DE10328662B4

DE10328662B4 - Verfahren zur Durchflußmessung mittels eines Ultraschall-Durchflußmessers

Info

Publication number: DE10328662B4
Application number: DE10328662A
Authority: DE
Inventors: Lars Ploug-Soerensen; Joergen Krusborg; Lars Jespersen; Esben Groenborg Brun
Original assignee: Siemens Flow Instruments AS
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-06-30
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2023-06-27
Also published as: US7027936B2; US20040030509A1; DE10328662A1; DK174756B1

Abstract

Verfahren zur Durchflußmessung eines Ultraschall-Durchflußmessers, bei dem stromaufwärts und stromabwärts ein Ultraschall-Signal gesendet und eine Zeitmessung in einem Startzeitpunkt bei Empfang des Ultraschallsignals ausgelöst und in einem Stopzeitpunkt angehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer ersten Folge von Sendungen die Startzeit bei jeder Sendung so lange inkrementiert oder dekrementiert wird, bis eine Zeitdifferenz (Δt) zwischen der Laufzeit des Stromaufwärts-Signals und der Laufzeit des Stromabwärts-Signals innerhalb eines Bezugsbereichs (Δt_bereich) liegt, wonach der Durchfluß auf der Basis der Zeitmessungen berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchflußmessung mittels eines Ultraschall-Durchflußmessers. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Messen der Laufzeiten zwischen Stromaufwärts- und Stromabwärts-Ultraschallsignalen sowie der Zeitdifferenz zwischen ihnen.
Die Zeitdifferenz ist proportional zum Durchfluß und dient in Laufzeit-Ultraschall-Durchflußmessern als Maß für den Durchfluß. Wenn die Zeitdifferenz Δt länger als die Periodendauer des Ultraschallsignals ist, ist eine genaue Messung der Zeitdifferenz aufgrund der Signalperiodizität schwierig. Zur Lösung dieses Problems sind bei bekannten Durchflußmessern Meßschaltungen vorgesehen, die praktisch unabhängig von der Größe von Δt sind, d. h. die Meßschaltung ermöglicht eine Messung mittels Ultraschall-Durchflußmessern, bei denen Δt größer als die Periodendauer des Signals ist. Ein Beispiel eines derartigen bekannten Meßverfahrens und einer derartigen bekannten Meßschaltung – auch "Trigger" genannt – wird nachstehend beschrieben, wobei die Hüllkurve des Stromaufwärts- und Stromabwärts-Signals eine entscheidende Rolle spielt.
Der Hauptzweck eines Triggers in einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflußmesser ist das Anzeigen der Ankunftszeit des Ultraschallsignals. Dies dient sowohl zum Messen der Differenz zwischen der Stromaufwärts- und der Stromabwärts-Laufzeit als auch zum Messen der beiden Laufzeiten. Aus diesen Werten kann der Durchfluß Q nach folgender Gleichung (1) berechnet werden:
Wobei Δt die Zeitdifferenz, t₁ und t₂ die Laufzeiten und k eine von der Form des Rohres, in dem der Durchfluß gemessen wird, abhängige Konstante ist. Wenn das Fluid bekannt ist, dessen Durchfluß gemessen wird, kann die Messung der beiden Laufzeiten durch Messen der Fluid-Temperatur und Berechnung der Schallgeschwindigkeit C anhand der folgenden bekannten Gleichung für die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur berechnet werden:
Darin sind Q der Durchfluß, k eine Konstante, Δt die Zeitdifferenz und C die Schallgeschwindigkeit.
1 stellt den Verlauf der Empfangssignale dar. Der Verlauf 1 entspricht dem eines in Strömungsrichtung ausgesandten Schallimpulses und der Verlauf 2 dem eines entgegen der Strömungsrichtung ausgesandten Schallimpulses. Der nachstehend benutzte Begriff "Nulldurchgang" entspricht praktisch dem Signal 0 (der Mitte des Spannungsverlaufs bei einer praktischen Ausführung) oder einem etwas kleineren oder einem etwas größeren Wert des Signals als Null. Nach 1 besteht das grundsätzliche Problem darin, die Laufzeit-Meßschaltung im "gleichen" Nulldurchgang des Stromaufwärts- und des Stromabwärts-Schallimpulses zu triggern oder auszulösen. Anderenfalls wird ein falsches Δt gemessen. Die Punkte P1 und P2 werden als gleiche Nulldurchgänge betrachtet, weil sie jeweils den gleichen Abstand von 3 ½ Perioden vom Empfangszeitpunkt des Schallimpulses haben. Ferner sind in 1 die Periodendauer t_sig des Schallsignals und die Zeitdifferenz Δt angegeben.
2 veranschaulicht, wie bei einem bekannten Ultraschall-Durchflußmesser die Hüllkurve des Ultraschallsignals zur Feststellung eines Nulldurchgangs benutzt wird, der unabhängig von der Größe von Δt ist. Das Eingangssignal S1 wird in einem Gleichrichter B1 gleichgerichtet, und das gleichgerichtete Signal S2 wird durch ein Bandpaßfilter B2 mit nichtminimalphasigem Verhalten geleitet. Nichtminimalphasensysteme haben ein Übergangsverhalten, bei dem die Anfangsrichtung der Antwort entgegengesetzt zur Richtung des Endwertes ist. Wenn daher die Filterparameter entsprechend gewählt werden, hat das Ausgangssignal S3 des Filters B2 einen genau definierten Nulldurchgang, der den Empfangszeitpunkt anzeigt. Ferner ist der Nulldurchgang unabhängig von der Amplitude des Empfangssignals. Der Nulldurchgang des Ausgangssignals S3 wird durch den Nulldurchgangs-Detektor B3 ermittelt, dessen Ausgangssignal S4 den Nulldurchgangs-Detektor B4 freigibt. Nach der Freigabe des Nulldurchgangs-Detektors B4 wird der nächste positive oder negative – abhängig von der jeweiligen Ausführungsform – Nulldurchgang im Original-Empfangssignal S1 durch den Nulldurchgangs-Detektor B4 detektiert, wodurch sich das Signal S5 ergibt. Der Zeitpunkt, in dem das Signal S5 von einem niedrigen auf einen hohen Wert wechselt, wird relativ zu dem Zeitpunkt gemessen, in dem der Schallimpuls ausgesendet wird (oder relativ zu einem anderen Zeitpunkt mit einer bekannten Lage relativ zum Sendezeitpunkt). Wenn die Zeit zwischen dem Nulldurchgang von S3 und dem folgenden Nulldurchgang von S1 sehr kurz ist, besteht die Gefahr, daß zwei verschiedene Nulldurchgänge von S1 aufgrund von statistischem Rauschen detektiert werden. Um diesen Fall zu vermeiden, wird detektiert, ob die beiden Nulldurchgänge zu dicht beieinander liegen, und wenn dies der Fall ist, wird das Sendesignal invertiert – und mithin auch das Empfangssignal. Die Folge der Invertierung des Empfangssignals ist, daß die zuvor sehr kurze Zeitdifferenz zwischen S3 und S1 nunmehr dicht bei der halben Periodendauer des Empfangssignals liegt. Die Laufzeit kann anhand des Nulldurchgangs des Signals S5 oder des Nulldurchgangs des Signals S4 gemessen werden. Nach Berechnung der Laufzeit eines Stromaufwärts-Signals, wie vorstehend beschrieben, kann das gleiche Verfahren bei dem Stromabwärts-Signal ausgeführt werden. Aus diesen beiden Laufzeiten wird die Zeitdifferenz Δt ermittelt und der Durchfluß Q berechnet.
Das beschriebene Detektionsverfahren ist bei Systemen geeignet, bei denen der Bereich von Δt unbekannt ist. Dies ist bei einem Universal-Ultraschall-Durchflußmesser, wie dem oben beschriebenen, der Fall, der für verschiedene Rohre mit unterschiedlichen Durchmessern benutzt wird. Ein derartiger Ultraschall-Durchflußmesser muß in der Lage sein, in einem sehr großen Bereich von Δt zu arbeiten. Bei einigen Systemen ist jedoch der Bereich von Δt durch die Fluid-Geschwindigkeit und/oder den mechanischen Aufbau der Ultraschall-Umformer begrenzt, was bedeutet, daß der Ultraschall-Umformer nach anderen Prinzipien und weniger anspruchsvoll ausgebildet sein kann. Eine solche Begrenzung von Δt liegt vor, wenn die beiden Ultraschall-Umformer, die am Rohr angebracht sind, sehr dicht beieinander liegen. Bekanntlich hat dann Δt einen Maximalwert von beispielsweise 1 μs. Ein weiterer Nachteil des bekannten, vorstehend beschriebenen Aufbaus ist die relativ aufwendige und daher kostspielige elektronische Schaltungsanordnung. Ein weiterer Schwachpunkt des Verfahrens ist die Abhängigkeit von einer stabilen Signalhüllkurve. Wenn beispielsweise ein Signalimpuls in dem Empfangssignal eine geringere Amplitude in Folge von elektrischem Rauschen oder Teilchen beziehungsweise Luftblasen in der Flüssigkeit hat, dann ändert sich die Hüllkurvenform, so daß ein falsches Δt berechnet wird.

