DE10318779A1

DE10318779A1 - Verfahren zur Justierung und zur Alterskontrolle von Messgeräten mit Ultraschallwandlern

Info

Publication number: DE10318779A1
Application number: DE2003118779
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. Gaugler; Günther HAUENSTEIN
Original assignee: Hydrometer GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-26
Also published as: DE10318779B4

Abstract

Verfahren zur Justierung und zur Alterskontrolle von Messgeräten mit Ultraschallwandlern, insbesondere Durchflussmessgeräte für fluide Medien, bei dem eine Absolutmessung der Empfangsspannung stattfindet, indem das Empfangssignal in einem Komparator in ein rechteckförmiges Digitalsignal mit einer um eine Offsetspannung gegenüber dem Nulldurchgang versetzten Schaltschwelle umgewandelt wird, wobei zwei Messungen der zeitlichen Lage (Nulldurchgang) des Empfangssignals mit überlagerten unterschiedlichen Offsetspannungen gemacht werden und dass die absolute Höhe des Empfangssignals aus dem Differenzlaufzeitsignal bestimmt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Justierung und zur Alterskontrolle von Messgeräten mit Ultraschallwandlern, insbesondere Durchflussmessgeräte für fluide Medien, bei dem eine Absolutmessung der Empfangsspannung stattfindet, indem das Empfangssignal in einem Komparator in eine rechteckförmiges Digitalsignal mit einer um eine Offsetspannung gegenüber dem Nulldurchgang versetzten Schaltschwelle umgewandelt wird.

Bei der Durchflussmessung mit Ultraschall entstehen am Empfangsteil der Ultraschallwandler typischerweise Eingangsspannungen mit 50 bis 300 mV und mit einer Frequenz zwischen 0,5 und 2 MHz. Mit zunehmender Verschmutzung, die beispielsweise durch Kalk, Rost oder Magnetit verursacht wird, verringert sich die Empfangsspannung und damit wird auch die Qualität der Durchflussmessung schlechter, bis sie zuletzt gar nicht mehr möglich ist.

Darüber hinaus haben Ultraschallwandler Toleranzen, wodurch sie bei fester Frequenz nie in einem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden. Um die Frequenz auf den optimalen Arbeitspunkt zu justieren, müsste aber eine exakte Vermessung der Ultraschallwandlerleistung stattfinden.

Um ein Überwachungsverfahren zu schaffen, dass in einfacher Weise eine Justierung und eine zuverlässige Alterskontrolle ermöglicht, ist in der DE 101 18 934 A1 bereits ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen worden, bei dem ein Bestimmen des Tastverhältnisses des rechteckförmigen Datensignals erfolgt und daraus die absolute Höhe des Empfangssignals des Ultraschallwandlers mithilfe des Tastverhältnisses bestimmt wird.

Dieses Verfahren ist sehr genau und auch sehr einfach, wenn die Messanordnung so konzipiert ist, dass sowieso Tastverhältnisse bestimmt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass eine exakte Messung ohne Bestimmung des Tastverhältnisses möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwei Messungen der zeitlichen Lage (Nulldurchgang) des Empfangssignals mit überlagerten unterschiedlichen Offsetspannungen gemacht werden und dass die absolute Höhe des Empfangssignals aus dem Differenzlaufzeitsignal bestimmt wird.

Die Offsetspannungen können dabei entweder so gewählt sein, dass eine Offsetspannung einen positiven oder negativen Wert besitzt, während die andere den Wert Null hat, oder aber dass zwei Offsetspannungen gleicher Größe aber unterschiedlicher Polarität verwendet werden. Im letzteren Fall ergibt sich dann ein doppelt großes Differenzlaufzeitsignal.

Die erfindungsgemäße Messung der Laufzeit bedeutet grundsätzlich keine Verkomplizierung des Messaufbaus, da eine Laufzeitmessung des Ultraschallsignalpakets ja sowieso stattfinden muss. Bei dem Einsatz von Ultraschallwandlern, insbesondere in Durchflussmessgeräten für fluide Medien, wie dies beispielsweise in der DE 196 36 945 A1 , der DE 44 20 329 C1 und der DE 195 30 054 A1 beschrieben ist, werden nämlich in erster Linie Laufzeitunterschiede gemessen. Dabei wird ein in rechteckige Digitalsignale umgewandeltes Empfangssignal eines Ultraschallwandlers ebenfalls mittels eines Komparators oder einer Vergleichsschaltung weiterverarbeitet, wobei hier der Komparator allerdings nur dazu dient, eine genaue Flanke für das Empfangssignal zu erzeugen, damit die genannten Laufzeitunterschiede bestimmbar sind. Die Größe des jeweils ankommenden Ultraschallsignals und die absolute Größe der daraus vom Ultraschallwandler erzeugten Signalspannung sind aber keine relevanten Größen für diese bekannten Durchflussmessgeräte mit Ultraschallwandlern.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Verfahrens soll nun, ähnlich wie bei der DE 101 18 934 A1 , zusätzlich eine Absolutbestimmung der Empfangsspannung stattfinden, allerdings nicht über das Tastverhältnis der Signale, sondern über die Laufzeitdifferenzsignale zweier mit unterschiedlichen Offsetspannungen überlagerter Signale, um aus dieser entweder das Maß der Verstimmung gegenüber der optimalen Arbeitsfrequenz, oder aber ein Maß für die durch die Verschmutzung der Oberfläche des Ultraschallwandlers erzeugte Verschlechterung seiner Empfangsqualitäten zu erhalten.

