DE10217934A1

DE10217934A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Flüssigkeitshöhe mit Hilfe von Ultraschallimpulsen

Info

Publication number: DE10217934A1
Application number: DE2002117934
Authority: DE
Inventors: Uwe Seepe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-04-22
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2003-11-06

Abstract

Zu einer genauen Bestimmung der Flüssigkeitshöhe in einem Behälter mit Hilfe von Ultraschall-Laufzeitmessungen, muss die vertikale Schallgeschwindigkeitsverteilung bekannt sein oder es müssen entlang der vertikalen Messstrecke mehrere feste Reflektoren vorhanden sein, um eine vergleichende Laufzeitmessung durchzuführen. Problematisch dabei sind die Intensitätsverluste durch die Reflektoren und die Zuordnung der verschiedenen Echos. DOLLAR A Mit einer Digitalisierung der Ultraschallsignale und anschließender digitalen Signalverarbeitung einer Vielzahl von Ultraschallsignalen wird der Signal-Rausch-Abstand der Ultraschallsignale erhöht, wird eine Genauigkeit der Laufzeitmessung auf einen Bruchteil der Schallwellenlänge erreicht und können die Ultraschallsignale eindeutig den verschiedenen Reflektoren und der Flüssigkeitsoberfläche zugeordnet werden. Durch dieses Verfahren wird eine Vorrichtung möglich, die entlang der Messstrecke mit vielen dicht beieinander liegenden festen Reflektoren ausgestattet ist. DOLLAR A Geeignet ist dieses Verfahren zur genauen Bestimmung des Kraftstoffvolumens in Lagertanks oder Transporttanks.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Flüssigkeitshöhe in einem Behälter aus Laufzeitmessungen von Ultraschallimpulsen zur Flüssigkeitsoberfläche und zu mehreren festen vertikal angeordneten Reflektoren.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Analog-Digitalwandler und einer digitalen Recheneinheit, welche die digitalisierten Echosignale speichert und anschließend auswertet, so dass dabei das Signal/Rauschverhältnis des Echosignals erhöht und die zeitliche Auflösung der Laufzeitmessung im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren verbessert wird, und dass dabei die Zuordnung von Teilen des Echosignals zu den festen Reflektoren und zur Flüssigkeitsoberfläche ermittelt wird, und aus den ermittelten Laufzeiten die Flüssigkeitshöhe bestimmt wird.
Eine besonders genaue Bestimmung der Flüssigkeitshöhe ist z. B. notwendig um eine eichfähige Kraftstoffabgabe aus Tankfahrzeugen zu realisieren. Um bei einer minimalen Abgabemenge von 1000 Litern aus einer 5000 Liter Tankkammer mit 2 Metern Durchmesser die Eichgrenze von 0,3% einzuhalten, muss die Füllhöhe mindestens auf 1 mm genau bestimmt werden. Bei unterirdischen Lagertanks für Kraftstoffe müssen aufgrund strenger Umweltauflagen Leckagen erkannt werden. Dies kann durch Bestimmung der Füllhöhe realisiert werden. Bei einer Querschnittsfläche von 10 m² führt eine Fehlmessung der Füllhöhe von 1 mm bereits zu einer Fehlbestimmung eines Flüssigkeitsvolumens von 101.
Zur Messung von Flüssigkeitshöhen sind Ultraschallmeßsysteme bekannt, die mit Hilfe einer Laufzeitmessung von an der Grenzfläche Flüssigkeit - Gas reflektierten Ultraschallimpulsen nach dem Echolotprinzip die Flüssigkeitshöhe ermitteln. Es sind Systeme bekannt, die von oben Schall durch die Luft zur Flüssigkeit senden, als auch Systeme, die von unten durch die Flüssigkeit nach oben Schall abstrahlen. Ferner ist bekannt, dabei zur Schallerzeugung und zum Schallempfang ein und denselben piezokeramischen Ultraschallwandler zu verwenden. Herkömmliche Verfahren führen das Echosignal, welches vom Ultraschallwandler geliefert wird, einem Verstärker und anschließend einem Schwellwertdetektor zu. Die dabei erreichbare Genauigkeit der Laufzeitmessung liegt bei einer Periodendauer der Schallfrequenz des Ultraschallimpulses. Für eine möglichst genaue Laufzeitmessung wird deshalb eine möglichst hohe Schallfrequenz gewählt. Da die Dämpfung des Schalls entlang der Schallausbreitung mit der Frequenz zunimmt, kann diese nicht beliebig hoch gewählt werden.
