DE102019005905A1

DE102019005905A1 - Messeinrichtung zur Ermittlung einer Fluidgröße

Info

Publication number: DE102019005905A1
Application number: DE102019005905.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Nickl
Original assignee: Diehl Metering GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2021-02-25

Abstract

Messeinrichtung zur Ermittlung einer Fluidgröße mit einer Steuereinrichtung (2) und einem an einem Messrohr (3) angeordneten Schwingungswandler (4), wobei die Steuereinrichtung (2) einen Verstärker (10) umfasst, wobei ein Eingang (11) des Verstärkers (10) zumindest in einem ersten Betriebsmodus mit einer Signalquelle (12) verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, ein Anregungssignal bereitzustellen, um über den Schwingungswandler (4) eine Schwingung in dem Fluid anzuregen, wobei der oder ein weiterer Eingang (11, 16) des Verstärkers (10) zumindest in dem ersten und einem zweiten Betriebsmodus mit dem Schwingungswandler (4) verbunden ist, wobei ein Ausgang des Verstärkers (10) zumindest in dem zweiten Betriebsmodus mit einer Messeinrichtung (14) verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, wenigstens einen eine Schwingung des Schwingungswandlers (4) betreffenden Messwert zu erfassen, wobei die Steuereinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Fluidgröße in Abhängigkeit des erfassten Messwerts zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) eine Schalteinrichtung (21) umfasst, durch die der Ausgang des Verstärkers (13) in dem ersten Betriebsmodus über eine erste Rückkoppelimpedanz (15) und in dem zweiten Betriebsmodus über eine von der ersten Rückkoppelimpedanz (15) unterschiedliche zweite Rückkoppelimpedanz (17) mit dem oder dem weiteren Eingang (11, 16) des Verstärkers (10) und dem Schwingungswandler (4) verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße mit einer Steuereinrichtung, einem Messrohr, das zur Aufnahme des Fluids oder zur Führung der Fluidströmung dient, und einem an dem Messrohr angeordneten Schwingungswandler, wobei die Steuereinrichtung einen Verstärker umfasst, wobei ein Eingang des Verstärkers zumindest in einem ersten Betriebsmodus der Steuereinrichtung mit einer Signalquelle der Steuereinrichtung verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, ein Anregungssignal bereitzustellen, um über den Schwingungswandler eine Schwingung in dem Fluid anzuregen, wobei der oder ein weiterer Eingang des Verstärkers zumindest in dem ersten und einem zweiten Betriebsmodus der Steuereinrichtung mit dem Schwingungswandler verbunden ist, wobei ein Ausgang des Verstärkers zumindest in dem zweiten Betriebsmodus mit einer Messeinrichtung der Steuereinrichtung verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, wenigstens einen eine Schwingung des Schwingungswandlers betreffenden Messwert zu erfassen, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Fluidgröße in Abhängigkeit des erfassten Messwerts zu ermitteln.
Eine Möglichkeit, Eigenschaften eines Fluids bzw. einer Fluidströmung zu ermitteln sind Ultraschalldurchflusszähler, bei denen eine Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids durch ein Messrohr bzw. eine Durchflussmenge in Abhängigkeit eines Laufzeitunterschieds zwischen den beiden Ausbreitungsrichtungen einer Ultraschallwelle zwischen zwei Ultraschallwandlern ermittelt wird. Ergänzend oder alternativ zur Durchflussgeschwindigkeit bzw. -menge können auch andere Fluidgrößen, beispielsweise eine Art des im Messbereich befindlichen Fluids oder dessen Temperatur, ermittelt werden.
Obwohl es zur Ermittlung einiger Fluidgrößen ausreichend sein kann, nur einen Ultraschall- bzw. allgemein Schwingungswandler zu nutzen, dessen ausgesandte Schwingungen bzw. Wellen beispielsweise an eine Rohrwand reflektiert und zurück zum gleichen Schwingungswandler geführt werden, ist es in der Regel gewünscht, mehrere beabstandete Schwingungswandler zu nutzen, insbesondere wenn wie oben erläutert ein Laufzeitunterschied erfasst werden soll. Werden diese Schwingungswandler durch eine jeweilige separate Elektronik angesteuert bzw. ihre Messwerte erfasst, können auf Grund von Bauteiltoleranzen unterschiedliche Laufzeitoffsets und somit eine nicht durch die Fluidströmung verursachte Laufzeitdifferenz resultieren. Dies kann beispielsweise zu einer Fehlerkennung eines Durchflusses bei tatsächlich stehendem Fluid führen. Da entsprechende Offsets auch von Umgebungsbedingungen, beispielsweise von der Temperatur, abhängen können, ist eine Korrektur dieses Fehlers durch eine Kalibrierung häufig nicht ohne weiteres möglich.
Es ist daher bekannt, dass eine gemeinsame Elektronik genutzt werden kann, um Schwingungen beider Schwingungswandler anzuregen bzw. Messwerte von beiden Schwingungswandlern zu erfassen. Hierzu kann durch einen Schalter jeweils nur jener der Schwingungswandler mit der gemeinsamen Elektronik verbunden werden, für den eine Anregung bzw. Messwerterfassung erfolgen soll.
