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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Strömungsmesser
für die
A/D-Umwandlung eines Ultraschallsignals für die Berechnung eines diskreten
Korrelationsfaktors und für
die Bestimmung einer Zeitdifferenz, die zu einer Strömungsgeschwindigkeit äquivalent
ist.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Das
Verfahren des Bestimmens einer Strömungsgeschwindigkeit, das heißt einer
Zeitdifferenz mit einem vorbekannten Ultraschall-Strömungsmesser
gemäß einem
Korrelationsfaktor zwischen Ultraschallsignalen, die durch ein Fluid
hindurchgehen, weist den Vorteil auf, gegenüber einer Störung, wie
zum Beispiel Rauschen, resistent zu sein. Um den Korrelationsfaktor
zwischen Ultraschallsignalen zu bestimmen, müssen die Signale einer A/D-Umwandlung
unterzogen und dann korreliert werden. Der Korrelationsfaktor ist
deshalb ein diskreter Wert. Somit müssen zur Ermittlung einer präzisen Zeitdifferenz,
die einer Strömungsgeschwindigkeit entspricht,
aus den resultierenden diskreten Werten die diskreten Daten interpoliert
werden, wie 1 zeigt. Dann muss die Zeit,
zu der der Korrelationsfaktor sein Maximum aufweist, aus den interpolierten,
diskreten Daten berechnet werden.
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Um
den Maximalwert eines Korrelationsfaktors zu ermitteln, ist es üblich, eine
Kurven-Linien-Interpolation höherer
Ordnung (higher Order curvilinear interpolation) zu verwenden. Dieser
Lösungsansatz
erfordert jedoch eine große
Datenmenge. Um in der Lage zu sein, eine große Datenmenge zu erfassen,
ist es notwendig, äußerst schnelle
A/D-Wandler mit hoher Auflösung
einzusetzen und komplexe, Kurven-Linien-Interpolationsberechnungen höherer Ordnung
vorzunehmen. Dem gegenüber
ergibt eine Kurven-Linien-Interpolation mit einer kleinen Datenmenge
einen größeren Rechenfehler.
Solche Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler mit hoher Auflösung sind äußerst kostspielig.
Außerdem
tendieren Kurven-Linien-Interpolationsberechnungen
höherer
Ordnung dazu, komplex zu werden.
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EP-1097354B1 sowie
US6877387B1 offenbaren
einen Ultraschall-Strömungsmesser
mit A/D Wandlern für
die Stromauf-Stromab-Empfangssignale,
Korrelations-Verarbeitungsmitteln und Berechnungsmitteln für eine Hilbert-Transformation
des Ergebnis der Korrelationsverarbeitung. Die Strömungsrate
wird dabei durch auffinden der Nullstellen der Hilbert-Transformierten durch
Interpolation bestimmt.
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DE19500856A1 beschreibt
ein Ultraschalldiagnosesystem, bei dem Ultraschallpulse auf ein
Subjekt eingestrahlt und die reflektierten Ultraschallwellen empfangen
werden. Dabei wird auch die Geschwindigkeit von Blutströmen bestimmt,
wobei aus den Messsignalen komplexe Korrelationswerte, aus deren
Real- und Imaginärteil eine
Phasendifferenz und daraus eine Zeitdifferenz sowie letztendlich
die Strömungsgeschwindigkeit
ermittelt wird.
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Schließlich offenbart
DE19815199A1 ein
Ultraschall-Durchflussmessgerät unter
Verwendung des Laufzeitkorrelationsverfahrens, wobei zur Verbesserung
der Messgenauigkeit verschiedene Anregungssignale und dementsprechend
eine „Grob-" und eine „Feinkorrelation" vorgesehen sind.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist angesichts der oben genannten Probleme
getätigt
worden. Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ultraschall-Strömungsmesser
bereitzustellen, der das Verfahren der Berechnung einer Zeitdifferenz
mit verbesserter Genauigkeit und mit höheren Geschwindigkeiten unter
Verwendung relativ einfacher Signalverarbeitungsmittel implementiert
und damit den Maximalwert eines Korrelationsfaktors bestimmt.