In WO 00/73 804 A1 wird ein Verfahren mit Ultraschall-Durchflußmessern beschrieben, bei dem mindestens zwei Ultraschall-Durchflußmesser stromaufwärts und stromabwärts in einem durchströmten Rohr Wellenpakete aussenden und empfangen. Die Wellenpakete weisen ein Signal mit Nulldurchgängen auf, wobei die zeitlichen Abstände der Nulldurchgänge durch eine bekannte Frequenz des Wellenpaketes vorbestimmt sind. Die einzelnen ausgesendeten Wellenpakete unterscheiden sich in ihrer Frequenz. Der Beginn der einzelnen Wellenpakete ist beispielsweise ein Nulldurchgang. Nach dem Prinzip von "Versuch und Irrtum" wird dieser erste Nulldurchgang eines Wellenpaketes identifiziert. Meßvorrichtungen geben diese Nulldurchgänge an eine Recheneinheit weiter, die daraus die Geschwindigkeit des Mediums in dem Rohr berechnet.

In EP 0 855 577 A1 wird ein Verfahren zur selbsttätigen Einstellung von Parametern eines Ultraschall-Meßwertgebers angegeben, bei dem eine Sende- und eine Empfangsschaltung ein Zeitmeßglied steuern, um die Laufzeit eines Ultraschallsignals zu bestimmen. Zur Bestimmung der Laufzeit des Ultraschallsignals gibt die Sendeschaltung ein Ultraschallburst in Form eines periodischen unipolaren rechteckförmigen Wellenzugs ab, der zwischen einem Bezugspotential und einem maximalen Potential verläuft und zu Signalbeginn ein Potential zwischen dem minimal und maximal vorkommenden Potential annimmt. Beim Aussenden des Ultraschallburst startet gleichzeitig ein Zähler in einem Zeitmeßglied. Eine Empfangsschaltung erfaßt den eintreffenden Ultraschallburst und stoppt die Zeitmessung. Zur selbsttätigen Einstellung von Parametern des Ultraschall-Meßwert gebers werden mehrere einzelne Laufzeitmessungen mit jeweils verschiedenen Werten der Parameter durchgeführt, beispielsweise durch Änderung der Sendepolarität.

In EP 1 211 488 A2 wird ein Ultraschall-Durchflußmesser beschrieben, der zwei Ultraschallwandler aufweist, die an einem Rohr jeweils stromaufwärts und stromabwärts angeordnet sind. Eine Durchflußmenge durch das Rohr wird aus einer Laufzeit eines stromaufwärts gesendeten Signals, einer Laufzeit eines stromabwärts gesendeten Signals, der Schallgeschwindigkeit und dem Abstand zwischen den beiden Ultraschallwandlern ermittelt. Die Laufzeitbestimmung der Ultraschallwellen basiert dabei auf einer Verrechnung von Nulldurchgängen und Maximalwerten der gesendeten Ultraschallsignale.

DE 196 11 233 A1 zeigt ein Verfahren zur Laufzeitmessung eines elektrischen, elektromagnetischen oder akustischen Signals, das für Ultraschall-Durchflußmessungen verwendet werden kann. Dabei wird ein Signal, das einen Empfänger als über mehrere Schwingungen ansteigende und wieder abfallende Wellengruppe erreicht, während eines Meßfensters abgetastet, digitalisiert, abgespeichert und mit einem Referenzsignal korreliert. Das Referenzsignal ist vorzugsweise ein bei ungestörter Übertragung abgespeichertes Empfangssignal.

In EP 0 981 201 A2 wird eine Vorrichtung zur Nulldurchgangserfassung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Nulldurchgangs beschrieben. Es wird ein Wellenpaket mit zunehmender und abnehmender Amplitude einer wechselförmigen Spannung erzeugt. Mit einer Steuereinrichtung wird die höchste Amplitude des empfangenen Wellenpakets ermittelt und mit einem zuvor abgespeicherten Wellenpaket verglichen. Hierzu wird ein Spannungswert eines Pre-Triggers verwendet.

In EP 0 452 531 B1 wird eine elektrische Meßeinrichtung und ein Verfahren für die Laufzeitbestimmung eines elektrischen, elektromagnetischen und akustischen Signals zwischen einem Sender und einem Empfänger gezeigt. Der Sender gibt Rechteckimpulse ab, die durch Deformation während der Laufzeit über mehrere Schwingungen ansteigende und wieder abfallende Wellengruppen am Empfänger bilden. Zur Ermittlung der Laufzeit zwischen einem Sendezeitpunkt des vom Sender ausgesendeten Rechteckimpulses und dem Zeitpunkt des ersten Eintreffens des empfangenen Signals wird die Einhüllende der aufsteigenden Wellengruppe des Empfangssignals gebildet. Der Sende- und Empfangsvorgang wird durch mehrmalige Impulsaussendung wiederholt. Dabei wird eine Schwellenspannung abgesenkt und der jeweilige Wert der Schwellenspannung wird mit Spitzenwerten der Amplituden des Empfangssignals einer Polaritätsrichtung verglichen. Aus den Schwellenwerten wird die Einhüllende der aufsteigenden Wellengruppe des Empfangssignals gebildet, so daß der Schnittpunkt der Einhüllenden mit der Nullinie der Wellengruppe des Empfangssignals als Zeitpunkt des ersten Eintreffens des Empfangssignals beim Empfänger definiert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Durchflußmessung mittels eines Ultraschall-Durchflußmessers anzugeben, das einfacher durchzuführen ist und mit weniger elektronischen Bauteilen auskommt, aber dennoch ein verläßliches Maß für die Differenz Δt der Laufzeiten ergibt.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung beruht mithin auf der Anwendung des Prinzips von "Versuch und Irrtum". Während der ersten Sendefolge wird eine Vielzahl von Sendungen ausgeführt, bei denen jeweils ein Ultraschallsignal stromabwärts und stromaufwärts gesendet wird. Der Anfangszeitpunkt der Laufzeitmessung bei der ersten Sendefolge beruht auf einer annähernd genauen Abschätzung des Zeitpunkts, in dem der ankommende Ultraschallimpuls eintrifft. Wenn Δt innerhalb des Bezugsbereiches liegt, dann war der gewählte Anfangszeitpunkt richtig. Wenn nicht, wird eine zweite Sendung eingeleitet, doch wird diesmal der Anfangszeitpunkt um einen solchen Betrag inkrementiert oder dekrementiert, daß die Erfolgschance steigt. Diese Sendungen werden so lange wiederholt, bis Δt innerhalb des Bezugsbereiches liegt. Der Idealfall ist der, daß der anfängliche Schätzwert des Anfangszeitpunkts dem Optimum entspricht. In diesem Fall wird nur eine Sendung ausgeführt. Das Verfahren ist besonders bei Ultraschall-Durchflußmessern mit kleinem Δt geeignet. Das erfindungsgemäße Trigger- oder Auslöseverfahren ermöglicht es, einen großen Teil der Trigger-Hardware entfallen zu lassen, so daß die Kosten gesenkt werden. Im Vergleich zu 2 können die elektronischen Schaltungen B1 und B2 entfallen. Das Verfahren hat den weiteren Vorteil, daß es einfach zu realisieren und sehr robust ist. So ist das Verfahren praktisch unabhängig von Signalverzerrungen, weil es auf der Ermittlung von Nulldurchgängen basiert.