Ein Ultraschall-Durchflussmesser, der eine solche gemeinsame Elektronik nutzt, ist aus der Druckschrift DE 100 48 959 A1 bekannt. Um eine gute Reziprozität des Aussendens und des Empfangens der Schwingung zu erreichen wird dort der gleiche Verstärker sowohl während des Sendens als auch während des Empfangs der Schwingung genutzt. Allgemein ist es wünschenswert, beim Senden eine möglichst lineare Verstärkungscharakteristik und beim Empfangen ein möglichst gutes Signal-zu-Rausch Verhältnis zu erreichen. Bei der gemeinsamen Nutzung eines Verstärkers zum Aussenden und Empfangen von Schwingungen resultieren somit hohe Anforderungen an den Verstärker. Hierdurch ist potentiell eine Nutzung von teuren Bauteilen erforderlich und es müssen unter Umständen relativ hohe Betriebsspannungen für den Verstärker genutzt werden, was zu einem höheren Energieverbrauch und somit bei einem Batteriebetrieb der Messeinrichtung zu kürzeren Batterielaufzeiten führen kann.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine demgegenüber verbesserte Messeinrichtung anzugeben, bei der insbesondere bei Nutzung des gleichen Verstärkers eine verbesserte Linearität bzw. eine höhere Signalamplitude erreicht werden bzw. die eine Nutzung von niedrigeren Betriebsspannungen ermöglicht, ohne die genannten Eigenschaften zu verschlechtern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Steuereinrichtung eine Schalteinrichtung umfasst, durch die der Ausgang des Verstärkers in dem ersten Betriebsmodus über eine erste Rückkoppelimpedanz und in dem zweiten Betriebsmodus über eine von der ersten Rückkoppelimpedanz unterschiedliche zweite Rückkoppelimpedanz mit dem oder dem weiteren Eingang des Verstärkers und dem Schwingungswandler verbunden wird.
Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, in beiden Betriebsmodi, also zum Aussenden einer Schwingung und zum Erfassen wenigstens eines eine einlaufende Schwingung betreffenden Messwertes, zwar den gleichen Verstärker benutzen, jedoch durch eine Veränderung der Rückkoppelimpedanz die Verstärkereigenschaften auf die jeweilige Aufgabe abzustimmen. Wie später noch genauer erläutert werden wird, kann hierdurch insbesondere erreicht werden, dass der Verstärker im Sendefall, also im ersten Betriebsmodus, zumindest näherungsweise als Impedanzwandler wirkt und im Empfangsfall, also im zweiten Betriebsmodus, als Transimpedanzwandler mit einem relativ hohen Verstärkungsfaktor, wodurch der Aussteuerbereich des Verstärkers weitgehend ausgenutzt werden kann und somit auch bei relativ kleinen Betriebsspannungen des Verstärkers ein gutes Signal-zu-Rausch Verhältnis erreicht werden kann. Dieses Vorgehen ermöglicht es, bei einem gegebenen Verstärker, eine Verbesserung der Linearität bzw. der Signalamplitude des Empfangssignals zu erreichen. Besonders vorteilhaft wird durch das erfindungsgemäße Vorgehen jedoch erreicht, dass es bei gegebenen Anforderungen bezüglich der Linearität bzw. der Signalamplitude des Empfangssignals möglich wird, andere Parameter der Messeinrichtung, beispielsweise deren Kosten oder deren Energieverbrauch bzw. Batterielaufzeit, weiter zu verbessern.
Die erfindungsgemäße Messeinrichtung kann insbesondere dazu dienen, eine Durchflussgeschwindigkeit bzw. ein Durchflussvolumen zu ermitteln. Wie bereits eingangs erläutert, können hierzu insbesondere zwei Schwingungswandler genutzt werden. Diese können, wie später noch genauer erläutert werden wird, beide mit einer gemeinsamen Steuereinrichtung angesteuert bzw. ihre Messwerte erfasst werden.
Als Messwert kann insbesondere ein Zeitpunkt des Einlaufens der Schwingung bzw. eine Laufzeit ermittelt werden. Es ist jedoch ergänzend oder alternativ auch möglich, als Messwert eine Amplitude der einlaufenden Schwingung, insbesondere spektral aufgelöst bzw. für mehrere Schwingungsfrequenzen, eine Form einer Einhüllenden der Schwingung, eine Phasenlage verschiedener Frequenzanteile der Schwingung oder ähnliches zu erfassen. Eine frequenzabhängige Dämpfung bzw. eine Dispersion, die zu einer Verschiebung der Phasenlage unterschiedlicher Signalanteile bzw. zu einer Verformung der Einhüllenden führt, kann beispielsweise ausgewertet werden, wenn, um Informationen über eine Art des im Messrohr befindlichen Fluids bzw. eine Temperatur des Fluids zu gewinnen. Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Messverfahren bekannt, die auf einer Einkopplung von Schwingungen, insbesondere von Ultraschallwellen, in ein Fluid und einem Empfang von durch das Fluid geführte Schwingungen beruhen. Die erfindungsgemäße Messeinrichtung kann dazu eingerichtet sein, diese entsprechende Verfahren durchzuführen.