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Um
die oben genannte Aufgabe zu erfüllen,
ist der Ultraschall-Strömungsmesser
nach einem ersten Aspekt der Erfindung, wie er in Anspruch 1 angeführt ist,
als einer zum Bestimmen einer Strömungsrate gemäß durch
ein Fluid hindurchgehenden Ultraschallsignalen definiert, mit:
Berechnungsmitteln
für eine
A/D-Umwandlung und dadurch eine Diskretisierung bzw. Digitalisierung
eines Upstream-Empfangssignals
und eines Downstream-Empfangssignals,
einem Korrelations-Verarbeitungsmittel
zum Bestimmen einer Kreuz-Korrelation zwischen dem Upstream-Empfangssignal
und dem Downstream-Empfangssignal,
Berechnungsmitteln für eine Hilbert-Umwandlung
des Ergebnisses der durch das Korrelations-Berechnungsmittel vorgenommenen
Berechnung,
Phasen-Berechnungsmitteln zum Bestimmen einer Phasenbeziehung
aus den Ergebnissen der von dem Korrelations-Berechnungsmittel und dem Hilbert-Umwandlungsmittel
gelieferten Berechnung, und
ersten Berechnungsmitteln zum Berechnen
einer Zeitdifferenz gemäß dem Ergebnis
der von dem Phasen-Berechnungsmittel
vorgenommenen Phasenbeziehungsberechnung.
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Daher
werden gemäß dem in
Anspruch 1 dargelegten ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung Downstream-
und Upstream-Empfangssignale
diskretisiert bzw. digitalisiert, ohne komplexe Kurven-Linien-Interpolationsberechnungen
höherer
Ordnung vornehmen zu müssen,
ein Korrelationsfaktor wird mit dem Korrelations-Verarbeitungsmittel
bestimmt, das Ergebnis der von dem Hilbert-Umwandlungsmittel gelieferten
Hilbert-Berechnung
wird erhalten, und der Maximalwert des Korrelationsfaktors wird
durch Vornehmen einer Phasenberechnung aus dem Korrelationsfaktor
und dem Ergebnis der Hilbert-Berechnung bestimmt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
herkömmliche
grafische Darstellung, die zur Bestimmung einer genauen, einer Strömungsgeschwindigkeit äquivalenten
Zeitdifferenz verwendet wird,
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2 ein
Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Basissystems für die Bearbeitung
von Ultraschallsignalen gemäß der Erfindung,
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3 eine
Signalverlauf-Darstellung der Ergebnisse einer A/D-Umwandlung und
die zusätzliche
grafische Aufzeichnung eines Ultraschall-Empfangssignals,
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4 eine Signalverlauf-Darstellung, die
durch grafische Aufzeichnung der Ergebnisse der Berechnung des Empfangssignals
gemäß 3 in
jedem Verarbeitungsschritt erhalten wurde, wobei: 4a eine grafische
Signalverlauf-Darstellung
des Ergebnisses der Berechnung einer Kreuz-Korrelation zwischen den Empfangssignalen
von 3, der Hilbert-Umwandlung des Berechnungsergebnisses
und einer so bestimmten Phasenbeziehung ist, und 4b eine
Vergrößerung der
Signalverlauf-Darstellung in 4a ist,
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5 eine Signalverlauf-Darstellung des Ergebnisses
der Korrelationsverarbeitung, wobei: 5a eine
Signalverlauf-Darstellung eines regulären Ergebnisses einer Korrelationsberechnung
ist, und 5b eine Signalverlauf-Darstellung eines
Ergebnisses der Korrelations-Verarbeitung mit mehreren Spitzen ist,
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6 ein
Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Basissystems für die Verarbeitung
von Ultraschallsignalen gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei ein Korrelationsfaktor, der das Ergebnis der Korrelations-Verarbeitung ist,
mehrere Spitzen aufweist,
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7 eine
vereinfachte grafische Darstellung eines Algorithmus für die Berechnung
der Ankunftszeit eines Ultraschall-Empfangssignals gemäß der Erfindung,
wobei ein Korrelationsfaktor, der das Ergebnis der Korrelations-Verarbeitung ist,
mehrere Spitzen aufweist,
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8 eine
Signalverlauf-Darstellung, die durch grafische Aufzeichnung einer
Hüllkurve
