
Figure DE102011004830B4_0002
positioned. Where φ o is the phase angle and v o is the sound velocity at the upper measurement window boundary, s is the sound path length, f is the sound frequency and Δt is the transit time difference to the reference point with v b and φ b . In order to limit φ o to the value range 0 ≤ φ o <2π, equation 1 must be extended as follows:
Figure DE102011004830B4_0003

Nachfolgend kann in dem durchschallten Medium die Schallgeschwindigkeit v durch die Messung des Phasenwinkels φ mit

Figure DE102011004830B4_0004
ermittelt werden. Hierbei ist frac die Restfunktion, die durch frac(x) = x – [x] definiert ist. Sie gibt also die Differenz zwischen x und [x] an, wobei [x] die Gaußklammer ist, die auch als Abrundungs- oder Ganzzahlfunktion bezeichnet wird. Der Wert von frac ist immer positiv.Subsequently, in the sound-through medium, the speed of sound v by the measurement of the phase angle φ with
Figure DE102011004830B4_0004
be determined. Here, frac is the residual function defined by frac (x) = x - [x]. It thus gives the difference between x and [x], where [x] is the Gaussian bracket, which is also called a rounding or integer function. The value of frac is always positive.

Da die Größen Schallweg und -frequenz nicht beliebig verkleinert werden können und zahlreiche Anwendungen, wie z. B. Messungen in blasenhaltigen flüssigen Medien, sogar eine möglichst hohe Schallfrequenz erfordern, ist das sich aus der zu verwendenden Schallfrequenz ergebende Messfenster in seiner statischen Form häufig zu klein. Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems unter Beibehaltung der statischen Fenstereigenschaft besteht in der Verwendung von „virtuellen” Schallsignalen mit einer sehr viel niedrigeren Frequenz. Sie beruhen auf dem Prinzip der virtuellen Schwebung. Das bedeutet, es werden bei identischen Messbedingungen zwei Schallsignale mit unterschiedlichen, aber nicht zu weit auseinander liegenden, Frequenzen entweder räumlich wie bei Uhlig, K.: „Ein Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit durch analoge Umwandlung der Durchlaufzeit eines Schallsignals in eine Frequenz in einer Wechselspannung”, Dissertation, Universität Kiel (1971) oder zeitlich wie in DE 19841 154 C2 und DE 100 36 567 A1 getrennt gesendet und die jeweiligen Phasenwinkel gemessen. Bei der räumlichen Trennung müssen sich demzufolge die Schallwellen in beiden Probenräumen mit der gleichen Geschwindigkeit fortpflanzen, während bei einer zeitlichen Trennung beide Messungen so schnell hintereinander erfolgen müssen, dass die Schallgeschwindigkeit während des gesamten Messzyklusses als konstant angesehen werden kann. Die Einhaltung der ersten Bedingung erfordert im Vergleich zur Zweiten bei der heutigen Messtechnik einen deutlich höheren Aufwand, weshalb der zweiten Verfahrensvariante in der Regel der Vorzug gegeben werden sollte. Anschließend wird aus den so gemessenen zwei Phasenwinkeln der Phasenwinkel des virtuellen Schwebungssignals, das aber zu keinem Zeitpunkt real existiert hat, ermittelt und daraus die Schallgeschwindigkeit berechnet. Wobei die Berechnung des Geschwindigkeitswertes wieder als Differenz gegenüber einem bekannten Bezugswert erfolgt. Die beiden Schallsignale werden also gewissermaßen virtuell im Rechner überlagert. Weil im Vergleich zu den realen Schallsignalen die Frequenz des virtuellen Schwebungssignals sehr viel geringer ist, kann durch eine geeignete Wahl des verwendeten Frequenzpaares ein für jede denkbare Anwendung ausreichend großes statisches Messfenster erzeugt werden. Da beide Schallfrequenzen immer relativ dicht beieinander liegen, kann auch in Medien mit Schalldispersion gemessen werden. Weiterhin können aus diesem Grund auch schwach bedampfte Schallwandler mit einer schmalen Resonanzkurve, die eine hohe Sendestärke und Empfangsempfindlichkeit ermöglichen, verwendet werden.Since the sizes sound path and frequency can not be reduced arbitrarily and numerous applications, such. As measurements in bubble-containing liquid media, even require the highest possible frequency of sound, which is often too small resulting from the sound frequency to be used resulting measurement window in its static form. One way to solve this problem while preserving the static window property is to use "virtual" sound at a much lower frequency. They are based on the principle of virtual beating. This means that under identical measuring conditions, two sound signals with different, but not too far apart, frequencies are either spatially as in Uhlig, K .: "A method for measuring the speed of sound by analog conversion of the transit time of a sound signal into a frequency in an AC voltage , Dissertation, University of Kiel (1971) or in time as in DE 19841 154 C2 and DE 100 36 567 A1 sent separately and measured the respective phase angle. In the case of spatial separation, therefore, the sound waves in both sample spaces must propagate at the same speed, while with a temporal separation both measurements have to take place so quickly in succession that the speed of sound can be considered constant throughout the measuring cycle. Compliance with the first condition requires in comparison to the second in today's measurement a much higher cost, which is why the second variant of the method should be given preference in the rule. Subsequently, the phase angle of the virtual beat signal, which, however, has never existed in real time, is determined from the two phase angles thus measured, and the sound velocity is calculated therefrom. The calculation of the speed value again takes place as a difference from a known reference value. The two sound signals are thus effectively superimposed virtually in the computer. Because the frequency of the virtual beat signal is much lower compared to the real sound signals, a suitable choice of the frequency pair used can be used to generate a static measurement window which is sufficiently large for every conceivable application. Since both sound frequencies are always relatively close to each other, it is also possible to measure in sound-dispersion media. Furthermore, for this reason, low-attenuation sound transducers with a narrow resonance curve, which allow a high transmission strength and reception sensitivity can be used.

Der wesentliche Nachteil bei der Verwendung virtueller Schallsignale ist die Verringerung der Genauigkeit der ermittelten Geschwindigkeitsmesswerte gegenüber der einfachen Phasenmessung. Diese sinkt nämlich bei konstanter Messgenauigkeit der Phasenwinkelmessungen mit steigender Größe des Messfensters, das daher nie größer als für die jeweilige Anwendung nötig sein saute. Zusätzlich summieren sich im ungünstigsten Fall die Messfehler der beiden Phasenwinkelmessungen. Die Vergrößerung der Signalbandbreite durch die Verwendung von zwei Schallfrequenzen wirkt sich hingegen aufgrund ihrer geringen Größe auch bei Messungen in Medien mit Schalldispersion nicht nennenswert nachteilig aus.The main drawback with the use of virtual sound signals is the reduction of the accuracy of the determined speed measurement values compared to the simple phase measurement. With constant measurement accuracy of the phase angle measurements, this decreases with increasing size of the measuring window, which therefore never needed to be greater than necessary for the respective application. In addition, in the worst case, the measurement errors of the two phase angle measurements add up. The enlargement of the signal bandwidth by the use of two sound frequencies, on the other hand, does not have a significant disadvantage due to their small size, even when measured in media with sound dispersion.