Um aus der gemessenen Laufzeit die Füllstandshöhe zu bestimmen, muss die Schallgeschwindigkeit im Ausbreitungsmedium bekannt sein. Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig von der Zusammensetzung des Ausbreitungsmediums sowie der Temperatur. Insbesondere die Temperatur ist jedoch weder in der Flüssigkeit noch in der darüber befindlichen Luft über das gesamte Volumen konstant. Im unterirdischen Lagertank muss mit einem stetigem vertikalen Temperaturgradienten gerechnet werden. Beim Tanklastwagen muss bei Sonnenbestrahlung sogar mit einer wärmeren oberen Flüssigkeitsschicht gerechnet werden.
Eine Lösung ist aus dem Patent US 4748846 bekannt. Dabei sind in vertikaler Richtung entlang der eigentlichen Messstrecke mehrere Reflektoren angebracht. Zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit wird der sich jeweils der Flüssigkeitsoberfläche am nächsten befindliche Reflektor und dessen Echolaufzeit zur Schallgeschwindigkeitsberechnung herangezogen. Die mit diesem Verfahren erzielbare Genauigkeit wird um so höher, je kleiner der Abstand der aufeinanderfolgenden Reflektoren ist. Da jeder Reflektor einen Teil der gesendeten Schallimpulse reflektiert, wird durch jeden Reflektor die Amplitude des nicht reflektierten Teils kleiner, so dass die verbleibende Schallamplitude für die oberen Reflektoren und die Reflektion an der Flüssigkeitsoberfläche mit steigender Anzahl von Reflektoren kleiner wird. Da auch die Reflexion vom obersten Reflektor noch stark genug sein muss, um von der Empfangselektronik gemessen werden zu können, sind der Anzahl der Reflektoren durch die Empfindlichkeit bzw. des Signal-Rauschverhältnis der Empfangselektronik Grenzen gesetzt. Ein weiteres Problem dabei ist, die Reflexionen von der Flüssigkeitsoberfläche und die Reflexionen von den festen Reflektoren und Mehrfachreflexionen eindeutig den entsprechenden Echossignalen zuzuordnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, dass es erlaubt, den Abstand der aufeinanderfolgenden Reflektoren möglichst klein zu realisieren und die Echos den Reflektoren, der Flüssigkeitsoberfläche oder eventuellen Mehrfachreflexionen eindeutig zuzuordnen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Zeitauflösung auf einen Bruchteil der Periodendauer der Schallfrequenz zu erreichen. Es soll auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit besonders zweckdienlichen und einfachen Mitteln geschaffen werden.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem in Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmal erreicht. Erfindungsgemäß wird mit dem in Patentanspruch 2 das Signal-Rauschverhältnis des Echosignals erhöht. Dies kann z. B. durch digitale Tiefpassfilterung, Addition oder Mittelwertbildung aufeinanderfolgender Echosignale erreicht werden. Mit dem in Patenanspruch 3 aufgeführtem Merkmal ist ebenfalls eine Erhöhung des Signal- Rauschverhältnis zu erreichen, z. B. indem des Echosignals einen auf die Schallfrequenz abgestimmten digitalen Filter durchläuft oder indem mittels Fourieranalyse die Spektralanteile bei der Schallfrequenz berechnet werden. Erfindungsgemäß wird mit dem in Patentanspruch 4 aufgeführtem Merkmal die Echolaufzeit auf einen Bruchteil der Periodendauer der Schallfrequenz bestimmt wird. Durch rechnerischem Vergleich des Echosignals mit den systemspezifischen und unter Laborbedingungen gemessenen Einschwingverhalten des Echosignals kann die zeitliche Lage des Echosignals auf eine Periodendauer genau bestimmt werden. Eine genauere Bestimmung der zeitlichen Lage wird durch zusätzliche Bestimmung der Phasenlage des Echosignals im eingeschwungenen Zustand erreicht. Die Phasenlage des Echosignals kann z. B. aus der zeitlichen Lage der Nulldurchgänge des Echosignals oder aus den Fourierkomponenten des Echosignals errechnet werden.