erhalten wird, welche tatsächlich
gemäß einem
Ultraschall-Empfangssignal berechnet wird,
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9 eine
Signalverlauf-Darstellung, die durch grafische Aufzeichnung einer
Hüllkurve
erhalten wird, welche durch Finden des geometrischen Mittelwerts
der Ergebnisse der Berechnung einer Kreuz-Korrelation zwischen Upstream-
und Downstream-Empfangssignalen sowie durch eine Hilbert-Umwandlung der Kreuz-Korrelation
bestimmt wird,
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10 ein
Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Systems für die Verarbeitung von Ultraschallsignalen
gemäß der Erfindung,
wobei ein Korrelationsfaktor, der das Ergebnis der Korrelations-Verarbeitung
ist, mehrere Spitzen aufweist,
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11 ein
Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Falls, in dem die zwei Hilbert-Umwandlungseinheiten
in dem System von 6 auf eine reduziert sind, und
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12 ein
Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Falls, in dem mehrere Korrelations-Verarbeitungsmittel
in dem System von 2 verwendet werden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachstehend
werden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. 2 zeigt schematisch die Basiskonfiguration
eines Ultraschall-Strömungsmessers
bezüglich
der Verarbeitung von Ultraschallsignalen. In der Figur werden Ultraschall-Empfangssignale (jeweils
eines auf der stromaufwärtigen
oder Upstream- und der stromabwärtigen
oder Downstream-Seite), die durch ein Fluid hindurchgehen, in diskrete
Werte mit A/D-Wandlern
umgewandelt (Schritte S1 und S2). Aus dem Ergebnis der Umwandlung
wird eine Kreuz-Korrelation zwischen dem Upstream-Empfangssignal
(Ultraschallsignal, das sich von der Upstream-Seite zur Downstream-Seite
ausbreitet) und dem Downstream-Empfangssignal (Ultraschallsignal,
das sich von der Downstream-Seite zur Upstream-Seite ausbreitet)
durch das Korrelations-Verarbeitungsmittel bestimmt (Schritt S3).
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Dabei
wird der durch das Korrelations-Verarbeitungsmittel
ermittelte Wert als C(τ)
angenommen (τ ist ein
einer Zeitdifferenz äquivalenter
Wert).
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Ebenfalls
ermittelt wird H(τ),
was das Ergebnis der Hilbert-Umwandlungsberechnung ist, die durch
das Hilbert-Umwandlungsmittel
geliefert wird (Schritt 4). Dann wird durch das Phasen-Berechnungsmittel
eine Phase mit C(τ)
und H(τ)
berechnet (Schritt 5). Aus dem Ergebnis der Phasenberechnung wird
der Maximalwert eines Korrelationsfaktors (Zeitdifferenz) durch
ein Maximalwert-Ermittlungsmittel – das erste Berechnungsmittel
bestimmt (Schritt S6).
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In
der Regel weist ein Empfangssignal, das durch ein Fluid übertragen
und in einem Ultraschall-Strömungsmesser
detektiert wird, eine Signalverlauf gemäß 3 auf. Die
Signalverlauf von 3 wurde durch grafische Aufzeichnung des
Ergebnisses einer A/D-Umwandlung eines Empfangssignals erhalten,
das nach der tatsächlichen Übertragung
einer Burst-Welle
durch die Wand eines rostfreien SUS-Stahlrohrs in ein Fluid erfasst
wurde. In dieser Signalverlauf-Darstellung ist das Empfangssignal
hinsichtlich der Stärke
normalisiert und die Horizontalachse stellt die Zeit dar.
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Die
Grundfrequenz des Signalverlaufs (Trägerfrequenz) kommt der Resonanzfrequenz
eines Übertragungsgeräts gleich,
beispielsweise eines piezoelektrischen Geräts, das als Übertragungselement
(Transmitter) dient. Jeder an diesem Punkt erhaltene Signalverlauf
kann als Sinuswelle angesehen werden. Außerdem hängt die Form einer "eingehüllten Welle" ("enveloped wave") von der Resonanz
eines Meßsystems
insgesamt ab, beispielsweise der Resonanz infolge einer Mehrfach-Reflexion
innerhalb der Dicke einer Rohrwand. Für Burst-Wellen hängt die
Form von dem Zeitintervall der Wellen, dem Rauschen, das in dem
Meßsystem
auftreten kann, usw., ab.