Weiterhin besteht auch bei den Phasenmessverfahren die Möglichkeit, die Laufzeit bzw. Geschwindigkeit von Schallwellen absolut zu bestimmen. Dazu wird die Vieldeutigkeit der Phasenwinkelmessung durch Abstands- oder Frequenzvariation beseitigt. Bei der Abstandsvariation wird bei konstanter Schallfrequenz der Phasenwinkel des Empfangssignals bei mindestens zwei unterschiedlichen Schallweglängen gemessen. Da hier wieder mechanisch bewegliche Teile erforderlich sind, ist diese Variante für eine Automatisierung der Messung eher ungeeignet. Bei der Frequenzvariation werden dagegen keine beweglichen Teile benötigt, siehe Kaarsberg, E. A.: „Elastic-waves velocity measurements in rocks and other materials by phase-delay methods”, Geophysics, Band 40 (1975), Heft 6, S. 955–960. Hier wird bei konstanter Schallweglänge der Phasenwinkel von zwei oder mehr Empfangssignalen bei mindestens zwei unterschiedlichen Schallfrequenzen gemessen. Bei beiden Varianten muss sichergestellt sein, dass die Phasenwinkeldifferenz zwischen zwei benachbarten Messpunkten immer kleiner als 2π ist. Weiterhin müssen die Phasenwinkelmessungen hinreichend schnell hintereinander erfolgen, so dass während der Messung aller Phasenwinkel von stationären Messbedingungen, also einer konstanten Schallgeschwindigkeit im durchschallten Medium, ausgegangen werden kann. Werden anschließend die Schallweglängen bzw. -frequenzen über den gemessenen Phasenwinkeln aufgetragen, so ergibt sich die Schallgeschwindigkeit aus dem Anstieg der durch sie verlaufenden Geraden.Furthermore, it is also possible in the phase measurement method to determine the transit time or speed of sound waves absolute. For this purpose, the ambiguity of the phase angle measurement is eliminated by distance or frequency variation. In the distance variation, the phase angle of the received signal is measured at a constant sound frequency at at least two different sound path lengths. Since mechanically moving parts are again required here, this variant is rather unsuitable for automation of the measurement. In the frequency variation, however, no moving parts are needed, see Kaarsberg, E.A .: "Elastic-waves velocity measurements in rocks and other materials by phase-delay methods", Geophysics, Volume 40 (1975), No. 6, pp. 955-960. Here, with constant sound path length, the phase angle of two or more received signals is measured at at least two different sound frequencies. In both variants, it must be ensured that the phase angle difference between two adjacent measuring points is always less than 2π. Furthermore, the phase angle measurements must be carried out sufficiently quickly in succession, so that it can be assumed during the measurement of all phase angles of stationary measurement conditions, ie a constant speed of sound in the sound-through medium. If the sound path lengths or frequencies are subsequently plotted over the measured phase angles, the speed of sound results from the increase in the straight line passing through them.

Je mehr Messpunkte aufgenommen werden und je breiter das verwendete Frequenzspektrum ist, desto genauer ist der ermittelte Geschwindigkeitswert. Desto mehr Messzeit wird aber auch benötigt, was die Anzahl möglicher Messpunkte pro Geschwindigkeitswert bei sich ständig ändernden Medieneigenschaften stark begrenzt. Eine ausreichend hohe Genauigkeit der ermittelten Geschwindigkeitswerte kann hier im Allgemeinen nur mit einer größeren Anzahl von Messpunkten und einem möglichst breiten Spektrum der verwendeten Schallfrequenzen erreicht werden. In der genannten Veröffentlichung von Kaarsberg, E. A. wurden z. B. bis zu 42 Messpunkte zur Ermittlung eines Geschwindigkeitswertes aufgenommen, was eine sehr hohe Genauigkeit ergibt, aber nur bei statischen Messbedingungen möglich ist. Zusätzlich müssen durch die für Phasenmessverfahren hohe Breitbandigkeit stärker bedampfte Schallwandler verwendet werden, was eine geringere Sendestärke und Empfangsempfindlichkeit zur Folge hat. Für Messungen in Medien mit einer starken Schalldämpfung und vor allem Schalldispersion sowie bei einer sich schnell ändernden Schaltgeschwindigkeit ist dieses Verfahren deshalb ungeeignet.The more measuring points are recorded and the broader the frequency spectrum used, the more accurate is the determined speed value. However, the more measuring time is required, which severely limits the number of possible measuring points per speed value with constantly changing media properties. A sufficiently high accuracy of the determined speed values can generally only be achieved with a larger number of measuring points and the widest possible spectrum of the used sound frequencies. In the cited publication by Kaarsberg, E.A. B. recorded up to 42 measuring points to determine a speed value, which results in a very high accuracy, but only in static measurement conditions is possible. In addition, more vapor-deposited transducers must be used by the high bandwidth for phase measurement techniques, resulting in lower transmit power and receive sensitivity. This method is therefore unsuitable for measurements in media with a strong sound attenuation and above all sound dispersion as well as at a rapidly changing switching speed.

Es bestand daher die Aufgabe, ein Messverfahren zu entwickeln, mit dem die Schalllaufzeit bzw. -geschwindigkeit auch bei sich dynamisch ändernden Messbedingungen, hoher Schalldämpfung und -dispersion in dem zu untersuchenden Medium schnell und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.It was therefore the object to develop a measuring method with which the sound propagation time or speed can be determined quickly and with high accuracy even with dynamically changing measuring conditions, high sound attenuation and dispersion in the medium to be examined.