Unter einer Verbindung von Komponenten ist vorliegend eine elektrische Verbindung zu verstehen, die wahlweise direkt, also über eine Verbindung mit einer Impedanz von im Wesentlichen Null, oder über weitere Komponenten, insbesondere Impedanzen, also beispielsweise Widerstände oder Spulen, erfolgen kann. Als Verstärker kann in der erfindungsgemäßen Messeinrichtung insbesondere ein Operationsverstärker oder ein invertierender Verstärker genutzt werden.
Der Eingang des Verstärkers kann dauerhaft mit der Signalquelle verbunden sein, wobei diese beispielsweise nur in dem ersten Betriebsmodus bzw. nur in bestimmten Betriebsmodi Signale an den Verstärker ausgibt. Beispielsweise kann die Signalquelle ein Digital-Analog-Wandler sein, der durch eine andere Komponente der Steuereinrichtung, beispielsweise eine Recheneinrichtung, bereitgestellte Signale ausgibt. Es ist jedoch beispielsweise auch möglich, als Signalquelle einen analogen Oszillator, einen Rückkoppelkreis, der ein an dem Schwingungswandler erfasstes Signal rückkoppelt oder Ähnliches zu nutzen.
Der Ausgang des Verstärkers kann dauerhaft mit der Messeinrichtung verbunden sein. Wird nur ein Schwingungswandler genutzt, so kann der Ausgang des Verstärkers dauerhaft mit diesem Schwingungswandler verbunden sein. Werden mehrere Schwingungswandler genutzt, kann der Ausgang zwischen diesen umgeschaltet werden, wie später noch genauer erläutert werden wird.
Die Schwingung kann durch den Schwingungswandler direkt in das Fluid eingekoppelt werden. Beispielsweise kann eine Einkopplung senkrecht zur Rohrwand erfolgen und die im Fluid geführte Schwingung kann beispielsweise durch Spiegel umgelenkt werden, um sie parallel zur Flussrichtung zu führen. Es ist auch möglich, dass die Schwingung schräg in das Fluid eingekoppelt wird.
Alternativ zur direkten Einkopplung in das Fluid kann die Schwingung zunächst von dem Schwingungswandler in eine Rohrwand des Messrohrs eingekoppelt werden, beispielsweise in Form einer geführten Welle, insbesondere einer Lamb-Welle. Bei entsprechender Wahl der Schwingungsparameter kann diese geführte Welle über einen gewissen Ausbreitungsbereich hinweg Wellen in das Fluid abstrahlen.
Der Schwingungswandler kann insbesondere zwei Elektroden aufweisen, wobei eine davon wie obig erläutert zumindest in dem ersten, vorzugsweise jedoch auch in dem zweiten Betriebsmodus mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden sein kann. Die andere Elektrode kann mit einem Referenzpotential, beispielsweise einem Massepotential, verbunden sein. Der Schwingungswandler kann beispielsweise durch ein zwischen den Elektroden angeordnetes piezoelektrisches Material gebildet sein. Es sind aber auch beliebig andere Schwingungswandler nutzbar, die ein elektrisches Eingangssignal in Schwingungen umsetzen können. Verschiedene Ausgestaltungen für entsprechende Schwingungswandler sind im Stand der Technik prinzipiell bekannt und sollen nicht detailliert erläutert werden.
Der Betrag der ersten Rückkoppelimpedanz kann kleiner, insbesondere wenigstens um den Faktor 2 oder 5 oder 10 kleiner, als der Betrag der zweiten Rückkoppelimpedanz sein. Zwischen den beiden Rückkoppelimpedanzen können auch erheblich größere Unterschiede bestehen. Beispielweise kann die erste Rückkoppelimpedanz nahe Null sein, also beispielsweise durch eine Verbindung des Ausgangs mit dem Eingang durch einen normalen Leiter gebildet werden. Hierdurch kann der Verstärker, also beispielsweise ein Operationsverstärker, als Impedanzwandler wirken, der näherungsweise einen Ausgangswiderstand von Null bereitstellt. Dies kann vorteilhaft sein, weil in diesem Fall die Impedanz des Schwingungswandlers das an diesem bereitgestellte Ausgangssignal näherungsweise nicht beeinflusst, womit beispielsweise Bauteiltoleranzen zwischen verschiedene Schwingungswandlern weniger Einfluss auf die angeregte Schwingung haben können. Dies kann dazu beitragen, bei einer Erfassung eines Laufzeitunterschieds zwischen zwei genutzten Schwingungswandlern Offsetunterschiede und somit auf Grund der Elektronik verursachte Laufzeitunterschiede zu reduzieren.
Die zweite Rückkoppelimpedanz kann so gewählt werden, dass bei den zu erwartenden Schwingungsamplituden der Verstärker nahezu vollständig ausgesteuert wird, ohne jedoch zu übersteuern. Dies kann zu einer Verbesserung der Signalqualität und einer höheren Signalamplitude führen. Bei Transimpedanzwandlern ist die bereitgestellte Ausgangsspannung proportional zur Rückkoppelimpedanz, womit anhand der zu erwartenden Ströme an der Rückkoppelimpedanz diese optimal gewählt werden kann.