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Nun
wird das Ergebnis der Berechnung des Korrelationsfaktors (Korrelationsfunktion),
die durch das Korrelations-Verarbeitungsmittel gemäß 2 vorgenommen
wurde, approximiert, um in Erfahrung zu bringen, welcher Signalverlauf
die Korrelationsfunktion liefern wird. Wie in 3 gezeigt
ist, kann angenommen werden, dass das Empfangssignal eine Sinuswelle
mit einer Frequenz ist, die von der Übertragungsvorrichtung abhängt. Es
kann auch angenommen werden, dass die Übertragungsfrequenz f0 ist,
die Zeitdifferenz zwischen den Downstream- und Upstream-Empfangssignalen δ ist, und
dass die Zufallsvariable, die gleichmäßig innerhalb des Intervalls
[0, 2π]
verteilt ist, θ ist.
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Dann
ist es möglich,
die Upstream- und Downstream-Empfangssignale
durch die Gleichung 1 mit Bezug auf die Zeit des Downstream-Empfangssignals
darzustellen.
Upstream: sin(2πf0t + δ), Downstream:
sin(2πf0t) Gleichung 1
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Die
Kreuz-Korrelationsfunktion C(τ)
wird durch die nachstehende Gleichung 2 dargestellt.
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Wie
aus Gleichung 2 hervorgeht, weist die Kreuz-Korrelationsfunktion eine Sinuswelle
mit einer Frequenz f0 auf, die gleich der Frequenz f0 ist.
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Nun
wird als Ergebnis der Hilbert-Umwandlung der Kreuz-Korrelationsfunktion
C(τ) die
Gleichung 4 aus der Gleichung 2 anstelle der ebenfalls daraus abgeleiteten
Gleichung 3 abgeleitet. cos(δ – 2πf0τ) Gleichung 3 H(τ)
= sin{–(δ – 2πf0τ)} Gleichung 4
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Nun
ist es hinsichtlich des Phasen-Berechnungsmittels möglich, eine
Phasenbeziehung P(τ)
zwischen C(τ)
und H(τ)
durch Gleichung 5 zu definieren. P(τ) = tan–1(H(τ)/C(τ)) Gleichung 5
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Folglich
gilt Gleichung 6: H(τ)/C(τ) = sin{–(δ – 2πf0τ)}/cos((δ – 2πf0τ) = –tan(δ – 2πf0τ) Gleichung 6
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Daraus
kann Gleichung 7 erhalten werden: P(τ) = 2πf0τ – δ Gleichung 7
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Somit
ist der Null-Kreuzungspunkt bzw. die Nullstelle der Phase P(τ) äquivalent
zum Maximalwert der Korrelationsfunktion, die gleich der Zeitdifferenz
und auch der Strömungsgeschwindigkeit
ist. In der Praxis wird δ aus
diskreten Zeitdaten bestimmt. Da die Phasenbeziehungsgleichung linear
bezüglich
der Zeit τ ist,
ist es theoretisch möglich,
die Zeitdifferenz mittels einer linearen Näherung präzise zu bestimmen. Dies gilt
selbst dann, wenn tatsächliche
Daten beispielsweise infolge von Rauschen, Fluktuationen aufweisen.
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In 4 ist das Ergebnis der Verarbeitung betreffender
Ultraschall-Empfangssignale grafisch dargestellt. Eine gestrichelte
Linie in 4a zeigt das Ergebnis der Berechnung
der Kreuz-Korrelationsfunktion C(τ), eine
Kettenlinie zeigt die Hilbert-Umwandlung H(τ) der Kreuz-Korrelationsfunktion, und eine strichpunktierte
Linie zeigt die Phasenbeziehung zwischen den beiden Funktionen.
Damit ist entweder aus 4a oder 4b, die
eine Vergrößerung von 4a ist,
ersichtlich, dass δ aus
diskreten Daten mittels eines linearen Näherungsverfahrens einfach bestimmt
werden kann.
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Dieses
Ergebnis der Signalverarbeitung wiederholt sich periodisch in einem
Intervall von 0 bis 2π,
und das Ergebnis der Phasenberechnung liefert eine periodisch wiederkehrende
Lösung.
Um die Bestimmung des größten Werts
zu ermöglichen,
muss ein Vergleich unter den erhaltenen Maximalwerten vorgenommen
werden, oder es müssen
andere Mittel für
die Prädiktion
des Maximalwerts, die später
erläutert
werden, gleichzeitig verwendet werden.