Entsprechend wird ein Verfahren zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen vorgeschlagen, dass zusammengefasst folgende Schritte umfasst: Festlegen von n Schallfrequenzen f1 bis fn mit n ≥ 2; Einspeisen aller Schallwellen mit den Frequenzen f1 bis fn in eine Messstrecke, wobei die Schallwellen zeitlich nacheinander eingespeist werden; Empfangen der gesendeten Schallwellen nach dem Durchlaufen der Messstrecke, wobei das Senden der Schallwellen mit den Frequenzen f2 bis fn erst nach dem Empfang der jeweils zuvor gesendeten Schallwelle erfolgt; Bestimmung der Phasenwinkel φ1 bis φn der empfangenen Schallwellen gegenüber einem jeweils zugehörigen Referenzsignal gleicher Frequenz f1 bis fn; Vorbestimmen einer Näherung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in der Messstrecke aus dem Anstieg der durch alle gemessenen Phasenwinkelmesspunkte (f1, φ1) bis (fn, φn) führenden Geraden; und Nachbestimmen der genauen Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Messstrecke unter Verwendung von einem der gemessenen Phasenwinkel φ1 bis φn als Differenz gegenüber einem Bezugspunkt mit bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit und bekanntem Phasenwinkel φb innerhalb eines zuvor positionierten Messfensters mit einer unteren und einer oberen Schallgeschwindigkeitsgrenze vu und vo, wobei die genäherte vorbestimmte Ausbreitungsgeschwindigkeit zur Positionierung des Messfensters verwendet wird.Accordingly, a method is proposed for measuring the propagation velocity of sound waves, comprising in summary the following steps: determining n sound frequencies f 1 to f n with n ≥ 2; Feeding all sound waves with the frequencies f 1 to f n in a measuring section, wherein the sound waves are fed successively in time; Receiving the transmitted sound waves after passing through the measuring section, wherein the transmission of the sound waves with the frequencies f 2 to f n takes place only after the receipt of each previously transmitted sound wave; Determining the phase angle φ 1 to φ n of the received sound waves with respect to a respectively associated reference signal of the same frequency f 1 to f n ; Predetermining an approximation of the propagation velocity of the sound waves in the measurement path from the slope of the line passing through all measured phase angle measurement points (f 1 , φ 1 ) to (f n , φ n ); and re-determining the exact propagation velocity in the measurement path using one of the measured phase angles φ 1 to φ n as the difference from a reference point with known propagation velocity and known phase angle φ b within a previously positioned measurement window having a lower and upper velocity limit v u and v o wherein the approximated predetermined propagation velocity is used to position the measurement window.

Die Messung erfolgt somit ohne ein statisches Messfenster, sondern mittels eines bei jeder Laufzeitmessung neu positionierten dynamischen Messfensters.The measurement thus takes place without a static measurement window, but by means of a dynamic measurement window repositioned for each transit time measurement.

Da zur Vorbestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen sehr wenige, im einfachsten Fall nur zwei Schallfrequenzen f1 und f2 mit je einer Phasenwinkelmessung pro Frequenz (f1, φ1) und (f2, φ2) verwendet werden, ist der so erhaltene Geschwindigkeitswert sehr ungenau, weshalb es sich nur um eine grobe Vorbestimmung der Schallgeschwindigkeit handelt. Nach erfolgter Messfensterpositionierung mit Hilfe dieses Wertes wird abschließend nach der Gleichung 3 aus einem der gemessenen Phasenwinkel die genaue Schallgeschwindigkeit als Differenz gegenüber einem Bezugspunkt mit bekannter Schallgeschwindigkeit und bekanntem Phasenwinkel bestimmt.Since very little, in the simplest case, only two sound frequencies f 1 and f 2 , each with one phase angle measurement per frequency (f 1 , φ 1 ) and (f 2 , φ 2 ), are used to predetermine the propagation velocity of the sound waves, the velocity value thus obtained is used very inaccurate, which is why it is only a rough predetermination of the speed of sound. After the measuring window has been positioned using this value, finally, according to equation 3, one of the measured phase angles becomes the exact one Speed of sound is determined as the difference from a reference point with known sound velocity and known phase angle.

Zur Genauigkeitserhöhung bei der genäherten Vorbestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen kann die Anzahl der dabei verwendeten Schallfrequenzen erhöht werden. Der Anstieg der durch sie verlaufenden Geraden wird dann bevorzugt durch lineare Regression bestimmt.To increase the accuracy in the approximate prediction of the propagation velocity of the sound waves, the number of sound frequencies used in this case can be increased. The slope of the straight line passing through it is then preferably determined by linear regression.

Eine Genauigkeitserhöhung bei der genäherten Vorbestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen ist auch durch das Senden mehrere Schallwellen gleicher Frequenz und der anschließenden Mittelung der gemessenen Phasenwinkel erreichbar.An increase in accuracy in the approximate prediction of the propagation velocity of the sound waves can also be achieved by transmitting a plurality of sound waves of the same frequency and the subsequent averaging of the measured phase angles.

Die Frequenz und in aller Regel auch die Phasenlage von Sende- und zugehörigem Referenzsignal stimmen überein.The frequency and, as a rule, also the phase position of the transmitter and associated reference signal match.

Die verwendeten Schallfrequenzen messen so gewählt werden, dass die auftretende Phasenwinkeldifferenz zwischen zwei benachbarten Frequenzen immer kleiner als 2π ist.Measure the used sound frequencies so that the occurring phase angle difference between two neighboring frequencies is always smaller than 2π.

Die Messunsicherheit der angenähert vorbestimmten Laufzeit muss kleiner als das Messfenster sein, damit es eine Messfensterposition gibt bei der sichergestellt ist, dass sich der genaue noch unbekannte Laufzeitwert innerhalb des Messfensters befindet. Diese Bedingung ist am sichersten erfüllt, wenn zur Nachbestimmung der genauen Laufzeit die Schallwelle mit der niedrigsten aller genutzten Frequenzen verwendet wird, da hier das Messfenster am größten ist.The measurement uncertainty of the approximately predetermined transit time must be smaller than the measurement window, so that there is a measurement window position in which it is ensured that the exact yet unknown runtime value is within the measurement window. This condition is most certainly satisfied if the sound wave with the lowest of all frequencies used is used to determine the exact duration, since the measurement window is the largest here.

Das Messfenster sollte im Allgemeinen so über die annähernd vorbestimmte Laufzeit gelegt werden, dass es bezogen auf die Größe des Messfehlers bei der Phasenwinkelmessung zentriert positioniert ist.The measurement window should generally be laid over the approximately predetermined transit time so that it is centered in the phase angle measurement with respect to the magnitude of the measurement error.

Das Festlegen des Abstandes zwischen zwei benachbarten Schallfrequenzen kann erfolgen, indem die erste Frequenz vorgegeben wird und die folgende Frequenz so gewählt wird, dass unter Berücksichtigung der Phasenwinkelmessgenauigkeit die maximal mögliche Phasendifferenz immer kleiner als 2π ist. Die maximal mögliche Phasendifferenz tritt bei der kleinsten, in der Messstrecke möglichen, Schallgeschwindigkeit auf.Determining the distance between two adjacent sound frequencies can be done by the first frequency is set and the following frequency is selected so that taking into account the phase angle measurement accuracy, the maximum possible phase difference is always less than 2π. The maximum possible phase difference occurs at the smallest possible sound velocity in the measurement path.

