DE102022117247A1 - Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals, Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Mediums, Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschallsignals mit einem Marker und Verfahren zur Detektion des Markers eines solchen Ultraschallsignals sowie Systeme, Fluidistor, Fluid-Bereitstellungs-Einheit und Vorrichtungen - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals, Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Mediums, Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschallsignals mit einem Marker und Verfahren zur Detektion des Markers eines solchen Ultraschallsignals sowie Systeme, Fluidistor, Fluid-Bereitstellungs-Einheit und Vorrichtungen Download PDF

Info

Publication number
DE102022117247A1
DE102022117247A1 DE102022117247.3A DE102022117247A DE102022117247A1 DE 102022117247 A1 DE102022117247 A1 DE 102022117247A1 DE 102022117247 A DE102022117247 A DE 102022117247A DE 102022117247 A1 DE102022117247 A1 DE 102022117247A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
signal
ultrasonic
time
ultrasound
fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022117247.3A
Other languages
English (en)
Inventor
Frank Strohmann
Lukas Mennicke
Klaus Hofmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ESTERS ELEKTRONIK GmbH
Technische Universitaet Darmstadt
Original Assignee
ESTERS ELEKTRONIK GmbH
Technische Universitaet Darmstadt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ESTERS ELEKTRONIK GmbH, Technische Universitaet Darmstadt filed Critical ESTERS ELEKTRONIK GmbH
Priority to DE102022117247.3A priority Critical patent/DE102022117247A1/de
Publication of DE102022117247A1 publication Critical patent/DE102022117247A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/024—Analysing fluids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G01F1/668—Compensating or correcting for variations in velocity of sound
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/222—Constructional or flow details for analysing fluids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/348—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor with frequency characteristics, e.g. single frequency signals, chirp signals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/01—Indexing codes associated with the measuring variable
    • G01N2291/011—Velocity or travel time
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/021—Gases
    • G01N2291/0212—Binary gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/022—Liquids
    • G01N2291/0222—Binary liquids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02809—Concentration of a compound, e.g. measured by a surface mass change
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02818—Density, viscosity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02872—Pressure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02881—Temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/10—Number of transducers
    • G01N2291/102—Number of transducers one emitter, one receiver

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals sowie ein Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Mediums. Die Erfindung betrifft außerdem Systeme, die dazu eingerichtet sind, solche Verfahren auszuführen. Außerdem betrifft die Erfindung einen Fluidistor, der ein solches System aufweist sowie eine Fluid-Bereitstellungs-Einheit, die ein solches System oder einen solchen Fluidistor aufweist. Letztlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschallsignals mit einem Marker und ein Verfahren zur Detektion des Markers eines solchen Ultraschallsignals sowie Vorrichtungen, die dazu eingerichtet sind, solche Verfahren auszuführen.