Nach der ersten Sendefolge und nachdem Δt in den Bezugsbereich gebracht wurde, kann eine zweite Sendefolge ausgelöst werden. Obwohl die Anwendung einer ersten Sendefolge ausreichend ist, um Δt und den Durchfluß Q richtig zu berechnen, ergibt sich eine Verbesserung durch Einleitung einer zweiten Sendefolge, die unmittelbar auf die erste Sendefolge folgt. Die zweite Folge löst das Problem, daß sich die Laufzeit und mithin die Nulldurchgänge des empfangenen Ultraschallsignals in Folge von Temperaturänderungen eines flüssigen Fluids ändern. Die zweite Sendefolge wird so lange wiederholt, bis die Zeitspanne zwischen der Anfangszeit und einer Stopzeit der Zeitmessung gleich einem Vielfachen (1,2,3...) der halben Periodendauer des Ultraschallsignals ist. Es wird jedoch eine vollständige Periodendauer des Ultraschallsignals als Bezugswert bevorzugt. Die Anwendung der halben Periodendauer als Bezugsgröße kann vorzuziehen sein, wenn eine Zeitgeberschaltung ohne Nichtlinearitäten benutzt wird. Dieser zweiten Maßnahme des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt der Gedanke zugrunde, die mittlere Zeit vom Anfangszeitpunkt bis zum Stopzeitpunkt konstant zu halten, so daß die Anfangs- und Stopzeiten unabhängig von Temperaturänderungen im Fluid in eine optimale Position gebracht werden.

Die erste und die zweite Sendefolge kann in vorteilhafter Weise durch eine dritte Folge ergänzt werden, wobei die Anfangszeit so lange inkrementiert oder dekrementiert wird, bis eine Differenz zwischen einem berechneten mittleren Laufzeitwert und einem Bezugswert innerhalb eines Bezugsbereichs liegt. Der Bezugswert wird in Abhängigkeit von der Fluid-Temperatur bestimmt, die entweder gemessen oder berechnet wird.

Die Inkrementierung oder Dekrementierung der Anfangszeit in der dritten Sendefolge erfolgt bevorzugt schrittweise mit einer zeitlichen Auflösung, die annähernd der Periodendauer des Empfangssignals entspricht. Normalerweise tritt eine geringfügige Änderung der Periodendauer des Empfangssignals in Folge von Temperaturdifferenzen in den Umformern auf. So ist bei einem Sendesignal mit einer Frequenz von 1 MHz eine Frequenzänderung von +/- 40 kHz zu erwarten, doch hat dies in der Praxis keinen Einfluß. Daher kann eine zeitliche Auflösung angewandt werden, die um einen kleinen Betrag von der Periodendauer abweicht.

Was die erste Sendefolge betrifft, so kann die zeitliche Auflösung, die bei der Positionierung der Anfangszeit angewandt wird, dem zeitlichen Auflösungsvermögen einer digitalen Steuereinheit entsprechen.

Die Laufzeitmessung, die im Anfangszeitpunkt ausgelöst wird, kann im ersten positiven oder negativen Nulldurchgang des empfangenen Ultraschallsignals gestoppt werden, doch erfordert dies die Anwendung schneller elektronischer Schaltungen. Vorzugsweise wird die Lauf zeitmessung im ersten positiven Nulldurchgang gestoppt, der auf einen negativen Nulldurchgang des empfangenen Ultraschallsignals folgt, weil dies ermöglicht, daß die Ströme und Spannungen in den elektronischen Schaltungen ihren eingeschwungenen Zustand einnehmen, so daß Nichtlinearitäten vermieden werden. Es ist aber auch möglich, die Reihenfolge der Nulldurchgänge, die das Stoppen bestimmt, umzukehren, so daß bei einem negativen Nulldurchgang, der auf einen positiven folgt, gestoppt wird.