Die erste Rückkoppelimpedanz kann dadurch gebildet werden, dass eine Zusatzimpedanz parallel zu der zweiten Rückkoppelimpedanz geschaltet wird. Werden die Impedanzen beispielsweise durch Widerstände und/oder Induktivitäten gebildet, kann durch eine Parallelschaltung von entsprechenden Induktivitäten eine Gesamtinduktivität realisiert werden, deren Betrag kleiner als die Beträge der einzelnen Induktivitäten ist. Durch die beschriebene Ausbildung der ersten Rückkoppelimpedanz kann die Schalteinrichtung besonders einfach implementiert werden, da sie nur eine Zuleitung der Zusatzimpedanz unterbrechen bzw. verbinden muss. Alternativ wäre es beispielsweise möglich, dass die Schalteinrichtung wahlweise eine Zuleitung zur ersten Rückkoppelimpedanz und eine Zuleitung zur zweiten Rückkoppelimpendanz unterbrechen kann. In diesem Fall kann zwischen den Rückkoppelimpedanzen umgeschaltet werden, indem die Zuleitung zur ersten Rückkoppelimpendanz getrennt und die Zuleitung zur zweiten Rückkoppelimpedanz verbunden wird bzw. umgekehrt.
Die Schalteinrichtung kann durch einen oder mehrere Schalter gebildet sein, die insbesondere Zuleitungen der Rückkoppelimpedanzen bzw. der Zusatzimpedanz verbinden bzw. trennen können. Der jeweilige Schalter kann beispielsweise durch ein Relais, einen Halbleiterschalter oder ähnliches gebildet sein.
Die Schalteinrichtung oder eine weitere Schalteinrichtung der Steuereinrichtung kann den Ausgang des Verstärkers in einem dritten und/oder vierten Betriebsmodus der Steuereinrichtung von dem Schwingungswandler trennen und mit einem an dem Messrohr angeordneten weiteren Schwingungswandler verbinden. Wie später noch genauer erläutert werden wird, ist es möglich, dass der Schwingungswandler sowohl mit dem Ausgang als auch mit dem Eingang bzw. dem weiteren Eingang des Verstärkers verbunden ist. In diesem Fall wird der Schwingungswandler sowohl vom Eingang bzw. weiteren Eingang als auch vom Ausgang getrennt und der weitere Schwingungswandler wird mit dem Eingang bzw. dem weiteren Eingang und dem Ausgang verbunden. Durch die beschriebene Ausgestaltung der Messeinrichtung wird erreicht, dass die Steuereinrichtung zur Ansteuerung beider Schwingungswandler zur Anregung einer jeweiligen Schwingung in dem Fluid bzw. zur Erfassung von Messwerten über beide Schwingungswandler genutzt werden kann.
In dem dritten Betriebsmodus kann die Signalquelle mit dem Eingang des Verstärkers verbunden sein, um über den weiteren Schwingungswandler eine weitere Schwingung in dem Fluid anzuregen, und die Schalteinrichtung kann den Ausgang des Verstärkers über die erste Rückkoppelimpedanz mit dem oder dem weiteren Eingang des Verstärkers verbinden. Alternativ oder ergänzend kann in dem vierten Betriebsmodus der Ausgang des Verstärkers mit der Messeinrichtung verbunden sein, die dazu eingerichtet ist, wenigstens einen eine Schwingung des weiteren Schwingungswandlers betreffenden weiteren Messwert zu erfassen, und die Schalteinrichtung kann den Ausgang des Verstärkers über die zweite Rückkoppelimpedanz mit dem oder dem weiteren Eingang des Verstärkers koppeln, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Fluidgröße in Abhängigkeit des erfassten weiteren Messwerts zu ermitteln. Insbesondere kann der dritte Betriebsmodus abgesehen davon, dass der weitere Schwingungswandler statt dem Schwingungswandler ansteuert wird, dem ersten Betriebsmodus entsprechen. Der vierte Betriebsmodus kann abgesehen davon, dass die Messwerterfassung über den weiteren Schwingungswandler statt über den Schwingungswandler erfolgt, dem zweiten Betriebsmodus entsprechen.
Der Schwingungswandler und der weitere Schwingungswandler können in Längsrichtung des Messrohrs voneinander beabstandet sein, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Laufzeit der Schwingung von dem Schwingungswandler zu dem weiteren Schwingungswandler als weiteren Messwert zu ermitteln, indem sie nacheinander im ersten und vierten Betriebsmodus betrieben wird, und eine weitere Laufzeit der weiteren Schwingung von dem weiteren Schwingungswandler zu dem Schwingungswandler als Messewert zu ermitteln, indem sie nacheinander im dritten und zweiten Betriebsmodus betrieben wird, und die Fluidgröße in Abhängigkeit des Laufzeitunterschieds zwischen der Laufzeit und der weiteren Laufzeit zu ermitteln. Insbesondere kann anhand des Laufzeitunterschieds eine Durchflussgeschwindigkeit oder Durchflussmenge des Fluids ermittelt werden. Durch das beschriebene Vorgehen kann die gleiche Schaltung zum Anregen der Schwingung und zum Erfassen der Messdaten in beide Ausbreitungsrichtungen genutzt werden, womit die genutzte Steuer- und Messelektronik nur zu gleichen Offsets für die Laufzeit und die weitere Laufzeit führen kann, womit ein Fehler des Laufzeitunterschieds auf Grund der genutzten Elektronik zumindest weitgehend vermieden werden kann. Somit wird eine Reziprozität der Messung bezüglich beider Ausbreitungsrichtungen erreicht und es kann insbesondere eine fehlerhafte Messung eines Nullflusses vermieden werden.
