DE112017004026T5

DE112017004026T5 - Systeme und Verfahren zur Leistungssteuerung in Ultraschallsensoren

Info

Publication number: DE112017004026T5
Application number: DE112017004026.4T
Authority: DE
Inventors: B. Reimer Lawrence; Gregory P. Murphy
Original assignee: SSI Technologies LLC
Current assignee: SSI Technologies LLC
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2019-05-02
Also published as: CN109564193A; US10168200B2; CN109564193B; WO2018031643A1; US20180045554A1

Abstract

Ein System und Verfahren zur Steuerung der Energie der zur Flüssigkeitsmessung erzeugten Schallwellen. Das System umfasst einen Wandler, der eine erste Schallwelle und eine zweite Schallwelle erzeugt und ein erstes Echo der ersten und zweiten Schallwelle detektiert. Das System umfasst zudem einen Treiber, der den Wandler steuert, damit dieser die erste und zweite Schallwelle erzeugt. Überdies umfasst das System einen Controller, der dazu dient, eine Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle zu vergleichen. Der Controller dient dazu, den Treiber auf der Basis eines Vergleichs der Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle zu steuern.

Description

HINTERGRUND
Ultraschallwandler können zur Messung des Füllstands einer Flüssigkeit (z.B. Dieselabgasflüssigkeit (DEF)) in einem Behälter sowie des spezifischen Gewichts der Flüssigkeit verwendet werden, um die Qualität, Konzentration, Viskosität oder Klasse (bei Ölen) der Flüssigkeit zu bestimmen. Der Wandler wird entweder am Oberteil oder am Boden des die Flüssigkeit enthaltenen Tanks angeordnet. Der Wandler erzeugt ein Ultraschallsignal und es wird die Zeit gemessen, die es dauert, bis das Signal von dem am Oberteil oder Boden des Tanks angeordneten Wandler zu der Oberfläche der Flüssigkeit gesendet wird, von der Oberfläche der Flüssigkeit reflektiert wird und zu dem Wandler zurückkehrt. Während der Messung des von der Oberfläche der Flüssigkeit reflektierten Ultraschallsignals können Phasenfehler und Fehler der Schallkeulenverschiebung auftreten, und zwar aufgrund des Überschwappens der Flüssigkeit, Thermokline in der Flüssigkeit und aus anderen Gründen. Diese Fehler beeinträchtigen die Messgenauigkeit der verschiedenen Eigenschaften der Flüssigkeit.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Algorithmus zur Behandlung von Messfehlern in einem Flüssigkeitsmesssystem bereitgestellt, indem die Energie der Schallwelle so gesteuert wird, dass die empfangene Echoamplitude von einer Amplitude zur nächsten möglichst auf einem konstanten Pegel gehalten wird. Phasenfehler, Amplitudendifferenzen und Schallkeulenverschiebungen von einer Echorückstrahlung zur nächsten sind sämtlich Anzeichen für eine sich ändernde Amplitude in dem empfangenen Echo. Durch die Messung einer oder aller dieser Eigenschaften kann die Schallenergie in dem Maße erhöht oder verringert werden, wie es notwendig ist, die mit der zurückgesendeten Echoamplitude verbundenen Auswirkungen von Zeitmessfehlern zu verringern, wodurch die Genauigkeit und Wiederhohlbarkeit der Zeitmessung erhöht wird.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung wird ein System zur Steuerung der Energie der in einem Flüssigkeitsmesssystem erzeugten Schallwellen bereitgestellt. Das Flüssigkeitsmesssystem umfasst einen Wandler, einen Controller und einen Treiber. Der Wandler erzeugt eine erste Schallwelle und eine zweite Schallwelle in einem Tank, in dem sich eine Flüssigkeit befindet, und detektiert ein erstes Echo der ersten und der zweiten Schallwelle. Der Controller ist dazu ausgebildet, eine Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle zu vergleichen. Der Treiber ist dazu ausgebildet, den Wandler entsprechend dem Vergleich der Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle zu steuern.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung wird ein Verfahren zur Steuerung einer Schallkeulenverschiebung bereitgestellt, wobei die zeitlichen Differenzen zwischen benachbarten Reflexionen gemessen werden und der Treiber dazu ausgebildet ist, den die Schallwelle erzeugenden Wandler auf der Basis der Messung der zeitlichen Differenz zwischen benachbarten Reflexionen anzusteuern.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung wird ein Verfahren zur Steuerung der Energie der in einem Flüssigkeitsmesssystem erzeugten Schallwellen mittels eines vorbestimmten Schwellenwertes bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Erzeugen einer ersten und einer zweiten Schallwelle mithilfe eines Wandlers in einem Tank, in dem sich eine Flüssigkeit befindet. Gemäß dem Verfahren empfängt der Wandler zudem ein erstes Echo der ersten und der zweiten Schallwelle und mithilfe eines Controllers wird eine Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten Schallwelle und der zweiten Schallwelle verglichen. Zudem umfasst das Verfahren das Ansteuern des Wandlers mithilfe eines Treibers auf der Basis des Vergleichs der Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle.
Weitere Aspekte der Erfindung werden anhand der detaillierten Beschreibung und der Begleitzeichnungen ersichtlich.
Figurenliste
Die Begleitzeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen identische oder funktional ähnliche Elemente in den einzelnen Ansichten bezeichnen, werden zusammen mit der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in die Patentschrift aufgenommen und sind Teil dieser; sie dienen dazu, die die Ausgestaltungen der Konzepte, die die beanspruchte Erfindung umfassen, näher zu erläutern und die verschiedenen Prinzipien und Vorteile dieser Ausgestaltungen zu erklären.