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Wiederum
gemäß 2 ist
es möglich,
mehrere Korrelations-Verarbeitungsmittel aufzunehmen ("to incorporate plurality"). Es ist auch möglich, mehrere
Einheiten aufzunehmen, die als Korrelations-Verarbeitungsmittel
zur Hilbert-Umwandlung dienen, wie in 12 gezeigt
ist, wodurch die Gesamt-Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht wird.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben, wobei zusätzliche Schritte
in die grundlegende Strömungsmesser-Konfiguration
aufgenommen werden, um einem Fall gerecht zu werden, bei dem ein
als das Ergebnis der Korrelationsverarbeitung erhaltener Korrelationsfaktor
mehrere Spitzen aufweist. Insbesondere im Fall eines sog. Clamp-on-Ultraschall-Strömungsmessers
kann der Korrelationsfaktor mehrere Spitzen aus dem Grund aufweisen,
dass eine Ultraschallwelle eine Mehrfach-Reflexion infolge der dünnwandigen
Rohrleitung verursacht. 5a zeigt
ein reguläres
Ergebnis einer Korrelationsverarbeitung, während 5b ein
Ergebnis mit mehreren Spitzen veranschaulicht. Falls die Höhen der
Spitzen zueinander ähnlich
sind, wie in 5b gezeigt ist, ist es schwierig
zu bestimmen, welche die echte Spitze ist, das heißt, die
echte Zeitdifferenz.
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Demgemäß wird eine
Verarbeitung auf der Basis der Strömungsmesser-Konfiguration gemäß 6 auf
die Signale mit Mehrfachspitzen angewandt. Der Strömungsmesser-Konfiguration von 2 ist
ein Mittel zum Identifizieren einer angenäherten Zeit hinzugefügt, um zu
bestimmen, welches Ausmaß an
Zeitdifferenz in einem gegebenen Fall am plausibelsten ist.
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Das
System zum Erfassen von Signalen mit mehreren Spitzen basiert auf
dem Prinzip, dass eine Hüllkurve
bzw. Einhüllende
mittels einer Hilbert-Umwandlung bestimmt wird, und dann eine Zeitdifferenz
in der Ankunft von Empfangssignalen aus der Hüllkurve ermittelt wird. Das
hier verwendete Maximalwert-Ermittlungsmittel ist das gleiche wie das
in 2 gezeigte. In dieser Ausführungsform liefert das Maximalwert-Ermittlungsmittel
jedoch viele Lösungen,
falls das Signal mehrere Spitzen aufweist. Um eine korrekte Lösung zu
identifizieren, wird ein weiteres Mittel verwendet, und dadurch
wird eine angenäherte
Zeitdifferenz in der Ankunft der Ultraschall-Empfangssignale so
bestimmt, wie es in den folgenden Absätzen beschrieben ist. Der Algorithmus zum
Berechnen der Ankunftszeit für
diese Empfangssignale ist in 6 gezeigt.
Das Verfahren der Identifizierung ist nachstehend mit Bezug auf
die 6 und 7 beschrieben.
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Zunächst werden
Upstream- und Downstream- Ultraschall-Empfangssignale mit A/D-Wandlern in
diskrete Werte umgewandelt (Schritte S51 und S52). Aus diesen Werten
wird eine Kreuz-Korrelation zwischen den Upstream- und Downstream-Ultraschall-Empfangssignalen
durch das Korrelations-Verarbeitungsmittel bestimmt
(Schritt S53). Der so bestimmte Korrelationsfaktor wird einer Hilbert-Umwandlung
unterzogen, um das Ergebnis der Hilbert-Umwandlungsberechnung zu
erhalten (Schritt S54). Dann wird eine Phasenbeziehung durch ein
Phasen-Berechnungsmittel mit dem Korrelationsfaktor und dem Ergebnis
der Hilbert-Umwandlungsberechnung berechnet (Schritt S55).
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Als
nächstes
werden die Upstream- und Downstream-Ultraschall-Empfangssignale gemäß 6 durch
das in die Strömungsmesser-Konfiguration
von 2 aufgenommene zusätzliche Mittel digitalisiert
(einer A/D-Umwandlung unterzogen). Aus den so erhaltenen diskreten
Werten wird eine Hilbert-Umwandlung bestimmt (Schritt S57). Anschließend wird
aus den Empfangssignalen und dem Ergebnis der Hilbert-Umwandlung eine Hüllkurve
bzw. Einhüllende
berechnet. Die Einhüllende
ist durch die nachstehende Gleichung 8 gegeben, in der das Ultraschall-Empfangssignal
S ist und die Hilbert-Umwandlung
hiervon H ist.