Eine erste Elektrode des Schwingungswandlers kann mit dem Ausgang des Verstärkers und eine zweite Elektrode des Schwingungswandlers mit einem Referenzpotential verbunden sein. Ergänzend oder alternativ kann der Schwingungswandler zumindest im zweiten Betriebsmodus zusätzlich mit dem oder dem weiteren Eingang des Verstärkers verbunden sein. Insbesondere kann der Schwingungswandler über eine Zwischenimpedanz mit dem oder dem weiteren Eingang des Verstärkers und über die Zwischenimpedanz und die erste bzw. zweite Rückkoppelimpedanz mit dem Ausgang verbunden sein. Die genannten Merkmale tragen zu einem einfachen Aufbau der Steuereinrichtung bei gleichzeitiger Linearität der Schwingungsanregung bzw. niedrigem Signal-zu-Rausch Verhältnis bei.
Werden wie obig erläutert zwei Schwingungswandler verwendet, kann bei einem Wechsel zum weiteren Schwingungswandler der Schwingungswandler sowohl von dem Ausgang als auch von dem Eingang bzw. dem weiteren Eingang des Verstärkers getrennt werden und der weitere Schwingungswandler kann mit dem Ausgang und dem Eingang bzw. dem weiteren Eingang verbunden werden. Um eine optimale Reziprozität zu erreichen und die Steuereinrichtung durch wenige Bauteile aufzubauen, kann dies dadurch erreicht werden, dass der Schwingungswandler von der Zwischenimpedanz getrennt wird und der weitere Schwingungswandler mit der Zwischenimpedanz verbunden wird. Die Verbindung der Zwischenimpedanz mit dem Eingang bzw. dem weiteren Eingang und dem Ausgang des Verstärkers kann wie obig erläutert für beide Verschaltungen verbleiben.
Der Verstärker kann ein Operationsverstärker sein, wobei der weitere Eingang der invertierende Eingang ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden Ausführungsbeispiel sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, und
2 den Aufbau der in 1 gezeigten Steuereinrichtung der Messeinrichtung.

1 zeigt eine Messeinrichtung 1 zur Ermittlung einer eine Fluidströmung eines Fluids betreffende Fluidgröße, insbesondere eines Durchflusses bzw. einer Strömungsgeschwindigkeit. Das Fluid strömt, wie durch den Pfeil 6 dargestellt ist, durch ein Messrohr 3, dass die Fluidströmung führt. An dem Messrohr 3 ist ein Schwingungswandler 4 und ein weiterer Schwingungswandler 5 angeordnet, durch die jeweils eine Schwingung in das Fluid eingekoppelt werden kann. Im gezeigten Beispiel sind die Schwingungswandler 4, 5 Ultraschallwandler, die eine Ultraschallstrahl 7 in das Fluid abstrahlen, der mit Hilfe der Spiegel 8, 9 vom Schwingungswandler 4 zum Schwingungswandler 5 bzw. vom Schwingungswandler 5 zum Schwingungswandler 4 geführt werden kann.
Durch die Steuereinrichtung 2 kann der Schwingungswandler 4 zu Schwingungen angeregt werden, die durch das Fluid zu dem Schwingungswandler 5 geführt und dort erfasst werden können, um eine Laufzeit des Ultraschallstrahls 7 zu erfassen und umgekehrt. Die Differenz der Laufzeiten zwischen den Ausbreitungseinrichtungen korreliert mit der Strömungsgeschwindigkeit und somit mit dem Durchfluss durch das Messrohr 3. Dieses Messprinzip ist an sich im Stand der Technik bekannt und soll daher nicht detailliert erläutert werden.
Wie im Folgenden noch detailliert mit Bezug auf 2 erläutert werden wird, nutzt die Steuereinrichtung 2 einen gemeinsamen Verstärker 10, um in einem ersten Betriebsmodus den Schwingungswandler 4 zur Anregung von Schwingungen anzusteuern, in einem zweiten Betriebsmodus Messwerte über den Schwingungswandler 4 zu erfassen, in einem dritten Betriebsmodus den weiteren Schwingungswandler 5 zu Schwingungen anzuregen und in einem vierten Betriebsmodus weitere Messwerte über den weiteren Schwingungswandler 5 zu erfassen. Hierdurch wird eine Reziprozität der Messung für beide Durchstrahlungsrichtungen des Fluids erreicht, womit durch die Elektronik der Steuereinrichtung 2 verursachte Offsets der erfassten Laufzeiten sich bei einer Ermittlung der Laufzeitdifferenz wegheben, womit für die Laufzeitdifferenz im Wesentlichen kein Offset auf Grund der Elektronik resultiert. Hierdurch können durch die Elektronik verursachte Nullflussfehler vermieden bzw. deutlich reduziert werden.