Durch die dynamische Neupositionierung des Messfensters bei jedem Messpunkt entfällt die bei einem statischen Messfenster bestehende Bedingung, dass alle Schallgeschwindigkeitswerte einer aufzunehmenden Messreihe sich innerhalb des vor dem Beginn der Messung fest (statisch) positionierten Messfensters befinden müssen.Due to the dynamic repositioning of the measuring window at each measuring point, the condition prevailing with a static measuring window that all sound velocity values of a series of measurements to be recorded must be within the measurement window fixed (static) before the start of the measurement.

Vielmehr muss hier, wie schon erwähnt, nur sicher gestellt werden, dass die Messunsicherheit des jeweils grob vorbestimmten Schallgeschwindigkeitswertes kleiner als das dynamische Messfenster ist, sich also der genaue, noch unbekannte, Schallgeschwindigkeitswert im Fensterinneren befindet. Dadurch kann das dynamische Messfenster sehr viel kleiner sein als es bei den meisten Anwendungsfällen ein statisches Messfenster sein könnte. Die Erzeugung niederfrequenter, virtueller Schallsignale zur Vergrößerung des Messfensters wie in DE 198 41 154 C2 und in dem von Uhlig, K. vorgestellten Verfahren ist damit nicht mehr notwendig, weshalb das einfache Phasenverfahren zur genauen Schallgeschwindigkeitsbestimmung ausreichend ist. Zusätzlich besitzen die ermittelten Schallgeschwindigkeitswerte im Vergleich zu einer Phasenmessung mit virtuellen Schallsignalen eine größere Genauigkeit, da in sie erstens nur die Unsicherheit einer Phasenwinkelmessung eingeht und zweitens das Messfenster in der Regel erheblich kleiner ist. Ein weiterer Vorteil gegenüber Phasenverfahren mit virtuellen Schallsignalen ist die in alter Regel viel geringere Bandbreite der verwendeten Schallsignale, was die Genauigkeit bei Messungen in Medien mit Schalldispersion vergrößert und bei der Verwendung von nur schwach bedämpften Schallwandlern die über alle verwendeten Schallfrequenzen gemittelte Sendestärke sowie Empfangsempfindlichkeit erhöht. Das ist wiederum bei Messungen in Medien mit einer starken Schalldämpfung von Vorteil. So werden z. B. bei Messungen in flüssigen Medien mit dem in DE 198 41 154 C2 beschriebenen Verfahren typischerweise Signalbandbreiten zwischen 100 kHz und 500 kHz verwendet, während hier bei einer vergleichbaren Anwendung im Allgemeinen nur Signalbandbreiten von wenigen 10 kHz für die grobe Vorbestimmung der Schallgeschwindigkeit benötigt werden, wie auch aus dem noch folgenden Beispiel hervorgeht. Bei der abschließenden genauen Bestimmung der Schallgeschwindigkeit liegt die verwendete Signalbandbreite sogar bei nahe 0 Hz. Solange sich der zu ermittelnde Schallgeschwindigkeitswert innerhalb des Messfensters befindet, kann hier somit eine Messwertverfälschung durch Schalldispersion vollständig ausgeschlossen werden.Rather, as already mentioned, it must only be ensured that the measurement uncertainty of the respectively roughly predetermined sound velocity value is smaller than the dynamic measurement window, ie that the exact, as yet unknown, sound velocity value is located inside the window. As a result, the dynamic measurement window can be much smaller than it could be a static measurement window in most applications. The generation of low-frequency, virtual sound signals for enlarging the measurement window as in DE 198 41 154 C2 and in the method presented by Uhlig, K. this is no longer necessary, which is why the simple phase method for accurate sound velocity determination is sufficient. In addition, the sound velocity values determined have a greater accuracy in comparison to a phase measurement with virtual sound signals, since in the first place only the uncertainty of a phase angle measurement is received and, secondly, the measurement window is generally considerably smaller. Another advantage over phase methods with virtual sound signals is the much lower bandwidth of the sound signals used in the old rule, which increases the accuracy of measurements in media with sound dispersion and increases when using only weakly damped transducers averaged over all the sound frequencies used transmit power and reception sensitivity. This, in turn, is advantageous for measurements in media with a strong sound attenuation. So z. B. in measurements in liquid media with the in DE 198 41 154 C2 described method typically uses signal bandwidths between 100 kHz and 500 kHz, while here in a comparable application generally only signal bandwidths of a few 10 kHz for the rough prediction of the speed of sound are needed, as will emerge from the example below. In the final accurate determination of the speed of sound, the signal bandwidth used is even close to 0 Hz. As long as the sound velocity value to be determined is within the measurement window, a measurement distortion by sound dispersion can thus be completely ruled out here.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: In the following an embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings. Show it:

1 Zeitliche Verlauf zweier Referenzsignale mit den Frequenzen f1 und f2 sowie der dazugehörigen getasteten Empfangssignale (Bursts) jeweils gleicher Frequenz und Bestimmung der Phasenwinkel der Empfangssignale relativ zum jeweiligen Referenzsignal; 1 Time course of two reference signals with the frequencies f 1 and f 2 and the associated sampled received signals (bursts) each having the same frequency and determining the phase angle of the received signals relative to the respective reference signal;

2 Graphische Darstellung der genäherten Vorbestimmung der Schallgeschwindigkeit bei der Verwendung von zwei Schallfrequenzen; 2 Graphical representation of the approximate prediction of the speed of sound when using two sound frequencies;

3 Genauigkeit der genähert vorbestimmten Schallgeschwindigkeit bei gegebener Phasenwinkelmessgenauigkeit und die sich daraus ergebende Streubreite dieser Schallgeschwindigkeitswerte (vmax – vmin) 3 Accuracy of the approximated predetermined speed of sound for a given phase angle measurement accuracy and the resulting spread of these sound velocity values (v max -v min )