Description

  • Bezeichnung der Erfindung
  • Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals, Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Mediums, Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschallsignals mit einem Marker und Verfahren zur Detektion des Markers eines solchen Ultraschallsignals sowie Systeme, Fluidistor, Fluid- Bereitstellungs-Einheit und Vorrichtungen.
  • Gebiet der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals sowie ein Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Mediums. Die Erfindung betrifft außerdem Systeme, die dazu eingerichtet sind, solche Verfahren auszuführen. Außerdem betrifft die Erfindung einen Fluidistor, der ein solches System aufweist sowie eine Fluid-Bereitstellungs-Einheit, die ein solches System oder einen solchen Fluidistor aufweist. Letztlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschallsignals mit einem Marker und ein Verfahren zur Detektion des Markers eines solchen Ultraschallsignals sowie Vorrichtungen, die dazu eingerichtet sind, solche Verfahren auszuführen.
  • Stand der Technik
  • Verfahren zum Bestimmen der Laufzeit eines Ultraschallsignals entlang eines Übertragungsweges zwischen einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann der Ultraschallsender kurz ein- und gleich wieder ausgeschalten werden, um ein Ultraschallsignal auszusenden. Anhand der Zeitspanne, bis dieses Ultraschallsignal empfangsseitig detektiert wird, kann dessen Laufzeit bestimmt werden. Basierend auf der Laufzeit können wiederum unterschiedliche Eigenschaften des Mediums, innerhalb dessen sich die Schallwelle ausbreitet, ermittelt werden.
  • Allerdings ist eine solche Laufzeitbestimmung ungenau und störanfällig. Damit sind auch Größen, die basierend auf der so bestimmten Laufzeit ermittelt werden, ungenau.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die beschriebenen Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und Mittel anzugeben, mit denen die Laufzeit eines Ultraschallsignals entlang eines Übertragungsweges in zuverlässiger und präziser sowie robuster Weise bestimmt werden kann. Es ist außerdem Aufgabe der Erfindung, Mittel anzugeben, mit denen Eigenschaften eines Mediums zuverlässig bestimmt werden können.
  • Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt dadurch gelöst, dass ein Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals entlang eines Übertragungsweges zwischen einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger, das Verfahren aufweisend:
    • Aussenden des Ultraschallsignals mit dem Ultraschallsender, aufweisend:
      • Externes Anregen eines von dem Ultraschallsender aufgewiesenen Ultraschallwandlers zu einer Schwingung, welche Schwingung zumindest zeitweise eine Frequenz ungleich der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers aufweist, und
      • Beenden oder zumindest zeitweise Unterbrechen des externen Anregens des Ultraschallwandlers zu einem ersten Zeitpunkt, zu dem der Ultraschallwandler nicht mit der Resonanzfrequenz schwingt;
    • Empfangen des Ultraschallsignals mit dem Ultraschallempfänger sowie Auswerten der Phasenbeziehung zwischen einem Referenzsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal und Feststellen zumindest einer zumindest teilweise durch das Beenden oder Unterbrechen des externen Anregens bedingten Änderung in der ausgewerteten Phasenbeziehung; und
    • Bestimmen der Laufzeit des Ultraschallsignals basierend zumindest auf dem zeitlichen Abstand zwischen dem ersten Zeitpunkt und einem durch das Auftreten der festgestellten Änderung definierten oder definierbaren zweiten Zeitpunkt,
    vorgeschlagen wird.
  • Der Erfindung liegt damit die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass ein elektrisch angesteuerter Ultraschallwandler, der außerhalb seiner Resonanzfrequenz betrieben wird, nach dem Ausschalten der externen Anregung seine Schwingungsfrequenz sehr schnell hin zur Resonanzfrequenz ändert. Damit verbunden ist auch ein von dem Ultraschallwandler erzeugtes Ultraschallsignal, dessen Frequenz sich gleichermaßen sehr schnell von der Frequenz der angeregten Schwingung hin zur Resonanzfrequenz ändert. Die Erfinder haben erkannt, dass diese schnelle Änderung der Frequenz als ein im Ultraschallsignal detektierbarer Marker eingesetzt werden kann.
  • Anhand dieses Markers wiederum, der insbesondere zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt, nämlich dem ersten Zeitpunkt, dem Ultraschallsignal sozusagen aufgeprägt wird, lässt sich die absolute Laufzeit des Ultraschallsignals vom Sender zum Empfänger sehr einfach und dennoch zuverlässig ermitteln. Denn es muss dazu lediglich bekannt sein, wann das Ansteuern des Ultraschallwandlers beendet bzw. unterbrochen wurde und wann der Marker empfangsseitig empfangen wurde.
  • Empfangsseitig kann der Marker, also die schnelle Frequenzänderung, dabei mit besonders einfachen Mitteln erkannt werden. Grundsätzlich gesprochen genügt es nämlich vorliegend, einen Signalverlauf zu erkennen, der von einem Signalverlauf, der ohne Änderung der externen Anregung erwartet werden würde, abweicht. Dies kann besonders einfach durch das vorgeschlagene Auswerten der Phase des empfangenen Ultraschallsignals in Bezug auf die Phase eines Referenzsignals erfolgen.
  • Dabei muss das Auswerten der Phasenbeziehung nicht zwingend in Echtzeit erfolgen. Die Auswertung kann auch zeitversetzt zum Empfang des Ultraschallsignals erfolgen. Es genügt insoweit beispielsweise, dass der erste Zeitpunkt, das Referenzsignal und/oder das empfangene Ultraschallsignal zeitlich in absolute Beziehung zueinander gebracht werden können. Andererseits ermöglicht es aber das Verfahren auch, eine Auswertung der Phasenbeziehung in Echtzeit oder jedenfalls in sehr kurzer Zeit durchzuführen. Damit lässt sich die vorgeschlagene Laufzeitbestimmung auch in zeitkritischen Umgebungen durchführen. Damit sind vor allem Umgebungen gemeint, bei denen das Ergebnis der Laufzeitbestimmung stets unmittelbar, also etwa in weniger als 1 Sekunde oder sogar in weniger als 0,1 Sekunden, vorliegen muss. Die Dauer der Laufzeitbestimmung kann dabei beispielsweise vor allem durch die Dauer der Auswertung bestimmt sein.
  • Damit ermöglicht es die von dem Ultraschallwandler verursachte und empfangsseitig feststellbare Frequenzänderung des Ultraschallsignals eine sehr robuste und äußerst präzise Messung der Laufzeit des Ultraschallsignals zu realisieren.
  • Die Erfinder erklären sich, ohne an diese Theorie gebunden sein zu wollen, das beschriebene Verhalten des Ultraschallwandlers dabei derart, dass ein Ultraschallwandler, der nicht in Resonanz betrieben wird, physikalisch und aufbaubedingt eigentlich in Resonanz schwingen möchte und daher, wenn die externe Anregung eines außerhalb der Resonanzfrequenz betriebenen Ultraschallwandlers ausgeschalten wird, der Ultraschallwandler sozusagen zu seiner eigentlichen Resonanzfrequenz „springt“. Mit diesem „Sprung“ ist die beobachtete schnelle Änderung der Frequenz des ausgesendeten Ultraschallsignals verbunden. Dies führt zu einem zeitlich sehr kompakten Marker auf dem Ultraschallsignal. Der Marker kann also als eine sehr schnelle Frequenzmodulation aufgefasst werden. Mit anderen Worten, wird also zum ersten Zeitpunkt dem Ultraschallsignal sendeseitig ein Marker, insbesondere aufweisend eine und/oder in Form einer Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation des Sendesignals, aufgeprägt.
  • Vorteilhafterweise wird die zumindest teilweise durch das zum ersten Zeitpunkt erfolgte Beenden oder Unterbrechen des externen Anregens bedingte Änderung in der ausgewerteten Phasenbeziehung festgestellt.
  • Es ist dabei besonders bemerkenswert, dass die Frequenzänderung aufgrund der dem Ultraschallwandler inhärent innewohnenden Eigenschaften zugrunde liegt und daher nicht über das externe Anregen gesteuert werden muss. Dies hat den großen Vorteil, dass dadurch Frequenzänderungen des Ultraschallsignals erreicht werden, die etwa durch ein Anpassen der Frequenz der externen Anregung, beispielsweise mittels einer Frequenzmodulation des Anregungssignals, aufgrund der Trägheit des Ultraschallwandlers ansonsten nicht erreichbar sind. Ebenfalls eine Amplitudenmodulation der externen Anregung erlaubt es aufgrund der Trägheit des Wandlers nicht, eine zeitlich eng begrenzte und derart ausgeprägte Änderung des Ultraschallsignals zu realisieren, wie es erfindungsgemäß jedoch möglich ist.
  • Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt es also, mit im Prinzip sehr einfachen und günstigen Maßnahmen ein Ultraschallsignal sowohl mit einem Marker zu versehen, als auch diesen Marker wieder zu detektieren und damit in robuster und zuverlässiger sowie vor allem auch in sehr genauer Weise die Laufzeit des Ultraschallsignals zu bestimmen.
  • Ultraschallmessungen ermöglichen dabei insbesondere auch Messungen, die berührungslos durchgeführt werden können, wodurch das Verfahren besonders robust ist. Dadurch kann das Verfahren sehr wirtschaftlich durchgeführt werden.
  • Selbst in einem kontinuierlichen Ultraschallsignal kann dabei der „Marker“ besonders einfach und zuverlässig aufgeprägt werden. Damit kann die Laufzeitbestimmung auch in Anwendungen eingesetzt werden, die herkömmlicherweise einzeln erzeugte Schall-Pulse einsetzen.
  • Da es sich bei der beschriebenen Frequenzänderung um eine besonders schnelle Änderung handeln kann, kann diese auch bei Anwesenheit von anderen auf das Ultraschallsignal und damit auf die Phasenbeziehung einwirkende Einflüsse sehr gut detektiert werden.
  • Damit kann das vorgeschlagene Verfahren auch bei Übertragungswegen eingesetzt werden, bei denen Stör- und sonstige Einflüsse zu einem ungünstigen Signal-Rausch-Abstand (signal to noise ratio, SNR) führen. Selbst bei geringem SNR kann die schnelle Frequenzänderung im Ultraschallsignal mittels der Auswertung der Phasenbeziehung immer noch sehr zuverlässig detektiert werden.
  • Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders kostengünstig in der Realisierung und im Betrieb. Das vorgeschlagene Verfahren kann auch mit bestehenden Ultraschallsende- und Empfangs-Systemen besonders einfach und kostengünstig ausgeführt werden. Denn die bereits getroffenen Maßnahmen zur externen Anregung eines Ultraschallwandlers können allesamt bestehen bleiben. Da die Frequenzänderung aufgrund der inhärenten Eigenschaften des Ultraschallwandlers erfolgt, sind insoweit im Grunde keine weiteren Anpassungen notwendig. Das macht das vorgeschlagene Verfahren auch wirtschaftlich besonders vorteilhaft.
  • Das Verfahren kann vorzugsweise immer dann eingesetzt werden, wenn eine, vor allem zuverlässige, Laufzeitbestimmung eines Ultraschallsignals erforderlich ist. Ein beispielhaftes Anwendungsgebiet des Verfahrens ist damit die Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals im Bereich Automotive, wie insbesondere zur Kollisionswarnung und/oder für das autonome Fahren. Weitere bevorzugte Anwendungsgebiete sind Durchflussmessung bei Fluiden, Objektdetektion, Abstandsmessungen, Ultraschalldiagnostik in der Medizin und/oder Füllstandsmessungen.
  • Das Verfahren kann beispielsweise auch in einer Ultraschallkamera innerhalb eines Eingabesystems eingesetzt werden (beispielsweise können dann Armbewegungen ein Objekt rotieren lassen). Vorteilhaft ist hierbei, dass neben der Zeit zur Datenverarbeitung lediglich die Laufzeit vom Objekt zum Empfänger besteht, jedoch keine Totzeit durch das dauerhafte Aussenden.
  • Vorzugsweise wird das externe Anregen (sowie insbesondere das Beenden und/oder Unterbrechen des externen Anregens), das Auswerten der Phasenbeziehung, das Feststellen der Änderung und/oder das Bestimmen der Laufzeit des Ultraschallsignals ganz oder teilweise mittels zumindest einer Kontrolleinheit durchgeführt.
  • Die Kontrolleinheit kann beispielsweise in Software, in Hardware oder einer Kombination von beidem realisiert sein. Die Kontrolleinheit kann alternativ oder ergänzend einen Speicher, einen Prozessor, einen Analog-Digital-Konverter (analog digital converter, ADC), einen Digital-Analog-Konverter (digital analog converter, DAC) oder eine beliebige Kombination davon aufweisen. Die Kontrolleinheit kann beispielsweise programmierbar und/oder derart programmiert sein, dass sie entsprechende Routinen durchführt. Die Kontrolleinheit kann in einer Ausführungsform ein FPGA sein.
  • In einer Ausführungsform weist der Ultraschallempfänger zumindest einen Ultraschallwandler auf, vorzugsweise einen gleichen Ultraschallwandler wie der des Ultraschallsenders. Dadurch kann das empfangene Ultraschallsignal beispielsweise in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.
  • Beispielsweise kann mittels eines ADC dann dieses elektrische Analogsignal in ein Digitalsignal umgewandelt werden. Dadurch lässt es sich besonders einfach weiterverarbeiten. Beispielsweise lässt sich so sehr effizient auch die Phasenbeziehung mit dem Referenzsignal auswerten, insbesondere mittels der Kontrolleinheit, die auch den ADC aufweisen kann.
  • Alternativ zu einem herkömmlichen, schnellen ADC kann aber auch lediglich ein Komparator oder ein 1-Bit-ADC eingesetzt werden. Damit lässt sich das Verfahren auch bei hohen Frequenzen besonders kosteneffizient und somit wirtschaftlich implementieren. Der Komparator kann ein Eingangssignal in ein Rechtecksignal wandeln, das besonders gut digital weiterverarbeitet werden kann.
  • Das externe Anregen kann dabei vorzugsweise aufweisen, dass dem Ultraschallwandler Energie zugeführt wird, insbesondere eine Spannung, vorzugsweise eine Wechselspannung, an den Ultraschallwandler angelegt wird.
  • Wenn in der vorliegenden Anmeldung von einem externen Anregen des Ultraschallwandlers gesprochen wird, so wird darunter vorzugsweise verstanden, dass dem Ultraschallwandler derart elektrische Energie, insbesondere in Form einer Wechselspannung, zugeführt wird, so dass er eine Schwingung ausführt.
  • Sowohl das Beenden wie auch das Unterbrechen des externen Anregens kann dabei auf unterschiedliche Weisen erfolgen. Beispielsweise kann dazu das Zuführen von Energie beendet oder unterbrochen werden. Dies kann mittels eines mechanischen oder elektrischen Schalters erfolgen. Dies kann alternativ oder ergänzend auch durch das Anlegen einer Gleichspannung und/oder durch eine Signalform der externen Anregung, die zeitweise zu einer ausbleibenden Energiezufuhr führt, erfolgen. Eine weitere Möglichkeit des Beendens oder des Unterbrechens des externen Anregens kann beispielsweise aufweisen: Zumindest zweitweises Legen des Anregungssignals der externen Anregung auf das Nullpotential des Ultraschallwandlers.
  • Durch das externe Anregen wird der Ultraschallwandler also vorzugsweise zu einer erzwungenen Schwingung angeregt.
  • Wenn in der vorliegenden Anmeldung von der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers gesprochen wird, so wird darunter vorzugsweise die Haupt-Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers verstanden. Die Haupt-Resonanzfrequenz ist dann insbesondere diejenige Frequenz, bei der der Ultraschallwandler für eine bestimmte Energiezufuhr den maximalen Schalldruck erzeugt.
  • Vorzugsweise ist der zweite Zeitpunkt derjenige Zeitpunkt, zu dem die festgestellte Änderung beginnt. Alternativ oder ergänzend liegt der zweite Zeitpunkt innerhalb desjenigen Zeitraums, während dessen die Änderung in der ausgewerteten Phasenbeziehung festgestellt wird.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das externe Anregen des Ultraschallwandlers aufweist: Ansteuern des Ultraschallwandlers mit zumindest einem, insbesondere (a) periodischen, (b) monofrequenten, (c) eine zeitlich veränderliche Periodendauer aufweisenden, und/oder (d) dreieckförmigen, sägezahnförmigen, pulsförmigen, sinusförmigen oder rechteckförmigen, Anregungssignal,
    wobei vorzugsweise die, insbesondere feste oder variable, Periodendauer des Anregungssignals zwischen 1×10-7 Sekunden und 2×10-4 Sekunden, vorzugsweise zwischen 2×10-5 Sekunden und 2×10-4 Sekunden, insbesondere zwischen 2,5×10-5 Sekunden und 1×10-4 Sekunden, zwischen 2×10-6 Sekunden und 5×10-6 Sekunden, insbesondere zwischen 2,86×10-6 Sekunden und 4×10-6 Sekunden, und/oder zwischen 2×10-7 Sekunden und 1×10-6 Sekunden, insbesondere zwischen 2×10-7 Sekunden und 5×10-7 Sekunden, beträgt.
  • Das Anregungssignal kann besonders einfach erzeugt und dem Ultraschallwandler bereitgestellt und dieser damit angesteuert werden und damit der Ultraschallwandler extern zu Schwingungen angeregt werden. Mit anderen Worten, das Anregungssignal führt dem Ultraschallwandler Energie von extern zu, so dass ein externes Anregen besonders einfach und effizient realisiert werden kann.
  • Das Anregungssignal kann beispielsweise eine konstante oder eine zeitabhängige Periodendauer aufweisen. Vorzugsweise weist die inverse Periodendauer des Anregungssignal aber zu keinem Zeitpunkt eine Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers auf oder entspricht dieser.
  • Wenn das Anregungssignal eine zeitabhängige Periodendauer aufweist, wird vorzugsweise die Periodendauer, insbesondere innerhalb eines bestimmten Periodendauerbereichs, verändert, insbesondere periodisch erhöht und verringert und/oder von einer oberen zu einer unteren Periodendauer oder umgekehrt durchfahren.
  • Eine zeitabhängige Periodendauer des Anregungssignal hat den Vorteil, dass mehrere Ultraschallsignale voneinander anhand der bekannten Zeitabhängigkeit der Periodendauer unterschieden werden können und daher parallel die Laufzeit gleich mehrerer Ultraschalsignale von mehreren Ultraschallsendern entlang desselben Übertragungswegs ermittelt werden können.
  • Das Anregungssignal kann dabei in analoger oder digitaler Form erzeugt werden, also als Analog- oder Digitalsignal. Beispielsweise kann das Anregungssignal mit einem Signalgenerator erzeugt werden und dann vorzugsweise als Digital- oder Analogsignal vorliegen. Ein Signalgenerator kann auch hier wieder in Software, in Hardware oder als eine Kombination aus beidem realisiert sein. Beispielsweise kann der Signalgenerator eine Oszillatorschaltung aufweisen, einen FPGA (field programmable gate array) aufweisen oder damit realisiert sein, oder in Software realisiert sein. Mit einer Oszillatorschaltung lässt sich zuverlässig und günstig ein sinusförmiges Signal mit konstanter Frequenz und mithin konstanter Periodendauer erzeugen. Eine FPGA-basierte oder eine softwarebasierte Signalerzeugung ist besonders flexibel, da damit sehr einfach nahezu beliebige Signalformen erzeugt werden können.
  • Vorzugsweise wird das Anregungssignal in der Kontrolleinheit erzeugt und von dieser dem Ultraschallwandler bereitgestellt und dieser damit angesteuert.
  • Wenn der Ultraschallwandler mit einem Anregungssignal angesteuert wird, kann das Beenden oder Unterbrechen des externen Anregens sehr einfach beispielsweise durch ein Beenden oder Unterbrechen des Ansteuerns des Ultraschallwandlers mit dem Anregungssignal erfolgen. Beispielsweise kann dazu das Anregungssignal zumindest zeitweise ausgeschalten werden. Alternativ oder ergänzend können auch die Ansteuerleitungen des Ultraschallwandlers (vor allem im Fall eines Piezokristalls) alle auf Masse (Ground) oder auf jeweils einen konstante Spannungswert gelegt werden, so dass der Ultraschallwandler nicht mehr durch eine externe Anregung zu (erzwungenen) Schwingungen angeregt wird.
  • Mit anderen Worten, geht der Ultraschallwandler beim Beenden oder Unterbrechen des externen Anregens vorteilhafterweise von einer erzwungenen in eine freie Schwingung über. Bei einem mit beispielsweise 100 V elektrisch vorgespannten Ultraschallwandler könnte dieser durch die externe Anregung im Bereich von 80 V bis 120 V zur Schwingung angeregt werden. In diesem Fall kann zum Ausschalten oder Unterbrechen der externen Anregung die Spannung auf 100 V gelegt werden.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass die Frequenz der extern angeregten Schwingung des Ultraschallwandlers und/oder die inverse Periodendauer des Anregungssignals als eine spezifische Frequenz definiert oder definierbar ist, und wobei:
    • (i) die spezifische Frequenz größer oder kleiner als die Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers ist,
    • (ii) das Verhältnis von der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers und dem Betrag der Differenz zwischen der spezifischen Frequenz und der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers (a) 1 oder größer, vorzugsweise 5 oder größer, vorzugsweise 10 oder größer, vorzugsweise 20 oder größer, vorzugsweise 50 oder größer, vorzugsweise 100 oder größer, vorzugsweise 1000 oder größer, (b) 10000 oder kleiner, vorzugsweise 2000 oder kleiner, vorzugsweise 500 oder kleiner, vorzugsweise 300 oder kleiner, vorzugsweise 100 oder kleiner, vorzugsweise 70 oder kleiner, vorzugsweise 50 oder kleiner, vorzugsweise 30 oder kleiner, und/oder (c) zwischen 1 und 10000, vorzugsweise zwischen 1 und 1000, vorzugsweise zwischen 5 und 500, vorzugsweise zwischen 5 und 200, vorzugsweise zwischen 10 und 100, vorzugsweise zwischen 10 und 50, ist,
    und/oder
    • (iii) der Betrag der Differenz zwischen der spezifischen Frequenz und der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers
      1. (a) 1 Hz oder größer, vorzugsweise 10 Hz oder größer, vorzugsweise 100 Hz oder größer, vorzugsweise 500 Hz oder größer, vorzugsweise 1 kHz oder größer, vorzugsweise 5 kHz oder größer, vorzugsweise 10 kHz oder größer, vorzugsweise 15 kHz oder größer, vorzugsweise 20 kHz oder größer, vorzugsweise 25 kHz oder größer, vorzugsweise 30 kHz oder größer, vorzugsweise 50 kHz oder größer, vorzugsweise 100 kHz oder größer, vorzugsweise 300 kHz oder größer, vorzugsweise 500 kHz oder größer, vorzugsweise 700 kHz oder größer, vorzugsweise 1 MHz oder größer,
      2. (b) 10 MHz oder kleiner, vorzugsweise 5 MHz oder kleiner, vorzugsweise 1 MHz oder kleiner, vorzugsweise 700 kHz oder kleiner, vorzugsweise 500 kHz oder kleiner, vorzugsweise 300 kHz oder kleiner, vorzugsweise 100 kHz oder kleiner, vorzugsweise 70 kHz oder kleiner, vorzugsweise 50 kHz oder kleiner, vorzugsweise 30 kHz oder kleiner, vorzugsweise 20 kHz oder kleiner, vorzugsweise 10 kHz oder kleiner, vorzugsweise 5 kHz oder kleiner, vorzugsweise 3 kHz oder kleiner, vorzugsweise 1 kHz oder kleiner, vorzugsweise 500 Hz oder kleiner, vorzugsweise 100 Hz oder kleiner, vorzugsweise 50 Hz oder kleiner, vorzugsweise 30 Hz oder kleiner, vorzugsweise 10 Hz oder kleiner, und/oder
      3. (c) zwischen 1 Hz und 10 MHz, vorzugsweise zwischen 1 Hz und 1 MHz, vorzugsweise zwischen 1 Hz und 500 kHz, vorzugsweise zwischen 1 Hz und 100 kHz, vorzugsweise zwischen 1 kHz und 50 kHz, vorzugsweise zwischen 5 kHz und 40 kHz, vorzugsweise zwischen 10 kHz und 25 kHz, vorzugsweise zwischen 15 kHz und 25 kHz,
    ist.
  • Wenn die Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers und die spezifische Frequenz (also insbesondere als inverse Periodendauer des Anregungssignals und/oder als Frequenz der von dem Ultraschallwandler durchgeführten Schwingung) wie vorgeschlagen gewählt werden, können besonders zuverlässig und gut detektierbaren Phasenänderungen erreicht werden. Die Resonanzfrequenz ist dabei, wie bereits angemerkt, insbesondere die Haupt-Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers.
  • Grundsätzlich ist zu beachten, dass es vorteilhaft sein kann, wenn die Anregungsfrequenz möglichst weit von der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers entfernt liegt, da so eine ausgeprägte und damit gut detektierbare Frequenzänderung erzeugt werden kann. Andererseits muss auch ein ausreichend großer Schalldruck erzeugt werden, um ein ausreichend starkes Ultraschallsignal über die Sendedistanz zu erhalten, weshalb die Anregungsfrequenz nicht beliebig weit von der Resonanzfrequenz entfernt sein kann. Insoweit sind die angegebenen Werte besonders vorteilhaft.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass zumindest für einen bestimmten Zeitraum abwechselnd ein externes Anregen und ein Unterbrechen des externen Anregens des Ultraschallwandlers, insbesondere periodisch, wiederholt durchgeführt wird, und dazu insbesondere das Ansteuern des Ultraschallwandlers mit dem Anregungssignal, insbesondere periodisch, wiederholt unterbrochen und fortgesetzt wird, vorzugsweise indem das Anregungssignal abwechselnd ein- und ausgeschalten wird,
    und wobei vorzugsweise durch das Auswerten der Phasenbeziehung eine Vielzahl von Paaren von ersten und zweiten Zeitpunkten erhalten wird und/oder anhand der erhaltenen Vielzahl von Paaren von ersten und zweiten Zeitpunkten die, insbesondere zeitabhängige und/oder zu unterschiedlichen Zeiten bestehende, Laufzeit des Ultraschallsignals bestimmt wird.
  • Es ist damit besonders einfach möglich, beispielsweise eine zwischen Sender und Empfänger variierende Laufzeit nicht nur einmalig, sondern öfters oder sogar, zumindest für einen definierten oder definierbaren Zeitraum, kontinuierlich (bzw. jedenfalls in diskreten Intervallen) zu überwachen.
  • Dabei kann die Laufzeit aufgrund unterschiedlicher Ursachen variieren. Beispielsweise kann sich die physikalische Länge des Ausbreitungswegs zwischen Sender und Empfänger ändern, etwa aufgrund eines variierenden (physikalischen) Abstandes zwischen Sender und Empfänger und/oder aufgrund variierender Ausbreitungswege über ein sich bewegendes Reflexionsobjekt. Beispielsweise kann auch eine oder mehrere Ausbreitungseigenschaften der Schallwelle entlang des Übertragungsweges zeitlich und/oder lokal variieren, und so, etwa aufgrund eines variierenden Brechungsindex des Übertragungsmediums, eine veränderliche Laufzeit verursachen.
  • Im Fall eines wiederholten Unterbrechens (beispielsweise zweimal oder öfters als zweimal) gibt es mehrere erste Zeitpunkte und mehrere zweite Zeitpunkte. Zu letzteren wird vorteilhafterweise jeweils eine Phasenänderung aufgrund eines zum zugehörigen ersten Zeitpunkt erfolgten Beendens oder Unterbrechens des externen Anregens während des Auswertens der Phasenbeziehung festgestellt.
  • In einer Ausführungsform ist bei mehr als einem ersten Zeitpunkt und mehr als einem zweiten Zeitpunkt der zu einem bestimmten ersten Zeitpunkt zugehörige bestimmte zweite Zeitpunkt dadurch definiert, dass zu dem bestimmten zweiten Zeitpunkt die Änderung der ausgewerteten Phasenbeziehung zumindest teilweise durch das zu dem bestimmten ersten Zeitpunkt erfolgte Beenden oder Unterbrechen der externen Anregung bedingt ist. Das heißt mit anderen Worten, die Phasenänderung zum zweiten Zeitpunkt tritt ganz oder teilweise aufgrund des Ereignisses zum ersten Zeitpunkt auf. Jeweils ein solcher erste Zeitpunkt und ein zugehöriger zweiter Zeitpunkt können dann ein besagtes Paar von erstem und zweiten Zeitpunkt darstellen.
  • Vorzugsweise ist der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgende Unterbrechungen größer, insbesondere das 1,5-fache oder mehr, vorzugsweise das 2-fache oder mehr, vorzugsweise das 3-fache oder mehr, vorzugsweise das 5-fache oder mehr, als die Laufzeit des Ultraschallsignals zwischen Sender und Empfänger.
  • Es kann aber auch bevorzugt sein, dass der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgende Unterbrechungen kleiner als die Laufzeit zwischen Sender und Empfänger ist. Optional variiert der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgende Unterbrechungen zumindest teilweise. Zum Beispiel kann die Unterbrechung nach 10% und 20% und 40% der Laufzeit erfolgen. Hierbei kann es bevorzugt sein, wenn die Zahl der Unterbrechungen empfangsseitig bekannt ist.
  • Vorzugsweise hat ein Marker eine zeitliche Ausdehnung von weniger als 50 %, vorzugsweise von weniger als 20 %, vorzugsweise von weniger als 10 %, vorzugsweise von weniger als 7 %, vorzugsweise von weniger als 5 %, vorzugsweise von weniger als 3 %, vorzugsweise von weniger als 1 %, vorzugsweise von weniger als 0,1 %, vorzugsweise von weniger als 0,01 %, des zeitlichen Abstands zweier aufeinanderfolgender Unterbrechungen. Dadurch können die einzelnen Marker zuverlässig voneinander unterschieden werden. Alternativ oder ergänzend hat ein Marker eine zeitliche Ausdehnung von wenigstens 0,0001 %, vorzugsweise von wenigstens 0,001 %, vorzugsweise von wenigstens 0,01 %, vorzugsweise von wenigstens 0,1 %, vorzugsweise von wenigstens 1 %, des zeitlichen Abstands zweier aufeinanderfolgender Unterbrechungen. Dadurch kann der einzelne Marker noch zuverlässig detektiert werden.