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8 zeigt
das Ergebnis der konkreten Berechnung auf der Basis eines gegebenen
Ultraschall-Empfangssignals. Die Figur gibt an, dass eine Hüllkurve
gemäß Gleichung
8 korrekt berechnet wurde. Aus den Steigungen der Hüllkurve
werden durch Interpolation Nullstellen bestimmt und dadurch die
Ankunftszeit des Signals bestimmt. Dieser Prozess wird durch Zeitmessmittel
(zweite Berechnungsmittel) sowohl für Upstream- als auch Downstream-
Empfangssignale ausgeführt.
Eine Differenz in der Ankunftszeit wird als angenäherte Zeitdifferenz
verwendet (Schritt S58). Andererseits wird das in 2 gezeigte
Maximalwert-Ermittlungsmittel für
Zeitdifferenz-Optionen verwendet, die mehrere Maximalwerte liefern.
Mit dem Maximalwert-Ermittlungsmittel wird der (die) echte Maximalwert
(Zeitdifferenz) aus dem Ergebnis der Phasenberechnung und dem Ergebnis
der von dem Zeitmessmittel vorgenommenen Berechnung bestimmt (Schritt
S56).
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In
diesem Modus ist es möglich,
den Hilbert-Umwandlungs-Algorithmus
der Basis-Strömungsmesser-Konfiguration
wie gehabt zu verwenden. Ein weiterer Vorteil dieses Prozesses ist,
dass der Algorithmus weniger wahrscheinlich einen großen Fehler
infolge eines solchen zufälligen
Rauschens erzeugt, wie es erzeugt werden könnte, wenn die Schwellwerte
für ein
Signal direkt bestimmt würden.
Dies liegt daran, dass der Algorithmus eine Hüllkurve durch Extrapolation
festlegt und das Signal mit Nullstellen ermittelt.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass der Prozess lediglich einen
so hohen Grad an zeitlicher Auflösung
erfordert, dass er eine Unterscheidung irgendeiner gegebenen Spitze
von einer (oder mehreren) benachbarten Spitze(n) oder Spitzen zu
ermöglichen.
Wie bei dem Prinzip der Kreuz-Korrelation
erläutert
wurde, nutzt die Kreuz-Korrelationsfunktion
die gleiche Frequenz mit dem übertragungsgerät, das heißt f0 =
1 bis einige Megahertz. Dies bedeutet, dass eine zeitliche Auflösung von
0,1 bis 1 μsec
für eine
Periode eines Signals ausreicht. Dieser Wert ist einfach erhältlich,
da eine durch eine Strömungsgeschwindigkeit
bewirkte Zeitdifferenz, so klein sie auch sein mag, in der Größenordnung
von mehreren zehn oder hundert Picosekunden liegt.
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Ein
weiterer bezüglich
dieses Modus anzumerkender Punkt ist der, dass es möglich ist,
eine gemeinsam genutzte Anwendung von nur einer Hilbert-Umwandlungseinheit
vorzunehmen, statt zwei separate zu benutzen. Ein spezifisches Konfigurationsbeispiel
ist in 12 gezeigt. In dieser Konfiguration
kann die einzelne Hilbert-Umwandlungseinheit
zunächst
dazu verwendet werden, ein Empfangssignal während der Korrelations-Verarbeitung
umzuwandeln. Dann kann nach Abschluss der Korrelations-Verarbeitung die
Einheit nochmals mittels eines Schaltsignals eingesetzt werden,
um eine weitere Hilbert-Umwandlung für die Korrelations-Verarbeitung
auszuführen.
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Ein
weiterer anzumerkender Punkt ist der, dass in den 7 und 8 das
Verfahren des Bestimmens der Ankunftszeit eines Signals aus dem
Ergebnis der Hüllkurvenberechnung
keineswegs einschränkend ist.
In einer früheren
Erläuterung
bezüglich 7 ist
jedoch festgestellt worden, dass die Ankunftszeit eines Signals
einfach durch Extrapolieren einer Hüllkurve bestimmt wird. Es ist
hier anzumerken, dass die letztendliche Zielsetzung, die mit dieser
Feststellung gemeint ist, in der Bestimmung einer angenäherten Zeitdifferenz liegt.