Um die Digitalisierung des Echosignals möglichst wirtschaftlich zu gestalten, kann sie nach Patenanspruch 5 ausgeführt werden.
Aufgrund der Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses können die Reflektoren so klein gestaltet werden, so dass der weiterlaufende Schall nur wenig in der Amplitude verliert, und die Reflektion von der Flüssigkeitsoberfläche ein Vielfaches in der Amplitude höher ist als von den Reflektoren, so dass eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung nach Patenanspruch 6 und Patentanspruch 7 möglich ist, und damit eine eindeutige Zuordnung der Echos zu den Reflektoren und zur Flüssigkeitsoberfläche möglich ist.
Da eine Digitalisierung und digitale Analyse des gesamten Echosignals speicheraufwendig und rechenintensiv ist, ist es vorteilhaft, eine Ausgestaltung nach Patentanspruch 8 und 9 zu realisieren, und nur die Echosignalteile, die den Reflektoren oder der Flüssigkeitsoberfläche zuzuordnen sind, genauer zu analysieren.
Da zur Bestimmung der Füllhöhe in Kraftstofftanks die Bauartbestimmungen für explosionsgefährdete Bereiche einzuhalten sind, ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des elektrischen Aufbaus nach Patentanspruch 11 möglich. Ein Strompfad kann dabei das Schallführungsrohr selbst sein, so dass nur ein einadriges Kabel aus dem Tank nach außen geführt werden muss.
Vorteilhafterweise wird für eine Tankanlage, bei der die Abgabemengen als Volumen erfasst werden, ein Flüssigkeitsvolumen aus der Flüssigkeitshöhe bestimmt. Für die Umrechnung der Flüssigkeitshöhe in das Flüssigkeitsvolumen wird entweder die Geometrie des Behälters benutzt oder es wird z. B. mit geeichten Durchflusszählern ein diesbezüglicher Zusammenhang durch Befüllen und Leeren des Behälters erstellt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Durch Kombination verschiedener Laufzeitmessverfahren und zugehöriger digitalen Messwertberechnung reicht für die Realisierung eine Recheneinheit mit nur 4 Kbyte Datenpeicher, 64 Kbyte Programmspeicher und 6 Mhz Taktfrequenz aus.
Es zeigen
Fig. 1 den mechanischen Aufbau einer Messsonde und deren Einbau in einem Kraftstofftank
Fig. 2 Prinzipschaltbild der Auswerteelektronik
Fig. 3 Ablaufdiagramm der Messung
In dem Kraftstofftank (1) mit 2,5 m Durchmesser ist die Messsonde mit dem Schallführungsrohr (3) eingebaut. Das Schallführungsrohr (3) besteht aus einem Rohr 28 × 1,5 mm. Am oberen Ende ist der Sondenkopf (2) angebracht, der mit einem 1 Zoll Gewinde zur Montage am Tank versehen ist. Am unteren Ende des Schallführungsrohres (3) ist der Ultraschallwandler einschließlich Messelektronik (4) untergebracht. Der Ultraschallwandler befindet sich am oberen Ende der Messelektronik (4) und besteht aus einer Piezokeramikscheibe mit einer Dickenresonanzfrequenz von 1 MHz. Zum mechanischen Schutz ist auf die Keramik eine Edelstahlfolie von 0,2 mm geklebt. Diese Edelstahlfolie bildet die Abstrahlfläche bzw. die Empfangsfläche der Ultraschallimpulse in die Flüssigkeit nach oben. Die Messeelektronik (4) ist in dem Schallführungsrohr (3) kraftstofffest vergossen. Der elektrische Anschluss der Messelektronik erfolgt über zwei Strompfade von dem einer das metallische Schallführungsrohr selbst ist, der zweite ist als einadrige Leitung mit einem Außendurchmesser von 1 mm im Inneren des Schallführungsrohres an der Rohrwand nach oben zum Sensorkopf (2) geführt. Im Schallführungsrohr (3) befinden sich rechteckige Ausfräsungen mit 10 mm Breite und 8 mm Höhe. Gemessen von der Oberkante der Messelektronik sind diese Ausfräsungen in den Abständen 0 mm (10), 180 mm (11), 430 mm (12), 680 mm (13), 930 mm (14), 1180 mm (15), 1430 mm (16), 1680 mm (17), 1930 mm (18) und 2180 mm (19) angebracht. Die untere Ausfräsung dient nur dem Flüssigkeitsaustausch zwischen Innen und Außenbereich des Schallführungsrohres (3), die anderen Ausfräsungen (11) bis (19) bilden die festen Reflektoren für die Ultraschallimpulse. An jedem Ausschnitt entstehen zwei Schallreflexionen und zwar die erste an der Querschnittserweiterung in Richtung der Schallausbreitung, die zweite stärkere an der Querschnittsverengung bzw. Oberkante der Ausfräsung.