  • Beispielsweise kann der Marker in einer Ausführungsform eine zeitliche Ausdehnung von 1 % oder mehr, vorzugsweise von 5 % oder mehr, und/oder von 10 % oder weniger, vorzugsweise von 5 % oder weniger, der maximal gemessenen Laufzeit oder der maximalen Propagationszeit des Ultraschallsignals zwischen Sender und Empfänger aufweisen. Beispielsweise kann die zeitliche Ausdehnung des Markers zwischen 1 % und 10 %, vorzugsweise zwischen 5 % und 8 %, der maximal gemessenen Laufzeit oder der maximalen Propagationszeit des Ultraschallsignals zwischen Sender und Empfänger aufweisen.
  • Die zeitliche Ausdehnung eines Markers ist vorzugsweise durch die Full-Width-At-Half-Maximum (FWHM) des Markers und/oder seiner Einhüllenden definiert oder definierbar.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass jeweils für eine erste Zeitdauer das externe Anregen unterbrochen wird, insbesondere das Anregungssignal jeweils für eine erste Zeitdauer ausgeschalten oder unterbrochen wird, und/oder für jeweils eine zweite Zeitdauer das externe Anregen durchgeführt wird, insbesondere das Anregungssignal jeweils für eine zweite Zeitdauer eingeschalten wird,
    und wobei vorzugsweise
    • (i) die erste Zeitdauer (a) 0,1µs oder mehr, vorzugsweise 0,5 µs oder mehr, vorzugsweise 1 µs oder mehr, vorzugsweise 2 µs oder mehr, vorzugsweise 5 µs oder mehr, vorzugsweise 10 µs oder mehr, vorzugsweise 50 µs oder mehr, vorzugsweise 500 µs oder mehr, vorzugsweise 1 ms oder mehr, vorzugsweise 500 ms oder mehr, (b) 1 Sekunde oder weniger, vorzugsweise 500 ms oder weniger, vorzugsweise 100 µs oder weniger, vorzugsweise 10 µs oder weniger, vorzugsweise 1 µs oder weniger, und/oder (c) zwischen 0,1 µs und 1 Sekunde, vorzugsweise zwischen 0,5 µs und 1 Sekunde, vorzugsweise zwischen 1 µs und 1 Sekunde, vorzugsweise zwischen 1 µs und 10 µs, zwischen 10 µs und 100 µs, zwischen 100 µs und 1 ms oder zwischen 1 ms und 1 Sekunde, lang ist,
    • (ii) die erste Zeitdauer (a) 1 oder mehr als 1, vorzugsweise 10 oder mehr als 10, vorzugsweise 50 oder mehr als 50, vorzugsweise 100 oder mehr als 100, Perioden des Anregungssignals, (b) 500 oder weniger als 500, vorzugsweise 300 oder weniger als 300, vorzugsweise 100 oder weniger als 100, vorzugsweise 50 oder weniger als 50, vorzugsweise 10 oder weniger als 10, Perioden des Anregungssignals, und/oder (c) zwischen 1 und 500, vorzugsweise zwischen 1 und 300, vorzugsweise zwischen 1 und 100, insbesondere zwischen 1 und 10, oder zwischen 100 und 200, Perioden des Anregungssignals lang ist,
    • (iii) die zweite Zeitdauer (a) 1 µs oder mehr, vorzugsweise 50 µs oder mehr, vorzugsweise 100 µs oder mehr, vorzugsweise 500 µs oder mehr, vorzugsweise 1 ms oder mehr, vorzugsweise 10 ms oder mehr, vorzugsweise 50 ms oder mehr, vorzugsweise 100 ms oder mehr, vorzugsweise 500 ms oder mehr, vorzugsweise 1 Sekunde oder mehr, vorzugsweise 5 Sekunden oder mehr, (b) 10 Sekunden oder weniger, vorzugsweise 5 Sekunden oder weniger, vorzugsweise 1 Sekunde oder weniger, vorzugsweise 500 ms oder weniger, vorzugsweise 100 ms oder weniger, vorzugsweise 50 ms oder weniger, vorzugsweise 10 ms oder weniger, vorzugsweise 1 ms oder weniger, vorzugsweise 500 µs oder weniger, vorzugsweise 100 µs oder weniger, vorzugsweise 50 µs oder weniger, und/oder (c) zwischen 1 µs und 10 Sekunden, vorzugsweise zwischen 10 µs und 5 Sekunden, vorzugsweise zwischen 100 µs und 1 Sekunde, vorzugsweise zwischen 500 µs und 500 ms, vorzugsweise zwischen 1 ms und 100 ms, lang ist,
    • (iv) die zweite Zeitdauer (a) 10 oder mehr als 10, vorzugsweise 50 oder mehr als 50, vorzugsweise 200 oder mehr als 200, vorzugsweise 500 oder mehr als 500, Perioden des Anregungssignals, (b) 5000 oder weniger als 5000, vorzugsweise 1000 oder weniger als 1000, vorzugsweise 500 oder weniger als 500, vorzugsweise 100 oder weniger als 100, vorzugsweise 50 oder weniger als 50, Perioden des Anregungssignals, und/oder (c) zwischen 10 und 5000, vorzugsweise zwischen 100 und 200, zwischen 100 und 1000 oder zwischen 1000 und 5000, Perioden des Anregungssignals lang ist,
    und/oder
    • (v) das Verhältnis von zweiter und erster Zeitdauer (a) 1 oder größer, vorzugsweise 10 oder größer, vorzugsweise 50 oder größer, vorzugsweise 100 oder größer, vorzugsweise 300 oder größer, vorzugsweise 500 oder größer, vorzugsweise 1000 oder größer, vorzugsweise 3000 oder größer, (b) 5000 oder kleiner, vorzugsweise 3000 oder kleiner, vorzugsweise 1000 oder kleiner, vorzugsweise 500 oder kleiner, vorzugsweise 100 oder kleiner, vorzugsweise 50 oder kleiner, und/oder (c) zwischen 1 und 5000, vorzugsweise zwischen 1 und 100, zwischen 100 und 1000 oder zwischen 1000 und 5000, ist.
  • Die Festlegung einer oder beider Zeitdauern relativ zu der Periodendauer des Anregungssignal ermöglicht auch bei veränderlichen oder unterschiedlichen Konfigurationen eine jeweils zuverlässige und robuste Durchführung des Verfahrens.
  • Ein entsprechendes Verhältnis der beiden Zeitdauern erlaubt einen zuverlässigen Betrieb des Ultraschallwandlers. Auch ist es vorteilhaft, die erste Zeitdauer nicht zu kurz zu wählen, so dass sozusagen ausreichend Zeit verstreicht, innerhalb derer dann die Phasenänderung erkannt werden kann. Mit anderen Worten, wenn die erste Zeitdauer ausreichend lang ist, wird die Detektierbarkeit einer Änderung der Phasenbeziehung verbessert, da diese über einen längeren Zeitraum hinweg erfolgen kann.
  • Wenn gerade die erste Zeitdauer wie vorgeschlagen gewählt wird, können besonders zuverlässig und gut detektierbaren Phasenänderungen erreicht werden. Denn zum einen ist damit die Änderung über einen ausreichend langen Zeitraum detektierbar. Zum anderen ist der Zeitraum kurz genug, um dauerhaft ein Signal aussenden zu können.
  • Vorzugsweise beginnt die erste Zeitdauer mit dem ersten Zeitpunkt.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Ultraschallsignal kontinuierlich ausgesendet wird;
    dass die Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals konstant bleibt;
    und/oder
    dass das Ultraschallsignal (a) zumindest für einen bestimmten Zeitraum nach dem Beenden des externen Anregens und/oder (b) zumindest für einen bestimmten Zeitraum nach dem Unterbrechen des externen Anregens, vorzugsweise durchgehend während des Unterbrechens, ausgesendet wird.
  • Ein kontinuierliches Ultraschallsignal ermöglicht eine zuverlässige Detektion, da empfangsseitig das Signal ständig präsent ist und somit Aussetzer und/oder fehlerhafte Detektionsergebnisse vermieden oder zumindest reduziert werden können. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn kontinuierlich die Abstandsinformation neu ermittelt werden muss.
  • Aufgrund der Trägheit des Ultraschallwandlers, sendet der Ultraschallsender typischerweise auch nach Beenden oder Unterbrechen der externen Anregung weiterhin während eines bestimmten, insbesondere durch den Ultraschallwandler bestimmten, Zeitraums ein Ultraschallsignal aus. Insbesondere geht während dieses Zeitraums der außerhalb der Resonanzfrequenz betrieben Ultraschallwandler zur Resonanzfrequenz hin. Ein kontinuierliches Ultraschallsignal kann dann beispielsweise durch rechtzeitiges Wieder-Aufnehmen des externen Anregens des Ultraschallwandlers, beispielsweise mit dem Anregungssignal, erreicht werden. Das kontinuierliche Ultraschallsignal kann daher durch eine passende Wahl der Unterbrechung des externen Anregens erreicht werden.
  • Ein Ultraschallwandler (vor allem in Form eines Piezokristalls) mit einer hohen Kapazität schwingt nach Beenden und/oder Unterbrechen der externen Anregung tendenziell länger als ein Piezokristall mit einer geringeren Kapazität. Daher kann eine Unterbrechung für einen Piezokristall mit größerer Kapazität tendenziell länger bestehen (bzw. die externe Anregung länger unterbrochen sein) als für einen Piezokristall mit geringerer Kapazität, um ein kontinuierliches Ultraschallsignal vorteilhafterweise zu erreichen.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das von dem Ultraschallsender ausgesendete Ultraschallsignal ab dem Beenden oder während des Unterbrechens des externen Anregens des Ultraschallwandlers zumindest zeitweise eine Frequenz aufweist, die sich zeitlich verändert, sich insbesondere die Frequenz hin zur Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers ändert, wobei vorzugsweise die Frequenzänderung zumindest teilweise aufgrund des Übergangs des Ultraschallwandlers in seine Resonanzfrequenz stattfindet.
  • Dies kann besonders einfach durch Ausnutzen der inhärenten Eigenschaften des Ultraschallwandlers (vor allem in Form eines Piezokristalls) erfolgen. Denn dieser will sozusagen auf seiner Resonanzfrequenz schwingen und „springt“, wie oben erwähnt, mit Ausschalten oder Unterbrechen der externen Anregung (beispielsweise in Form des Anregungssignals) dann in Richtung der Resonanzfrequenz, wobei er in eine freie Schwingung übergeht.
  • In einer Ausführungsform führt der Ultraschallwandler ab dem Beenden oder während des Unterbrechens des externen Anregens des Ultraschallwandlers zumindest zeitweise eine freie Schwingung aus, insbesondere während des Übergangs des Ultraschallwandlers in seine Resonanzfrequenz.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgende Unterbrechungen des externen Anregens des Ultraschallwandlers, insbesondere wenigstens zu Beginn des Verfahrens und/oder während des Verfahrens, zumindest einmal, vorzugsweise mehrmals, angepasst, insbesondere jeweils vergrößert oder verkleinert, wird.
  • Beispielsweise kann somit der zeitliche Abstand zwischen zwei „Markern“ anhand der, insbesondere zeitlich variierenden, Gegebenheiten des Übertragungsweges einmalig oder laufend überprüft und eingestellt werden. Wenn sich beispielsweise der physikalische Abstand zwischen Sender und Empfänger ändert (er sich etwa vergrößert oder verkleinert), kann es vorteilhaft sein, zunächst mit einem ersten zeitlichen Abstand zu arbeiten und später einen zweiten zeitlichen Abstand (der dann größer oder kleiner sein kann als der erste zeitliche Abstand) einzustellen. Anstelle oder ergänzend zu einer Änderung des tatsächlichen Abstands können auch hier wieder sich ändernde Eigenschaften des Übertragungsweges oder dergleichen auftreten, die zu einer Änderung der Laufzeit führen.
  • Beispielsweise kann, insbesondere zu Beginn des Verfahrens, der zeitliche Abstand so lange variiert, insbesondere verringert oder vergrößert, werden, bis ein bestimmter erster Zeitpunkt mit demjenigen zweiten Zeitpunkt, der wiederum kausal mit dem dem bestimmten ersten Zeitpunkt unmittelbar vorangehenden ersten Zeitpunkt zusammenhängt, zusammenfällt oder die beiden Zeitpunkte ihrerseits einen definierten oder definierbaren zeitlichen Abstand zueinander aufweisen. Oder mit anderen Worten ausgedrückt, der zeitliche Abstand entspricht gerade, mindestens oder innerhalb definierter Grenzen der Laufzeit des Ultraschallsignals.
  • Der definierte oder definierbare zeitliche Abstand kann beispielsweise so gewählt werden, dass zwei aufeinanderfolgende Unterbrechungen der externen Anregung immer einen zeitlichen Abstand zueinander aufweisen, der größer als oder gleich der Laufzeit des Ultraschallsignals ist. Beispielsweise kann der definierte oder definierbare zeitliche Abstand mit einem Sicherheitszuschlag versehen werden, so dass der zeitliche Abstand beispielsweise immer 10 % oder mehr der maximal zu erwartenden Laufzeit beträgt.
  • Damit kann eine Mehrdeutigkeit vermieden werden, denn es befindet sich sozusagen immer nur ein Marker gleichzeitig auf dem Übertragungsweg des Ultraschallsignals.
  • Wie oben bereits angemerkt wurde, können sich aber auch mehrere Marker gleichzeitig auf dem Übertragungsweg befinden, wenn die Marker selbst zueinander eindeutig identifizierbar sind. Beispielsweise können zwei hintereinander aufgeprägte Marker später empfangsseitig wieder eindeutig zugeordnet werden, wenn bekannt ist, dass zwei solche Marker empfangen werden, die vorzugsweise einen größeren zeitlichen Abstand zu nachfolgenden Markern aufweisen. Damit sind etwa hochdynamische Messungen in bevorzugten Anwendungsbereichen des Verfahrens möglich (beispielsweise bei Ultraschalldiagnostik in der Medizin mit 200 Bildern pro Sekunde).
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Referenzsignal ein, insbesondere sinusförmiges oder rechteckförmiges, Signal aufweist oder ist, das vorzugsweise eine Periodendauer gemäß der Periodendauer der von extern angeregten Schwingung des Ultraschallwandlers und/oder der Periodendauer des Anregungssignals aufweist;
    dass das Referenzsignal, zumindest zeitweise, identisch zu dem Anregungssignal ist;
    dass die Phasenbeziehung zwischen dem Referenzsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal zeitabhängig ist;
    und/oder
    dass das Auswerten der Phasenbeziehung zwischen dem Referenzsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal das Bestimmen der, insbesondere zeitabhängigen, Differenz zwischen der Phase des Referenzsignals und der Phase des empfangenen Ultraschallsignals aufweist, und wobei vorzugsweise das Auswerten ferner das Erzeugen eines Phasendifferenzsignals, das den zeitlichen Verlauf der bestimmten Phasendifferenz darstellt, aufweist.
  • Das Referenzsignal muss nicht sinusförmig sein. In digitalen Systemen wird der Sinus oft durch ein rechteckförmiges Signal ersetzt. Daher kann das Referenzsignal rechteckförmig und das Anregungssignal sinusförmig sein. Das empfangene Ultraschallsignal kann auch zunächst sinusförmig sein und dann vor der Verarbeitung, etwa mittels eines Komparators, in ein Rechtecksignal gewandelt werden. Dieses Signal kann dann beispielsweise in einem FPGA verarbeitet werden. Im FPGA wird dann also beispielsweise das rechteckförmige Referenzsignal mit dem rechteckförmigen empfangenen Ultraschallsignal verarbeitet, insbesondere die Phasenbeziehung zwischen diesen ausgewertet.
  • Das Referenzsignal kann dabei in analoger oder digitaler Form erzeugt werden, also als Analog- oder Digitalsignal. Beispielsweise kann das Referenzsignal mit einem Signalgenerator erzeugt werden und dann vorzugsweise als Digital- oder Analogsignal vorliegen. Ein Signalgenerator kann auch hier wieder in Software, in Hardware oder als eine Kombination aus beidem realisiert sein. Beispielsweise kann der Signalgenerator eine Oszillatorschaltung aufweisen, einen FPGA (field programmable gate array) aufweisen oder damit realisiert sein, oder in Software realisiert sein. Mit einer Oszillatorschaltung lässt sich zuverlässig und günstig ein sinusförmiges Signal mit konstanter Frequenz erzeugen. Eine FPGA-basierte oder eine softwarebasierte Signalerzeugung ist besonders flexibel, da damit sehr einfach nahezu beliebige Signalformen erzeugt werden können.
  • In einer Ausführungsform steht das Referenzsignal in einem kausalen Zusammenhang zum Anregungssignal derart, dass dadurch eine zeitliche Beziehung und/oder Phasenbeziehung zwischen beiden bestimmt oder bestimmbar ist. Beispielsweise könnte die Periodendauer des Referenzsignals auch ein Vielfaches oder einen Teiler der Periodendauer des Anregungssignals sein. Beispielsweise bei Anregung 300 kHz weist das Referenzsignal eine Frequenz von 100 kHz oder 600 kHz auf.
  • Vorzugsweise wird das Referenzsignal in der Kontrolleinheit erzeugt und zum Auswerten der Phasenbeziehung verwendet.
  • Eine besonders einfache Realisierung ist möglich, wenn das Referenzsignal und das Anregungssignal identisch sind. Beispielsweise kann das Anregungssignal in diesem Fall kontinuierlich erzeugt werden. Damit steht es dauerhaft als Referenzsignal zur Verfügung. In Zeiten, in denen die externe Anregung nicht stattfindet, wird der Ultraschallwandler beispielsweise dann nicht mit dem Anregungssignal angesteuert.
  • In einer Ausführungsform ist daher das Referenzsignal und das Anregungssignal identisch und vorzugsweise ein monofrequentes, sinusförmiges Signal.
  • Das Referenzsignal besteht vorzugsweise kontinuierlich, um die Phasenbeziehung laufend auszuwerten oder auswerten zu können.
  • Beispielsweise kann das Referenzsignal, vorzugsweise zusammen mit dem Anregungssignal oder separat dazu, mittels eines Mikrocontrollers erzeugt werden. Eine weitere Möglichkeit bietet ein time to digital converter (TDC-Converter).
  • Zum Auswerten der Phasenbeziehung kann insbesondere eine Messtechnik eingesetzt werden, welche das Referenzsignal in zeitlichen Bezug zum Empfangssignal setzen kann.
  • Das Phasendifferenzsignal kann ein Analog- oder Digitalsignal sein. Als Digitalsignal kann es sehr einfach im Rahmen der digitalen Signalverarbeitung innerhalb einer Software verwendet werden. Ein Analogsignal kann leicht in ein Digitalsignal mittels eines ADC und umgekehrt mittels eines DAC umgewandelt werden.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Feststellen der Änderung in der ausgewerteten Phasenbeziehung (a) das Feststellen eines Wechsels von einem konstanten Phasendifferenzsignal hin zu einem zeitlich variierenden Signal aufweist oder darstellt, (b) das Feststellen eines definierten oder definierbaren Phasenverlaufs, (c) das Feststellen einer Flanke, insbesondere einer steigenden oder fallenden Flanke, des, insbesondere mit einem Hochpass und/oder Bandpass gefilterten, Phasendifferenzsignals aufweist oder darstellt, (d) das Feststellen eines einen, vorzugsweise dynamischen, Schwellenwert übersteigenden Wertes einer Korrelation und/oder Faltung zwischen zumindest Teilen des Phasendifferenzsignals und einem Mustersignal aufweist oder darstellt und/oder (e) das Feststellen einer Änderung zumindest einer Eigenschaft des Phasendifferenzsignals aufweist oder darstellt, wobei vorzugsweise die Eigenschaft eine Periodendauer des Phasendifferenzsignals und/oder eine, vorzugsweise einen, insbesondere dynamischen, Schwellenwert über- oder unterschreitende, Amplitude des, insbesondere mit einem Hochpass und/oder Bandpass gefilterten, Phasendifferenzsignals ist;
    und/oder
    dass der zweite Zeitpunkt der Zeitpunkt ist, zu dem die Änderung im Phasendifferenzsignal festgestellt wird und/oder wobei der zweite Zeitpunkt basierend auf einem maximalen Wert einer Korrelation und/oder Faltung zwischen einem Mustersignal und dem Phasendifferenzsignal und/oder Phasenbeziehungssignal bestimmt wird.
  • Das Feststellen einer Flanke lässt sich sehr zuverlässig durchführen und ist daher sehr robust aus bei einem verrauschten Signal.
  • Wenn die Periodendauer oder die Amplitude für die Feststellung der Änderung einbezogen wird, lässt sich besonders robust der zweite Zeitpunkt ermitteln. Vor allem ist dadurch vorteilhafterweise der zeitabhängige Einfluss eines Mediums, durch das das Ultraschallsignal hindurchläuft, auf das Phasendifferenzsignal unschädlich.
  • Vorzugsweise weist der zeitliche Verlauf der Phasenbeziehung zumindest zeitweise einen frequenzmodulieren Verlauf auf, wenn das von dem Ultraschallsender ab dem Beenden oder während des Unterbrechens der externen Anregung ausgesendete Ultraschallsignal empfangen wird. Daher kann beispielsweise direkt oder indirekt anhand eines solchen frequenzmodulierten Verlaufs der zweite Zeitpunkt ermittelt werden.
  • In einer Ausführungsform ist der definierte oder definierbare Phasenverlauf der durch das Beenden oder Unterbrechen des externen Anregens bedingte Verlauf der ausgewerteten Phasenbeziehung. Da insoweit die erwartete Phasenänderung bekannt ist, kann diese zuverlässig detektiert und der zweite Zeitpunkt festgestellt werden.
  • Der Einsatz eines Hochpasses kann zu verbesserten Ergebnissen führen, da so gezielt die bei hohen Frequenzen stattfindenden Änderungen im Ultraschallsignal isoliert werden können, die aufgrund des „zurück in die Resonanz springenden“ Ultraschallwandlers im Ultraschallsignal bestehen.
  • Daher weist vorzugsweise ein solcher Hochpass eine Grenzfrequenz von 100 Hz oder mehr, vorzugsweise von 500 Hz oder mehr, vorzugsweise von 1 kHz oder mehr, auf. Optional ist die Grenzfrequenz des Hochpasses 100 kHz oder kleiner, vorzugsweise 50 kHz oder kleiner, vorzugsweise 30 kHz oder kleiner, vorzugsweise 10 kHz oder kleiner, vorzugsweise 5 kHz oder kleiner, vorzugsweise 1 kHz oder kleiner.
  • Daher weist vorzugsweise ein solcher Bandpass eine erste Grenzfrequenz von 100 Hz oder mehr, vorzugsweise von 500 Hz oder mehr, vorzugsweise von 1 kHz oder mehr auf und/oder eine Bandbreite von 100 MHz oder weniger, vorzugsweise von 50 MHz oder weniger, vorzugsweise von 10 MHz oder weniger, vorzugsweise von 1 MHz oder weniger, vorzugsweise von 500 kHz oder weniger, vorzugsweise von 100 kHz oder weniger, vorzugsweise von 50 kHz oder weniger, vorzugsweise von 10 kHz oder weniger, auf. Optional ist die erste Grenzfrequenz des Bandpasses 100 kHz oder kleiner, vorzugsweise 50 kHz oder kleiner, vorzugsweise 30 kHz oder kleiner, vorzugsweise 10 kHz oder kleiner, vorzugsweise 5 kHz oder kleiner, vorzugsweise 1 kHz oder kleiner.
  • Der zweite Zeitpunkt lässt sich sehr effizient bestimmen, indem das Phasensignal (insbesondere das Phasendifferenzsignal und/oder die Phasenbeziehung zwischen Referenzsignal und empfangenem Ultraschallsignal) mit einem Mustersignal korreliert wird. Dabei kann das Mustersignal beispielsweise zumindest teilweise einen Verlauf gemäß der, vorzugsweise berechneten, Phasenbeziehung zwischen Referenzsignal und dem Ultraschallsignal, das der Ultraschallwandler nach Ausschalten oder Unterbrechen der externen Anregung aussendet, aufweisen. Beispielsweise kann dies der zuvor beschriebene definierte oder definierbare Phasenverlauf sein.
  • Indem der Schwellenwert dynamisch ist, kann eine von anderen Ursachen herrührende Änderung des Wertes des Phasendifferenzsignals unschädlich gemacht werden. Denn der Schwellenwert wird stets passend eingestellt.
  • Alternativ oder ergänzend lässt sich der zweite Zeitpunkt wie folgt feststellen: Feststellen des Zeitpunktes, zu dem das Phasendifferenzsignal einen Schwellenwert über- oder unterschreitet.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Bestimmen der Laufzeit des Ultraschallsignals ferner zumindest einen Wert der ausgewerteten Phasenbeziehung, insbesondere der bestimmten Phasendifferenz und/oder des Phasendifferenzsignals, als spezifischen Wert berücksichtigt, und insbesondere basierend auf dem spezifischen Wert eine zusätzliche Laufzeitkomponente ermittelt wird,
    wobei vorzugsweise der spezifische Wert ein Einzelwert oder ein Mittelwert jeweils von einem Teil der ausgewerteten Phasenbeziehung, insbesondere der bestimmten Phasendifferenz und/oder des Phasendifferenzsignals, ist, wobei vorzugsweise der Teil der ausgewerteten Phasenbeziehung innerhalb eines definierten oder definierbaren Zeitfensters vor oder nach dem zweiten Zeitpunkt liegt.
  • Die Erfinder haben insoweit überraschen erkannt, dass die Phasenbeziehung Informationen liefert, mit denen die Auflösung der Laufzeit auf einen Bruchteil der Periodenlänge des Ultraschallsignals genau verfeinert werden kann. Damit können dann auch weitere Berechnungen, die auf der ermittelten Laufzeit basieren zu deutlich besseren Ergebnissen führen.
  • Der erste Zeitpunkt und zweite Zeitpunkt ermöglichen dann sozusagen die Grobbestimmung der Laufzeit, während die zusätzliche Phaseninformation (also der spezifische Wert der Phasenbeziehung) sozusagen die weitergehende Feinbestimmung der Laufzeit als Anteil der Periodendauer des Anregungssignals ermöglicht. Die Mehrdeutigkeit der Phasenbeziehung ist dabei unkritisch, da insoweit die Grobbestimmung eingreift, mit der gewissermaßen die Vielfachen der Periodendauer ermittelt wird.
  • Indem vorzugsweise der spezifische Wert der Phasenbeziehung zusätzlich bei der Laufzeitbestimmung herangezogen wird, lässt sich die die absolute Laufzeit des Ultraschallsignals mit einfachen Mitteln äußerst präzise bestimmen. Der spezifische Wert kann dabei gerade die Phasendifferenz (zwischen Referenzsignal und empfangenem Ultraschallsignal) außerhalb des zweiten Zeitpunkts und/oder außerhalb der zumindest teilweise durch das Beenden oder Unterbrechen des externen Anregens bedingten Änderung in der ausgewerteten Phasenbeziehung darstellen.
  • Das vorgeschlagene Verfahren kann daher die Phasenverschiebung zur sehr genauen Laufzeitmessung ausnutzen. Dies kann zu deutlich genaueren Ergebnissen führen als solche, die mit herkömmlichen Systemen gewonnen werden können.
  • Die, insbesondere absolute, Laufzeit des Ultraschallsignals kann sich daher aus der Summe des Zeitunterschieds zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt sowie der zusätzlichen Laufzeitkomponente ergeben.
  • Das Zeitfenster kann so gewählt werden, dass es zwischen 1 und 1000, vorzugsweise zwischen 1 und 500, vorzugsweise zwischen 1 und 100, Werte der Phasenbeziehung aufweist. Basierend auf diesen Werten kann dann vorteilhafterweise der spezifische Wert berechnet werden.
  • Wenn ein Zeitfenster beispielsweise 50 Werte der Phasenbeziehung aufweist, kann über diesen Teil der Phasenbeziehung der Mittelwert berechnet werden. Grundsätzlich kann der Mittelwert beispielsweise der arithmetische Mittelwert sein. Der Mittelwert kann dann vorteilhafterweise der spezifische Wert sein.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Ränder des Zeitfensters ausreichenden Abstand zu einem „Marker“ in der ausgewerteten Phasenbeziehung aufweisen. Daher weisen die Ränder des Zeitfensters einen Abstand zu dem nächsten zweiten Zeitpunkt von beispielsweise dem 3-fachen oder mehr als dem 3-fachen, vorzugsweise dem 10-fachen oder mehr als dem 10-fachen, vorzugsweise dem 50-fachen oder mehr als dem 50-fachen, der ersten Zeitdauer auf. Optional weisen die Ränder des Zeitfensters einen Abstand von dem 100-fachen oder weniger als dem 100-fachen der ersten Zeitdauer auf.
  • Wenn mehrere zweite Zeitpunkte bestehen, kann das Zeitfenster beispielsweise mittig zwischen zwei aufeinanderfolgende zweite Zeitpunkte gewählt werden.
  • Das Zeitfenster kann beispielsweise eine Länge von zwischen 0,1 % und 90 %, vorzugsweise zwischen 0,1 % und 10 % oder zwischen 10 % und 80 %, vorzugsweise zwischen 10 % und 60 %, vorzugsweise zwischen 20 % und 40 %, der Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgende Unterbrechungen aufweisen. Das Zeitfenster kann alternativ oder ergänzend auch Länge aufweisen von zwischen 1 µs und 5 ms, vorzugsweise zwischen 3 µs und 100 µs, zwischen 100 µs und 500 µs, zwischen 500 µs und 1 ms oder zwischen 1 ms und 5 ms.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass der Ultraschallwandler zumindest ein Piezoelement aufweist.
  • Piezoelemente sind günstig und dennoch zuverlässig und weisen vorteilhafterweise die Eigenschaft auf, dass sie beim Beenden oder Unterbrechen der externen Anregung abseits der Resonanzfrequenz in ihre Resonanzfrequenz zurück gehen.
  • Ein Piezoelement kann beispielsweise piezoelektrisches Material und zumindest zwei Elektroden aufweisen. Auf dem piezoelektrischen Material können dann die Elektroden aufgebracht werden, sodass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden Elektroden ein elektrisches Feld entsteht. Gleichermaßen kann ein durch eine mechanische Kraft hervorgerufenes elektrische Feld eine Spannung an den Elektroden bewirken.
  • Beispielsweise kann auch ein Piezostapel als Piezoelement eingesetzt werden, wobei hier mehrere Schichten von piezoelektrischem Material abwechselnd mit dazwischenliegenden Elektroden zusammengefügt werden. Damit sind größere Amplituden der Ultraschallwelle möglich.
  • In einer Ausführungsform weist das Piezoelement ein Plättchen aus piezoelektrischem Material mit Elektroden an den Endflächen auf, wobei sich vorzugsweise das Plättchen in einer Richtung ausdehnt und in einer anderen, vorzugsweise senkrecht dazu verlaufenden, Richtung zusammenzieht, insbesondere in Dickenrichtung ausdehnt und in Querrichtung zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird. Die Verformung bleibt so lange bestehen, wie die Spannung angelegt bleibt. Wird die Spannung umgepolt, ändert sich die Richtung der Verformung, also etwa eine Kontraktion in Dickenrichtung und Ausdehnung in Querrichtung.
  • Wenn in der vorliegenden Anmeldung davon gesprochen wird, dass der Ultraschallwandler eine Schwingung durchführt, insbesondere durch externes Anregen, ist damit vorzugsweise das wiederholte Ausdehnen und Kontrahieren des Piezoelements in einer Richtung, wie insbesondere seiner Dickenrichtung, gemeint. Dies wiederum kann insoweit als mehrere Schwingungszyklen verstanden werden.
  • In einer Ausführungsform weist der Ultraschallwandler vorzugsweise einen magnetostriktiven Wandler auf.
  • In einer Ausführungsform ist der Ultraschallwandler elektrisch betrieben.
  • Vorzugsweise weist auch der Ultraschallempfänger zumindest einen Ultraschallwandler, insbesondere in Form eines Piezoelements, auf.
  • In einer Ausführungsform befindet sich der Ultraschallempfänger im Fernfeld des Ultraschallsenders.