Vorzugsweise ist die Anfangszeit der ersten Aussendung bei der ersten Sendefolge ein fester Wert, der in einem Speicher gespeichert werden kann. Die feste Anfangszeit wird so gewählt, daß etwa in der Mitte oder in der ersten Hälfte der empfangenen Impulsfolge angefangen wird, wodurch ein Signal mit zum Messen ausreichender Amplitude sichergestellt wird.

Der Bezugsbereich der ersten Sendefolge ist durch Δt_max und Δt_min begrenzt, und die Breite des Bereichs ist kleiner als die Periodendauer des Ultraschall-Empfangssignals. Vorzugsweise wird der Bezugsbereich durch Hinzufügung eines Sicherheitsrandes zum Bezugsbereich eingeengt. Der Sicherheitsrand besteht zumindest aus der zeitlichen Auflösung, kann aber auch die Dauer eines zeitlichen Rauschens umfassen. Durch die Einbeziehung eines Sicherheitsrandes in den Bezugsbereich wird eine größere Stabilität des Verfahrens erreicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Darin stellen dar:
1 ein Amplituden-Zeit-Diagramm eines Stromaufwärts- und Stromabwärts-Signals, das durch ein Fluid in einem Rohr geleitet und durch Ultraschallumformer erzeugt wird,
2 ein bekanntes Meßverfahren zum Ermitteln von Δt,
3 ein erfindungsgemäßes Impuls-Zeit-Diagramm,
4 den erfindungsgemäßen Bezugsbereich der Zeitdifferenz Δt,
5 ein erfindungsgemäßes Ablaufdiagramm und
6 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Trigger- oder Auslöseverfahrens für Ultraschall-Durchflußmesser beschrieben, die zum Messen des Durchflusses eines Fluids mit einem bekannten Zusammenhang zwischen der Schallgeschwindigkeit in dem Fluid und seiner Temperatur benutzt werden, wobei die Zeitdifferenz Δt zwischen den stromaufwärts und stromabwärts ausgesandten Signalen auf die Periodendauer t_sig oder weniger des empfangenden Ultraschallsignals begrenzt ist (d.h. auf etwa 1 μs bei den meisten üblichen Ultraschall-Umformern).
Nach 3 wird sowohl bei dem stromaufwärts als auch dem stromabwärts empfangenen Signal die nachstehende Reihenfolge ausgeführt.

1) In einem bestimmten Augenblick löst ein Signal DS START, die Laufzeitmeßeinrichtung aus. Der Zeitpunkt von DS START steht in einem bekannten Zusammenhang mit der Laufzeit und muß in dem Hauptteil des Empfangssignals liegen.
2) Die Meßeinrichtung wird durch ein Signal DS_STOP gestoppt, bei dem es sich um die erste positiv ansteigende Flanke handelt, die auf eine negativ ansteigende bzw. abfallende Flanke im Empfangssignal folgt. Durch Ausnutzung der negativ ansteigenden Flanke zur Bestimmung der positiv ansteigenden Flanke als Stop-Signal ist stets sichergestellt, daß eine möglichst kurze Meßzeit von maximal einer halben Periodendauer des Empfangssignals benutzt wird, so daß Nichtlinearitäten der Meßeinrichtung und der Freigabelogik, die anderenfalls möglich sind, wenn die Meßzeit-Intervalle nahe bei Null liegen, vermieden werden.