Die Auswerteelektronik besteht aus einer digitalen Recheneinheit (20), der mit einer Quarzfrequenz von 6 MHz getaktet wird, die gleichzeitig als Zeitbasis für die Laufzeitmessung dient. Die Datenkommunikation, wie z. B. die Ausgabe der Messergebnisse erfolgt seriell über die Stromversorgungsleitung durch Strommodulation (21). Ein 10 Bit Analog Digital Wandler (22) mit vorgeschaltetem Sample/Hold Verstärker (23) digitalisiert das Echosignal mit einer Abtastfrequenz von 200 KHz, wobei die Abtastzeitpunkte von der digitalen Recheneinheit in Schritten von 1/6 Mikrosekunden einstellbar sind. Neben der Digitalisierung des Echosignals, kann auch das mit dem Spitzenwertdetektor (25) gleichgerichtete Echosignal mit Hilfe eines Umschalters (27) digitalisiert werden. Der Ausgang des Spitzenwertdetektors (25) steuert auch den Spannungskomparator (24) an, dessen Schwellspannung mit dem Digital-Analogwandler (26) von der digitalen Recheneinheit (20) einstellbar ist. Die Auslösezeitpunkte des Spannungskomparators werden von der digitalen Recheneinheit (20) gemessen. Dadurch ist auch eine Laufzeitmessung nach herkömmlichen Methoden möglich.
Die digitale Recheneinheit steuert die Umschaltung (30) des Schallwandlers als Sender oder Empfänger. Zum Senden werden von der Sendeelektronik (29) sechs Rechteckpulse mit einer Frequenz von 1 MHz und einer Amplitude von 5 V erzeugt, welche in der Piezokeramik (31) in einen Schallimpulspaket mit einer Frequenz von 1 MHz erzeugt. Der reflektierte Schallimpuls erzeugt in der Piezokeramik (31) eine elektrische Spannung. Diese wird mit dem Verstärker (28) um 30 dB oder 50 dB verstärkt, wobei die Verstärkung von der digitalen Recheneinheit (20) einstellbar ist.
Die Bestimmung der Laufzeiten und Füllstandshöhe erfolgt nach dem in Fig. 3 dargestellten Ablauf. Für die grobe Echolaufzeitbestimmung (32) wird der Empfangsverstärker zur Bestimmung der Laufzeit des Flüssigkeitsoberflächenechos auf 30 dB eingestellt. Nach Erzeugung der Sendepulse, wird der Schallwandler auf Empfang umgeschaltet und das Ausgangsignal des Spitzenwertdetektors mit 200 KHz digitalisiert. Die digitalisierte Echosignalkurve wird zunächst im Datenspeicher der Recheneinheit abgelegt. Nachdem der gesamte Echosignalverlauf aufgezeichnet ist, wird das Maximum des aufgezeichneten Signalverlaufs bestimmt. Da die Reflektion von der Flüssigkeitsoberfläche wesentlich größer in der Amplitude ist als die Reflektionen von den Reflektoren oder eventueller Vielfachechos, kann dieses Maximum eindeutig der Flüssigkeitsoberfläche zugeordnet werden. Die zeitliche Lage des Flüssigkeitsoberflächenechos ist damit mit einer Auflösung von 10 Mikrosekunden bekannt.