1 ist ein Diagramm eines Flüssigkeitsmesssystems zum Messen der Qualität und der Tiefe einer in einem Tank enthaltenen Flüssigkeit gemäß einigen Ausgestaltungen.
2 ist ein Blockdiagramm des in 1 dargestellten Flüssigkeitsmesssystems gemäß einigen Ausgestaltungen.
3 ist ein Diagramm, das unterschiedliche sinusförmige Rückkehrechos veranschaulicht, die während einer Ultraschallentfernungsmessung gemäß einigen Ausgestaltungen erzeugt werden.
4 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Steuerung der Energie von Schallwellen in einem Flüssigkeitsmesssystem gemäß einigen Ausgestaltungen.

Fachleute werden erkennen, dass die in den Figuren dargestellten Elemente der Einfachheit und Klarheit dienen und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. So sind beispielsweise die Abmessungen einiger Bauteile in den Figuren in Bezug auf andere Bauteile vergrößert dargestellt, um das Verständnis der Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zu verbessern.
Die Vorrichtungen und Verfahrensschritte sind in den Zeichnungen gegebenenfalls durch herkömmliche Symbole dargestellt, wobei nur diejenigen speziellen Details abgebildet sind, die für das Verständnis der Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung notwendig sind, so dass die Offenlegung nicht mit Details überfüllt ist, die für den Durchschnittsfachmann, der den Vorteil der vorliegenden Beschreibung hat, leicht ersichtlich sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bevor die Ausgestaltungen der Erfindung detailliert beschrieben werden, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die in der nachfolgenden Beschreibung oder in den Zeichnungen beschriebenen Details der Bauweise und die Anordnung der Bestandteile beschränkt sind. Es sind andere Ausgestaltungen der Erfindung möglich, und die beschriebenen Ausgestaltungen können auf unterschiedliche Weise verwirklicht werden.
1 ist ein Diagramm eines Flüssigkeitsmesssystems 100 zur Messung der Qualität und die Tiefe einer in einem Tank 110 befindlichen Flüssigkeit 105 gemäß einigen Ausgestaltungen. In dem dargestellten Beispiel umfasst das System 100 zwei piezoelektrische Ultraschallwandler 115 und 116 und einen Temperatursensor 125. In einigen Ausgestaltungen ist der Ultraschallwandler 115 ein Qualitäts-Wandler (d.h., die gesendeten Signale und die empfangenen Echos dienen dazu, die Flüssigkeitsqualität zu messen) und der Ultraschallwandler 116 ein Füllstandswandler (d.h., die gesendeten Signale und die empfangenen Echos dienen dazu, einen Flüssigkeitsstand zu messen). Das System 100 umfasst zudem eine Leiterplatte 120 mit einem Temperatursensor 125 (z.B. einem Thermistor) und anderen Bauteilen (nicht dargestellt). Der Wandler 115 und die Leiterplatte 120 sind am Boden des Tanks 110 angeordnet. Der Temperatursensor 125 ist so angeordnet, dass er die Temperatur der in dem Tank 110 befindlichen Flüssigkeit 105 misst. Die Wandler 115 und 116 dienen sowohl als Sender als auch als Empfänger. Die von dem Wandler 115 erzeugten Ultraschallwellen 130 breiten sich in der Flüssigkeit 105 aus, werden von einem Reflektor 135 reflektiert und kehren zurück zu dem Wandler 