3 stellt vier verschiedene Triggerfälle 1 bis 4 dar. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur die digitalisierten Empfangssignale der Ultraschallimpulse (Bursts) (RX_AUF (gestrichelte Linie) und RX_AB) dargestellt. Die dargestellten Signale entsprechen einem positiven Durchfluß, d.h. einem Durchfluß in der Richtung, in der das Stromabwärts-Signal schneller als das Stromaufwärts-Signal ist. Für alle vier Fälle ist das resultierende Eingangssignal (DS_LAUFZEIT) der Lauf zeit-Meßeinrichtung dargestellt. Die ansteigende Flanke des Signals DS_LAUFZEIT entspricht dem Signal DS_START, und die abfallenden Flanken entsprechen den Signalen DS_STOP, die für jede Stromaufwärts- und Stromabwärts-Messung erzeugt werden. In den Fällen 1 bis 3 wird die richtige Zeitdifferenz Δt gemessen, wie es durch die kurzen Pfeile angedeutet ist. Betrachtet man den Fall 1 als Beispiel, dann wird nach der Erzeugung des Sendesignals in Stromabwärts-Richtung ein Zeitgeber im Zeitpunkt t_a (anfänglich im Zeitpunkt DS_START_ANF) gestartet beziehungsweise ausgelöst und im Zeitpunkt t_b gestoppt, wenn einer abfallenden Flanke eine ansteigende Flanke im Signal RX_AB folgt. Damit ist die Stromabwärts-Laufzeit gemessen.
Nach Erzeugung des Sendesignals in Stromaufwärts-Richtung wird ein Zeitgeber im Zeitpunkt t_a gestartet und im Zeitpunkt t_c gestoppt, wenn einer abfallenden Flanke eine ansteigende Flanke im Signal RX_AUF folgt. Damit ist die Stromaufwärts-Laufzeit gemessen. Durch Subtrahieren der Stromabwärts-Laufzeit von der Stromaufwärts-Laufzeit ergibt sich eine positive Zeitdifferenz Δt. Im Fall 4 ergibt das Auslösen des Signals DS_START einen falschen Meßwert von Δt, weil der Zähler erst im Zeitpunkt t_d angehalten wird. Die Zeitdifferenz Δt wird negativ, wie durch den in entgegengesetzter Richtung zu dem im Fall 1 zeigenden Pfeil angedeutet ist. Da verschiedene Nulldurchgänge der Stromaufwärts- und Stromabwärts-Signale miteinander verglichen werden, darf dieser Meßwert mithin nicht benutzt werden.
Die gültigen Bereiche für das Signal DS_START sind in 3 mit dem Buchstaben A bezeichnet, während die ungültigen Bereiche mit dem Buchstaben B bezeichnet sind. Mit zunehmender Durchflußgeschwindigkeit nehmen die Bereiche A ab, während die Bereiche B entsprechend zunehmen, wobei nur die Startposition im Fall 2 als gültig gilt, wenn die Verschiebung zwischen den Messungen den Maximalwert von einer Signalperiode erreicht hat. Um zwischen gültigen und ungültigen Messungen zu unterscheiden, muß der Bereich von Δt begrenzt werden, so daß er kleiner als die Signalperiodendauer t_sig ist. Somit gilt folgendes:

– Für den maximalen Meßbereich gilt: Δtbereich = Δtmax – Δtmin < tsig
– Bei positivem Durchfluß ergibt eine falsche Messung ein gemessenes Δt von: Δtmeß = Δt – tsig.
– Bei negativem Durchfluß ergibt eine falsche Messung ein gemessenes Δt von: Δtmeß = Δt + tsig.