Somit kann es eine alternative Methode der Art geben, dass eine
Kurven-Linien-Annäherung
in der zweiten Ordnung oder so mit verschiedenen mit mehreren Daten-Plots ausgeführt wird.
Noch eine andere alternative Methode hinsichtlich der 9 kann
das Ausführen
einer Interpolation mit einer Kurve zweiter Ordnung und der Bestimmung
eines Differentialkoeffizienten sein, oder das Herausfinden eines
Mittelswerts mit mehreren Daten-Plots, die eine gegebene Schwelle überschreiten.
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Das
folgende System ist als ein weiteres Detektionssystem von Signalen
mit Mehrfachspitzen (System für
die Unterscheidung zwischen mehreren Spitzen eines Signals) in diesem
Ausführungsmodus
der Erfindung verfügbar.
Das heißt,
der geometrische Mittelwert des Ergebnisses der Berechnung einer
Kreuz-Korrelation zwischen zwei Signalen und der Hilbert-Umwandlung
des Ergebnisses der Korrelationsberechnung wird bestimmt. Diese
zwei Werte sind diejenigen von Sinus und Kosinus-Funktionen, wie
es durch die Gleichungen 3 und 4 angegeben ist. Das Finden des geometrischen
Mittels hiervon ergibt daher die Berechnung einer Hüllkurve.
Folglich wird ein einer Amplitude äquivalenter Wert bestimmt,
wie 9 zeigt.
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Dies
bedeutet, dass die als parallel mit dem Maximalwert der Amplitude
ablaufende Zeit einer angenäherten
Zeitdifferenz entspricht (drittes Berechnungsmittel). Anschließend wird
aus der so bestimmten angenäherten
Zeitdifferenz und dem Ergebnis der von dem Phasen-Berechnungsmittel
vorgenommenen Berechnung der Maximalwert eines Korrelations-Faktors
ermittelt. Genauer gesagt können
das Verfahren des Bestimmens der hier erläuterten angenäherten Zeitdifferenz
und eines Verfahrens der Bestimmung einer genauen Zeitdifferenz,
wie sie durch Gleichung 7 gegeben ist, kombiniert werden, so dass
eine korrekte und präzise Zeitdifferenz
aus dem Ergebnis der Korrelations-Verarbeitung eines Signals mit
Mehrfachspitzen ermittelt wird.
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Das
nachstehend erläuterte
System ist als ein weiteres Erfassungssystem eines Signals mit Mehrfachspitzen
verfügbar
(System zur Unterscheidung zwischen mehreren Spitzen eines Signals). 10 zeigt
das Ablaufdiagramm einer durch das Detektionssystem eines Signals
mit Mehrfachspitzen ausgeführten
Signalverarbeitung. Das System wendet das herkömmliche Verfahren an, bei dem
eine Auto-Korrelation eingesetzt wird, um eine angenäherte Zeitdifferenz
zu bestimmen. In dem Detektionssystem eines Signals mit Mehrfachspitzen
wird die angenäherte
Zeitdifferenz durch Herausfinden von Upstream- und Downstream- Zeitdifferenzen
aus Auto-Korrelationen zwischen Übertragungs-
und Empfangssignalen bestimmt. Das System selbst führt den
gleichen Prozess aus, wie er durch Korrelations-Verarbeitungsmittel ausgeführt wird,
die von gewöhnlichen
Ultraschall-Strömungsmessern
angewandt werden.
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Im
einzelnen werden Upstream- und Downstream-Ultraschall-Empfangssignale mit A/D-Wandlern
in diskrete Werte umgewandelt, wie in 10 gezeigt
ist (Schritte S71 und S72). Aus den diskreten Werten wird eine Kreuz-Korrelation zwischen
den Upstream- und Downstream-Empfangssignalen
durch das Korrelations-Verarbeitungsmittel bestimmt (Schritt S73).
Der so bestimmte Korrelations-Faktor wird dann einer Hilbert-Umwandlung
unterzogen, um das Ergebnis der Hilbert-Umwandlungsberechnung zu
erhalten (Schritt S74). Eine Phasenbeziehung wird durch ein Phasen-Berechnungsmittel
mit dem Korrelations-Faktor und dem Ergebnis der Hilbert-Umwandlung
bestimmt (Schritt S75).