Die in 1 dargestellte Anordnung der Schwingungswandler 4, 5 am Messrohr 3 ist rein beispielhaft. Es wäre beispielsweise auch möglich, die Schwingungswandler 4, 5 derart anzuordnen, dass der Ultraschallstrahl 7 gewinkelt in das Fluid abgestrahlt wird, womit potentiell auf die Spiegel 8, 9 verzichtet werden kann. Alternativ wäre es beispielsweise auch möglich, die Schwingungen nicht direkt in das Fluid sondern zunächst in die Rohrwand des Messrohrs 3 einzukoppeln, beispielsweise als Lamb -Wellen, und erst durch die Schwingungen der Rohrwand das Fluid selbst zu Schwingungen anzuregen. Es wäre jedoch auch möglich, nur einen der Schwingungswandler 4, 5 zu nutzen und beispielsweise das Messrohr derart zu durchstrahlen, dass der Ultraschallstrahl 7 an der gegenüberliegenden Wand des Messrohrs 3 reflektiert wird. Hierdurch könnte beispielsweise eine Schallgeschwindigkeit in dem Fluid ermittelt werden, die mit der Art des im Messrohr 3 befindlichen Fluids bzw. mit dessen Temperatur korreliert.
2 zeigt schematisch den Aufbau der Steuereinrichtung 2. Hierbei sollen zunächst ein erster und zweiter Betriebsmodus der Steuereinrichtung beschrieben werden, in dem diese genutzt wird, um den Schwingungswandler 4 anzusteuern, um Schwingungen im Fluid anzuregen bzw. in dem Messwerte über den Schwingungswandler 4 erfasst werden. Im ersten und zweiten Betriebsmodus verbindet die Schalteinrichtung 20 daher den ersten Schwingungswandler 4 mit den weiteren Komponenten der Steuereinrichtung 2. Die Schalteinrichtung 20 kann beispielsweise durch eine Recheneinrichtung 23 der Steuereinrichtung 2 gesteuert werden, deren Verbindung mit den weiteren Komponenten der Steuereinrichtung 2 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt sind. Diese kann beispielsweise durch einen entsprechend programmierten Microcontroller oder ähnliches gebildet werden.
Der Eingang 11 des Verstärkers 10 ist zumindest im ersten Betriebsmodus, in der gezeigten Ausgestaltung der Steuereinrichtung 2 dauerhaft, mit einer Signalquelle 12 verbunden, die ein Steuersignal zur Anregung des Schwingungswandlers 4 bereitstellen kann. Die Signalquelle 12 kann beispielsweise ein Digital-Analog-Wandler sein, der durch die Recheneinrichtung 23 mit einer auszugebenden Wellenform beschickt wird. Der Ausgang 13 des Verstärkers 10 ist mit dem Schwingungswandler 4 verbunden. Im gezeigten Beispiel ist er mit einer der Elektroden 24 des Schwingungswandlers 4 verbunden, während die andere Elektrode 25 auf ein Referenzpotential 26, nämlich das Massepotential, gezogen wird. Der Ausgang 13 des Verstärkers 10 ist zusätzlich mit einem weiteren Eingang 11 des Verstärkers, im gezeigten Beispiel mit dem intervertierenden Eingang eines als Verstärker 10 verwendeten Operationsverstärkers, gekoppelt.
Die Kopplung des Ausgangs 13 an den weiteren Eingang 16 bzw. den Schwingungswandler 4 erfolgt nicht direkt. Im ersten Betriebsmodus ist der Ausgang 13 über eine erste Rückkoppelimpedanz 15 mit dem weiteren Eingang 16 gekoppelt. Die erste Rückkoppelimpedanz 15 wird in dem gezeigten Beispiel dadurch bereitgestellt, dass durch die Schalteinrichtung 21 eine Zusatzimpedanz 18 parallel zu einer zweiten Rückkoppelimpedanz 17 geschaltet wird. Hierdurch wird erreicht, dass der Betrag der ersten Rückkoppelimpedanz 15 kleiner als der Betrag der zweiten Rückkoppelimpedanz 17 ist. Insbesondere kann durch Wahl einer relativ kleinen Zusatzimpedanz die gesamte erste Rückkoppelimpedanz 15 im Wesentlichen auf Null gesenkt werden, wodurch der Verstärker 10 als Impedanzwandler arbeitet, womit die Spannung am Ausgang 13 des Verstärkers 10 der Eingangsspannung am Eingang 11 im Wesentlichen unabhängig davon folgt, welche Impedanz der Schwingwandler 4 aufweist. Durch Nutzung einer relativ kleinen ersten Rückkoppelimpedanz 15 wird eine sehr gute Linearität des Verstärkers 10 erreicht.