Sind die Echolaufzeiten von den Reflektoren noch nicht bekannt, werden diese grob bestimmt (33). Dazu wird die Verstärkung des Empfangsverstärkers auf 50 dB eingestellt. Nach Erzeugung der Sendepulse wird der Schallwandler auf Empfang umgeschaltet und das Ausgangsignal des Spitzenwertdetektors mit 200 KHz digitalisiert. Die digitalisierte Echosignalkurve wird zu der im Datenspeicher schon vorhandenen Signalkurve addiert. Dieser Sende-Echoempfang wird 100 mal wiederholt. Durch diese 100fache Addition wird der Signal-Rausch-Abstand der Echosignalkurve um 20 dB erhöht. Die Schallgeschwindigkeit in Kraftstoffen liegt zwischen 900 m/s und 1600 m/s. Daraus ergibt sich eine mögliche Echolaufzeit vom ersten 180 mm vom Schallwandler entfernten Reflektor von 0,225 ms bis 0,400 ms. In diesem Zeitfenster wird das Maximum der Echosignalkurve bestimmt und dem ersten Reflektor zugeordnet. Diese Zuordnung ist eindeutig, da die möglichen Echolaufzeiten der anderen Reflektoren nicht in dieses Zeitfenster fallen.
Zur Echolaufzeit des ersten Reflektors wird die mögliche zusätzliche Laufzeit zum nächsten 250 mm entfernten Reflektor von 0,312 ms bis 0,556 ms addiert. In diesem Zeitfenster wird das Maximum der Echosignalkurve bestimmt und dem zweiten Reflektor zugeordnet. Entsprechend werden die Echolaufzeiten der weiteren Reflektoren bestimmt. Es werden die Laufzeiten der Reflektoren bis zur bereits bekannten Laufzeit des Echos von der Flüssigkeitsoberfläche bestimmt. Die Echolaufzeiten der Reflektoren bis zur Flüssigkeitsoberfläche sind damit mit einer Auflösung von 10 Mikrosekunden bekannt. Um eine genauere Auflösung der Laufzeitmessung zu erzielen, wird das Echosignal in den Zeitfenstern, die jeweils +/-30 Mikrosekunden um die grob bestimmten Laufzeiten der Reflektionen von Flüssigkeitsoberfläche, sowie der zwei darunter liegenden Reflektoren mit einer rechnerischen Abtastrate von 6 MHz aufgezeichnet (34). Dazu wird nach Erzeugung der Sendepulse der Schallwandler auf Empfang umgeschaltet und das Ausgangsignal des Verstärkers (28) mit 200 KHz digitalisiert. Die digitalisierte Echosignalkurve wird zunächst im Datenspeicher der Recheneinheit abgelegt. Dieser Vorgang wird insgesamt 30 mal wiederholt, wobei die Abtastzeitpunkte der 200 KHz Digitalisierung um jeweils 1/6 Mikrosekunde zur vorherigen Digitalisierung verschoben sind. Die in die Zeitfenster der zu bestimmenden Echos fallenden Abtastungen werden nach jeder Digitalisierung im Datenspeicher mit den zugehörigen Abtastzeitpunkten abgelegt. Diese Werte werden nach Abschluss der 30 Digitalisierungen zu je einer Signalkurve für jedes Zeitfenster mit einer rechnerischen Abtastrate von 6 MHz zusammengesetzt.
Zur Bestimmung der Laufzeiten der Reflektoren werden diese Signalkurven im Datenspeicher zu den von vorher aufgezeichneten Signalkurven addiert (35). Nachdem so 100 Signalkurven addiert worden sind, und damit das Signal-Rausch-Verhältnis der Signalkurve um 20 dB erhöht vorliegt, werden die Laufzeiten der Echos von den Reflektoren mit einer Auflösung von 1/6 Mikrosekunden bestimmt.