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In
einem weiteren Schritt wird die Korrelations-Verarbeitung in einer Upstream- Korrelations-Verarbeitungseinheit 40 ausgeführt. Demgemäß werden
Upstreamund Downstream- Ultraschall-Empfangssignale mit A/D-Wandlern
in diskrete Werte umgewandelt (Schritte S91 und S92). Aus den diskreten
Werten wird eine Auto-Korrelation zwischen den Upstream-Übertragungs-
und Empfangssignalen durch das Korrelations-Verarbeitungsmittel
bestimmt (Schritt S93). Auch in einer Downstream-Ultraschall-Verarbeitungseinheit 50 werden Upstream-
und Downstream- Ultraschall-Empfangssignale mit A/D-Wandlern in
diskrete Werte umgewandelt (Schritte S94 und S95). Damit wird eine
Auto-Korrelation durch das Phasen-Korrelations-Verarbeitungsmittel bestimmt
(Schritt S96).
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In
einem weiteren Schritt wird eine angenäherte Zeitdifferenz durch Zeitdifferenz-Berechnungsmittel (viertes Berechnungsmittel)
mit den durch das Korrelations-Verarbeitungsmittel
nach obiger Beschreibung bestimmten Auto-Korrelationen bestimmt (Schritt S97).
Mit dem durch das Korrelations-Verarbeitungsmittel bestimmten Korrelationsfaktor
(Schritt S3), dem Ergebnis der Phasen-Berechnung, die durch das Phasen-Berechnungsmittel
unter Verwendung des von der Hilbert-Umwandlung gelieferten Hilbert-Umwandlungs-Berechnung
(Schritt S75) und dem Ergebnis der von dem Zeitdifferenz-Berechnungsmittel
vorgenommenen Zeitdifferenzberechnung (Schritt S97) wird eine präzise Zeitdifferenz,
das heißt
der Maximalwert des Korrelations-Faktors,
durch das Maximalwert-Ermittlungsmittel bestimmt (Schritt S76).
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In
die oben genannten Einheiten für
die Auto-Korrelations-Verarbeitung
können
bestimmte algorithmische Kunstgriffe aufgenommen werden. Beispielsweise
können
die Einheiten so gestaltet sein, dass sie nicht Signalverläufe oder
Rechenergebnisse verwenden, die offensichtlich anormal sind, einschließlich solcher
Fälle,
bei denen ein ermittelter Zeitwert oder Korrelations-Faktorwert
zu klein ist.
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Nach
einem anderen Aspekt der Erfindung kann ein algorithmischer Kunstgriff
auch in viele andere Teile der Strömungsmesser-Konfiguraton aufgenommen
sein. Beispielsweise kann die Strömungsmesser-Konfiguration so
gestaltet sein, dass keine Datenwerte, die stark von denen eines
erwarteten Signalverlaufs oder eines Korrelations-Faktors infolge
sporadischen Rauschens abweichen, in irgendeinem weiteren Verarbeitungsschritt
eingesetzt werden.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird als Beispiel eine Kreuz-Korrelation
zwischen Empfangssignalen erwähnt.
Es ist jedoch auch möglich,
eine Auto-Korrelation zwischen einem Übertragungssignal (Modulationssignal)
und einem Empfangssignal zu verwenden. Dieser Lösungsansatz ermöglicht es,
einen präzisen
Zeitwert aus der Auto-Korrelation
mittels Interpolation mit einer Hilbert- Umwandlung zu bestimmen. Die Geschwindigkeit
von Schall kann ebenfalls durch präzises Messen der Ausbreitungszeit
des Signals ermittelt werden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung nach Anspruch 1 ist es möglich, eine
so hohe zeitliche Auflösung
zu erzielen, dass mit einer relativ einfachen Strömungsmesser-Konfiguration eine
hohe Verarbeitungs-Genauigkeit gewährleistet ist. Dies kann implementiert
werden, ohne komplexe Kurven-Linien-Interpolationsberechnungen höherer Ordnung
durchführen
zu müssen,
während
gleichzeitig das inhärente
Merkmal eines Korrelations-Verfahrens beibehalten wird, nämlich dass
das Verfahren gegenüber
sporadischen Änderungen
in einem Signal infolge einer Störung
weitgehend immun ist.
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Gemäß den zweiten
bis vierten Aspekten der Erfindung nach Anspruch 2 bis 4 ist es
möglich,
eine echte Zeitdifferenz in einem Fall zu identifizieren, in dem
ein gegebener Korrelations-Faktor mehrere Spitzen aufweist.