In einem zweiten Betriebsmodus der Steuereinrichtung 2 sollen Schwingungen des Schwingungswandlers 4 erfasst werden. Schwingungen des Schwingungswandlers 4 führen, beispielsweise bei Nutzung eines piezoelektrischen Elements als Schwingungswandler, zu Spannungsschwankungen an der mit den weiteren Komponenten der Steuereinrichtung 2 gekoppelten Elektrode 24. Durch die Zwischenimpedanz 19 und das durch den Verstärker 10 am Eingang 16 bereitgestellte virtuelle Massepotential wird ein definierter Strom über die zwischen den Ausgang 13 und den weiteren Eingang 16 geschaltete Zwischenimpedanz geführt, womit der Verstärker 10 im zweiten Betriebsmodus als Transimpedanzverstärker arbeitet. Würde hierbei die gleiche Impedanz wie im ersten Betriebsmodus genutzt, die, wie erläutert, vorzugsweise sehr klein gewählt ist, würde ein sehr geringer Verstärkungsfaktor resultieren. Insbesondere wenn der Verstärker 10 mit geringen Betriebsspannungen betrieben werden soll, wird in diesem Fall typischerweise nur ein unbefriedigendes Signal-zu-Rausch Verhältnis erreicht.
Daher steuert die Recheneinrichtung 23 bei einem Wechsel in den zweiten Betriebsmodus die Schalteinrichtung 21 an, um die Zuleitung 22 der Zusatzimpedanz 18 zu trennen, womit ausschließlich die zweite Rückkoppelimpedanz 17 im Rückkoppelpfad zwischen dem Ausgang 13 und dem weiteren Eingang 16 des Verstärkers 10 verbleibt. Ist diese relativ groß gewählt, kann ein großer Verstärkungsfaktor erreicht werden, wodurch der Verstärker 10 optimal ausgesteuert werden kann.
Um die Messdaten zu erfassen, ist der Ausgang 13 zumindest im zweiten Betriebsmodus, in dem gezeigten Beispiel sogar dauerhaft, mit der Messeinrichtung 14, beispielsweise einem Analog-Digital-Wandler zur Wandlung der erfassten Schwingung, einem Komparator zum Erkennen des Vorliegens einer einlaufenden Welle oder Ähnlichem, gekoppelt, wobei entsprechende Messwerte an die Recheneinrichtung 23 bereitgestellt werden können, die dazu dient, anhand der Messwerte die Fluidgröße zu ermitteln.
Der dritte und vierte Messmodus entsprechen dem ersten und zweiten Messmodus, abgesehen davon, dass die Schalteinrichtung 20 den Schwingungswandler 4 von der Zwischenimpedanz 19 trennt und stattdessen den Schwingungswandler 5 mit der Zwischenimpedanz 19 verbindet.
Eine Laufzeit einer Schwingung von dem Schwingungswandler 4 zu dem weiteren Schwingungswandler 5 kann somit erfasst werden, indem zunächst im ersten Betriebsmodus die Schwingung durch den Schwingungswandler 4 angeregt wird, und anschließend in den vierten Betriebsmodus umgeschaltet wird und die resultierenden Messwerte über den zweiten Schwingungswandler 5 erfasst werden. Eine Laufzeit für die umgekehrte Ausbreitungsrichtung kann ermittelt werden, indem zunächst im dritten Betriebsmodus Schwingungen durch den Schwingungswandler 5 angeregt werden und anschließend resultierende Messwerte für die einlaufenden Schwingung im zweiten Betriebsmodus über den Schwingungswandler 4 erfasst werden. Aus dem Laufzeitunterschied dieser Laufzeiten kann beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit bzw. ein Durchfluss ermittelt werden.
Die Nutzung der ersten Rückkoppelimpedanz 15 im ersten und dritten Betriebsmodus und der demgegenüber betragsmäßig größeren zweiten Rückkoppelimpedanz 17 im zweiten und vierten Betriebsmodus ermöglicht eine hohe Linearität des Verstärkers 10 bei der Schwingungsanregung zu erreichen, während zugleich große Verstärkungsfaktoren und somit hohe Signalamplituden im zweiten und vierten Betriebsmodus bei der Erfassung von Messwerten über den Schwingungswandler 4 bzw. den weiteren Schwingungswandler 5 erreicht werden. Zugleich wird für die beiden Ausbreitungsrichtungen durch das Umschalten zwischen dem Schwingungswandler 4 und dem Schwingungswandler 5 über die Schalteinrichtung 20 eine hohe Reziprozität erreicht, da zur jeweiligen Ansteuerung bzw. Messwerterfassung für die beiden Schwingungswandler identische elektrische Komponenten verwendet werden. Hierdurch wird erreicht, dass Nullflussfehler auf Grund der verwendeten Elektronik weitgehend vermieden werden können.