Die Erfindung betrifft ein Phasenverfahren mit dynamischem Messfenster zur Bestimmung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit bzw. Laufzeit von Schallwellen. Dazu werden in einem ersten Verfahrensschritt zwei oder mehr kontinuierliche oder getastete, sinusförmige Schallsignale mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen f1 bis fn nacheinander gesendet und nach dem Durchlaufen der Messstrecke wieder empfangen, wobei jeweils der Phasenwinkel φ des Empfangssignals gegenüber einem zugehörigen Referenzsignal gleicher Frequenz gemessen wird. Der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Schallsignalen sollte so gering sein, dass die Schallgeschwindigkeit im durchschallten Medium während des gesamten Messvorgangs als konstant angesehen werden kann. Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt aus den so erhaltenen Phasenwinkeln die Laufzeit der Schallsignale genähert vorbestimmt. Daran schließt sich ein dritter Verfahrensschritt an, bei dem aus einem der gemessenen Phasenwinkel die genaue Laufzeitdifferenz gegenüber einem Bezugspunkt mit bekannter Schallgeschwindigkeit und bekanntem Phasenwinkel ermittelt wird, wobei der zuvor mit geringer Genauigkeit bestimmte Schallgeschwindigkeitswert zur Positionierung des hierfür erforderlichen Messfensters dient.The invention relates to a phase method with dynamic measurement window for determining the propagation speed or transit time of sound waves. For this purpose, in a first method step, two or more continuous or keyed, sinusoidal sound signals with at least two different frequencies f 1 to f n are transmitted successively and received again after passing through the measurement path, wherein in each case the phase angle φ of the received signal measured against an associated reference signal of the same frequency becomes. The time interval between the individual sound signals should be so small that the speed of sound in the sounded-through medium can be regarded as constant throughout the measuring process. Subsequently, in a second method step, the transit time of the sound signals is predetermined approximated from the phase angles thus obtained. This is followed by a third process step, in which the exact transit time difference with respect to a reference point with known sound velocity and known phase angle is determined from one of the measured phase angles, wherein the previously determined with low accuracy sound velocity value is used for positioning the measurement window required for this purpose.

Für die meisten Anwendungen sind bei der Verwendung von geeigneter Messtechnik zwei bei unterschiedlichen Schallfrequenzen durchgeführte Phasenwinkelmessungen zur groben Vorbestimmung der Schallgeschwindigkeit bzw. Laufzeit der Schallwellen ausreichend. Nur bei starken Störungen der Schallausbreitung oder aufgrund eines sehr kleinen Messfensters bei entsprechend hohen Schallfrequenzen kann die Aufnahme von mehr als zwei Messpunkten zur Genauigkeitserhöhung bei der genäherten Vorbestimmung der Schallgeschwindigkeit erforderlich werden. Deshalb wird bei den folgenden Betrachtungen von dem einfachsten Fall, also zwei Phasenwinkelmessungen bei sich unterscheidenden Schallfrequenzen pro zu ermittelndem Geschwindigkeitswert ausgegangen. Hierbei ist, wie schon im vorangegangenen Abschnitt erwähnt, die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Schallsignalen in aller Regel deutlich geringer als bei den in DE 198 41 154 C2 zur Erzeugung eines virtuellen Schwebungssignals verwendeten Schallsignalen.For most applications, when using suitable measuring technology, two phase angle measurements carried out at different sound frequencies are sufficient to roughly predetermine the speed of sound or the duration of the sound waves. Only in the case of strong disturbances of sound propagation or due to a very small measurement window with correspondingly high sound frequencies can it be necessary to record more than two measurement points to increase the accuracy in the approximated prediction of the speed of sound. Therefore, in the following considerations, the simplest case, that is to say two phase angle measurements with differing sound frequencies per speed value to be determined, is assumed. Here, as already mentioned in the previous section, the frequency difference between the two sound signals is generally much lower than in the DE 198 41 154 C2 sound signals used to generate a virtual beat signal.

Die beiden Phasenwinkelmessungen müssen, wie ebenfalls schon erwähnt, so schnell hintereinander ausgeführt werden, dass die Schaltgeschwindigkeit während des gesamten Messvorgangs als konstant angesehen werden kann. Bevorzugt werden getastete, sinusförmige Schallsignale in Form längerer Bursts zur Störsignalunterdrückung verwendet werden. Die zwei Referenz- und Empfangssignalpaare mit den Frequenzen f1 und f2 sowie die Phasenwinkel φ1 und φ2 zwischen dem Referenz- und dem jeweils zugehörigen Empfangssignal sind in 1 dargestellt. Die messbaren Phasenwinkel sind dabei auf den Wertebereicht [0; 2π] begrenzt.As already mentioned, the two phase angle measurements must be carried out so quickly in succession that the switching speed can be regarded as constant throughout the measuring process. Preferably, sampled, sinusoidal sound signals in the form of longer bursts are used for noise suppression. The two reference and received signal pairs with the frequencies f 1 and f 2 and the phase angles φ 1 and φ 2 between the reference and the respective associated received signal are in 1 shown. The measurable phase angles are based on the value range [0; 2π] limited.

Es wird also eine Schallwelle mit der ersten Frequenz f, durch die Messstrecke mit dem zu untersuchenden Medium gesendet und nach dem Durchlaufen der Messstrecke wieder empfangen. Zeitlich nachfolgend wird eine weitere Schallwelle mit der zweiten Frequenz f2 ebenfalls durch die Messstrecke gesandt und wieder empfangen. Die Ermittlung der beiden Phasenwinkel φ1 und φ2 der beiden Empfangssignale gegenüber einem Referenzsignal jeweils gleicher Frequenz erfolgt entweder direkt nach dem Signalempfang oder zur Minimierung der Messzeit erst nach dem Abschluss aller zur Ermittlung eines Schallgeschwindigkeitswertes durchzuführenden Sende- und Empfangsprozesse.Thus, a sound wave with the first frequency f, is sent through the measuring path with the medium to be examined and received again after passing through the measuring path. Subsequent to time, another sound wave with the second frequency f 2 is likewise sent through the measuring path and received again. The determination of the two phase angles φ 1 and φ 2 of the two received signals relative to a reference signal of the same frequency takes place either directly after the signal reception or to minimize the measurement time only after the completion of all to be carried out to determine a speed of sound transmission and reception processes.

Werden anschließend die Schallfrequenzen über den gemessenen Phasenwinkeln aufgetragen, wie dies in 2 gezeigt ist, so ergibt sich die Schallgeschwindigkeit aus dem Anstieg a der durch sie verlaufenden Geraden. Wurden mehr als zwei Messpunkte bei mehr als zwei unterschiedlichen Schallfrequenzen aufgenommen, so erfolgt die Ermittlung des Anstiegs der durch sie verlaufenden Geraden im Allgemeinen unter Zuhilfenahme der linearen Regression. Die Schallgeschwindigkeit v kann bei konstanter Schallweglänge s jetzt mit v = 2π· s / a (4) berechnet werden. Sind, wie in 2 dargestellt, nur zwei Messpunkte aufgenommen worden, so kann die Schallgeschwindigkeit mit der vereinfachten Form v =2π· Δf / Δφ·s (5) ermittelt werden, wobei Δf die Frequenzdifferenz und Δφ die Phasenwinkeldifferenz zwischen den beiden Messpunkten ist.Then, the sound frequencies are plotted against the measured phase angles, as in 2 is shown, the speed of sound results from the rise a of the straight line passing through it. If more than two measurement points have been recorded at more than two different sound frequencies, the increase in the straight line passing through them is generally determined with the aid of linear regression. The speed of sound v can now with constant sound path s with v = 2π · s / a (4) be calculated. Are, as in 2 shown, only two measurement points have been recorded, so the sound velocity with the simplified shape v = 2π · Δf / Δφ · s (5) where Δf is the frequency difference and Δφ is the phase angle difference between the two measurement points.