115. Die reflektierte Ultraschallwelle 130 wird von dem Wandler 115 detektiert, von dem Wandler 115 reflektiert und kehrt zurück zu dem Reflektor 135. Die von dem Wandler 116 erzeugten Ultraschallwellen 140 breiten sich durch die Flüssigkeit 105 aus, werden von der Oberfläche 106 der Flüssigkeit 105 reflektiert und kehren zurück zu dem Wandler 116. Die Ultraschallwelle 130 wandert zwischen dem Reflektor 135 und dem Wandler 115 mehrmals hin und her, und die Ultraschallwelle 140 wandert zwischen der Oberfläche 106 und dem Wandler 116 mehrmals hin und her. Das System 100 kann in den Tank 110 integriert oder separat in dem Tank 110 untergebracht sein.
2 ist ein Blockdiagramm des in 1 dargestellten Flüssigkeitsmesssystems 100 gemäß einigen Ausgestaltungen. In dem veranschaulichten Beispiel umfasst das Messsystem 100 einen Qualitäts-Wandler 115 und einen Füllstandswandler 116. Das Flüssigkeitsmesssystem 100 umfasst zudem einen Controller 150, eine erste Signalkonditionierungsschaltung 160, eine zweite Signalkonditionierungsschaltung 170, einen ersten Treiber 165, einen zweiten Treiber 175, eine Leistungskonditionierungschaltung 180 und einen Ausgangstreiber 185. Der Controller 150 umfasst einen elektronischen Prozessor (z.B. einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine digitale Signalverarbeitungsschaltung usw.) und einen Speicher (z.B. Flash-Speicher, ROM, RAM, EEPROM usw.), wobei es sich hierbei um Bauteile handeln kann, die in den Controller 150 integriert sind, die außerhalb des Controllers 150 angeordnet sind oder um eine Kombination davon. Der elektronische Prozessor ruft die in dem Speicher gespeicherten Befehle ab und führt sie aus. Der Speicher speichert Daten, die von dem elektronischen Prozessor als Teil der Ausführung von Befehlen benutzt oder erzeugt werden. Bei dem elektronischen Prozessor kann es sich um einen, zwei oder eine andere Anzahl von Prozessoren handeln. In einigen Ausgestaltungen umfasst der Controller 150 eine oder mehrere Signalkonditionierungsschaltungen 160 und 170, Treiber 165 und 175, Temperatursensoren 125 sowie Ausgangstreiber 185. Die Wandler 115 und 116 werden in zwei Modi betrieben, z.B., als piezoelektrische Sender und als piezoelektrische Empfänger. Wenn die Wandler 115 und 116 bei einer Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Kristalls des Wandlers 115 und 116 durch eine elektrische Spannung angeregt werden, senden sie die Ultraschallwellen 130 bzw. 140 aus, und wenn die Wandler 115 und 116 bei einer Resonanzfrequenz der Wandler 115 und 116 durch die Ultraschallwellen 130 und 140 angeregt werden (z.B. durch ein Echo), erzeugen sie ein Ausgangssignal, das die empfangene Schallwelle anzeigt. In einigen Ausgestaltungen dient die erste Signalkonditionierungsschaltung 160 zur Verstärkung und Filterung eines Signals, das sie als Antwort auf die Erregung durch ein empfangenes Echo von der Ultraschallwelle 130 von dem Qualitäts-Wandler 115 empfangen hat. In einigen Ausgestaltungen dient die zweite Signalkonditionierungsschaltung 170 zur Verstärkung und Filterung eines Low-Signals, das sie als Antwort auf die Erregung durch ein empfangenes Echo von der Ultraschallwelle 140 von dem Füllstandswandler 116 empfangen hat.