  • Indem sich der Ultraschallempfänger im Fernfeld des Ultraschallsenders befindet, das heißt, die empfangene Welle hat einen ausreichend langen Ausbreitungsweg hinter sich, so dass die Ausbreitungseigenschaften der Ultraschallwellen denen im Fernfeld entsprechen, ist eine zuverlässige Auswertung der Phasenbeziehung möglich.
  • Es wurde jedoch überraschend erkannt, dass das vorgeschlagene Verfahren gleichermaßen auch dann funktioniert, wenn sich der Ultraschallempfänger noch nicht im Fernfeld des Ultraschallsenders befindet. Es kann daher mitunter auch vorteilhaft sein, dass sich der Ultraschallempfänger im Nahfeld des Ultraschallsenders befindet. Damit lässt sich das Verfahren auch bei kompakten Realisierungsformen einsetzen. Das Verfahren erweist sich insoweit also als besonders robust.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass der Ultraschallempfänger das an einem Objekt und/oder Subjekt reflektierte Ultraschallsignal empfängt und/oder der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger beide in die gleiche Richtung zeigen.
  • Das Verfahren kann Messungen in Reflexion durchführen. Dies macht das Verfahren für viele Anwendungsszenarien einsetzbar. Denn der Übertragungsweg kann sich damit beispielsweise durch ein zu detektierendes Objekt oder Subjekt und dessen Abstand jeweils von Sender und Empfänger definieren (Sender-Objekt/Subjekt-Empfänger).
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass der Ultraschallempfänger das entlang eines, insbesondere geradlinigen, Übertragungsweges transmittierte Ultraschallsignal empfängt und/oder der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger beide in unterschiedliche Richtungen zeigen, und insbesondere einander gegenüber angeordnet sind.
  • Das Verfahren kann Messungen in Transmission durchführen. Dies macht das Verfahren für viele Anwendungsszenarien einsetzbar. Denn der Übertragungsweg kann sich damit beispielsweise durch den Abstand von Sender und Empfänger definieren.
  • Vorzugsweise ist der physikalische Abstand zwischen Sender und Empfänger und/oder deren Position fest. Auf diese Weise kann die Laufzeit des Ultraschallsignals besonders gut bei veränderlichen Eigenschaften des Übertragungsweges ermittelt werden. Denn der physikalische Abstand unterliegt keiner Änderung, so dass eine Änderung der Laufzeit auf die veränderten Eigenschaften des Übertragungsweges (insbesondere eines darin angeordneten Mediums) zurückgeführt werden können.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass sich das Ultraschallsignal zumindest abschnittsweise und/oder zeitweise entlang des Übertragungswegs zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger innerhalb eines Mediums, wie insbesondere einen Festkörper, ein Fasergemisch und/oder ein, insbesondere oszillierendes und/oder strömendes, Fluid, insbesondere aufweisend oder bestehend aus Wasser, Luft, Helium, Stickstoff und/oder Wasserstoff, ausbreitet.
  • Vorzugsweise ist die Frequenz der Oszillation des oszillierenden Fluids 50 % oder weniger als 50 % der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers.
  • Eigenschaften des Mediums, die Einfluss auf die Laufzeit des Ultraschallsignals haben, können damit besonders einfach und zuverlässig bestimmt und/oder charakterisiert werden.
  • Unter einem oszillierenden Fluid wird dabei vorzugsweise ein Fluid verstanden, dessen Strömungsrichtung sich periodisch umkehrt. Oszilliert das Fluid also in einem Kanalabschnitt, so strömt es innerhalb des Kanalabschnitts abwechselnd in die eine Richtung und dann wieder in die andere, dazu antiparallel verlaufende, Richtung.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass sich das Ultraschallsignal zumindest abschnittsweise entlang des Übertragungswegs zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger innerhalb und/oder entlang eines Kanals oder Kanalabschnitts, innerhalb dessen sich vorzugsweise das Medium zumindest zeitweise befindet und/oder innerhalb dessen das Medium in Form eines Fluids oszilliert und/oder strömt, ausbreitet,
    und wobei vorzugsweise der Kanal oder Kanalabschnitt von einem Fluidistor aufgewiesen ist.
  • Dem liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass ein Fluidistor besonders gute Rahmenbedingungen bereitstellt, um die Eigenschaften eines Fluids zu ermitteln.
  • Als besonders vorteilhaft ist außerdem anzumerken, dass ein Fluidistor vorteilhafterweise vollkommen verschleißfrei arbeiten kann, da bei diesem keine Teile mechanisch bewegt werden müssen.
  • Der grundsätzliche Aufbau sowie das Arbeits- und Wirkprinzip eines Fluidistor sind bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE2840993A1 .
  • Ein vorteilhafter Fluidistor, wie er vorzugsweise auch in dem vorgeschlagenen Verfahren eingesetzt wird, weist einen Fluideinlass, durch den ein Fluid in den Fluidistor hineinströmbar ist, und einen Fluidauslass, durch den das Fluid aus dem Fluidistor hinausströmbar ist, sowie einen Hauptkanal, der den Fluideinlass und den Fluidauslass zumindest abschnittsweise fluidal miteinander verbindet, auf. Innerhalb des Hauptkanals ist ein Störkörper angeordnet, der von dem Fluid an zwei Seiten umströmbar ist. Der Hauptkanal weist, insbesondere auf Höhe des Störkörpers oder, insbesondere um bis zu 50 cm, vorzugsweise um bis zu 30 cm, vorzugsweise um bis zu 15 cm, vorzugsweise um bis zu 10 cm, vorzugsweise um bis zu 5 cm, stromauf- oder stromabwärts zu dem Störkörper versetzt, zwei Öffnungen auf, die beide durch einen Oszillations-Kanal fluidal miteinander verbunden sind und wobei sich vorzugsweise die beiden Öffnungen (i) in verschiedenen, insbesondere parallel zueinander verlaufenden, Ebenen, beispielsweise von zwei sich gegenüberliegenden Wandbereichen des Hauptkanals des Fluidistors, (ii) in einer gemeinsamen Ebene, wobei insbesondere die beiden Öffnungen an unterschiedliche Seiten des Hauptkanals angrenzen, und/oder (iii) auf gleicher Höhe befinden. Der Oszillations-Kanal ist vorteilhafterweise also ein Verbindungskanal zwischen diesen beiden Öffnungen.
  • Der Fluidistor ist vorzugsweise dazu ausgebildet, dass ein von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass durch den Hauptkanal und entlang des Störkörpers strömendes Fluid, insbesondere wenn die Rahmenbedingungen der Karmanschen Wirbelstraße erfüllt sind, den Störkörper abwechselnd auf der einen und auf der anderen Seite umströmt und dadurch periodisch wechselnde Druckzustände innerhalb des Hauptkanals zumindest bereichsweise auftreten, aufgrund derer ein Teil des durch den Fluidistor strömenden Fluids innerhalb des Oszillations-Kanals eine Oszillation ausführt. Das heißt, die Strömungsrichtung des Fluids innerhalb des Oszillations-Kanals kehrt sich periodisch um. Der Oszillations-Kanal ist aus diesem Grund in der vorliegenden Anmeldung als Oszillations-Kanals bezeichnet. Dabei versteht der Fachmann, dass vorzugsweise das in dem Oszillations-Kanal strömende Fluid seinerseits die Druckzustände beeinflusst und damit dazu beiträgt, dass das strömende Fluid den Störkörper wieder auf der jeweils anderen Seite umströmt und sich die Strömungsrichtung des Fluids innerhalb des Oszillations-Kanals wieder umkehrt.
  • Strömt nun ein Fluid von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass durch den Fluidistor hindurch, so strömt ein Teil des durch den Fluidistor strömenden Fluids durch den Oszillations-Kanal und führt dort eine Oszillation aus.
  • Wenn das Fluid durch den Fluidistor geführt wird, wird es vorzugsweise von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass des Fluidistors geführt. Somit kann die Fluid-Schwingung (Fluid-Oszillation) im Oszillations-Kanal erreicht werden.
  • Es ist daher besonders bevorzugt, wenn der Fluidistor mit seinem Fluidein- und/oder Fluidauslass mit einer Strömungsleitung fluidal verbunden ist und insbesondere zumindest ein Teil des darin strömenden Fluids durch den Fluidistor geführt wird.
  • In einer Ausführungsform wird das gesamte in der Strömungsleitung strömende Fluid durch den Fluidistor geführt. Beispielsweise kann der Fluidistor dazu zur Strömungsleitung fluidal in Reihe geschalten sein und/oder der Fluidistor, insbesondere sein Hauptkanal, kann einen Teil der Strömungsleitung ausbilden oder mit der Strömungsleitung fludial, etwa an einem ihrer Enden, derart verbunden sein, dass das gesamte Fluid durch den Fluidistor strömt.
  • In einer Ausführungsform wird ein Teil des in der Strömungsleitung strömenden Fluids durch den Fluidistor geführt. Beispielsweise kann der Fluidistor dazu zur Strömungsleitung oder einem Abschnitt davon fluidal parallel geschalten sein und/oder mit zumindest einer Abzweigung der Strömungsleitung fluidal verbunden sein. Der betreffende Teil des in der Strömungsleitung strömenden Fluids, der durch den Fluidistor geführt wird, kann beispielsweise mittels einer in der Strömungsleitung (insbesondere fluidal zwischen der Abzweigung zum Fluidistor und der Mündung vom Fluidistor) angeordneten Blende und/oder Venturi-Düse eingestellt werden oder einstellbar sein. Dazu kann die Strömungsleitung entsprechende Mittel in Form einer Blende und/oder Venturi-Düse aufweisen.
  • In einer Ausführungsform wird der Teil des strömenden Fluids aus der Strömungsleitung abgezweigt. Optional wird der abgezweigte Teil wieder der Strömungsleitung oder der Umgebung zugeführt. Dazu kann vorteilhafterweise der Einlass und/oder der Auslass des Fluidistors mit der Strömungsleitung fluidal verbunden sein. Dazu weist vorzugsweise die Strömungsleitung eine Querschnittsverjüngung (beispielsweise eine Einschnürung, eine Blende und/oder dergleichen) auf, die dazu ausgelegt ist, den Teil des strömenden Fluids aus der Strömungsleitung abzuzweigen und/oder dem Fluidistor zuzuführen.
  • In einer Ausführungsform wird das gesamte durch die Strömungsleitung strömende Fluid durch den Fluidistor geführt.
  • In einer Ausführungsform wird dauerhaft Fluid aus der Strömungsleitung durch den Fluidistor geführt. In einer anderen Ausführungsform wird nur für einen bestimmten Zeitraum und/oder periodisch wiederholt Fluid aus der Strömungsleitung durch den Fluidistor geführt.
  • Der Störkörper ist vorteilhafterweise also ein strömungsteilender Störkörper. Mit dem Störkörper ist das strömende Fluid also in zwei Teilströme teilbar.
  • Der Fachmann versteht freilich, dass das Fluid im Fluidistor, und vor allem das Fluid im Oszillationskanal ständig durch nachströmendes Fluid, das durch den Fluidistor geführt wird, ausgetauscht wird. Dadurch ist im Übrigen auch gewährleistet, dass eine kontinuierliche (und später näher vorgestellte Möglichkeit zur) Ermittlung der Eigenschaften des in einer Strömungsleitung strömenden Fluids möglich ist. Denn es wird laufend zumindest ein Teil des in der Strömungsleitung strömenden Fluids durch den Fluidistor geführt, wobei laufend zumindest ein Teil davon durch den Oszillations-Kanal strömt und dort an der Oszillations-Bewegung teilnimmt. So kann eine veränderte Eigenschaft unmittelbar erkannt werden.
  • Es ist bevorzugt, dass der Fluidistor zumindest einen Oszillations-Kanal aufweist, innerhalb dessen ein Teil des durch den Fluidistor geführten Fluids oszilliert, sich insbesondere also periodisch dessen Strömungsrichtung umkehrt, während das Fluid durch den Fluidistor geführt wird.
  • Es ist daher bevorzugt, dass der Oszillations-Kanal des Fluidistors einen Verbindungskanal, der zwei, insbesondere auf Höhe des innerhalb des Hauptkanals angeordneten Störkörpers oder, insbesondere um bis zu 50 cm, vorzugsweise um bis zu 30 cm, vorzugsweise um bis zu 15 cm, vorzugsweise um bis zu 10 cm, vorzugsweise um bis zu 5 cm, stromauf- oder stromabwärts zu dem Störkörper versetzt vorgesehene, Öffnungen des Hauptkanals fluidal miteinander verbindet, aufweist oder darstellt. Vorzugsweise befinden sich die beiden Öffnungen in verschiedenen, insbesondere parallel zueinander verlaufenden, Ebenen, beispielsweise von zwei sich gegenüberliegenden Wandbereichen des Hauptkanals des Fluidistors. Alternativ befinden sich die beiden Öffnungen in einer gemeinsamen Ebene, wobei vorzugsweise die beiden Öffnungen an unterschiedlichen Seiten des Hauptkanals angrenzen. Alternativ oder ergänzend befinden sich die beiden Öffnungen auf gleicher Höhe.
  • Wenn in dieser Anmeldung die Begriffe „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ verwendet werden, so sind diese vorzugsweise relativ zu der Strömungsrichtung des durch den Fluidistor strömenden Fluids bzw. des durch die Strömungsleitung strömenden Fluids zu verstehen, soweit sich aus dem jeweiligen Kontext nichts anderes ergibt.
  • Vorzugsweise beträgt die Oszillationsfrequenz des Fluids im Oszillations-Kanal (i) 0,1 Hz oder mehr, vorzugsweise 1 Hz oder mehr als, vorzugsweise 10 Hz oder mehr, vorzugsweise 50 Hz oder mehr, vorzugsweise 100 Hz oder mehr, vorzugsweise 500 Hz oder mehr, vorzugsweise 1.000 Hz oder mehr, vorzugsweise 3.000 Hz oder mehr, vorzugsweise 5.000 Hz oder mehr, vorzugsweise 7.000 Hz oder mehr, (ii) 10.000 Hz oder weniger, vorzugsweise 7.000 Hz oder weniger, vorzugsweise 5.000 Hz oder weniger, vorzugsweise 3.000 Hz oder weniger, vorzugsweise 1.000 Hz oder weniger, vorzugsweise 500 Hz oder weniger, vorzugsweise 300 Hz oder weniger, vorzugsweise 100 Hz oder weniger, vorzugsweise 50 Hz oder weniger, vorzugsweise 30 Hz oder weniger, vorzugsweise 10 Hz oder weniger, vorzugsweise 5 Hz oder weniger, vorzugsweise 1 Hz oder weniger, und/oder (iii) zwischen 0,1 Hz und 10.000 Hz, vorzugsweise zwischen 0,1 Hz und 1.000 Hz, insbesondere zwischen 0,1 Hz und 100 Hz oder zwischen 100 Hz und 1.000 Hz, oder zwischen 1.000 Hz und 10.000 Hz, insbesondere zwischen 1.000 Hz und 5.000 Hz oder zwischen 5.000 Hz und 10.000 Hz.
  • Dabei ist mit Hilfe des Fluidistors vorzugsweise eine Unabhängigkeit der Rohrgeometrie gegeben. Die laminare sinusförmig oszillierende Schwingung des Fluids im Verbindungskanal des Fluidistors bietet außerdem optimale Eigenschaften zur Aufnahme der verschiedenen Messwerte.
  • Der Kanalabschnitt kann beispielsweise ein Abschnitt des von dem Fluidistor aufgewiesenen Verbindungskanals sein.
  • Der Fluidistor kann insbesondere als eine Messvorrichtung mit Fluid-Oszillator bezeichnet werden.
  • Vorzugsweise sind, insbesondere während das Fluid durch den Fluidistor und/oder entlang des Störkörpers geführt wird und/oder für das durch den Fluidistor strömende Fluid, die Randbedingungen für die Karmansche Wirbelstraße erfüllt.
  • Vorzugsweise beträgt die Reynolds-Zahl des durch die Strömungsleitung strömenden Fluids und/oder des durch den Fluidistor strömenden Fluids 50 oder mehr, vorzugsweise 70 oder mehr, vorzugsweise 90 oder mehr, vorzugsweise 100 oder mehr, vorzugsweise 300 oder mehr, vorzugsweise 500 oder mehr, vorzugsweise 1000 oder mehr, vorzugsweise 1500 oder mehr, vorzugsweise 2000 oder mehr, vorzugsweise 3000 oder mehr, vorzugsweise 5000 oder mehr, vorzugsweise 10000 oder mehr, vorzugsweise 30000 oder mehr, vorzugsweise 50000 oder mehr, 200000 oder weniger, vorzugsweise 150000 oder weniger, vorzugsweise 100000 oder weniger, vorzugsweise 50000 oder weniger, vorzugsweise 30000 oder weniger, vorzugsweise 10000 oder weniger, vorzugsweise 8000 oder weniger, vorzugsweise 5000 oder weniger, vorzugsweise 3000 oder weniger, vorzugsweise 1000 oder weniger, vorzugsweise 500 oder weniger, und/oder zwischen 50 und 200000, vorzugsweise zwischen 90 und 200000, vorzugsweise zwischen 90 und 100000, vorzugsweise zwischen 90 und 50000, vorzugsweise zwischen 90 und 10000, vorzugsweise zwischen 500 und 10000, vorzugsweise zwischen 500 und 5000.
  • Vorzugsweise strömt 0,1 l/min oder mehr, vorzugsweise 0,3 l/min oder mehr, vorzugsweise 0,5 l/min oder mehr, vorzugsweise 1 l/min oder mehr, vorzugsweise 5 l/min oder mehr, vorzugsweise 10 I / min oder mehr, vorzugsweise 50 l/min oder mehr, vorzugsweise 100 l/min oder mehr, vorzugsweise 500 I / min oder mehr, vorzugsweise 1000 l/min oder mehr, 10000 l/min oder weniger, vorzugsweise 5000 l/min oder weniger, vorzugsweise 3000 l/min oder weniger, vorzugsweise 1000 l/min oder weniger, vorzugsweise 500 l/min oder weniger, vorzugsweise 100 l/min oder weniger, und/oder zwischen 0,1 l/min und 10000 l/min, vorzugsweise zwischen 1 l/min und 5000 l/min, Fluid durch den Fluidistor.
  • Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt dadurch gelöst, dass ein Verfahren zur Ermittlung zumindest einer, insbesondere physikalischen, Eigenschaft eines Mediums, insbesondere eines Fluids, das Verfahren aufweisend:
    • Bestimmen der Laufzeit und/oder des spezifischen Werts der ausgewerteten Phasenbeziehung eines Ultraschallsignals entlang eines Übertragungsweges zwischen einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger, mit einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, vorzugsweise für zumindest einen Zeitpunkt,
    • wobei sich das Ultraschallsignal zumindest abschnittsweise und/oder zeitweise entlang des Übertragungswegs zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger innerhalb des Mediums ausbreitet; und
    • Ermitteln der Eigenschaft des Mediums basierend auf zumindest der bestimmten Laufzeit und/oder dem bestimmten spezifischen Wert der ausgewerteten Phasenbeziehung des Ultraschallsignals und/oder der bekannten oder ermittelbaren physikalischen Länge des Übertragungsweges,
    vorgeschlagen wird.
  • Insbesondere weist das Ermitteln der Eigenschaft des Mediums auf, dass basierend auf der bestimmten Laufzeit des Ultraschallsignals und der bekannten oder ermittelbaren physikalischen Länge des Übertragungsweges eine Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallsignals in dem Medium berechnet wird. Diese so berechnete Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallsignals kann gleich zu der Schallgeschwindigkeit des Mediums sein, muss es aber nicht. Beispielsweise kann das Medium ein strömendes Fluid sein und die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallsignals kann dann auch größer oder kleiner als die Schallgeschwindigkeit des Mediums sein, je nachdem, wie Strömungsrichtung des Fluid und Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals relativ zueinander verlaufen.
  • Vorzugsweise hat die Eigenschaft des Mediums Einfluss auf die Laufzeit des Ultraschallsignals entlang des Übertragungsweges.
  • Das Medium ist vorzugsweise ein ruhendes Medium oder ein bewegtes, insbesondere ein strömendes und/oder innerhalb eines Fluidistors oszillierendes, Medium, insbesondere Fluid.
  • Da sich die Laufzeit äußerst genau und zudem schnell, einfach und zuverlässig ermitteln lässt, gilt dies gleichermaßen auch für die damit ermittelten Eigenschaften des Mediums.
  • Der Ausbreitungsweg muss nicht vollständig innerhalb des Mediums sein. In einer Ausführungsform verläuft der Ausbreitungsweg vollständig innerhalb des Mediums und in einer anderen nur teilweise innerhalb des Mediums. Vorzugsweise ist dann sowohl die physikalische Länge des Ausbreitungswegs innerhalb als auch die physikalische Länge des Ausbreitungswegs außerhalb des Mediums bekannt und beides liegt dem Ermitteln der Eigenschaft des Mediums zugrunde.
  • Anhand der Laufzeit und der physikalischen Länge des Ausbreitungsweges lässt sich die Schallgeschwindigkeit des, insbesondere ruhenden, Mediums besonders zuverlässig ermitteln. Dazu ist es bevorzugt, wenn der Ausbreitungsweg vollständig innerhalb des Mediums verläuft, da somit die Schallgeschwindigkeit des Mediums besonders einfach und zuverlässig ermittelt werden kann. Die Schallgeschwindigkeit kann dabei entweder die gewünschte Eigenschaft sein und/oder als Basis zur Ermittlung der eigentlich gewünschten Eigenschaft des Mediums dienen.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist es bevorzugt, dass die Laufzeit entlang eines Ausbreitungswegs ermittelt wird, der innerhalb eines Fluidistors, insbesondere innerhalb und/oder entlang eines Kanalabschnitts, innerhalb dessen das Medium in Form eines Fluids oszilliert, verläuft. Dies kann ein Fluidistor sein, wie er etwa zuvor bereits als vorteilhaft beschrieben wurde und der Kanalabschnitt kann insbesondere ein Abschnitt des oben beschriebenen Oszillations-Kanals sein. Die vorherigen Ausführungen zum Fluidistor gelten daher hier ganz entsprechend.
  • Die Erfinder haben in diesem Zusammenhang vor allem und vollkommen überraschend erkannt, dass mit dem Verfahren die Schallgeschwindigkeit eines innerhalb eines Fluidistors oszillierenden Fluids besonders einfach ermittelt werden kann. Dazu werden zu mehreren aufeinanderfolgenden Zeitpunkten die Laufzeiten oder die daraus berechneten Ausbreitungsgeschwindigkeiten jeweils des Ultraschallsignals wie beschrieben bestimmt. Die Messungen erfolgen dabei innerhalb des Oszillations-Kanals des Fluidistors. Aus dem sinusförmigen Verlauf der bestimmten Laufzeiten oder den daraus jeweils berechneten Ausbreitungsgeschwindigkeiten jeweils des Ultraschallsignals kann die Schallgeschwindigkeit des Fluids als dessen Eigenschaft ermittelt werden. Beispielsweise kann dazu eine sinusförmige Messkurve durch die Messwerte der Laufzeiten oder Ausbreitungsgeschwindigkeiten gelegt und die Ausbreitungsgeschwindigkeit an dem Wendepunkt der Messkurve als die Schallgeschwindigkeit des Fluids ermittelt werden. Es können auch die Messwerte über eine oder mehrere Perioden der Messkurve gemittelt werden, beispielsweise in Form eines arithmetischen Mittelwerts, um die Schallgeschwindigkeit des Fluids zu erhalten.
  • Vor allem reicht es dabei aus, nur eine einzige Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwelle für die Messungen vorzusehen. Im Gegensatz dazu müssen bei herkömmlichen Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit eines Fluids Wellenausbreitung in zwei entgegengesetzte Richtungen berücksichtigt werden, da die Laufzeit der Ultraschallwellen abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist. Der Fluidistor ermöglicht aufgrund des oszillierendes Fluids inhärent die Messung in beide Richtungen mit fester Anordnung von Sender und Empfänger. Dadurch kann die Messung mit geringeren schaltungstechnischen Kosten durchgeführt werden und/oder die Messdynamik kann verbessert sein.
  • Vorzugsweise ist das Medium also ein Fluid und die Eigenschaft des Fluids ist dessen Schallgeschwindigkeit.
  • Die sinusförmige Oszillation des Fluids kann dabei, wie gezeigt, herausgerechnet werden. Gewissermaßen kann anschaulich gesprochen auch gesagt werden, dass, wenngleich physikalisch nicht gänzlich zutreffend, zu dem Zeitpunkt, in dem die sinusförmige Oszillation den Nullpunkt schneidet (also im Wendepunkt), das Fluid im Fluidistor ruht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Schallwelle nicht durch die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids beeinflusst und es lässt sich die unbeeinflusste Schallgeschwindigkeit des Fluids ermitteln.
  • Vorzugsweise wird, mit anderen Worten ausgedrückt, die Schallgeschwindigkeit eines Mediums, wie eines Fluids, über mehrere gleichartig anhand mehrerer erster und zweiter Zeitpunkte ermittelter Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Ultraschallsignals ermittelt. Alternativ oder ergänzend wird der erste oder zweite Zeitpunkt derart gewählt, dass das Fluid zu diesem Zeitpunkt im Umkehrpunkt seiner Oszillation ist oder in unmittelbarer Nähe dazu.
  • Die physikalische Länge des Ausbreitungswegs lässt sich beispielsweise mit einem Maßstab messen. Alternativ kann die physikalische Länge des Ausbreitungswegs mittels einer Laufzeitmessung innerhalb eines Kalibriergases, wie etwa Stickstoff 6.0 mit 99,9999% Reinheit, bei bekannter Temperatur und bekanntem Druck ermittelbar sein oder ermittelt werden.
  • Vorzugsweise ist das Medium ein Fluid. Beispielsweise kann das Fluid ein Gas, insbesondere ein Industriegas, ein Edelgas oder Wasserstoff, aufweisen oder darstellen.
  • In einer Ausführungsform weist das Fluid ein Fluidgemisch auf. Alternativ oder ergänzend weist das Fluid Wasserstoff auf. Beispielsweise kann es sich um ein Fluid in Form von verunreinigtem Wasserstoff handeln. Verunreinigter Wasserstoff liegt beispielsweise vor, wenn die Verunreinigung 300 ppm oder mehr beträgt, oder wenn eine Verunreinigung gemäß ISO 14687:2019 oder SAE J2719:2011 besteht.
  • Mit dem Verfahren werden vorzugsweise eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften des Mediums ermittelt: Schallgeschwindigkeit, Reinheit, Dichte, Druck, Temperatur und/oder anteilsmäßige Zusammensetzung eines, insbesondere zweikomponentigen, Fluidgemischs.
  • Das Medium weist vorzugsweise gasförmigen Wasserstoff, insbesondere mit Verunreinigungen von weniger als 500 ppm, vorzugsweise von weniger als 300 ppm, auf.
  • Die Reinheit kann quantitativ oder qualitativ ermittelt werden. Beispielsweise kann der spezifische Wert der ausgewerteten Phasenbeziehung zum Auswerten der Reinheit des Mediums einbezogen oder verwendet werden. Dazu kann der spezifische Wert mit einem Referenzwert oder einem Schwellenwert verglichen werden. Die „Marker“ können optional genutzt werden, um den Übergang von einer Phase zur nächsten detektierbar zu machen. Dadurch werden Mehrdeutigkeiten der Phase aufgelöst oder ganz vermieden. Gleichermaßen kann die Reinheit anhand der Laufzeit beurteilt werden, vor allem, wenn sie unter Einbeziehung des spezifischen Werts der ausgewerteten Phasenbeziehung ermittelt wurde.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass ferner an zumindest einer Position entlang des Übertragungswegs mittels zumindest eines Drucksensors der Druck innerhalb des Mediums gemessen wird und die Eigenschaft ferner basierend auf dem gemessenen Druck ermittelt wird.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass ferner an zumindest einer Position entlang des Übertragungswegs mittels zumindest eines Temperatursensors die Temperatur innerhalb des Mediums gemessen wird und die Eigenschaft ferner basierend auf der gemessenen Temperatur ermittelt wird.
  • Wenn Temperatur und/oder Druck des Mediums gemessen werden, lässt sich besonders einfach die Reinheit eines bekannten Mediums, insbesondere eines Fluids, wie eines Gases, ermitteln. Vor allem Wasserstoff kann somit besonders bevorzugt auf seine Reinheit geprüft werden.
  • Daher ist in einer Ausführungsform das Fluid beispielsweise ein Gas, wie etwa Wasserstoff. Vorzugsweise wird als Eigenschaft die Reinheit des Fluids ermittelt.
  • In einer Ausführungsform ist das Medium ein Fluid, insbesondere ein Gas wie Wasserstoff, und dessen Reinheit wird ermittelt. Das Verfahren weist dann vorzugsweise ferner auf: Ermitteln der Reinheit des Fluids basierend auf der bestimmten Laufzeit, vorzugsweise der mehreren bestimmten Laufzeiten, des Ultraschallsignals, der physikalischen Länge des Übertragungsweges und einer definierten oder definierbaren Soll-Schallgeschwindigkeit des Fluids, insbesondere für die gemessene Temperatur und/oder den gemessenen Druck.
  • Spezifischer kann das Verfahren dann vorzugsweise ferner aufweisen: Ermitteln der Schallgeschwindigkeit des Fluids basierend auf der bestimmten Laufzeit, vorzugsweise der mehreren bestimmten Laufzeiten, des Ultraschallsignals und der physikalischen Länge des Übertragungsweges; Ermitteln der Abweichung der ermittelten Schallgeschwindigkeit des Fluids von einer definierten oder definierbaren Soll-Schallgeschwindigkeit des Fluids, insbesondere für die gemessene Temperatur und/oder den gemessenen Druck; und Ermitteln der Reinheit des Fluids basierend auf der ermittelten Abweichung.
  • Die ermittelte Reinheit kann in diesen Fällen ein Maß für die Reinheit des Fluids darstellen. Beispielsweise kann die ermittelte Abweichung die Reinheit in Form eines Maßes der Reinheit des Fluids darstellen. Das Maß für die Reinheit kann beispielsweise ein quantitatives oder ein qualitatives Maß darstellen.
  • In einer Ausführungsform ist das Medium ein Fluid, insbesondere ein Gas wie Wasserstoff, und dessen Temperatur wird ermittelt. Das Verfahren weist dann vorzugsweise ferner auf: Ermitteln der Temperatur des Fluids basierend auf der bestimmten Laufzeit, vorzugsweise der mehreren bestimmten Laufzeiten, des Ultraschallsignals, der physikalischen Länge des Übertragungsweges und dem gemessenen Druck. Beispielsweise kann die Temperatur anhand der gegebenen Werte numerisch ermittelt werden. Hierbei können Gleichungen der Thermodynamik eingesetzt werden.
  • In einer Ausführungsform ist das Medium ein Fluid, insbesondere ein Gas wie Wasserstoff, und dessen Druck wird ermittelt. Das Verfahren weist dann vorzugsweise ferner auf: Ermitteln des Drucks des Fluids basierend auf der bestimmten Laufzeit, vorzugsweise der mehreren bestimmten Laufzeiten, des Ultraschallsignals, der physikalischen Länge des Übertragungsweges und der gemessenen Temperatur. Beispielsweise kann der Druck anhand der gegebenen Werte numerisch ermittelt werden. Hierbei können Gleichungen der Thermodynamik eingesetzt werden.