Die aufgezeichnete Signalkurve des Echos von der Flüssigkeitsoberfläche wird nach jeder Aufzeichnung eines 6 MHz Digitalisierung untersucht. Die Signalkurve kann durch Bewegung der Flüssigkeitsoberfläche zwischen den einzelnen 200 KHz Abtastungen gestört sein, so dass keine präzise Bestimmung der Laufzeit aus dieser Signalkurve möglich ist (36).
Ist Flüssigkeitsoberfläche ruhig und damit die Signalkurve ungestört, wird die Echolaufzeit des Höhenechos mit einer Auflösung von 1/6 Mikrosekunden bestimmt (38). Ansonsten wird die Laufzeit des Echos von der Flüssigkeitsoberfläche mit Hilfe des Schwellwertdetektors gemessen (37).
Aus den ermittelten Laufzeiten wird die Flüssigkeitshöhe im Behälter berechnet (39). Dazu wird zunächst die Schallgeschwindigkeit zwischen den der Flüssigkeitsoberfläche am nächsten gelegenen Reflektoren berechnet. Diese ist gleich dem Quotienten aus dem doppelten Abstand dieser Reflektoren untereinander zu der Laufzeitdifferenz der zugehörigen Reflektoren. Die so bestimmte Schallgeschwindigkeit wird für die Berechnung des Abstandes der Flüssigkeitsoberfläche zum darunter liegenden Reflektor benutzt. Der Abstand ist gleich der Hälfte des Produktes aus der Schallgeschwindigkeit und der Laufzeitdifferenz zwischen dem Echo von der Flüssigkeitsoberfläche und dem darunter liegendem Reflektor. Die zu bestimmende Flüssigkeitshöhe ist gleich dem so ermittelten Abstand zu dem darunter liegenden Reflektor plus dem Abstand dieses Reflektors vom Behälterboden. Durch diese Berechnung bleiben vertikale Schallgeschwindigkeitsgradienten unterhalb des Reflektors unter der Flüssigkeitsoberfläche ohne Einfluss auf das Messergebnis.
Bei ruhiger Flüssigkeitsoberfläche wird eine Auflösung der Messung der Flüssigkeitshöhe von 0,2 mm erreicht. Die Genauigkeit hängt von den mechanischen Fertigungstoleranzen, bzw. der Genauigkeit der Kalibrierung, sowie dem vorhandenen vertikalen Temperaturgradienten ab. Bei einem maximalen linearen vertikalen Temperaturgradienten von 4 K/m beträgt die erzielbare Genauigkeit 0,5 mm.
Aus den geometrischen Daten des Behälters und der Flüssigkeitshöhe wird das Flüssigkeitsvolumen berechnet. Die Messergebnisse werden mittels serieller Modulation des Versorgungsstroms ausgegeben.
Nach Ausgabe der Messergebnisse wird die beschriebene Programmschleife wiederholt.
Beurteilung, ob die Signalkurve mit 6 MHZ Abtastfrequenz gestört ist (36):
Bei ungestörtem Signalkurve besteht das Echosignal aus einer anschwellenden Sinusschwingung mit 1 MHz. Eine Fouriertransformation ergibt ein deutliches Maximum des Frequenzspektrums bei 1 MHz. Zur Beurteilung ob die Signalkurve gestört ist, werden die Fourierkomponenten der Signalkurve bei 0,25 MHz, 0,5 MHz, 1 MHz und 2 MHz berechnet. Überschreiten die Intensitäten bei 0,25 MHz, 0,5 MHz oder 2 MHz relativ zur Intensität bei 1 MHz experimentell ermittelte Grenzwerte, so wird die Signalkurve als gestört betrachtet.