Vor dem Beginn einer Messung müssen die zwei zu verwendenden Schallfrequenzen f1 und f2 und damit auch die Frequenzdifferenz Δf zwischen ihnen sowie die zur abschließenden Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit mit dem einfachen Phasenverfahren zu verwendende Schallfrequenz festgelegt werden.Before starting a measurement, the two sound frequencies f 1 and f 2 to be used and thus also the frequency difference Δf between them and the sound frequency to be used for the final determination of the propagation velocity with the simple phase method must be determined.

Um eine sichere Ermittlung der Ausbreitungsgeschwindigkeit zu gewährleisten, muss die Größe der zufälligen Fehler bei der Phasenwinkelmessung φF, also die Streubreite ±φF der beiden Phasenwinkelmesswerte φ1 und φ2 bekannt sein, um in den benötigten Geschwindigkeitsmessbereich die maximal sowie minimal mögliche Phasenwinkeldifferenz Δφmax = φ2 – φ1 + 2φF = Δφ + 2φF (6) Δφmin = φ2 – φ1 – 2φF = Δφ – 2φF (7) zu ermitteln. Zusammen mit der Gleichung 5 ergibt sich daraus die Streubreite des grob vorbestimmten Schallgeschwindigkeitswertes wie folgt:

Figure DE102011004830B4_0005
In order to ensure reliable determination of the propagation velocity, the magnitude of the random errors in the phase angle measurement φ F , ie the scattering width ± φ F of the two phase angle measurements φ 1 and φ 2, must be known in order to obtain the maximum and minimum possible phase angle difference in the required velocity measurement range Δφ max = φ 2 - φ 1 + 2φ F = Δφ + 2φ F (6) Δφ min = φ 2 - φ 1 - 2φ F = Δφ - 2φ F (7) to investigate. Together with Equation 5, this results in the spread of the roughly predetermined sound velocity value as follows:
Figure DE102011004830B4_0005

Hierbei sind Vmin und Vmax die an einem Messpunkt minimal bzw. maximal mögliche Schallgeschwindigkeit. Verdeutlicht wird das in 3, wobei dort vg die gemessene Schallgeschwindigkeit ist. Weiterhin ist aus den Gleichungen 8 zu erkennen, dass bei konstanter Frequenzdifferenz Δf und Schallweglänge s der Phasenwinkel Δφ zwischen zwei Messpunkten steigt. Aus der Bedingung Δφmax < 2π für den maximal zulässigen Phasenwinkel folgt daher, dass es immer eine untere Grenze

Figure DE102011004830B4_0006
für die Geschwindigkeitsmessung gibt, bei der Δφmax = 2π ist. Um eine fehlerfreie Messung sicher zu stellen, darf die kleinste mögliche Schallgeschwindigkeit in dem zu messenden Medium den Wert vk nicht unterschreiten. Sie sollte bei einer Messung immer deutlich größer als vk sein, um hier eine gewisse „Sicherheitsreserve” zu besitzen.Here, V min and V max are the minimum or maximum possible sound velocity at a measuring point. This is clarified in 3 where v g is the measured speed of sound. Furthermore, it can be seen from equations 8 that, with a constant frequency difference Δf and sound path length s, the phase angle Δφ increases between two measuring points. Therefore, it follows from the condition Δφ max <2π for the maximum permissible phase angle that there is always a lower limit
Figure DE102011004830B4_0006
for the velocity measurement in which Δφ max = 2π. In order to ensure error-free measurement, the smallest possible speed of sound in the medium to be measured must not fall below the value v k . It should always be significantly larger than v k in order to have a certain "safety margin" here.

Bei dem einfachen Phasenverfahren, mit dem die genaue Schallgeschwindigkeit bestimmt wird, gilt für die untere und obere Messfensterbegrenzung, also die kleinste und größte messbare Schallgeschwindigkeit vu bzw. vo der Zusammenhang vu = s / t; vo = s / t – T, (10) wobei T die Periodendauer der Schallwellen und t ihre Laufzeit bei vu ist. Es ist am günstigsten dieses Messfenster bezogen auf die zufälligen Fehler φF bei den Phasenwinkelmessungen zentriert zu positionieren. Dazu wird angenommen, dass die Größe der Messunsicherheit des grab vorbestimmten Schallgeschwindigkeitswertes gleich der Größe des Messfensters nach Gleichung 10 ist, so dass bei einer messunsicherheitszentrierten Fensterposition vmin = vu und vmax = vo ist. Damit ergibt sich aus den Gleichungen 8 und 10

Figure DE102011004830B4_0007
mit der oberen Fehlergrenze der Phasenwinkelmessungen φF,max = T·π·Δf / 2 (12) die bei einer Messung nicht erreicht werden darf. Es muss hier somit immer die Bedingung φF < φF,max erfüllt sein. Das dynamische Messfenster ist also mit vu = 2π· Δf / Δφ + T·π·Δf·s; vo = 2π· Δf / Δφ – T·πΔf·s (13) zu positionieren.In the simple phase method with which the exact sound velocity is determined, the relationship applies to the lower and upper measuring window limits, ie the smallest and largest measurable speed of sound v u and v o v u = s / t; v o = s / t - T, (10) where T is the period of the sound waves and t is their transit time at v u . It is best to position this measurement window centered on the random errors φ F in the phase angle measurements. For this purpose, it is assumed that the magnitude of the measurement uncertainty of the grab predetermined sound velocity value is equal to the size of the measurement window according to equation 10, so that at a measurement uncertainty-centered window position v min = v u and v max = v o is. This results from equations 8 and 10
Figure DE102011004830B4_0007
with the upper error limit of the phase angle measurements φ F, max = T · π · Δf / 2 (12) which can not be reached during a measurement. Thus, the condition φ FF, max always has to be fulfilled here. The dynamic measurement window is so with v u = 2π · Δf / Δφ + T · π · Δf · s; v o = 2π · Δf / Δφ - T · πΔf · s (13) to position.