  • In einer Ausführungsform ist das Medium ein Fluid, insbesondere ein Gas wie Wasserstoff, und dessen Dichte wird ermittelt. Das Verfahren weist dann vorzugsweise ferner auf: Ermitteln der Dichte des Fluids basierend auf der bestimmten Laufzeit, vorzugsweise der mehreren bestimmten Laufzeiten, des Ultraschallsignals, der physikalischen Länge des Übertragungsweges, der gemessenen Temperatur und dem gemessenen Druck. Beispielsweise kann die Dichte anhand der gegebenen Werte numerisch ermittelt werden. Hierbei können Gleichungen der Thermodynamik eingesetzt werden.
  • Alternativ oder ergänzend kann bei einem Gemisch aus wenigstens zwei bekannten Bestandteilen mit dem vorgeschlagenen Verfahren die Anteile der Bestandteile als Eigenschaft des Gemischs bestimmt werden. In einer Ausführungsform ist daher das Fluid ein Gemisch, wie etwa ein Gasgemisch, ein Ölgemisch oder ein Schmierstoffgemisch, aus wenigstens zwei, vorzugsweise drei, vier, fünf oder mehr als fünf, bekannten Bestandteilen und als Eigenschaft werden die Anteile der Bestandteile in dem Gemisch ermittelt. Beispielsweise weist das Ermitteln der Anteile auf, dass für die ermittelte Schallgeschwindigkeit, den gemessenen Druck, und/oder die gemessene Temperatur die Anteile der Stoffe des Gemischs (a) auf Grundlage einer Datensammlung, in der für unterschiedliche Kombinationen der Fluid-Werte zu Schallgeschwindigkeit, Druck und Temperatur jeweils die zugehörigen Anteile der bekannten Bestandteile definiert sind, und/oder (b) empirisch, theoretisch, experimentell und/oder numerisch ermittelt wird. Für ein exemplarisches Gasgemisch mit den beiden Bestandteilen CH4 und CO2 kann damit für gegebene Werte der Schallgeschwindigkeit, des Drucks und der Temperatur beispielsweise 60 % CH4 und 40 % CO2 ermittelt werden.
  • Ein Fluidgemisch kann auch beispielsweise aus den Bestandteilen Ar und N2 bestehen. Nun können die Werte des Verlaufs der Schallgeschwindigkeit bei verschiedenen Mischverhältnissen von Ar zu N2 jeweils für unterschiedliche Temperaturen und Drücke des Fluids in einer Datensammlung vorliegen. Wird eine Schallgeschwindigkeit von beispielsweise 330 m/s bei 1 bar und 293 K ermittelt, so können die Anteile aus dem Schallgeschwindigkeitsverlauf für 1 bar / 293 K bei 330 m/s entnommen werden, etwa 40% Ar und 60% N2. Anstelle oder ergänzend zu einer Datensammlung kann auch eine numerische Berechnung (beispielsweise unter Einbeziehung der idealen Gasgleichung) durchgeführt werden, die für eine Werte-Kombination von Schallgeschwindigkeit, Druck und/oder Temperatur die Bestandteile der bekannten Bestandteile hervorbringt.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Medium ein Fluid ist und wobei die Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals entlang des Ausbreitungswegs zumindest zeitweise periodisch wechselnd zwischen parallel und antiparallel zur Strömungsrichtung des Fluids verläuft, wobei insbesondere die Strömungsrichtung des Fluids periodisch wechselt und/oder die Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals konstant bleibt.
  • Dies ist besonders vorteilhaft möglich, wenn ein Teil des Übertragungswegs des Ultraschallsignals zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger innerhalb eines Kanalabschnitts eines Fluidistors erstreckt, innerhalb dessen eine oszillierende Fluidströmung stattfindet. Also beispielsweise der weiter oben beschriebene Verbindungskanal. Die Ausführungen zum Fluidistor gelten hier ganz entsprechend.
  • In einem Fluidistor lassen sich zudem Sender, Empfänger sowie alle etwaigen Sensoren besonders gut und definiert anordnen, ansteuern und auswerten.
  • Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem dritten Aspekt dadurch gelöst, dass ein System zum Bestimmen der Laufzeit eines Ultraschallsignals entlang eines Übertragungsweges zwischen einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger,
    wobei das System einen Ultraschallsender, der ein mit einem Anregungssignal ansteuerbaren Ultraschallwandler aufweist, einen Ultraschallempfänger und eine Kontrolleinheit aufweist und wobei das System dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen, vorgeschlagen wird.
  • Damit kann die Laufzeitbestimmung besonders einfach realisiert werden. Alle in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung genannten Vorteile und Optionen gelten hierbei ganz entsprechend. Daher kann an dieser Stelle auf die weiter oben gemachten Ausführungen verwiesen werden.
  • Beispielswiese kann die Kontrolleinheit dazu eingerichtet sein, das externe Anregen, das Auswerten der Phasenbeziehung, das Feststellen der Änderung und/oder das Bestimmen der Laufzeit des Ultraschallsignals durchzuführen. Alternativ oder ergänzend kann die Kontrolleinheit auch dazu eingerichtet sein, das Anregungssignal zu erzeugen und dieses dem Ultraschallwandler bereitzustellen und diesen damit anzusteuern. Alternativ oder ergänzend kann die Kontrolleinheit auch dazu eingerichtet sein, das Referenzsignal zu erzeugen und zum Auswerten der Phasenbeziehung zu verwenden. Die Kontrolleinheit kann alternativ oder ergänzend dazu eingerichtet sein, die externe Anregung des Ultraschallwandlers zu steuern, zu starten, zu beenden und/oder zu unterbrechen. Die Kontrolleinheit kann alternativ oder ergänzend dazu eingerichtet sein, die Phasenbeziehung zwischen dem gesendeten Ultraschallsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal auszuwerten. Die Kontrolleinheit kann alternativ oder ergänzend dazu eingerichtet sein die Laufzeit des Ultraschallsignals zu bestimmen. Optional kann der Kontrolleinheit das empfangene Ultraschallsignal zuführbar oder zugeführt sein.
  • Alle in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung angeführten Optionen des Verfahrens können auch hier, insbesondere einzeln und in beliebiger Kombination, vorgesehen sein. Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung beschriebenen optionalen Realisierungsmöglichkeiten der Kontrolleinheit gelten freilich auch hier ganz entsprechend.
  • Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem vierten Aspekt dadurch gelöst, dass ein System zum Ermitteln zumindest einer, insbesondere physikalischen, Eigenschaft eines Mediums,
    wobei das System einen Ultraschallsender, der ein mit einem Anregungssignal ansteuerbaren Ultraschallwandler aufweist, einen Ultraschallempfänger und eine Kontrolleinheit aufweist sowie vorzugsweise zumindest einen Drucksensor und/oder zumindest einen Temperatursensor aufweist, und wobei das System dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung auszuführen, vorgeschlagen wird.
  • Damit kann das Ermitteln der Eigenschaft eines Mediums besonders einfach realisiert werden. Alle in Bezug auf den zweiten Aspekt der Erfindung genannten Vorteile und Optionen gelten hierbei ganz entsprechend. Daher kann an dieser Stelle auf die weiter oben gemachten Ausführungen verwiesen werden.
  • Die Kontrolleinheit kann in diesem Fall alternativ oder ergänzend ferner dazu eingerichtet sein, die Eigenschaft zu ermitteln. Die Kontrolleinheit kann alternativ oder ergänzend dazu eingerichtet sein, die Messwerte mittels der beteiligten Sensoren zu messen und bei der Ermittlung der Eigenschaft einzubeziehen.
  • Alle in Bezug auf den zweiten Aspekt der Erfindung angeführten Optionen des Verfahrens können auch hier, insbesondere einzeln und in beliebiger Kombination, vorgesehen sein. Die in Bezug auf den ersten und/oder zweiten Aspekt der Erfindung beschriebenen optionalen Realisierungsmöglichkeiten der Kontrolleinheit gelten freilich auch hier ganz entsprechend.
  • Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem fünften Aspekt dadurch gelöst, dass ein Fluidistor, aufweisend ein System gemäß dem dritten oder vierten Aspekt der Erfindung, vorgeschlagen wird.
  • Ein Fluidistor hat sich überraschend als besonders vorteilhaft herausgestellt, um in einem strömenden Fluid dessen Eigenschaften zu messen. Vor allem kann damit etwa die Schallgeschwindigkeit oder die Reinheit des Fluids besonders zuverlässig ermittelt werden. Die Eigenschaften lassen sich dabei sowohl in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit als auch in besonders zuverlässiger und in dennoch robuster Weise ermitteln.
  • Der Aufbau eines Fluidistors kann sehr kompakt ausgeführt und der Fluidistor damit sehr platzsparend sein. Der Aufbau eines grundsätzlichen Fluidistors wurde bereits weiter oben beschrieben. Die Ausführungen gelten hier ganz entsprechend, so dass an dieser Stelle auf diese verwiesen werden kann.
  • Der Fluidistor ist vorzugsweise mit seinem Fluidein- und/oder Fluidauslass mit einer Strömungsleitung fluidal verbunden oder verbindbar.
  • Mit dem Fluidistor sind sehr genaue Messung der Schallgeschwindigkeit und daher auch sehr geringe Verunreinigungen selbst im ppm-Bereich detektierbar. Druckwerte des Fluids können mit einem optionalen Drucksensor und Temperaturwerte des Fluids können mit einem optionalen Temperatursensor gemessen und damit berücksichtigt werden.
  • In einer Ausführungsform sind der Ultraschallsender, Ultraschallempfänger und/oder etwaigen Sensoren jeweils zumindest teilweise innerhalb eines Gehäuses des Fluidistors angeordnet.
  • Dadurch beeinflussen die Elemente das Fluid nicht oder nicht nachteilig. Damit können die Eigenschaften eines Fluids also gemessen werden, ohne dass die Fluid an sich beeinträchtigt wird.
  • Alle in Bezug auf den ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Aspekt der Erfindung genannten Vorteile und Optionen, insbesondere einzeln und in jeder Kombination, gelten hierbei ganz entsprechend. Daher kann an dieser Stelle auf die weiter oben gemachten Ausführungen verwiesen werden.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass sich das Ultraschallsignal zumindest abschnittsweise entlang des Übertragungswegs zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger innerhalb oder entlang eines von dem Fluidistor aufgewiesenen Kanals oder Kanalabschnitts, innerhalb dessen das Fluid während des Betriebs des Fluidistors periodisch oszilliert, ausbreitet.
  • Dadurch kann die Messung sozusagen in einem vom Hauptkanal abgetrennten Bereich des Fluidistors erfolgen. Dies verbessert auch die Zugänglichkeit für die Messung und stört die Fluidströmung im Hauptkanal nicht oder nur sehr gering.
  • Der Kanalabschnitt kann beispielsweise der Verbindungskanal sein, der die beiden Öffnungen fluidal miteinander verbindet. Hierzu kann nochmals auf die Ausführungen weiter oben verwiesen werden, bei denen der Oszillations-Kanal bzw. der Verbindungskanal näher erläutert sind.
  • Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem sechsten Aspekt dadurch gelöst, dass eine Fluid-Bereitstellungs-Einheit, insbesondere Wasserstoff-Betankungs-Einheit, aufweisend zumindest ein System gemäß dem dritten oder vierten Aspekt der Erfindung und/oder zumindest einen Fluidistor gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung, vorgeschlagen wird.
  • Beispielsweise kann dadurch die Reinheit des Wasserstoffs in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit während der Bereitstellung des Fluids ermittelt werden. Ein Betankungsvorgang kann dann beispielsweise abgebrochen werden, wenn die Reinheit des Fluids nicht den vorgegebenen Ansprüchen genügt. Alternativ oder ergänzend kann ein Informationssignal erzeugt werden, das, beispielsweise einem anderen System zuführbar ist, Das andere System kann dadurch sehr zuverlässig über die festgestellte Reinheit des Fluids informiert, insbesondere gewarnt, werden.
  • Alle in Bezug auf den dritten, vierten und/oder fünften Aspekt der Erfindung genannten Vorteile und Optionen, insbesondere einzeln und in jeder Kombination, gelten hierbei ganz entsprechend. Daher kann an dieser Stelle auf die weiter oben gemachten Ausführungen verwiesen werden.
  • Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem siebenten Aspekt dadurch gelöst, dass ein Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschallsignals mit zumindest einem empfangsseitig detektierbaren Marker, das Verfahren aufweisend:
    • Aussenden des Ultraschallsignals mit einem Ultraschallsender, aufweisend:
      • Externes Anregen eines von dem Ultraschallsender aufgewiesenen Ultraschallwandlers zu einer Schwingung, welche Schwingung zumindest zeitweise eine Frequenz ungleich der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers aufweist, und
      • Beenden oder zumindest zeitweise Unterbrechen des externen Anregens des Ultraschallwandlers zu einem ersten Zeitpunkt, zu dem der Ultraschallwandler nicht mit der Resonanzfrequenz schwingt;
    wobei vorzugsweise zumindest für einen bestimmten Zeitraum abwechselnd ein externes Anregen und ein Unterbrechen des externen Anregens des Ultraschallwandlers, insbesondere periodisch, wiederholt durchgeführt wird,
    vorgeschlagen wird.
  • Der Erfindung liegt damit die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass selbst in einem kontinuierlichen Ultraschallsignal ein „Marker“ besonders einfach und zuverlässig aufgeprägt werden kann. Damit kann ein solcher Marker in Anwendungen eingesetzt werden, die herkömmlicherweise einzeln erzeugte Schall-Pulse einsetzen. Da sich der Marker mit dem vorgeschlagenen Verfahren sehr viel definierter ausbilden lässt, sich dieser also vor allem zeitlich sehr kompakt darstellt, ist auch die Detektion sehr viel präziser möglich.
  • Da das Verfahren ganz ähnlich zu dem sendeseitigen Teil des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist, kann insbesondere hinsichtlich der Erläuterungen und Vorteile auf die entsprechenden Ausführungen weiter oben verwiesen werden.
  • Alle in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung angeführten optionalen Merkmale, soweit sie die Sendeseite betreffen, können auch bei dem hier adressierten Aspekt der Erfindung ganz entsprechend, insbesondere einzeln und in beliebiger Kombination, vorgesehen sein. Daher müssen diese Optionen hier an dieser Stelle nicht nochmals wiederholt werden. Der Fachmann versteht, dass er diese Optionen hier ebenfalls wählen kann.
  • Insbesondere können hier alle Merkmale aus den Ausführungen zur externen Anregung, einschließlich des Anregungssignals, zum Ultraschallwandler, und zum Beenden oder Unterbrechen der externen Anregung einzeln und in jeder Kombination als Optionen vorgesehen sein.
  • Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem achten Aspekt dadurch gelöst, dass ein Verfahren zur Detektion zumindest eines Markers eines mit einem Verfahren gemäß dem siebenten Aspekt der Erfindung erzeugten Ultraschallsignals, das Verfahren aufweisend:
    • Empfangen des Ultraschallsignals mit einem Ultraschallempfänger sowie Auswerten der, insbesondere zeitabhängigen, Phasenbeziehung zwischen einem Referenzsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal; und
    • Detektieren des Markers des Ultraschallsignals basierend zumindest auf dem Auftreten einer zumindest teilweise durch das Beenden oder Unterbrechen des externen Anregens bedingten Änderung in der ausgewerteten Phasenbeziehung,
    vorgeschlagen wird.
  • Da das Verfahren ganz ähnlich zu dem empfangsseitigen Teil des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist, kann insbesondere hinsichtlich der Erläuterungen und Vorteile auf die entsprechenden Ausführungen weiter oben verwiesen werden.
  • Alle in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung angeführten optionalen Merkmale, soweit sie die Empfangsseite betreffen, können auch bei dem hier adressierten Aspekt der Erfindung ganz entsprechend vorgesehen sein, insbesondere alleine und in beliebiger Kombination. Daher müssen diese Optionen hier an dieser Stelle nicht nochmals wiederholt werden. Der Fachmann versteht, dass er diese Optionen hier ebenfalls wählen kann.
  • Insbesondere können hier alle Merkmale aus den Ausführungen zu dem Auswerten der Phasenbeziehung, einschließlich des Erzeugens eines Phasendifferenzsignals, und dem Referenzsignal einzeln und in jeder Kombination als Optionen vorgesehen sein.
  • Somit kann bevorzugt sein, dass das Referenzsignal ein, insbesondere sinusförmiges oder rechteckförmiges, Signal aufweist oder ist, dass die Phasenbeziehung zwischen dem Referenzsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal zeitabhängig ist; und/oder dass das Auswerten der Phasenbeziehung zwischen dem Referenzsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal das Bestimmen der, insbesondere zeitabhängigen, Differenz zwischen der Phase des Referenzsignals und der Phase des empfangenen Ultraschallsignals aufweist, und wobei vorzugsweise das Auswerten ferner das Erzeugen eines Phasendifferenzsignals, das den zeitlichen Verlauf der bestimmten Phasendifferenz darstellt, aufweist.
  • Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem neunten Aspekt dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ultraschallsignals mit zumindest einem empfangsseitig detektierbaren Marker,
    wobei die Vorrichtung einen Ultraschallsender, der ein mit einem Anregungssignal ansteuerbaren Ultraschallwandler aufweist, und/oder eine Kontrolleinheit aufweist und wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß dem siebenten Aspekt der Erfindung auszuführen,
    vorgeschlagen wird.
  • Da die Vorrichtung ganz ähnlich zu dem sendeseitigen Teil des Systems gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung ist, kann insbesondere hinsichtlich der Erläuterungen und Vorteile auf die entsprechenden Ausführungen weiter oben verwiesen werden.
  • Alle in Bezug auf den dritten Aspekt der Erfindung angeführten optionalen Merkmale, soweit sie die Sendeseite betreffen, können auch bei dem hier adressierten Aspekt der Erfindung ganz entsprechend vorgesehen sein, insbesondere alleine und in beliebiger Kombination. Daher müssen diese Optionen hier an dieser Stelle nicht nochmals wiederholt werden. Der Fachmann versteht, dass er diese Optionen hier ebenfalls wählen kann.
  • Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem zehnten Aspekt dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zum Detektieren zumindest eines Markers eines mit einer Vorrichtung gemäß dem neunten Aspekt der Erfindung erzeugten Ultraschallsignals,
    wobei die Vorrichtung einen Ultraschallempfänger und/oder eine Kontrolleinheit aufweist und wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß dem achten Aspekt der Erfindung auszuführen,
    vorgeschlagen wird.
  • Da die Vorrichtung ganz ähnlich zu dem empfangsseitigen Teil des Systems gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung ist, kann insbesondere hinsichtlich der Erläuterungen und Vorteile auf die entsprechenden Ausführungen weiter oben verwiesen werden.
  • Alle in Bezug auf den dritten Aspekt der Erfindung angeführten optionalen Merkmale, soweit sie die Empfangsseite betreffen, können auch bei dem hier adressierten Aspekt der Erfindung ganz entsprechend vorgesehen sein, insbesondere alleine und in beliebiger Kombination. Daher müssen diese Optionen hier an dieser Stelle nicht nochmals wiederholt werden. Der Fachmann versteht, dass er diese Optionen hier ebenfalls wählen kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen erläutert werden.
  • Dabei zeigen:
    • 1a eine schematische Darstellung eines ein Ultraschallsignal sendenden Ultraschallsenders und eines das Signal empfangenen Ultraschallempfängers mit einem ruhenden Fluid im Übertragungsweg;
    • 1b eine schematische Darstellung eines ein Ultraschallsignal sendenden Ultraschallsenders und eines das Signal empfangenen Ultraschallempfängers mit einem im Übertragungsweg in Richtung des Empfängers strömenden Fluid;
    • 1c eine schematische Darstellung eines ein Ultraschallsignal sendenden Ultraschallsenders und eines das Signal empfangenen Ultraschallempfängers mit einem im Übertragungsweg oszillierenden Fluid;
    • 2a ein Diagramm mit der zeitlichen Abfolge von Anregungssignal und empfangenem Ultraschallsignal für die in 1a und 1b dargestellten Situationen;
    • 2b ein Diagramm mit der zeitlichen Abfolge von Anregungssignal und empfangenem Ultraschallsignal für die in 1c dargestellte Situation;
    • 2c ein Diagramm mit der zeitlichen Phasenbeziehung von Anregungssignal und empfangenem Ultraschallsignal aus 2b;
    • 3a eine schematische Darstellung eines mit einem Anregungssignal angesteuerten Ultraschallwandlers;
    • 3b eine schematische Darstellung des von dem Ultraschallwandler der 3a ausgesendeten Ultraschallsignals;
    • 4a ein Diagramm mit der zeitlichen Phasenbeziehung von gesendetem und empfangenem Ultraschallsignal mit dem Anregungssignal aus 3a und einem ruhenden Fluid im Übertragungsweg;
    • 4b ein Diagramm mit der zeitlichen Phasenbeziehung von gesendetem und empfangenem Ultraschallsignal mit dem Anregungssignal aus 3a und einem oszillierenden Fluid im Übertragungsweg;
    • 5a eine schematische Querschnittsansicht eines Fluidistors;
    • 5b die schematische Querschnittsansicht des Fluidistors aus 5a mit eingezeichnetem Fluidfluss während eines ersten Betriebszustandes des Fluidistors;
    • 5c die schematische Querschnittsansicht des Fluidistors aus 5a mit eingezeichnetem Fluidfluss während eines zweiten Betriebszustandes des Fluidistors;
    • 5d eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Fluidistors;
    • 6a ein Diagramm mit mehreren Signalverläufen im Zusammenhang mit dem Fluidistor aus 5d ohne Fluidfluss;
    • 6b ein vergrößerter Ausschnitt der Signalverläufe aus dem Diagramm der 6a;
    • 6c ein Diagramm mit mehreren Signalverläufen im Zusammenhang mit dem Fluidistor aus 5d mit einem oszillierenden Fluid;
    • 7 ein Diagramm mit dem Verlauf eines Phasendifferenzsignals für ein in einem Fluidistor oszillierendes Fluid; und
    • 8 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wasserstoff-Betankungs-Einheit.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • 1a zeigt eine schematische Darstellung eines Ultraschallsenders 1 und eines Ultraschallempfängers 3, mit einem entlang eines Übertragungswegs 5 zwischen Sender 1 und Empfänger 3 übertragenen Ultraschallsignal 7. Der Übertragungsweg 5 verläuft dabei komplett durch ein (nicht näher dargestelltes) ruhendes Fluid, beispielsweise in Form eines Gases wie Wasserstoff. Das Ultraschallsignal 7 wird durch den Ultraschallsender 1 ausgesendet, indem der von dem Ultraschallsender 1 aufgewiesenen (nicht näher dargestellten) Ultraschallwandler in Form eines Piezoelements mit einem Anregungssignal angesteuert, mithin also extern angeregt, wird.
  • 1b zeigt den Aufbau der 1a, wobei nun jedoch das Fluid innerhalb des Übertragungswegs 5 vom Sender 1 in Richtung des Empfängers 3 strömt. Mit anderen Worten, das Ultraschallsignal 7 breitet sich innerhalb des strömenden Fluids aus.
  • Dadurch wird das Ultraschallsignal 7 gewissermaßen „gedehnt“, so dass am Empfänger 3 ein Ultraschallsignal 7 mit einer im Vergleich zur Situation des ruhenden Fluids der 1a veränderten, nämlich vergrößerten, Wellenlänge festgestellt wird, wie es in 1b auch durch eine entsprechend längere Wellenlänge angedeutet ist.
  • 2a zeigt ein Diagramm mit der zeitlichen Abfolge des Anregungssignals (oben, mit Periodendauer T) und dem in ein Rechtecksignal transformierten empfangenen Ultraschallsignal (unten) für die in den 1a und 1b dargestellten Situationen. Nach einem Zeitraum ΔT, nachdem der Sender 1 infogle der eingesetzten externen Anregung damit begonnen hat, das Ultraschallsignal 7 auszusenden, wird dieses empfangsseitig am Empfänger 3 empfangen. Dabei ist die Phasenbeziehung zwischen dem Anregungssignals und dem empfangenen Signal konstant. Zwischen der steigenden Flanke des Anregungssignals und der darauffolgenden steigenden Flanke des Empfangssignal besteht nämlich stets ein zeitlicher Abstand „a“. Freilich weist „a“ und ΔT für die Situation des strömenden Fluids ( 1b) einen anderen Wert auf, als für die Situation des ruhenden Fluids (1a). Im Fall des ruhenden Fluids entspricht der Wert „a“ der Periodendauer des Anregungssignals.
  • 1c zeigt den Aufbau der 1a, wobei nun jedoch das Fluid innerhalb des Übertragungswegs 5 oszilliert, also abwechselnd vom Sender 1 in Richtung des Empfängers 3 strömt, seine Richtung ändert und dann vom Empfänger 3 in Richtung des Senders 1 strömt, und so fort.
  • Dadurch wird das Ultraschallsignal 7 abwechselnd „gedehnt“ und „gestaucht“, so dass am Empfänger 3 ein Ultraschallsignal 7 mit entsprechend variierenden Wellenlängen festgestellt wird, wie es in 1c angedeutet ist.
  • 2b zeigt ein Diagramm mit der zeitlichen Abfolge des Anregungssignals (oben, mit Periodendauer T) und dem in ein Rechtecksignal transformierten empfangenen Ultraschallsignal (unten) für die in der 1c dargestellten Situationen. Nach einem Zeitraum ΔT, nachdem der Sender 1 infogle der eingesetzten externen Anregung damit begonnen hat, das Ultraschallsignal 7 auszusenden, wird dieses empfangsseitig am Empfänger 3 empfangen. Dabei ist die Phasenbeziehung zwischen dem Anregungssignal und dem empfangenen Signal aufgrund des oszillierenden Fluids ebenfalls oszillierend und weist zeitlich variierende Werte, von denen einige in 2b mit „a“, „b“ und „c“ gekennzeichnet sind, auf.
  • Für das hier als sinusförmig oszillierend angenommene Fluid lässt sich die zeitabhängige Phasenbeziehung, wie in 2c illustriert, grafisch darstellen. Das Diagramm der 2c wird erhalten, indem die jeweils bestehende momentane Phasenbeziehung (nämlich die Phasendifferenz und damit letztlich der zeitliche Abstand) zwischen Anregungssignal und empfangenem Ultraschallsignal auf der Ordinate aufgetragen wird. Wie gesagt, weist also die zeitliche Phasenbeziehung von Anregungssignals und empfangenem Ultraschallsignal 7 einen sinusförmigen Verlauf auf. Die in Abständen der Periodendauer T des Anregungssignals bestehenden Werte „a“, „b“ und „c“ sind in dem Phasendifferenzsignal gekennzeichnet.
  • Erfindungsgemäß kann der Ultraschallwandler des Ultraschallsenders 1 mit einem sinusförmigen Anregungssignal angesteuert werden, wobei die Frequenz des Anregungssignal von der Resonanzfrequenz des Wandlers verschieden ist. Zu einem bestimmten (ersten) Zeitpunkt wird dann das Ansteuern des Ultraschallwandlers beispielsweise unterbrochen.
  • 3a zeigt wieder den Ultraschallsender 1, der mit einer externen Anregung mit Verlauf 9 angeregt wird. Die externe Anregung weist während eines ersten Zeitraums (der hier zwei Perioden T entspricht) einen sinusförmigen Signalabschnitt 11a eines Anregungssignals mit einer Frequenz f=1/T (mit der Periodendauer T) auf. Die Frequenz f ist vorliegend geringer als die Resonanzfrequenz fres des Ultraschallwandlers. Während eines anschließenden Zeitraums von einer Periodendauer T wird die externe Anregung 9 unterbrochen, wie mit dem horizontal verlaufenden Signalabschnitt 11b angedeutet wird. Das Unterbrechen kann dabei beispielsweise erreicht werden, indem das Anregungssignal ausgeschalten wird, eine Gleichspannung aufweist, oder nicht mehr dem Wandler zugeführt wird. Die externe Anregung 9 weist während eines dritten Zeitraums (von dem allerdings nur eine Periode T dargestellt ist) einen wieder sinusförmigen Signalabschnitt 11c des Anregungssignals auf.
  • 3b zeigt den Sender 1 aus 3a mit dem aufgrund der externen Anregung gemäß dem Verlauf 9 ausgesendeten Ultraschallsignal 13. Dabei geht der Signalabschnitt 15a auf die Anregung mit dem Signalabschnitt 11a des Anregungssignals 9 während des ersten Zeitraums zurück. Das ausgesendete Ultraschallsignal 13 weist hier eine Periodendauer von T entsprechend der des Anregungssignals auf. Der (zeitlich) darauffolgende Signalabschnitt 15b resultiert von der Unterbrechung der Ansteuerung des Ultraschallwandlers mit dem sinusförmigen Anregungssignal mit Beginn und während des zweiten Zeitraums des Signalabschnitts 11b. Indem das Ansteuern mit dem sinusförmigen Anregungssignal unterbrochen wird, also das externe Anregen unterbrochen wird, ändert sich die Frequenz des ausgesendeten Ultraschallsignals 13 mit einer hohen Änderungsrate und zwar ausgehend von der ursprünglichen Frequenz f des Anregungssignals (Vergleich Abschnitt 11a des Verlaufs 9) hin zu der (höheren) Resonanzfrequenz fres des Wandlers.