Bestimmung der Laufzeiten aus den Signalkurven mit 6 MHz Abtastrate (35) und (38)

Da bei der Reflektion an der Flüssigkeitsoberfläche ein Phasensprung von 180° der Schallschwingung entsteht, wird bei Auswertung dieses Echos die Signalkurve zunächst invertiert. Der zeitlichen Verlauf der Intensität des Signalanteils mit 1 MHz wird berechnet. Dazu wird für jeden Abtastpunkt zusammen mit den folgenden 17 Abtastpunkten, also über jeweils 18 Abtastpunkte die Intensität der Fourierkomponente mit 1 MHz berechnet. Rechnerisch werden dabei die 18 Abtastwerte mit den Werten einer Sinuskurve multipliziert und die 18 Produkte addiert. Dies wird für 6 verschieden Phasenverschiebungen um je einen Abtastpunkt wiederholt. Das Maximum dieser 6 errechneten Werte stellt die Intensität des 1 MHz Frequenzanteils bei den betrachteten 18 Abtastpunkten dar. Diese Berechnung wird für jeden Abtastpunkt gemacht. Die sich so ergebene Kurve stellt den Intensitätsverlauf des 1 MHz Frequenzanteils des Signals dar. Rauschanteile des Signals gehen so nur mit geringerer Intensität in die Auswertung mit ein. Es ergibt sich eine Kurve die bis zum zeitlichen Beginn des Echos sehr kleine Werte hat und dann fast linear ansteigt. Der Beginn der Steigung wird als Beginn des Echos interpretiert. Berechnet wird dieser zeitliche Beginn, in dem im Bereich des Kurvenanstiegs die Standardabweichung der Kurvenpunkte zu einer fiktiven Geraden berechnet wird, und die Gerade mit Nulldurchgang und Steigung variiert wird, und beim Minimum dieser Variation der Nulldurchgang der Geraden als Steigungs- bzw. Echobeginn interpretiert wird. Dieser so errechnete Echostartzeitpunkt wird noch um -3 bis +2 Abtastzeitpunkte korrigiert, indem die Phasenlage des Echosignals im eingeschwungenen Zustand berechnet wird und der Echostartzeitpunkt auf einen positiven Nulldurchgang einer zu dieser Phasenlage gehörenden Sinusschwingung gelegt wird. Die Phasenlage im eingeschwungenen Zustand wird berechnet, indem über die Signalkurve beim Maximum über 18 Abtastpunkte die Abtastwerte mit den Werten einer Sinuskurve multipliziert und die Produkte addiert werden. Diese Berechnung wird für verschiedene Phasenverschiebungen der Sinuskurve wiederholt. Die Phasenlage der Sinusschwingung die ein Maximum der berechneten Werte ergibt, entspricht der Phasenlage des Echosignals.

Bestimmung der Laufzeiten mit Hilfe des Schwellwertdetektors (37)

Der Digital-Analogwandler (26) wird auf die Spannung eingestellt, bei welcher der Komparator (24) schalten soll. Der Eingang des Sample/Hold Schalters (23) wird mit dem Ausgang des Spitzenwertdetektors verbunden. Gleichzeitig mit Erzeugung der Sendepulse wird in der Recheneinheit (20) ein Zähler gestartet, der mit 6 MHZ zählt. Der Schallwandler wird auf Empfang umgeschaltet. Wird von der Recheneinheit eine positive Spannungsflanke des Komparatorausgangs erkannt und ist eine zuvor definierte Mindestzeit seit dem Sendepuls vergangen, wird der Zählerstand ausgelesen und 3 Mikrosekunden später der Sample/Hold Schalter 23 geöffnet, und anschließend der Wert des Sample/Hold Ausgangs digitalisiert. Die gemessene Zeit entspricht also einer ansteigenden Flanke im Echosignal. Da der Sample/Hold Schalter eine halbe Echoschwingung nach dieser Flanke geöffnet wird, entspricht der digitalisierte Wert des Sample/Hold Ausgangs dem Maximalwert der Echoschwingung, zu der im Anstiegsbereich der Schwingung die Zeit gemessen wird. Zur Bestimmung der Echolaufzeit der Flüssigkeitsoberfläche werden 10 Messungen nach dieser Methode durchgeführt, wobei die Mindestzeit 20 Mikrosekunden vor die zuvor bestimmte grobe Laufzeit festgelegt wird, und die Vergleichsspannung am Komparator in 10 Schritten von knapp über der Maximumspannung des davor liegenden Reflektorechos bis auf die zuvor bei der groben Echolaufzeitbestimmung gemessenen Maximumspannung des Echos von der Flüssigkeitsoberfläche gesetzt wird. Die gemessene Zeiten mit den zugehörigen digitalisierten Werten werden auf einer Zeitachse mit den Spannungswerten sortiert, und durch diese Kurvenpunkte wird eine fiktive Gerade gelegt. Die Gerade wird so in Nulldurchgang und Steigung variiert, dass die Standardabweichung von den Kurvenpunkten minimal wird. Der Nulldurchgang der Geraden wird als Echostartzeit interpretiert.