Um Empfangsspannungen in dieser geringen Größe, wie sie bei Ultraschallwandlern auftreten, und insbesondere den hohen Frequenzen, die dabei verwendet werden, zu messen, würden nach dem Stand der Technik Analog-Digitalwandler benötigt. Diese sind aber für die Wechselspannungen mit 1 MHz relativ teuer. Eine Gleichrichtung der kurzen Impulse mit anschließender Vermessung mit einem langsamen AD-Wandler wäre ebenfalls mit einem erhöhten Aufwand verbunden. Alle diese Probleme lassen sich sehr einfach durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung lösen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 übereinanderliegende Diagramme einer sinusförmigen Signalspannung eines Ultraschallwandlers und der digitalisierten Rechteckspannung unter Einsatz einer Offsetschaltschwelle bei hohem Ultraschallsignal und
2 der 1 entsprechende Diagramme eines Ultraschallwandlersignals mit niedrigerer Amplitude.
In einem Ultraschallzähler werden die Empfangssignale typischerweise vor einer weiteren Verarbeitung in einem Komparator aufbereitet. Dieser hat den Zweck, aus einem sinusförmigen Eingangssignal 1 ein rechteckförmiges Digitalsignal 2 zu formen. Aus der zeitlichen Lage dieses Digitalsignals kann auf den Durchfluss geschlossen werden. Diese Verhältnisse sind bekannt und sollen daher an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden. Die Schaltschwelle des Komparators ist in der Regel auf dem Nulldurchgang des Empfangssignals gelegt, sodass ein Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis TH : TL von 1 : 1 am Ausgang des Komparators bei üblichen Ultraschallwandlermessgeräten ansteht. In den Figuren ist nun aber eine abgewandelte Funktionsweise dargestellt, bei der die Schaltschwelle für die Zeitdauer der Messung auf einen Wert ungleich des Nulldurchgangs (Uoffset) gelegt ist, sodass man aus dem Laufzeitunterschied dt1 der Laufzeit des Signals ohne überlagerte Offsetspannung und mit überlagerter Offsetspannung auf die absolute Höhe des Empfangssignals schließen kann.
Legt man nämlich die Schaltschwelle für die Zeitdauer der Messung auf einen Wert ungleich des Nulldurchgangs (Uoffset), so wird sich bei der Detektion der steigenden Flanke des Empfangssignals die zeitliche Lage desselben um einen Betrag dt nach hinten verschieben (bei der fallenden Flanke nach vorne). Das Maß für die Verschiebung ist ein Maß für die empfangene Spannung Ue. Je niedriger die empfangene Spannung ist, um so weiter wird die zeitliche Lage des Komparatorsignals verschoben. Dies ergibt sich aus dem Vergleich der 1 und 2, die jeweils Signale mit unterschiedlicher Absolutspannung Ue1 bzw. Ue2 zeigen. Bei Verwendung eines gleich hohen überlagerten Offsetsignals U_off _set ergibt sich ersichtlich in 2 ein erheblich größerer Wert des Differenzlaufzeitsignals dt2 gegenüber dem Differenzlaufzeitsignal dt1 in 1 mit einer hohen absoluten Empfangsspannung Ue1. Die gemessene „Zeitdifferenz" ist also direkt ein Maß für den Absolutwert der empfangenen Amplitude.
Anstelle der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem einmal ein Empfangssignal mit einer Offsetspannung mit einem positiven Wert mit einem Empfangssignal verglichen wird, bei dem die Offsetspannung Null ist, ließe sich, wie dies in den Figuren mit strichpunktierten Linien angedeutet ist, die Messung auch in der Weise ausgestalten, dass man einem Empfangssignal eine Offsetspannung mit positivem Wert und dem anderen eine mit negativem gleich hohem Wert überlagert. Als Differenzsignal erhält man dann ein doppelt so großes Differenzsignal 2dt1 bzw. 2dt2.

Claims

Verfahren zur Justierung und zur Alterskontrolle von Messgeräten mit Ultraschallwandlern, insbesondere Durchflussmessgeräte für fluide Medien, bei dem eine Absolutmessung der Empfangsspannung stattfindet, indem das Empfangssignal in einem Komparator in ein rechteckförmiges Digitalsignal mit einer um eine Offsetspannung gegenüber dem Nulldurchgang versetzten Schaltschwelle umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messungen der zeitlichen Lage- (Nulldurchgang) des Empfangssignals mit überlagerten unterschiedlichen Offsetspannungen gemacht werden und dass die absolute Höhe des Empfangssignals aus dem Differenzlaufzeitsignal bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Offsetspannung einen positiven oder negativen Wert besitzt und die andere Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Offsetspannungen gleiche Größe aber unterschiedliche Polarität besitzen.