Wenn jedoch die Startzeit neu eingestellt wird, dann sind einige Einschränkungen zu berücksichtigen. Erstens kann der Zeitpunkt von DS_START nur mit einer minimalen Auflösung t_aufl gemäß 3 eingestellt werden, die durch die Taktauflösung eines Mikrocontroller bestimmt wird. Eine typische Auflösung beträgt 250 ns bei einem mit einer Taktfrequenz von 4 MHz betriebenen Mikrocontroller. Zweitens ist es zeitliche Rauschen t_n von Spitze zu Spitze, gemessen an der (abfallenden) qualifizierenden Flanke des Empfangssignals (RX_AUF/RX_AB) relativ zu DS_START (das Rauschen ist teilweise ein thermisches Rauschen in der Schaltungsanordnung und ein durch Durchflußschwankungen verursachtes Rauschen).
Dies führt zu den nachstehenden praktischen Einschränkungen des Bezugswertes:
Bei positivem Durchfluß, Δt > 0: Δtmax < t_sig – (t_aufl + t_n)
Bei negativem Durchfluß, Δt < 0: – Δt_min< t_sig – (t_aufl + t_n)
4 stellt die Verhältnisse zwischen Δt_gemessen Δt_max, Δt_min, t_aufl, t_n und dem wahren Δt dar. Die durchgehende Kurve entspricht erfolgreichen Messungen von Δt, und die gestrichelte Kurve entspricht falschen Messungen von Δt, Δt_fehler. Die Kästchen t_aufl + t_n entsprechen den oben erwähnten Ungleichheiten. Die Ergebnisse werden nicht verwendet, wenn sie außerhalb der Grenzen von Δt_min und Δt_max liegen. Betrachtet man den Fall, daß Δt_max die einschränkende Größe in 4 ist, dann ist ersichtlich, daß die beschränkte Auflösung von DS_START, t_aufl und des Rauschens t_n einen ähnlichen Betrag des negativen Durchflusses Δt_min gestattet, und umgekehrt. Wenn Δt_min die einschränkende Größe ist, dann ist das Entgegengesetzte der Fall.
Das erfindungsgemäße Trigger- oder Auslöseverfahren hat drei verschiedene Aktionsstufen L1, L2, L3, die alle die Durchführung von Einstellungen des Wertes von DS_START betreffen, der für die folgenden Messungen benutzt wird. Bevor alle Paare von Stromaufwärts- und Stromabwärts-Messungen ausgeführt werden, wird DS_START wie folgt berechnet: DS_START = DS_START_ANF + L1 + L2 + L3.
Mit DS_START_ANF ist der Anfangswert von DS_START bezeichnet. L1, L2, L3 sind die Einstellergebnisse für jede Auslösestufe. Der Anfangswert ist Null.
Die Stufe 1 des Auslöseverfahrens bildet die Basis der Auslösefunktion, die sicherstellt, daß Δt im gleichen Nulldurchgang (relativ zum Signalstart) im Stromaufwärts- und Stromabwärts-Signal gemessen wird. Das Verfahren in Stufe 1 ist folgendes: Wenn Δt_gemessen außerhalb des Intervalls [Δt_min; Δt_max] liegt, wird L1 in Stufen von t_aufl inkrementiert, und zwar in folgender Reihenfolge : L1 = (0 – 1 – 2...(n – 1) – 0 – 1 – 2...)·t_aufl, wobei n = etwa (t_sig/t_aufl) ist. Das heißt, L1 überstreicht eine Periode t_sig des Empfangssignals.
Da nur Stufe 1 der Auslösung benutzt wird, hat dies wegen der Änderung der Laufzeit mit der Temperatur des Fluids zur Folge, daß sich der zur Messung benutzte Signal-Nulldurchgang ändert.
Die Stufe 2 der Auslösung wird nur, nach Durchlaufen der Stufe 1 ohne Einstellungen, benutzt. Der Zweck der Stufe 2 ist, die mittlere Zeit von DS_START bis DS_STOP (d.h. DS_LAUFZEIT) innerhalb der Grenzen konstant zu halten, die durch t_aufl bestimmt sind. Durch Wahl von t_sig als Zielzeit für den Mittelwert von DS_LAUFZEIT wird der Anfangspunkt DS START in der optimaleren Posi tion (entsprechend dem Fa11 2 in 3) gehalten, in der der Zeitabstand zu den Fehlerauslösungsbereichen B so lang wie möglich ist.
Die Wirkungsweise in Stufe 2 ist folgende: Es wird der Mittelwert der stromaufwärts- und stromabwärts gemessenen DS_LAUFZEITEN gemessen. Wenn der Mittelwert um mehr als +/- t_korr, von t_sig abweicht, wird L2 in Schritten von t_aufl entsprechend nach oben oder unten korrigiert. Der Korrekturgrenzwert von t_korr ist von t_aufl abhängig und sollte größer als t_aufl/2 sein, weil eine kleinere Korrektur als t_aufl den Abstand des optimalen Punktes in unerwünschter Weise erhöhen würde.