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung einer Flüssigkeitshöhe in einem Behälter aus Laufzeitmessungen von Ultraschallimpulsen, die von mindestens einem Ultraschallwandler in Richtung der Flüssigkeitsoberfläche abgestrahlt, von dort reflektiert und vom selben oder einem zusätzlichen Ultraschallwandler empfangen werden, wobei in einer zusätzlichen oder in derselben Messstrecke mindestens ein fester Reflektor angebracht ist und aus den Laufzeitmessungen zu den festen Reflektoren die Schallgeschwindigkeit bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Echosignal oder ein Teil desselben mit einer Abtastrate von mindestens der dreifachen Schallfrequenz digitalisiert und einer digitalen Recheneinheit zugeführt wird, und diese die Zuordnung des Echosignals oder Teilen desselben zu den Reflektoren und die Schalllaufzeiten aus dem digitalisierten Echosignal berechnet.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei digitalisierte Echosignale oder Teile desselben von einer digitalen Recheneinheit rechnerisch miteinander verknüpft werden, um den Signal- Rauschabstand des Echosignals zu erhöhen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das digitalisierte Echosignale oder Teile desselben von einer digitalen Recheneinheit digital gefiltert wird, um den Signal-Rauschabstand des Echosignals zu erhöhen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine digitale Recheneinheit das Einschwingen und die Phasenlage des digitalisierte Echosignal analysiert, und dadurch die Echolaufzeit auf einen Bruchteil der Periodendauer der Schallfrequenz bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass zur Digitalisierung des Echosignals mehrere aufeinanderfolgende Abtastzeitpunkte des Echosignals auf mehrere wiederholt erzeugte Echosignale verteilt werden, indem die einzelnen Echosignale mit einem Bruchteil der Abtastrate digitalisiert werden, und die Abtastzeitpunkte der einzelnen Echos um die Abtastperiode versetzt sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrecke aus einem Schallführungsrohr besteht und die Reflektoren an diesem Schallführungsrohres angebracht sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren als Aussparungen in der Rohrwand eines Schallführungsrohres bestehen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Echosignal einem Spitzenwertdetektor zugeführt wird, dieses Signal digitalisiert wird und von einer digitalen Recheneinheit verarbeitet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Echosignal einem Spitzenwertdetektor und dieses Signal einem Schwellwertdetektor zugeleitet wird und eine digitale Recheneinheit die Ansprechzeiten misst und verarbeitet.

10. Verfahren nach Anspruche 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Schwelle des Schwellwertdetektors von einer digitalen Recheneinheit einstellbar ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik für die Signalauswertung direkt bei den Ultraschallwandlern untergebracht ist, und die Stromversorgung und eine serielle Datenkommunikation über insgesamt zwei Strompfade erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass zur Echolaufzeitbestimmung zunächst das Signal eines Spitzenwertdetektors mit einer Abtastrate, die kleiner als die Schallfrequenz ist, digitalisiert wird und daraus die Echolaufzeiten zu den Referenzen und Flüssigkeitsoberfläche mit einer Genauigkeit einiger Echosignalwellenzüge bestimmt werden, und bei einer anschließenden Digitalisierung mit höherer Abtastrate nur die Echosignalanteile der Reflektoren und der Flüssigkeitsoberfläche zur weiteren Signalverarbeitung und genauen Echolaufzeitbestimmung gespeichert werden, und dadurch Speicherplatz gespart wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass ein Flüssigkeitsvolumen aus der Flüssigkeitshöhe bestimmt wird.