Bezugszeichenliste

1: Messeinrichtung
2: Steuereinrichtung
3: Messrohr
4: Schwingungswandler
5: Schwingungswandler
6: Pfeil
7: Ultraschallstrahl
8: Spiegel
9: Spiegel
10: Verstärker
11: Eingang
12: Signalquelle
13: Ausgang
14: Messeinrichtung
15: Rückkoppelimpedanz
16: Eingang
17: Rückkoppelimpedanz
18: Zusatzimpedanz
19: Zwischenimpedanz
20: Schalteinrichtung
21: Schalteinrichtung
22: Zuleitung
23: Recheneinrichtung
24: Elektrode
25: Elektrode
26: Referenzpotential

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10048959 A1 [0005]

Claims

Messeinrichtung zur Ermittlung einer ein Fluid und/oder eine Fluidströmung des Fluids betreffenden Fluidgröße mit einer Steuereinrichtung (2), einem Messrohr (3), das zur Aufnahme des Fluids oder zur Führung der Fluidströmung dient, und einem an dem Messrohr (3) angeordneten Schwingungswandler (4), wobei die Steuereinrichtung (2) einen Verstärker (10) umfasst, wobei ein Eingang (11) des Verstärkers (10) zumindest in einem ersten Betriebsmodus der Steuereinrichtung (2) mit einer Signalquelle (12) der Steuereinrichtung (2) verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, ein Anregungssignal bereitzustellen, um über den Schwingungswandler (4) eine Schwingung in dem Fluid anzuregen, wobei der oder ein weiterer Eingang (11, 16) des Verstärkers (10) zumindest in dem ersten und einem zweiten Betriebsmodus der Steuereinrichtung (2) mit dem Schwingungswandler (4) verbunden ist, wobei ein Ausgang des Verstärkers (10) zumindest in dem zweiten Betriebsmodus mit einer Messeinrichtung (14) der Steuereinrichtung (2) verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, wenigstens einen eine Schwingung des Schwingungswandlers (4) betreffenden Messwert zu erfassen, wobei die Steuereinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Fluidgröße in Abhängigkeit des erfassten Messwerts zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) eine Schalteinrichtung (21) umfasst, durch die der Ausgang des Verstärkers (13) in dem ersten Betriebsmodus über eine erste Rückkoppelimpedanz (15) und in dem zweiten Betriebsmodus über eine von der ersten Rückkoppelimpedanz (15) unterschiedliche zweite Rückkoppelimpedanz (17) mit dem oder dem weiteren Eingang (11, 16) des Verstärkers (10) und dem Schwingungswandler (4) verbunden wird.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der ersten Rückkoppelimpedanz (15) kleiner, insbesondere wenigstens um den Faktor 2 oder 5 oder 10 kleiner, als der Betrag der zweiten Rückkoppelimpedanz (17) ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rückkoppelimpedanz (15) dadurch gebildet wird, dass eine Zusatzimpedanz (18) parallel zu der zweiten Rückkoppelimpedanz (17) geschaltet wird.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (21) oder eine weitere Schalteinrichtung (20) der Steuereinrichtung (2) den Ausgang (13) des Verstärkers (10) in einem dritten und/oder vierten Betriebsmodus der Steuereinrichtung (2) von dem Schwingungswandler (4) trennt und mit einem an dem Messrohr (3) angeordneten weiteren Schwingungswandler (5) verbindet.
Messeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Betriebsmodus die Signalquelle (12) mit dem Eingang (11) des Verstärkers (10) verbunden ist, um über den weiteren Schwingungswandler (5) eine weitere Schwingungen in dem Fluid anzuregen, und die Schalteinrichtung (21) den Ausgang (13) des Verstärkers (10) über die erste Rückkoppelimpedanz (15) mit dem oder dem weiteren Eingang (11, 16) des Verstärkers (10) verbindet, und/oder dass in dem vierten Betriebsmodus der Ausgang (13) des Verstärkers (10) mit der Messeinrichtung (14) verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, wenigstens einen eine Schwingung des weiteren Schwingungswandlers (5) betreffenden weiteren Messwert zu erfassen, und die Schalteinrichtung (21) den Ausgang (13) des Verstärkers (10) über die zweite Rückkoppelimpedanz (17) mit dem oder dem weiteren Eingang (11, 16) des Verstärkers (10) koppelt, wobei die Steuereinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Fluidgröße in Abhängigkeit des erfassten weiteren Messwerts zu ermitteln.
Messeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungswandler (4) und der weiterer Schwingungswandler (5) in Längsrichtung des Messrohrs (3) voneinander beabstandet sind, wobei die Steuereinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, eine Laufzeit der Schwingung von dem Schwingungswandler (4) zu dem weiteren Schwingungswandler (5) als weiteren Messwert zu ermitteln, indem sie nacheinander im ersten und vierten Betriebsmodus betrieben wird, und eine weitere Laufzeit der weiteren Schwingung von dem weiteren Schwingungswandler (5) zu dem Schwingungswandler (4) als Messwert zu ermitteln, indem sie nacheinander im dritten und zweiten Betriebsmodus betrieben wird, und die Fluidgröße in Abhängigkeit des Laufzeitunterschieds zwischen der Laufzeit und der weiteren Laufzeit zu ermitteln.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Elektrode (24) des Schwingungswandlers (4) mit dem Ausgang (13) des Verstärkers (10) und eine zweite Elektrode (25) des Schwingungswandlers (4) mit einem Referenzpotential (26) verbunden ist und/oder dass der Schwingungswandler (4) zumindest in dem zweiten Betriebsmodus zusätzlich mit dem oder dem weiteren Eingang (11, 16) des Verstärkers (10) verbunden ist.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (10) ein Operationsverstärker ist, wobei der weitere Eingang (16) der invertierende Eingang ist.