Nachdem in Stufe 2 ein Teil des Auslöseverfahrens ausgeführt worden ist, zieht der Auslösepunkt das empfangene Signal mit, sofern keine Signalausfälle auftreten. Um zu ermöglichen, daß das Signal auf alle Fälle mitgezogen wird, wird die dritte Auslösestufe benutzt. Stufe 3 der Auslösung wird nur benutzt, wenn Stufe 2 ohne Korrekturen (Neueinstellungen) ausgeführt worden ist. Der Zweck von Stufe 3 besteht darin, einen bestimmten Nulldurchgang im Empfangssignal bei allen Fluidtemperaturen mitzuziehen. Die gemessene Fluidtemperatur und die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Fluidtemperatur wird zur Berechnung der erwarteten mittleren Laufzeit von der Aussendung bis zum Empfang benutzt.
In Stufe 3 ist die Wirkungsweise folgende: Es wird die unmittelbar gemessene Laufzeit (DS_START + DS_LAUFZEIT – SIGNAL_OFFSET (*)) mit der erwarteten Laufzeit entsprechend der gemessenen Temperatur verglichen. Wenn das Vergleichsergebnis außerhalb der Grenzen von +/- t_sig/2 liegt, wird L3 in Schritten von t_sig nach oben oder unten korrigiert.
((*) SIGNAL_OFFSET ist der Abstand vom Empfangssignalstart bis zum bevorzugten Nulldurchgang des Signals).
Neben dem Ergebnis, daß ein konstanter Nulldurchgang im Signal mitgezogen wird, hat Stufe 3 den zusätzlichen Vorteil, daß es jetzt möglich ist, die gemessene Laufzeit bei der Durchflußberechnung anstelle der indirekt über die Temperatur gemessenen Laufzeit zu benutzen. Dies ermöglicht es, die Temperatur relativ grob zu messen, ohne die Durchflußmessung zu beeinträchtigen. Das in 3 dargestellte Ablaufdiagramm beschreibt die drei Stufen.
6 ist ein Blockschaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Ultraschall-Durchflußmessers 14. Ein Generator 4 erzeugt einen Erregungsimpuls für eine Eingangsstufe 5. Mit dieser Schaltung sind Ultraschall-Umformer 3 verbunden. Durch diese Eingangsstufe 5 werden die Ultraschall-Empfangssignale an einen Komparator 6 weitergeleitet, der die analogen Signale in digitale Signale umsetzt. Die digitalen Impulse werden einem ersten Flipflop 7 und einem zweiten Flipflop 8 zugeführt. Das zweite Flipflop 8 wird durch das Ausgangssignal des ersten Flipflop freigegeben (gesetzt), und das erste Flipflop 7 wird durch das Signal DS_START einer Freigabelogik 13 freigegeben, die in einem Mikrocontroller 11 angeordnet ist. Die Eingangssignale der Freigabelogik sind die Zeitdifferenz Δt, die beiden Sendezeiten (t1, t2) und die Fluidtemperatur. Die Zeitdifferenz und die Sendezeiten werden einer Zeitmeßschaltung 10 zugeführt, die die Dauer des Signals DS_LAUFZEIT mißt, die die Differenz zwischen dem Startsignal DS_START und dem Stopsignal DS_STOP darstellt. Das Stopsignal DS_STOP (negiert) ist das Ausgangssignal des zweiten Flipflop 8 und wird einer UND-Schaltung 9 zugeführt. In dem Block 12 ist die Gruppe von Parametern angegeben, die in der Freigabelogik zur Erzeugung des Startsignals beziehungsweise der Startzeit DS_START benutzt werden. Von einem Ausgang "Kanalwahl" des Mikrocontrollers 11 wird der Eingangsstufe 5 ein Kanalwählsignal zugeführt, durch das die Gruppe der zu benutzenden Umformer ausgewählt wird.
Wegen der kurzen Zeitdifferenz Δt müssen unterschiedliche Zeitpunkte der Erzeugung des Stromaufwärts- und des Stromabwärtssignals vermieden werden. Derartige Unterschiede können auftreten, wenn zwei verschiedene elektronische Sende- und Empfangsschaltungen benutzt werden, bei denen unterschiedliche Bauelement-Toleranzen Differenzen in der Laufzeit der Signale bewirken. Selbst kleine Differenzen haben große Meßfehler bei Ultraschall-Meßvorrichtungen mit kleinem Δt zur Folge. Zur Lösung dieses Problems wird als Eingangsstufe 5 eine Schaltung verwendet, wie sie in der DE 10048959 A1 beschrieben ist. In dieser Schaltung werden zum Senden und Empfangen ein und dieselben Bauelemente benutzt, so daß Δt weder durch Bauelement-Toleranzen noch durch Temperaturdifferenzen beeinflußt wird.
Die Breite des typischen Bezugsbereichs beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 20 ns bis 600 ns. Wenn das gemessene Δt nicht in diesen Bereich fällt, wird diese Messung übergangen.