  • Dementsprechend nimmt die Periodendauer des ausgesendeten Ultraschallsignals 13 während des Signalabschnitts 15b rasch ab, wie durch die Periodendauern „T-x1“ und „T-x2“ (mit x2 > x1) angedeutet wird. Eine etwaige Änderung der Amplitude des Ultraschallsignals 13 bleibt bei der Illustration unberücksichtigt. Der (zeitlich) darauffolgende Signalabschnitt 15c des Ultraschallsignals 13 geht auf die externe Anregung mit dem Signalabschnitt 11c mit dem Anregungssignal während des dritten Zeitraums zurück. Das ausgesendete Ultraschallsignal 13 weist dann nach einer durch die physikalischen Eigenschaften des Wandlers bedingten Übergangsphase letztlich wieder die Periodendauer T gemäß dem Anregungssignal auf. Die Übergangsphase ist vorliegend illustriert durch eine zunehmende Periodendauer, also mit x2>x3>x4>x5.
  • Damit ist es gemäß Aspekten der Erfindung möglich, ein Ultraschallsignal mit einem Identifizierer oder „Marker“ zu versehen. Denn die rasche Änderung der Frequenz des vom Sender ausgesendeten Ultraschallsignals lässt sich besonders gut detektieren und auswerten. Ein solcher Marker kann empfangsseitig dann ausgewertet werden.
  • 4a zeigt ein Diagramm, in dem die zeitliche Phasenbeziehung in Form der zeitabhängigen Phasendifferenz zwischen einem Referenzsignal, und einem empfangenem Ultraschallsignal für den Fall illustriert ist, dass bei einer Sender-Empfänger-Anordnung mit im Übertragungsweg ruhendem oder in eine Richtung strömendem Fluid, wie es etwa in Bezug auf 1a oder 1b beschrieben wurde, der das Ultraschallsignal aussendende Ultraschallsender mit einer externen Anregung mit einem Verlauf 9 gemäß 3a angesteuert wird. Das Referenzsignal ist dabei synchron zu dem Anregungssignal, weist also die Frequenz f=1/T auf.
  • Zunächst wird empfangsseitig der Signalabschnitt 15a (3b) empfangen. Die Differenz zwischen der Phase des Referenzsignals und der des empfangenen Ultraschallsignals weist dabei einen konstanten Wert auf, wie im Diagramm der 4a illustriert. Ab einem Zeitpunkt T0 wird empfangsseitig mit dem Empfang des Signalabschnitts 15b (3b) begonnen. Aufgrund der sich schnell ändernden Frequenz des empfangenen Ultraschallsignals, geht das Phasendifferenzsignal ab dem Zeitpunkt T0 in eine steil fallende Flanke über. Den Minimalwert des Phasendifferenzsignals ist zu einem mit T1 im Diagramm der 4a gekennzeichneten Zeitpunkt erreicht. Ab diesem Zeitpunkt wird empfangsseitig mit dem Empfang des Signalabschnitts 15c (3b) begonnen. Das Phasendifferenzsignal steigt dann wieder auf den ursprünglichen konstanten Wert an (da die Periodendauer des ausgesendeten Ultraschallsignals zunimmt, bis es der Periodendauer der erzwungenen Schwingung entspricht, siehe Signalabschnitt 11c in 3b) und nimmt ab einem Zeitpunkt T2 wieder diesen Wert an.
  • 4b zeigt ein Diagramm, in dem die zeitliche Phasenbeziehung in Form der zeitabhängigen Phasendifferenz zwischen einem Referenzsignal, und einem empfangenem Ultraschallsignal für den Fall illustriert ist, dass bei einer Sender-Empfänger-Anordnung mit im Übertragungsweg oszillierenden Fluid, wie es etwa in Bezug auf 1c beschrieben wurde, der das Ultraschallsignal aussendende Ultraschallsender mit einer externen Anregung mit einem Verlauf 9 gemäß 3a angesteuert wird. Das Referenzsignal ist dabei synchron zu dem Anregungssignal, weist also die Frequenz f=1/T auf.
  • Zunächst wird empfangsseitig der Signalabschnitt 15a (3b) empfangen. Die Differenz zwischen der Phase des Referenzsignals und der des empfangenen Ultraschallsignals weist dabei einen niederfrequenten sinusförmigen Verlauf auf. Dieser rührt von der oszillierenden Bewegung des Fluids im Übertragungsweg und entspricht daher dem in Bezug auf 2c beschriebenen Verlauf der Phasenbeziehung. Ab einem Zeitpunkt T0 wird empfangsseitig mit dem Empfang des Signalabschnitts 15b (3b) begonnen. Aufgrund der sich schnell ändernden Frequenz des empfangenen Ultraschallsignals, geht das Phasendifferenzsignal ab dem Zeitpunkt T0 in eine steil fallende Flanke über. Der Maximalwert des Phasendifferenzsignals ist zu einem mit T1 im Diagramm der 4b gekennzeichneten Zeitpunkt erreicht. Ab diesem Zeitpunkt wird empfangsseitig mit dem Empfang des Signalabschnitts 15c (3b) begonnen. Das Phasendifferenzsignal geht ab dann während einer Übergangszeit wieder in den (niederfrequenten) sinusförmigen Verlauf aufgrund des oszillierenden Fluids über.
  • Es ist klar, dass in den beschriebenen Situationen der 4a und 4b, in denen das Fluid im Übertragungsweg strömt oder oszilliert, das Ultraschallsignal (insbesondere dessen Periodendauer und damit dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit) durch das Fluid beeinflusst wird.
  • Wie die Ausführungen zeigen, lässt sich die Änderung in der ausgewerteten Phasenbeziehung aufgrund des Ausschaltens oder Unterbrechens der externen Anregung sehr zuverlässig anhand der steilen Flanke im Phasendifferenzsignal feststellen. Ein Hochpass kann im Fall des oszillierenden Fluids eingesetzt werden, um den niederfrequenten Schwingungsanteil im Phasendifferenzsignal zu eliminieren. Beispielsweise kann zum Feststellen der Flanke der Wert des (optional auch hochpassgefilterten) Phasendifferenzsignals gegen einen Schwellenwert geprüft werden. Bei über- oder unterschreiten des Schwellenwerts kann die Änderung und damit der „Marker“ festgestellt werden. Alternativ oder ergänzend zu einem Hochpass kann auch ein dynamischer Schwellenwert eingesetzt werden. Dadurch kann beispielsweise der Momentanwert der (niederfrequenten) Sinusschwingung bei der Schwellenwertfilterung berücksichtigt werden.
  • Damit ist es gemäß Aspekten der Erfindung möglich, ein Ultraschallsignal, das erfindungsgemäß mit einem Identifizierer oder „Marker“ versehen ist, mit einem Ultraschallempfänger zu empfangen und auszuwerten sowie den „Marker“ zu detektieren. Denn die rasche Änderung der Frequenz des vom Sender ausgesendeten Ultraschallsignals lässt sich empfangsseitig mittels des Referenzsignals und des empfangenen Ultraschallsignals besonders gut und zuverlässig detektieren und auswerten.
  • Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung ist es in der Zusammenschau, das heißt, wenn das gesamte Verfahren bzw. das gesamte System (umfassend Sende- und Empfangsseite) betrachtet wird, möglich, ein Ultraschallsignal mit einem „Marker“ zu versehen und diesen empfangsseitig auszuwerten, um dann die Laufzeit des Ultraschallsignals entlang des Übertragungswegs zu bestimmen.
  • Beispielsweise wird dazu ein Ultraschallsignal sendeseitig ausgesendet und empfangsseitig empfangen. Beispielsweise wird dazu der Ultraschallwandler des Senders mit einer externen Anregung 9 (3a) angesteuert, woraufhin dieser das Ultraschallsignal 13 (3b) aussendet. Zwischen einem Referenzsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal wird dann die Phasenbeziehung (wie zu 4a und 4b beschrieben) ausgewertet und eine durch das Beenden oder Unterbrechen des externen Anregens bedingten Änderung in der ausgewerteten Phasenbeziehung festgestellt. Diese Änderung beginnt in den zu 4a und 4b beschriebenen Fällen etwa zum Zeitpunkt T0 und endet zum Zeitpunkt T2. Der Zeitpunkt T0 im Diagramm der 4a und 4b kann dann als zweiter Zeitpunkt definiert werden, also der Zeitpunkt der festgestellten Änderung. Der Beginn des Signalabschnitts 11b (3a) kann den ersten Zeitpunkt darstellen. Basierend auf der zeitlichen Differenz zwischen beiden Zeitpunkten kann dann besagte Laufzeit bestimmt werden.
  • Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung können basierend auf der Laufzeit und dem physikalischen Abstand zwischen Sender und Empfänger Eigenschaften des innerhalb des Übertragungsweges angeordneten Fluids (oder eines allgemeinen Mediums) ermittelt werden.
  • Die Laufzeitbestimmung kann besonders zuverlässig innerhalb eines Fluidistors durchgeführt werden.
  • 5a zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Fluidistors 17.
  • Der Fluidistor 17 weist einen Fluideinlass 17a, durch den ein Fluid 17b in Form eines Gases in den Fluidistor 17 hineinströmbar ist, und einen Fluidauslass 17c, durch den das Fluid 17b aus dem Fluidistor 17 hinausströmbar ist, sowie einen Hauptkanal 17d, der den Fluideinlass 17a und den Fluidauslass 17c fluidal miteinander verbindet, auf. Innerhalb des Hauptkanals 17d ist ein Störkörper 17e angeordnet, der von dem Fluid 17b an zwei Seiten umströmbar ist (in 5a wird dieser beispielsweise gerade auf der rechten Seite umströmt). Der Hauptkanal 17d weist stromaufwärts zu dem Störkörper 17e versetzt zwei Öffnungen 17f, 17g auf, die beide durch einen Verbindungskanal 17h fluidal miteinander verbunden sind und wobei sich die beiden Öffnungen gegenüberliegen, insbesondere sind die beiden Öffnungen 17f, 17g in zwei gegenüberliegenden Wandbereichen des Hauptkanals 17d.
  • 5b zeigt die schematische Querschnittsansicht des Fluidistors aus 5a mit eingezeichnetem Fluidfluss während eines ersten Betriebszustandes des Fluidistors. 5c zeigt die schematische Querschnittsansicht des Fluidistors aus 5a mit eingezeichnetem Fluidfluss während eines zweiten Betriebszustandes des Fluidistors.
  • Trifft nun das Fluid 17b, von dem Fluideinlass 17a kommend, in dem Hauptkanal 17d auf den in dem Hauptkanal 17d angeordneten Störkörper 17e, so muss es diesen umströmen, um zu dem Fluidauslass 17c zu gelangen. Wenn das Fluid 17b den Störkörper 17e rechtsherum umströmt, wie es in 5b illustriert ist, führt dies zu einem Überdruck an der Öffnung 17f (gekennzeichnet durch ein „+“) und zu einem Unterdruck an der Öffnung 17g (gekennzeichnet durch ein „-“). Aufgrund der Druckverhältnisse strömt innerhalb des Verbindungskanals 17h ein Teil 17i des Fluids 17b von der Öffnung 17f zur Öffnung 17g, also in 5b entgegen des Uhrzeigersinns. Dies ist durch entsprechende Pfeile innerhalb des Verbindungskanals 17h illustriert. Dadurch wird ein Druckausgleich bewirkt. Dies wiederum führt letztlich dazu, dass das Fluid 17b den Störkörper 17e linksherum umströmt, und sich eine umgekehrte Druckverteilung (wieder gekennzeichnet durch ein „+“ und ein „-“) an den Öffnungen 17f, 17g aufbaut. Aufgrund der neuen Druckverhältnisse strömt dann, wie in 5c dargestellt, innerhalb des Verbindungskanals 17h ein Teil 17i des Fluids 17b von der Öffnung 17g zur Öffnung 17f, also in 5c im Uhrzeigersinn. Die Druckverhältnisse wechseln periodisch, weshalb Fluid in dem Verbindungskanal 17h oszilliert, sich also periodisch die Strömungsrichtung des Fluids innerhalb des Verbindungskanals 17h umkehrt. Der Verbindungskanal 17h kann aus diesem Grund auch als Oszillations-Kanal bezeichnet werden.
  • Der Verbindungskanal 17h und der Hauptkanal 17d sind innerhalb eines Gehäuses 17j des Fluidistors 17 ausgebildet. Dem Fachmann ist es bekannt, dass das oszillierende Fluid freilich laufend durch neues, in den Fluidistor 17 einströmendes, Fluid ausgetauscht wird.
  • 5d zeigt eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Fluidistors 17. Der Übersichtlichkeit halber sind dabei Merkmale, die gleich sind zu den Merkmalen des in Bezug auf 5a-c besprochenen Fluidistors, auch mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Der erfindungsgemäße Fluidistor 17 der 5d weist ein erfindungsgemäßes System 19 auf, das wiederum einen Ultraschallsender 21, der einen mit einem Anregungssignal ansteuerbaren Ultraschallwandler aufweist, einen Ultraschallempfänger 23 sowie eine nicht dargestellte Kontrolleinheit aufweist. Der System 19 ist dazu eingerichtet ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen, also etwa ein Ultraschallsignal auszusenden und empfangsseitig zu empfangen und die Phasenbeziehung auszuwerten sowie die Laufzeit zu bestimmen.
  • Außerdem weist das System 19 einen Temperatursensor 25 und einen Drucksensor 27 auf. Sender 21, Empfänger 23 und die Sensoren 25 und 27 sind innerhalb des Gehäuses 17j des Fluidistors 17 angeordnet. Der Übertragungsweg 29 zwischen Sender 21 und Empfänger 23 erstreckt sich innerhalb eines Kanalabschnitts 31 des Verbindungskanals 17h.
  • Innerhalb des Verbindungskanals 17h oszilliert ein Fluid 33, so dass das Fluid 33 darin seine Flussrichtung kontinuierlich zwischen einer Flussrichtung im Uhrzeigersinn und einer Flussrichtung entgegen des Uhrzeigersinns ändert.
  • Der Ultraschallwandler des Ultraschallsenders 21 mit einer Resonanzfrequenz von fRes = 310 kHz wird mit einem periodisch ein- und ausgeschalteten sinusförmigen Anregungssignal der Frequenz f=290 kHz angesteuert und dadurch extern zu Schwingungen angeregt, so dass der Sender 21 ein Ultraschallsignal 35 aussendet. Die Ausbreitung des vom Ultraschallsender 21 ausgesendeten Ultraschallsignals 35 erfolgt entlang des geradlinig Übertragungsweges 29 zum Empfänger 23. Die Sensoren 25 und 27 messen Druck und Temperatur des Fluids 33 an bestimmten Positionen im Abschnitt 31. 6a zeigt ein Diagramm mit mehreren experimentell ermittelten Signalverläufen im Zusammenhang mit dem Fluidistor 17 aus 5d ohne Fluidfluss im Abschnitt 31 des Verbindungskanals 17h. 6b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Diagramm der 6a.
  • Im oberen Teil des Diagramms der 6a ist der Verlauf des empfangenen Ultraschallsignals dargestellt.
  • Im unteren Teil des Diagramms der 6a ist das Signal, das die Unterbrechung der externen Anregung, mithin die Unterbrechung der Ansteuerung des Ultraschallwandlers mit dem Anregungssignal, steuert, dargestellt. Dieses hat einen rechteckförmigen Verlauf. Das Signal ist rechteckförmig, da es lediglich darstellen muss, wann die Anregung eingeschaltet und wann sie ausgeschaltet ist. Der Wert „0“ bedeutet eine aktive Anregung. Der Wert „64“ bedeutet eine unterbrochene Anregung. Die Anregung wird vorliegend für genau eine Periode von 1/(290 kHz) = 3,45 µs unterbrochen. Aufgrund der nur kurzen Unterbrechung im Vergleich zu dem langen Betrachtungszeitraum von 2,76 ms erscheint es in 6a jedoch nahezu impulsartig also peakförmig. Der Abstand zwischen zwei Unterbrechungen beträgt ca. 1,77 ms.
  • In der Mitte ist der Verlauf der ermittelten Phasenbeziehung in Form eines Phasendifferenzsignals zwischen dem Referenzsignal, das die gleiche Periodendauer T=1/(290 kHz) = 3,45 µs wie das Anregungssignal aufweist, und dem Empfangssignal dargestellt. Zeitverzögert zu einer Unterbrechung der externen Anregung (siehe unterer Verlauf im Diagramm) lässt sich im Phasendifferenzsignal bei den Zeitpunkten 0,36 ms und 2,13 ms (6a) ein „Marker“ detektieren.
  • Dieser „Marker“ beginnt jeweils mit einer steil fallenden Flanke, welche von der Änderung der Schwingungsfrequenz des Ultraschallwandlers infogle der Unterbrechung der externen Anregung rührt. Auf die fallende Flanke folgt ein Anstieg des Phasendifferenzsignals infolge der wiedereinsetzenden externen Anregung. Das Überschwingen des Signalverlaufs erklären sich die Erfinder mit den realen (physikalischen/kapazitiven) Eigenschaften des Ultraschallwandlers.
  • Die fallende Flanke des „Markers“ lässt sich besonders gut detektieren. Da alle „Marker“ vorliegend stets den gleichen Verlauf eines zumindest einfach differenzierten Pulses aufweisen, kann freilich auch eine Korrelation des Phasendifferenzsignals mit einem solchen Musterverlauf durchgeführt werden. Die Korrelation weist dann einen Maximalwert für die Positionen auf, an denen ein entsprechender „Marker“ vorliegt.
  • Der „Marker“ korrespondiert dabei zu dem von einem horizontalen Verlauf abweichenden Phasenverlauf, wie er anhand 4a illustriert und näher beschrieben wurde.
  • Aus dem zeitlichen Abstand zwischen der beginnenden Unterbrechung (also dem „Peak“ im unteren Verlauf des Diagramms der 6a) und dem nächsten Auftreten des „Markers“ in der ausgewerteten Phasenbeziehung (im mittleren Verlauf des Diagramms), lässt sich die Laufzeit des Ultraschallsignals vom Sender 21 zum Empfänger 23 bestimmen. Dazu kann das Auftreten des „Markers“ zu einem zweiten Zeitpunkt festgestellt werden, etwa wenn die fallende Flanke des „Markers“ einen Schwellenwert von „50“ unterschreitet. Zusammen mit dem ersten Zeitpunkt der beginnenden Unterbrechung der externen Anregung kann dann die Laufzeit aus dem Zeitunterschied zwischen dem zweiten und dem ersten Zeitpunkt bestimmt werden.
  • Optional kann die Laufzeit des Ultraschallsignals vom Sender 21 zum Empfänger 23 noch präziser bestimmt werden, indem der (spezifische) Wert des zwischen Referenzsignal und empfangenem Ultraschallsignal ermittelten Phasendifferenzsignals berücksichtigt wird.
  • Die Phasendifferenz (damit auch das Phasendifferenzsignal) kann vorliegend Werte zwischen 0 und 999 annehmen, wobei im Diagramm der 6a die Ordinate nur bis zu einem Wert von 300 reicht. In einem 0,5 ms breiten Zeitfenster jeweils mittig zwischen zwei „Markern“ beträgt der innerhalb des Zeitfensters gemittelte Wert der Phasenbeziehung „85“ (siehe Diagramm der 6a). Dieser Wert wird als spezifischer Wert verwendet. Für eine Anregungsfrequenz von 290 kHz ergibt sich damit vorliegend eine Auflösung der Phasendifferenz von 3,45 µs/1000 = 3,45 ns. Der mittlere Wert des Phasendifferenzsignals führt damit zu einer zusätzlichen Laufzeitkomponente von 85x3,45 ns = 293,25 ns. Die anhand der ersten und zweiten Zeitpunkte ermittelten Laufzeit ist daher um besagte 293,25 ns erhöht, so dass die zunächst grob bestimmte Laufzeit entsprechend präzisiert angegeben werden kann. Damit ist es möglich, absolute Laufzeiten mit einer Auflösung von wenigen Nanosekunden und bei feinerer Erfassung der Phasendifferenz sogar im Pikosekundenbereich zu ermitteln.
  • Die beschriebene Laufzeitbestimmung gilt insoweit natürlich auch ganz entsprechend für ein außerhalb eines Fluidistors durchgeführtes Verfahren.
  • 6c zeigt ein Diagramm mit mehreren experimentell ermittelten Signalverläufen im Zusammenhang mit dem Fluidistor 17 aus 5d für ein im Abschnitt 31 des Verbindungskanals 17h oszillierendes Fluid.
  • Wieder sind im oberen Teil des Diagramms der Verlauf des empfangenen Ultraschallsignals, in der Mitte der Verlauf der ermittelten Phasenbeziehung in Form eines Phasendifferenzsignals zwischen einem Referenzsignal und dem Empfangssignal, und im unteren Teil des Diagramms das Signal, das die Unterbrechung der externen Anregung steuert, dargestellt.
  • Der Betrachtungszeitraum in 6c ist mit 345 ms mehr als 100 mal länger als der Betrachtungszeitraum in 6a.
  • Der Verlauf der Phasenbeziehung im Diagramm der 6c weist den bereits in Bezug auf die 2c und 4b erörterten allgemein (niederfrequenten) oszillierenden Verlauf infolge des oszillierenden Fluids sowie in regelmäßigen Abständen einen aufgeprägten „Marker“ auf. Anhand des Betrachtungszeitraums sowie der Anzahl der Oszillationen im Phasendifferenzsignal lässt sich leicht ermitteln, dass das Fluid mit einer Oszillationsfrequenz von rund 11,6 Hz im Fluidistor 17 oszilliert.
  • Aus dem zeitlichen Abstand zwischen einer beginnenden Unterbrechung (also einem „Peak“ im unteren Verlauf des Diagramms der 6c) und dem nächsten Auftreten eines „Markers“ in der ausgewerteten Phasenbeziehung (im mittleren Verlauf des Diagramms), lässt sich jeweils die Laufzeit des Ultraschallsignals vom Sender 21 zum Empfänger 23 bestimmen. Die Ausführungen in Bezug auf das Diagramm der 6a gelten hier ganz entsprechend. Vorzugsweise wird die Laufzeit über mehrere erste und zweite Zeitpunkte hinweg gemittelt.
  • Mit der weiteren Information zu dem physikalischen Abstand zwischen Sender und Empfänger, der etwa mit einem Maßstab ermittelt werden kann, kann die Schallgeschwindigkeit des Fluids bestimmt werden. Wenn außerdem beispielsweise Werte zu Druck und Temperatur gemessen werden oder angenommen werden können, lässt sich alternativ oder ergänzend auch die Reinheit des Fluids, insbesondere im Fall von Wasserstoff, bestimmen.
  • 7 zeigt den Verlauf eines Phasendifferenzsignals für ein in einem Fluidistor oszillierendes Fluid. Bei einem größeren Zoom würde hier der (niederfrequente) sinusförmige Verlauf ersichtlich werden. Das Fluid ist 10 reines N2. Allerdings wird für einen Zeitraum beginnend ab ca. 11 s bis ca. 33,5 s 100 ml/min Ar hinzugemischt. Dies entspricht für den besagten Zeitraum ein Zusatz von 1 % Argon. Aus dem in 7 dargestellten Diagramm ist ersichtlich, dass während des besagten Zeitraums die Phasendifferenz einen Offset aufweist, also im Diagramm nach oben verschoben ist.
  • Der (insbesondere spezifische) Wert der entsprechend ausgewerteten Phasenbeziehung kann damit auf eine Verunreinigung des Fluids hinweisen. Dazu kann der (spezifische) Wert mit einem Schwellenwert (horizontale Linie im Diagramm der 7) verglichen werden. Ist der (spezifische) Wert der ausgewerteten Phasenbeziehung größer als der Schwellenwert, kann etwa eine Verunreinigung erkannt werden. Ist der (spezifische) Wert der ausgewerteten Phasenbeziehung kleiner oder gleich als der Schwellenwert, kann etwa eine ordnungsgemäße Fluidzusammensetzung erkannt werden. Die „Marker“ können optional genutzt werden, um den Übergang von einer Phase zur nächsten detektierbar zu machen. Natürlich kann auch kontinuierlich die (vor allem unter Einbeziehung des spezifischen Werts der ausgewerteten Phasenbeziehung präzise bestimmte) Laufzeit des Ultraschallsignals bestimmt und gegen einen entsprechend angepassten Schwellenwert verglichen werden.
  • Außerdem kann zusätzlich zur Reinheit oder stattdessen die Anteile der bekannten Bestandteile eines Fluidgemischs ermittelt werden. Das Fluidgemisch kann beispielsweise aus Ar und N2 bestehen. Nun können die Werte des Verlaufs der Schallgeschwindigkeit bei verschiedenen Mischverhältnissen von Ar zu N2 jeweils für unterschiedliche Temperaturen und Drücke des Fluids in einer Datensammlung vorliegen. Wird eine Schallgeschwindigkeit von beispielsweise 330 m/s bei 1 bar und 293 K gemessen, so können die Anteile der beiden Bestandteile aus dem Schallgeschwindigkeitsverlauf für 1 bar / 293 K bei 330 m/s entnommen werden, etwa 40% Ar und 60% N2. Anstelle oder ergänzend zu einer Datensammlung kann auch einfach eine numerische Berechnung (beispielsweise unter Einbeziehung der idealen Gasgleichung) durchgeführt werden, die für eine Werte-Kombination von Schallgeschwindigkeit, Druck und/oder Temperatur zumindest die Anteile der beiden bekannten Bestandteile hervorbringt.
  • Allgemein lässt sich anmerken, dass die Frequenz des (niederfrequenten) sinusförmigen Verlaufs der Phasenbeziehung dabei der Frequenz entspricht, mit der das Fluid im Kanalabschnitt 31 oszilliert, also zwischen den in 5b und 5c dargestellten Zeitpunkten hin- und herwechselt. Diese Frequenz ist wiederum proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Fluidistor 17. Damit kann mit dem Verfahren die Frequenz der Fluid-Oszillation aus der ermittelten Phasenbeziehung ermittelt werden und darauf basierend die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Fluidistor ermittelt werden. Außerdem lässt sich durch Auswerten und Berücksichtigen des spezifischen Wertes der Phasenbeziehung eine noch genauere Laufzeit- und Abstandsbestimmung realisieren. Damit lässt sich eine, insbesondere relative, Laufzeit- und Abstandsänderung von weniger als einer Periodendauer des Referenzsignals ermitteln.
  • Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung, kann das System 19 oder der Fluidistor 17 von einer Fluid-Bereitstellungs-Einheit, wie eine Wasserstoff-Betankungs-Einheit, aufgewiesen werden.
  • 8 zeigt eine Illustration einer Wasserstoff-Betankungs-Einheit 37. Mittels der Einheit 37 wird Wasserstoff über Zuleitungen 39 aus einem Wasserstoff-Tank 41 an einen Empfänger 43 bereitgestellt. Der Empfänger 43 kann beispielsweise ein Wasserstofftank, etwa in einem Kraftfahrzeug, sein.
  • Indem die Wasserstoff-Betankungs-Einheit 37 den erfindungsgemäßen Fluidistor 17 samt System 19 aufweist, kann während des Betankens, also während Wasserstoff aus dem Tank 41 an den Empfänger 43 bereitgestellt wird, kontinuierlich Eigenschaften des Fluids, also des Wasserstoffs, ermittelt werden. Die Zuleitungen 39 sind daher geeignet mit den Anschlüssen des Fluidistors 17 verbindbar oder verbunden, wie durch die gestrichelten Linien innerhalb der Einheit 37 angedeutet wird.
  • Beispielsweise kann dann die Reinheit des bereitgestellten Wasserstoffs kontinuierlich ermittelt werden. Damit kann die Reinheit überwacht werden. Vorzugsweise kann dann bei Unterschreiten der ermittelten Reinheit eines definierten oder definierbaren Schwellenwertes ein Signal erzeugt werden. Mit dem Signal kann etwa ein anderes System über diesen Umstand informiert werden und/oder der Bereitstellungsvorgang abgebrochen werden.
  • Es ist klar, dass die grundsätzlichen Ausführungen zur Laufzeitbestimmung im Zusammenhang mit dem Fluidistor 17 entsprechend auch für das System 19 sowie das zugrunde liegende Verfahren, jeweils gemäß weiteren Aspekten der Erfindung, gültig sind. So könnte das System auch außerhalb eines Fluidistors in anderen Umgebungen mit den geeigneten Rahmenbedingungen ganz entsprechend eingesetzt und/oder das Verfahren dort ausgeführt werden.
  • Das nachfolgende weitere Ausführungsbeispiel soll die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung für einen Ultraschallsender aufweisend einen exemplarischen Ultraschallwandler in Form eines Piezokristalls mit einer Resonanzfrequenz von 300 kHz und einer Periodendauer des Anregungssignals von 1/(280 kHz) in einem breiteren Kontext illustrieren.
  • Das dem Ultraschallwandler zugehführte sinusförmige Anregungssignal wird mittels eines Komparators von einem Sinus in ein Rechteck gewandelt und insoweit als Referenzsignal an einen FPGA übergeben. Dieser ermittelt die Phasenbeziehung in Form der Phasendifferenz zwischen diesem Referenzsignal und dem empfangen Ultraschallsignal. Für einen gleichbleibenden Übertragungsweg zwischen Sender und Empfänger, ist auch das Phasendifferenzsignal unveränderlich (beispielsweise hat es einen (spezifischen) Wert von „500“ bei einer insgesamten Auflösung von 0 bis 999). Wenn die externe Anregung des Ultraschallwandlers zu einem ersten Zeitpunkt unterbrochen oder beendet wird, geht der Ultraschallwandler in seine Resonanzfrequenz über. Dies führt dazu, dass sich die Frequenz des empfangenen Ultraschallsignals und damit die Phase zwischen dem Referenzsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal ändert. Diese Änderung ist besonders zuverlässig in der ermittelten Phasenbeziehung detektierbar.
  • Wenn die Anregung des Senders wieder eingeschaltet wird, geht der Ultraschallwandler wieder in eine Schwingung mit der erzwungenen Periodendauer des Anregungs- und Referenzsignals über. Die ermittelte Phasendifferenz kehrt damit ebenfalls zu dem alten Wert „500“ zurück.
  • Um die Laufzeit des „Markers“ zu bestimmen, kann eine Funktion gewählt werden, welche dem Verhalten des Ultraschallwandlers beim Ausschalten oder Unterbrechen des externen Anregens zumindest angenähert ist. Das ermittelte Phasendifferenzsignal kann dann mit der gewählten Funktion korreliert werden. Dabei entsteht eine neue Funktion, die genau ein Maximum aufweist. Das Maximum ist der Punkt, an welchem die gewählte Funktion am besten mit dem Phasendifferenzsignal übereinstimmt. Der Wert der Abszisse des Korrelationsergebnisses hat dann einen zeitlichen Bezug zum Anregungssignal bzw. zum Abschalten oder Unterbrechen der externen Anregung. Hiermit lässt sich ein zweiter Zeitpunkt definieren. Damit lässt sich die Laufzeit anhand des ersten und zweiten Zeitpunktes ermitteln. Anhand der Phasendifferenz von „500“ kann zudem eine optionale Feinauflösung der Laufzeit erfolgen, indem die zusätzliche Laufzeit des „Markers“ von hier dann 0,5 Perioden des Anregungssignals berücksichtigt wird.
  • Die in der vorangehenden Beschreibung, in den Zeichnungen und in den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination wesentlich für die Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Ultraschallsender
    3
    Ultraschallempfänger
    5
    Übertragungsweg
    7
    Ultraschallsignal
    9
    Verlauf der externen Anregung
    11a, 11b, 11c
    Signalabschnitt
    13
    Ultraschallsignal
    15a, 15b, 15c
    Signalabschnitt
    17
    Fluidistor
    17a
    Fluideinlass
    17b
    Fluid
    17c
    Fluidauslass
    17d
    Hauptkanal
    17e
    Störkörper
    17f, 17g
    Öffnung
    17h
    Verbindungskanal
    17i
    Fluid
    17j
    Gehäuse
    19
    System
    21
    Ultraschallsender
    23
    Ultraschallempfänger
    25
    Temperatursensor
    27
    Drucksensor
    29
    Übertragungsweg
    31
    Kanalabschnitt
    33
    Fluid
    35
    Ultraschallsignal
    37
    Wasserstoff-Betankungs-Einheit
    39
    Zuleitungen
    41
    Wasserstoff-Tank
    43
    Empfänger
    a, b, c
    Zeitlicher Abstand
    f
    Frequenz
    fres
    Resonanzfrequenz des Wandlers
    T
    Periodendauer
    T-x1
    Periodendauer
    T-x2
    Periodendauer
    T-x3
    Periodendauer
    T-x4
    Periodendauer
    T-x5
    Periodendauer
    T0
    Zeitpunkt
    T1
    Zeitpunkt
    T2
    Zeitpunkt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 2840993 A1 [0131]