Als Beispiel wird im Folgenden ein vollständiger Messvorgang mit dynamischem Messfenster beschrieben:
Die Schallweglänge soll s = 2·10–6 m und der Messfehler bei der Phasenwinkelmessung φF = 1,5° betragen. Weiterhin sollen zwei Schallfrequenzen mit f1 = 2·106 Hz (2 MHz) und f2 = 2,047·106 Hz (2,047 MHz) verwendet werden. Zur Nachbestimmung der genauen Schallgeschwindigkeit wird das Schallsignal mit der niedrigeren Frequenz f, benutzt. Dann ist nach der Gleichung 12 φF,max = 2,115° und die Bedingung φF < φF,max somit erfüllt. Als untere Grenze für die Schallgeschwindigkeitsmessung ergibt sich ein Wert von vk ≈ 948 m·s–1.
As an example, a complete measuring process with a dynamic measuring window is described below:
The sound path length should be s = 2 · 10 -6 m and the measurement error in the phase angle measurement φ F = 1.5 °. Furthermore, two sound frequencies with f 1 = 2 × 10 6 Hz (2 MHz) and f 2 = 2.047 × 10 6 Hz (2.047 MHz) should be used. To re-determine the exact speed of sound, the sound signal with the lower frequency f, is used. Then, according to the equation 12, φ F, max = 2.115 ° and the condition φ FF, max are thus satisfied. The lower limit for the sound velocity measurement is a value of v k ≈ 948 m · s -1 .

Vor dem Beginn der eigentlichen Messung muss das verwendete Ultraschaft-Messsystem einmalig geeicht werden. Dazu wird in einem Medium mit genau bekannter Schallgeschwindigkeit der Phasenwinkel bei der für die spätere Nachbestimmung der Schallgeschwindigkeit verwendeten Schallfrequenz mehrfach gemessen. Die Anzahl der Phasenmessungen muss so hoch sein, dass der Messfehler des über alle Messungen gemittelten Phasenwinkels vernachlässigbar klein ist. Bei dieser Eichung wurde bei einer Schallgeschwindigkeit von v = 1400 m·s–1 und der Schallfrequenz f1 ein Berugsphasenwinkel von φb = 68,40° gemessen.Before starting the actual measurement, the ultrasonic measuring system used must be calibrated once. For this purpose, the phase angle at the sound frequency used for later determination of the speed of sound is repeatedly measured in a medium with a precisely known speed of sound. The number of phase measurements must be so high that the measurement error of the phase angle averaged over all measurements is negligibly small. In this calibration, a Berugsphasenwinkel of φ b = 68.40 ° was measured at a speed of sound of v = 1400 m · s -1 and the sound frequency f 1 .

Jetzt kann die Schallgeschwindigkeit in dem zu untersuchenden Medium bestimmt werden. Eine Phasenmessung ergab bei der Frequenz f1 einen Phasenwinkel φ1 = 102,69° und bei der Frequenz f2 einen Phasenwinkel φ2 = 328,29°. Die Positionierung des dynamischen Messfensters mit den Gleichungen 11 ergibt eine untere Grenze von vu = 1472,39 m·s–1 und eine obere Grenze von vo = 1528,66 m·s–1. Aus den Gleichungen 8 folgt, dass sich die Schallgeschwindigkeit in dem Bereich von vmin = 1480,31 m·s–1 bis vmax = 1520,20 m·s–1 und damit gesichert innerhalb des gesetzten Messfensters befindet. Nach der erfolgten Positionierung des dynamischen Messfensters ergibt sich nach der Gleichung 2 an der oberen Fenstergrenze ein Phasenwinkel von φo = 282,74°. Jetzt erfolgt mit der Gleichung 3 die Nachbestimmung der Schallgeschwindigkeit, die einen Wert von v = 1500 m·s–1 ergibt.Now the speed of sound in the medium to be examined can be determined. A phase measurement at the frequency f 1 gave a phase angle φ 1 = 102.69 ° and at the frequency f 2 a phase angle φ 2 = 328.29 °. The positioning of the dynamic measurement window with equations 11 gives a lower limit of v u = 1472.39 m · s -1 and an upper limit of v o = 1528.66 m · s -1 . It follows from equations 8 that the speed of sound is in the range of v min = 1480.31 m · s-1 to v max = 1520.20 m · s -1 and thus secured within the set measurement window. After the successful positioning of the dynamic measurement window results according to the equation 2 at the upper window boundary, a phase angle of φ o = 282.74 °. Now with the equation 3, the determination of the speed of sound, which gives a value of v = 1500 m · s -1 .

Nach einiger Zeit wird in dem zu untersuchenden Medium erneut eine Phasenmessung durchgeführt, wobei sich bei der Frequenz f1 ein Phasenwinkel φ = 336,37° und bei der Frequenz f2 ein Phasenwinkel φ2 = 199,00° ergibt. Das Messfenster kann nun wieder mit den Gleichungen 11 auf die Grenzen vu = 1491,66 m·s–1 und vo = 1549,44 m·s–1 neu positioniert werden. Auch hier ist mit vmin = 1499,79 m·s–1 und vmax = 1540,76 m·s–1 wieder sicher gestellt, dass sich die Schallgeschwindigkeit innerhalb des gesetzten Messfensters befindet. Als Phasenwinkel an der oberen Fenstergrenze ergibt sich nach der Gleichung 2 dann ein Wert von φo = 156,38° Jetzt kann ebenfalls wieder mit der Gleichung 3 die Nachbestimmung der Schallgeschwindigkeit erfolgen, die nun einen Wert von v = 1520 m·s–1 ergibt.After some time, a phase measurement is carried out again in the medium to be examined, with a phase angle φ = 336.37 ° at the frequency f 1 and a phase angle φ 2 = 199.00 ° at the frequency f 2 . The measurement window can now be re-positioned with the equations 11 to the limits v u = 1491.66 m · s -1 and v o = 1549.44 m · s -1 . Here too, with v min = 1499.79 m · s -1 and v max = 1540.76 m · s -1, it is again ensured that the speed of sound is within the set measurement window. As a phase angle at the upper window boundary, a value of φ o = 156.38 ° then results according to Equation 2. Now, with the equation 3, the sound velocity can be redetermined, which now has a value of v = 1520 m · s -1 results.

Wird eine kleinste zu messende Schallgeschwindigkeit von 1000 m·s–1 angenommen, so ist die untere Messgrenze für die Schallgeschwindigkeit vk ≈ 948 m·s–1 ausreichendweit entfernt, um auch bei einem unerwartet etwas höheren Messfehler bei der Phasenmessung noch eine sichere Ermittlung der Schallgeschwindigkeit zu gewährleisten. Eine Schallgeschwindigkeit von 1000 m·s–1 ist für flüssige Medien ein sehr niedriger Wert, der nur in wenigen Fällen unterschritten wird, so dass die gewählten Schallfrequenzen je nach Anwendungsfall nur sehr selten oder sogar niemals geändert werden müssen. Da auch die Positionierung des Messfensters automatisch erfolgt, ist dieses Verfahren in der Anwendung deutlich komfortabler als alle bisher existierenden Phasenmessverfahren zur relativen Bestimmung der Schallgeschwindigkeit. Ähnliche Beispiele mit einer identischen Aussage und Werten, die für gasförmige oder feste Medien typisch sind, ließen sich ebenfalls finden.If a minimum sound velocity of 1000 m · s -1 is assumed, then the lower measurement limit for the velocity of sound v k ≈ 948 m · s -1 is sufficiently far away to ensure a reliable determination even in the case of an unexpectedly slightly higher measurement error in the phase measurement to ensure the speed of sound. A sound velocity of 1000 m · s -1 is a very low value for liquid media, which is only undercut in a few cases, so that the selected sound frequencies depending on the application only very rarely or never have to be changed. Since the positioning of the measuring window also takes place automatically, this method is considerably more comfortable to use than any previously existing phase measuring method for the relative determination of the speed of sound. Similar examples with an identical statement and values typical of gaseous or solid media could also be found.