Claims

Verfahren zur Durchflußmessung eines Ultraschall-Durchflußmessers, bei dem stromaufwärts und stromabwärts ein Ultraschall-Signal gesendet und eine Zeitmessung in einem Startzeitpunkt bei Empfang des Ultraschallsignals ausgelöst und in einem Stopzeitpunkt angehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer ersten Folge von Sendungen die Startzeit bei jeder Sendung so lange inkrementiert oder dekrementiert wird, bis eine Zeitdifferenz (Δt) zwischen der Laufzeit des Stromaufwärts-Signals und der Laufzeit des Stromabwärts-Signals innerhalb eines Bezugsbereichs (Δt_bereich) liegt, wonach der Durchfluß auf der Basis der Zeitmessungen berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die erste Folge von Sendungen eine zweite Folge von Sendungen ausgeführt wird, bei der der Startzeitpunkt jeder Sendung so lange inkrementiert oder dekrementiert wird, bis die Zeitspanne (DS_LAUFZEIT) zwischen dem Startzeitpunkt (DS_START) und der Stopzeit (DS_STOP) etwa gleich einem Vielfachen der halben Periodendauer des Ultraschallsignals, vorzugsweise jedoch gleich der Periodendauer ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die erste und die zweite Folge eine dritte Folge von Sendungen folgt und der Startzeitpunkt in der dritten Folge von Sendungen so lange inkrementiert oder dekrementiert wird, bis eine Differenz zwischen einer berechneten mittleren Laufzeit und einem Bezugswert der Laufzeit, der auf der Basis der Fluidtemperatur bestimmt wird, innerhalb eines Bezugsbereiches liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Inkrementierung oder Dekrementierung während der dritten Sendefolge in Schritten mit einem zeitlichen Auflösungsvermögen (t_sig) erfolgt, die annähernd gleich der Periodendauer des Empfangssignals ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inkrementierung oder Dekrementierung in Schritten mit einer zeitlichen Auflösung (t_aufl) erfolgt, die durch das zeitliche Auflösungsvermögen eines Mikrocontrollers in dem Ultraschall-Durchflußmesser bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmessung nach dem Startzeitpunkt im ersten positiven Nulldurchgang des empfangenden Ultraschallsignals oder im ersten negativen Nulldurchgang angehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmessung nach dem Startzeitpunkt im ersten positiven Nulldurchgang nach einem negativen Nulldurchgang des empfangenden Ultraschallsignals angehalten wird, oder umgekehrt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Startzeitpunkt bei der ersten Sendung in der ersten Folge von Sendungen ein fester Wert (DS_START_AUSL) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsbereich (Δt_bereich) durch eine maximale Zeitdifferenz (Δt_max) und eine minimale Zeitdifferenz (Δt_min) begrenzt wird, wobei die Dauer des Bezugsbereichs kleiner als die Periodendauer (t_sig) des Ultraschall-Empfangssignals ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsbereich mit einem Sicherheitsrand versehen wird, wobei der Sicherheitsrand wenigstens der zeitlichen Auflösung (t_aufl) der Inkrementierungs- oder Dekrementierungsschritte, vorzugsweise der Summe einer Auflösung und der Dauer eines zeitlichen Rauschens (t_n) entspricht.