Claims (20)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals entlang eines Übertragungsweges zwischen einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger, das Verfahren aufweisend: Aussenden des Ultraschallsignals mit dem Ultraschallsender, aufweisend: Externes Anregen eines von dem Ultraschallsender aufgewiesenen Ultraschallwandlers zu einer Schwingung, welche Schwingung zumindest zeitweise eine Frequenz ungleich der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers aufweist, und Beenden oder zumindest zeitweise Unterbrechen des externen Anregens des Ultraschallwandlers zu einem ersten Zeitpunkt, zu dem der Ultraschallwandler nicht mit der Resonanzfrequenz schwingt; Empfangen des Ultraschallsignals mit dem Ultraschallempfänger sowie Auswerten der Phasenbeziehung zwischen einem Referenzsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal und Feststellen zumindest einer zumindest teilweise durch das Beenden oder Unterbrechen des externen Anregens bedingten Änderung in der ausgewerteten Phasenbeziehung; und Bestimmen der Laufzeit des Ultraschallsignals basierend zumindest auf dem zeitlichen Abstand zwischen dem ersten Zeitpunkt und einem durch das Auftreten der festgestellten Änderung definierten oder definierbaren zweiten Zeitpunkt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest für einen bestimmten Zeitraum abwechselnd ein externes Anregen und ein Unterbrechen des externen Anregens des Ultraschallwandlers, insbesondere periodisch, wiederholt durchgeführt wird, und dazu insbesondere das Ansteuern des Ultraschallwandlers mit dem Anregungssignal, insbesondere periodisch, wiederholt unterbrochen und fortgesetzt wird, vorzugsweise indem das Anregungssignal abwechselnd ein- und ausgeschalten wird, und wobei vorzugsweise durch das Auswerten der Phasenbeziehung eine Vielzahl von Paaren von ersten und zweiten Zeitpunkten erhalten wird und/oder anhand der erhaltenen Vielzahl von Paaren von ersten und zweiten Zeitpunkten die, insbesondere zeitabhängige und/oder zu unterschiedlichen Zeiten bestehende, Laufzeit des Ultraschallsignals bestimmt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ultraschallsignal kontinuierlich ausgesendet wird; wobei die Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals konstant bleibt; und/oder wobei das Ultraschallsignal (a) zumindest für einen bestimmten Zeitraum nach dem Beenden des externen Anregens und/oder (b) zumindest für einen bestimmten Zeitraum nach dem Unterbrechen des externen Anregens, vorzugsweise durchgehend während des Unterbrechens, ausgesendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das von dem Ultraschallsender ausgesendete Ultraschallsignal ab dem Beenden oder während des Unterbrechens des externen Anregens des Ultraschallwandlers zumindest zeitweise eine Frequenz aufweist, die sich zeitlich verändert, sich insbesondere die Frequenz hin zur Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers ändert, wobei vorzugsweise die Frequenzänderung zumindest teilweise aufgrund des Übergangs des Ultraschallwandlers in seine Resonanzfrequenz stattfindet.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgende Unterbrechungen des externen Anregens des Ultraschallwandlers, insbesondere wenigstens zu Beginn des Verfahrens und/oder während des Verfahrens, zumindest einmal, vorzugsweise mehrmals, angepasst, insbesondere jeweils vergrößert oder verkleinert, wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Referenzsignal ein, insbesondere sinusförmiges oder rechteckförmiges, Signal aufweist oder ist, das vorzugsweise eine Periodendauer gemäß der Periodendauer der von extern angeregten Schwingung des Ultraschallwandlers und/oder der Periodendauer des Anregungssignals aufweist; wobei das Referenzsignal, zumindest zeitweise, identisch zu dem Anregungssignal ist; wobei die Phasenbeziehung zwischen dem Referenzsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal zeitabhängig ist; und/oder wobei das Auswerten der Phasenbeziehung zwischen dem Referenzsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal das Bestimmen der, insbesondere zeitabhängigen, Differenz zwischen der Phase des Referenzsignals und der Phase des empfangenen Ultraschallsignals aufweist, und wobei vorzugsweise das Auswerten ferner das Erzeugen eines Phasendifferenzsignals, das den zeitlichen Verlauf der bestimmten Phasendifferenz darstellt, aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Feststellen der Änderung in der ausgewerteten Phasenbeziehung (a) das Feststellen eines Wechsels von einem konstanten Phasendifferenzsignal hin zu einem zeitlich variierenden Signal aufweist oder darstellt, (b) das Feststellen eines definierten oder definierbaren Phasenverlaufs, (c) das Feststellen einer Flanke, insbesondere einer steigenden oder fallenden Flanke, des, insbesondere mit einem Hochpass und/oder Bandpass gefilterten, Phasendifferenzsignals aufweist oder darstellt, (d) das Feststellen eines einen, vorzugsweise dynamischen, Schwellenwert übersteigenden Wertes einer Korrelation und/oder Faltung zwischen zumindest Teilen des Phasendifferenzsignals und einem Mustersignal aufweist oder darstellt und/oder (e) das Feststellen einer Änderung zumindest einer Eigenschaft des Phasendifferenzsignals aufweist oder darstellt, wobei vorzugsweise die Eigenschaft eine Periodendauer des Phasendifferenzsignals und/oder eine, vorzugsweise einen, insbesondere dynamischen, Schwellenwert über- oder unterschreitende, Amplitude des, insbesondere mit einem Hochpass und/oder Bandpass gefilterten, Phasendifferenzsignals ist; und/oder wobei der zweite Zeitpunkt der Zeitpunkt ist, zu dem die Änderung im Phasendifferenzsignal festgestellt wird und/oder wobei der zweite Zeitpunkt basierend auf einem maximalen Wert einer Korrelation und/oder Faltung zwischen einem Mustersignal und dem Phasendifferenzsignal und/oder Phasenbeziehungssignal bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Laufzeit des Ultraschallsignals ferner zumindest einen Wert der ausgewerteten Phasenbeziehung, insbesondere der bestimmten Phasendifferenz und/oder des Phasendifferenzsignals, als spezifischen Wert berücksichtigt, und insbesondere basierend auf dem spezifischen Wert eine zusätzliche Laufzeitkomponente ermittelt wird, wobei vorzugsweise der spezifische Wert ein Einzelwert oder ein Mittelwert jeweils von einem Teil der ausgewerteten Phasenbeziehung, insbesondere der bestimmten Phasendifferenz und/oder des Phasendifferenzsignals, ist, wobei vorzugsweise der Teil der ausgewerteten Phasenbeziehung innerhalb eines definierten oder definierbaren Zeitfensters vor oder nach dem zweiten Zeitpunkt liegt.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich das Ultraschallsignal zumindest abschnittsweise und/oder zeitweise entlang des Übertragungswegs zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger innerhalb eines Mediums, wie insbesondere einen Festkörper, ein Fasergemisch und/oder ein, insbesondere oszillierendes und/oder strömendes, Fluid, insbesondere aufweisend oder bestehend aus Wasser, Luft, Helium, Stickstoff und/oder Wasserstoff, ausbreitet.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich das Ultraschallsignal zumindest abschnittsweise entlang des Übertragungswegs zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger innerhalb und/oder entlang eines Kanals oder Kanalabschnitts, innerhalb dessen sich vorzugsweise das Medium zumindest zeitweise befindet und/oder innerhalb dessen das Medium in Form eines Fluids oszilliert und/oder strömt, ausbreitet, und wobei vorzugsweise der Kanal oder Kanalabschnitt von einem Fluidistor aufgewiesen ist.
  11. Verfahren zur Ermittlung zumindest einer, insbesondere physikalischen, Eigenschaft eines Mediums, insbesondere eines Fluids, das Verfahren aufweisend: Bestimmen der Laufzeit und/oder des spezifischen Werts der ausgewerteten Phasenbeziehung eines Ultraschallsignals entlang eines Übertragungsweges zwischen einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger, mit dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, vorzugsweise für zumindest einen Zeitpunkt, wobei sich das Ultraschallsignal zumindest abschnittsweise und/oder zeitweise entlang des Übertragungswegs zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger innerhalb des Mediums ausbreitet; und Ermitteln der Eigenschaft des Mediums basierend auf zumindest der bestimmten Laufzeit und/oder dem bestimmten spezifischen Wert der ausgewerteten Phasenbeziehung des Ultraschallsignals und/oder der bekannten oder ermittelbaren physikalischen Länge des Übertragungsweges.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Medium ein Fluid ist und wobei die Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals entlang des Ausbreitungswegs zumindest zeitweise periodisch wechselnd zwischen parallel und antiparallel zur Strömungsrichtung des Fluids verläuft, wobei insbesondere die Strömungsrichtung des Fluids periodisch wechselt und/oder die Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals konstant bleibt.
  13. System zum Bestimmen der Laufzeit eines Ultraschallsignals entlang eines Übertragungsweges zwischen einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger, wobei das System einen Ultraschallsender, der ein mit einem Anregungssignal ansteuerbaren Ultraschallwandler aufweist, einen Ultraschallempfänger und eine Kontrolleinheit aufweist und wobei das System dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
  14. System zum Ermitteln zumindest einer, insbesondere physikalischen, Eigenschaft eines Mediums, wobei das System einen Ultraschallsender, der ein mit einem Anregungssignal ansteuerbaren Ultraschallwandler aufweist, einen Ultraschallempfänger und eine Kontrolleinheit aufweist sowie vorzugsweise zumindest einen Drucksensor und/oder zumindest einen Temperatursensor aufweist, und wobei das System dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12 auszuführen.
  15. Fluidistor, aufweisend ein System nach einem der Ansprüche 13 bis 14.
  16. Fluidistor nach Anspruch 15, wobei sich das Ultraschallsignal zumindest abschnittsweise entlang des Übertragungswegs zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger innerhalb oder entlang eines von dem Fluidistor aufgewiesenen Kanals oder Kanalabschnitts, innerhalb dessen das Fluid während des Betriebs des Fluidistors periodisch oszilliert, ausbreitet.
  17. Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschallsignals mit zumindest einem empfangsseitig detektierbaren Marker, das Verfahren aufweisend: Aussenden des Ultraschallsignals mit einem Ultraschallsender, aufweisend: Externes Anregen eines von dem Ultraschallsender aufgewiesenen Ultraschallwandlers zu einer Schwingung, welche Schwingung zumindest zeitweise eine Frequenz ungleich der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers aufweist, und Beenden oder zumindest zeitweise Unterbrechen des externen Anregens des Ultraschallwandlers zu einem ersten Zeitpunkt, zu dem der Ultraschallwandler nicht mit der Resonanzfrequenz schwingt; wobei vorzugsweise zumindest für einen bestimmten Zeitraum abwechselnd ein externes Anregen und ein Unterbrechen des externen Anregens des Ultraschallwandlers, insbesondere periodisch, wiederholt durchgeführt wird.
  18. Verfahren zur Detektion zumindest eines Markers eines mit einem Verfahren nach Anspruch 17 erzeugten Ultraschallsignals, das Verfahren aufweisend: Empfangen des Ultraschallsignals mit einem Ultraschallempfänger sowie Auswerten der, insbesondere zeitabhängigen, Phasenbeziehung zwischen einem Referenzsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal; und Detektieren des Markers des Ultraschallsignals basierend zumindest auf dem Auftreten einer zumindest teilweise durch das Beenden oder Unterbrechen des externen Anregens bedingten Änderung in der ausgewerteten Phasenbeziehung.
  19. Vorrichtung zum Erzeugen eines Ultraschallsignals mit zumindest einem empfangsseitig detektierbaren Marker, wobei die Vorrichtung einen Ultraschallsender, der ein mit einem Anregungssignal ansteuerbaren Ultraschallwandler aufweist, und/oder eine Kontrolleinheit aufweist und wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach Anspruch 17 auszuführen.
  20. Vorrichtung zum Detektieren zumindest eines Markers eines mit einer Vorrichtung nach Anspruch 19 erzeugten Ultraschallsignals, wobei die Vorrichtung einen Ultraschallempfänger und/oder eine Kontrolleinheit aufweist und wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach Anspruch 18 auszuführen.
DE102022117247.3A 2022-07-11 2022-07-11 Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals, Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Mediums, Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschallsignals mit einem Marker und Verfahren zur Detektion des Markers eines solchen Ultraschallsignals sowie Systeme, Fluidistor, Fluid-Bereitstellungs-Einheit und Vorrichtungen Pending DE102022117247A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022117247.3A DE102022117247A1 (de) 2022-07-11 2022-07-11 Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals, Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Mediums, Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschallsignals mit einem Marker und Verfahren zur Detektion des Markers eines solchen Ultraschallsignals sowie Systeme, Fluidistor, Fluid-Bereitstellungs-Einheit und Vorrichtungen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022117247.3A DE102022117247A1 (de) 2022-07-11 2022-07-11 Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals, Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Mediums, Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschallsignals mit einem Marker und Verfahren zur Detektion des Markers eines solchen Ultraschallsignals sowie Systeme, Fluidistor, Fluid-Bereitstellungs-Einheit und Vorrichtungen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022117247A1 true DE102022117247A1 (de) 2024-01-11