Claims (12)

Verfahren zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen, umfassend die Schritte: Einspeisen von mindestens zwei Schallwellen mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen (f1 bis fn) in eine Messstrecke, wobei die Schallwellen zeitlich nacheinander eingespeist werden; Empfang der gesendeten Schallwellen nach dem Durchlaufen der Messstrecke; Bestimmen der Phasenwinkel (φ1 bis φn) der empfangenen Schallwellen gegenüber einem jeweils zugehörigen Referenzsignal gleicher Frequenz (f1 bis fn); Vorbestimmen einer Näherung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in der Messstrecke aus den gemessenen Phasenwinkeln (φ1 bis φn); Nachbestimmen der Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Messstrecke unter Verwendung eines der gemessenen Phasenwinkel (φ1 bis φn) als Differenz gegenüber einem Bezugspunkt mit bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit und bekanntem Phasenwinkel (φb) innerhalb eines Messfensters, wobei die genäherte vorbestimmte Ausbreitungsgeschwindigkeit zur Positionierung des Messfensters verwendet wird.A method for measuring the propagation velocity of sound waves, comprising the steps of: feeding at least two sound waves having at least two different frequencies (f 1 to f n ) into a measurement path, the sound waves being fed in succession; Receiving the transmitted sound waves after passing through the measuring section; Determining the phase angles (φ 1 to φ n ) of the received sound waves with respect to a respectively associated reference signal of the same frequency (f 1 to f n ); Predicting an approximation of the propagation velocity of the sound waves in the measurement path from the measured phase angles (φ 1 to φ n ); Determining the propagation velocity in the measurement path using one of the measured phase angles (φ 1 to φ n ) as a difference from a reference point with known propagation velocity and known phase angle (φ b ) within a measurement window, wherein the approximated predetermined propagation velocity is used to position the measurement window. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Genauigkeitserhöhung bei der genäherten Vorbestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen mehr als zwei Schallsignale mit mehr als zwei Schallfrequenzen (f1 bis fn) und damit auch mehr als zwei gemessenen Phasenwinkeln (φ1 bis φn) verwendet werden.A method according to claim 1, characterized in that for accuracy increase in the approximate prediction of the propagation velocity of the sound waves more than two sound signals with more than two sound frequencies (f 1 to f n ) and thus more than two measured phase angles (φ 1 to φ n ) be used. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von mehr als zwei Schallwellen bei mehr als zwei unterschiedlichen Schallfrequenzen die Vorbestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen unter Zuhilfenahme der linearen Regression der gemessenen Phasenwinkel (φ1 bis φn) in Abhängigkeit von der jeweiligen Frequenz (f1 bis fn) erfolgt.A method according to claim 2, characterized in that when using more than two sound waves at more than two different sound frequencies, the predetermination of the propagation velocity of the sound waves with the aid of the linear regression of the measured phase angle (φ 1 to φ n ) as a function of the respective frequency (f 1 to f n ) takes place. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von mehr als zwei Schallwellen mit mindestens zwei unterschiedlichen Schallfrequenzen und mit einer mindestens doppelt auftretenden Schallfrequenz alle gemessenen Phasenwinkel von Schallwellen gleicher Frequenz gemittelt werden.A method according to claim 1, characterized in that when using more than two sound waves with at least two different sound frequencies and with an at least twice occurring sound frequency all measured phase angles of sound waves of the same frequency are averaged. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Sendesignal mit dem jeweils zugehörigen Referenzsignal in Frequenz und Phasenlage übereinstimmt.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that each transmit signal coincides with the respective associated reference signal in frequency and phase. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen die gemessene Phasendifferenz zwischen zwei Schallsignalen mit benachbarten Schallfrequenzen immer kleiner als 2π sein muss.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the predetermination of the propagation velocity of the sound waves, the measured phase difference between two sound signals with adjacent sound frequencies must always be less than 2π. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messfenster bezogen auf die vorbestimmte genährte Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen sowie unter Berücksichtigung der Phasenwinkelmessgenauigkeit zentriert positioniert ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring window is positioned centered relative to the predetermined propagation speed of the sound waves and taking into account the phase angle measuring accuracy. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den zufälligen Fehler bei der Phasenwinkelmessung (φF) verursachte Streubreite der vorbestimmten genäherten Ausbreitungsgeschwindigkeit kleiner ist als das Messfenster für die Nachbestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit sein muss.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the scattering width of the predetermined approximated propagation velocity caused by the random error in the phase angle measurement (φ F ) is smaller than the measurement window for the determination of the propagation velocity. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kontinuierliche sinusförmige Schallsignale oder getastete quasikontinuierliche Schallsignale verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that continuous sinusoidal sound signals or sampled quasi-continuous sound signals are used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwellen zeitlich derart hintereinander ausgesendet werden, dass die Laufzeit der Schallwellen innerhalb der Messstrecke während des Sendens aller Schallsignale als konstant angesehen werden kann.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sound waves are emitted temporally in such a succession that the duration of the sound waves within the measuring section during the transmission of all sound signals can be regarded as constant. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwelle mit der niedrigsten Frequenz bevorzugt zur Nachbestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit verwendet wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sound wave with the lowest frequency is preferably used for the determination of the propagation velocity. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlegen der Schallfrequenzen (f1 bis fn) derart erfolgt, dass die erste Schallfrequenz f1 vorgegeben wird und die anderen Schallfrequenzen (f2 bis fn) aus der Bedingung bestimmt werden, dass unter Berücksichtigung der Phasenwinkelmessgenauigkeit bei allen zu bestimmenden Ausbreitungsgeschwindigkeiten die maximale gemessene Phasendifferenz zwischen zwei Schallsignalen mit benachbarten Frequenzen immer kleiner als 2π sein muss.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the determination of the sound frequencies (f 1 to f n ) takes place in such a way that the first sound frequency f 1 is predetermined and the other sound frequencies (f 2 to f n ) are determined from the condition, that taking into account the phase angle measurement accuracy at all propagation velocities to be determined, the maximum measured phase difference between two sound signals with adjacent frequencies must always be less than 2π.
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