Family

ID=89387146

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022117247.3A Pending DE102022117247A1 (de) 2022-07-11 2022-07-11 Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals, Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Mediums, Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschallsignals mit einem Marker und Verfahren zur Detektion des Markers eines solchen Ultraschallsignals sowie Systeme, Fluidistor, Fluid-Bereitstellungs-Einheit und Vorrichtungen

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102022117247A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2840993A1 (de) 1977-09-26 1979-04-12 Fluid Inventor Ab Vorrichtung zum messen fluessigen stoffes
GB2120384A (en) 1982-05-19 1983-11-30 Bestobell Fluid flow meter
DE69516316T2 (de) 1994-06-17 2000-11-30 Schlumberger Ind Sa Fluidischer oszillator und verfahren zur messung einer volumenmenge eines fluides das einen solchen oszillator durchströmt
DE102009046562A1 (de) 2009-11-10 2011-05-12 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Laufzeitmessung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2840993A1 (de) 1977-09-26 1979-04-12 Fluid Inventor Ab Vorrichtung zum messen fluessigen stoffes
GB2120384A (en) 1982-05-19 1983-11-30 Bestobell Fluid flow meter
DE69516316T2 (de) 1994-06-17 2000-11-30 Schlumberger Ind Sa Fluidischer oszillator und verfahren zur messung einer volumenmenge eines fluides das einen solchen oszillator durchströmt
DE102009046562A1 (de) 2009-11-10 2011-05-12 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Laufzeitmessung

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Erzwungene Schwingung. In: Wikipedia, die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 16. Januar 2022, 01:42 MESZ. URL:https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Erzwungene_Schwingung&oldid=219215702 [abgerufen am 10.05.2023]

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4338743C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Ultraschallsensors
DE102010034263B4 (de) Verfahren zur Erzeugung einer Schwellwertkurve sowie Verfahren zur Auswertung von Signalen eines Ultraschallsensors und Vorrichtung zur Umfelderfassung
EP2440888B1 (de) Verfahren zum messen einer messgrösse
EP1879048B1 (de) Verfahren zur Abstandsmessung und Ultraschallabstandssensor
EP3209976A1 (de) Verfahren und anordnung zur ultraschall-clamp-on-durchflussmessung und schaltungsanordnung zur steuerung einer ultraschall-clamp-on-durchflussmessung
EP1573276A2 (de) Vorrichtung zur positionierung eines clamp-on durchflussmessgeräts an einem behältnis
DE102008043481A1 (de) Verfahren und Einrichtung für die Steuerung einer Strahlungsquelle
DE102007010030A1 (de) Induktiver Inkrementalweggeber, Verfahren zum Ermitteln der Verschiebung eines ersten Objekts relativ zu einem zweiten Objekt und induktive Sensoreinheit
DE102022117247A1 (de) Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals, Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Mediums, Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschallsignals mit einem Marker und Verfahren zur Detektion des Markers eines solchen Ultraschallsignals sowie Systeme, Fluidistor, Fluid-Bereitstellungs-Einheit und Vorrichtungen
EP3910296A1 (de) Verfahren zum betrieb einer messeinrichtung und messeinrichtung
EP3729069B1 (de) Fluidisches bauteil sowie ultraschallmessvorrichtung mit einem solchen
EP0025026B1 (de) Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids
EP1936403B1 (de) Ultraschallsensor und Verfahren zum Bestimmen eines Abstands eines Objekts von einem Ultraschallsensor
DE102006001964A1 (de) Messgerät, insbesondere Entfernungsmessgerät
DE102005058114B4 (de) Verfahren und Schaltung zur Abstandsmessung nach dem Radarprinzip
DE102007062460B4 (de) Ultraschallsensor
EP0855577A1 (de) Verfahren zur selbsttätigen Einstellung von Parametern eines Ultraschall-Messwertgebers
DE10106308C1 (de) Verfahren und Einrichtung zur Messung der Laufzeit eines akustischen Signals
EP3807672A1 (de) Verfahren zur steuerung einer antriebseinrichtung eines mikroschwingspiegels, steuervorrichtung und umlenkspiegeleinrichtung
DE102015007698B4 (de) Sensorvorrichtung und Verfahren zur Distanzmessung mittels Ultraschall
DE102004062278A1 (de) Messelement und Messverfahren mit einer Spur zur Bestimmung einer Lage
DE10353598B3 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer Stoffkonzentration in einer Probenflüssigkeit
EP3899578B1 (de) Nichtlineares empfangsfilter für einen objekterkennungssensor für fahrzeuge, insbesondere ultraschallsensor
WO2012025417A1 (de) Messverfahren und messanordnung zur erfassung der zeitlichen veränderung einer elektrischen kapazität
DE102011076117B4 (de) Ultraschall-Messsystem und Verfahren zum Detektieren eines Hindernisses mittels Ultraschall

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01F0001660000

Ipc: G01H0003000000

R016 Response to examination communication