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung ist der Controller 150 dazu ausgebildet, ein spezifisches Gewicht oder eine Konzentration der Flüssigkeit zu messen, die im Fall einer Dieselabgasflüssigkeit die Qualität betrifft und im Fall von Ölen die Viskosität/Klasse. Der Controller 150 sendet an die Treiber 165, 175 mehrere Low-Steuerimpulsen und ein Steuerimpuls-Amplituden-Befehlssignal. Die Steuerimpulse weisen die konstante Frequenz des Wandlers 115/116 auf. Der Treiber 165, 175 verstärkt das Low-Signal und legt eine Reihe von High-Spannungsimpulsen an den Wandler 115/116 an, so dass der Wandler 115/116 die Ultraschallwelle 130/140 mit einer Amplitude sendet, die proportional zu der Amplitude und der Anzahl der an den Wandler 115/116 angelegten Resonanzsteuerimpulse ist. Die Ultraschallwelle 130/140 breitet sich durch die Flüssigkeit aus, wird von dem Reflektor 135 oder der Oberfläche 106 reflektiert und kehrt zurück zu dem Wandler 115/116. Das zurückgekehrte Echo des Ultraschallwandlers bewirkt, dass der Wandler 115/116 schwingt und ein Low-Spannungssignal erzeugt, das von der Signalkonditionierungsschaltung 160 verstärkt, gefiltert und geformt wird und von dem Controller 150 detektiert wird. Die Zeit, die die Ultraschallwelle 130/140 benötigt, um sich vom Wandler 115/116 zum Reflektor 135/zu der Oberfläche 106 durch die Flüssigkeit 105 auszubreiten, wird als eine erste Echoreflexion im Speicher des Controllers 150 gespeichert. Bei einer ausreichenden Amplitude wandert die Ultraschallwelle 130/140 zwischen dem Wandler 115/116 und dem Reflektor 135/der Oberfläche 106 hin und her, wodurch mehrere Echoreflexionen erzeugt wird. Normalerweise werden für eine gegebene Übertragung 2 oder 3 Reflexionen empfangen und/oder detektiert. Die Reflexionen werden gemessen und zur Verarbeitung im Speicher des Controllers 150 gespeichert.
Die Anzahl der von dem System verwendeten Echoreflexionen hängt von der Auflösung ab, die notwendig ist, um zwischen kontaminierenden Konzentrationsgraden in der Flüssigkeit zu unterscheiden. Wenn z.B. eine Echoreflexion eine erste Zeitdauer benötigt, um sich von dem Wandler 115/116 durch die Flüssigkeit auszubreiten, von einem Reflektor 135 oder der Oberfläche 106 reflektiert zu werden und zurückzukehren, wird eine zweite Echoreflexion das Doppelte der ersten Zeitdauer benötigen, um sich auszubreiten, und eine dritte Echoreflexion wird das Dreifache der ersten Zeitdauer benötigen usw. Aufgrund dessen liefern zwei Reflexionen das Doppelte der Auflösung einer Reflexion; drei Reflexionen liefern das Dreifache der Auflösung usf. In einer typischen Anwendung bieten 2 bis 3 Reflexionen einen guten Ausgleich zwischen der erforderlichen Auflösung den praktischen Abmessungen des Messsystems, das problemlos in einem Flüssigkeitsbehälter untergebracht werden kann.
Der Controller 150 erzeugt ein Befehlssignal, das die Amplitude der Ultraschallwelle 130/140 steuert und moduliert, so dass die gewünschte Anzahl von Echoreflexionen erreicht wird. Der Controller 150 führt diese Funktion aus, indem er die Anzahl und/oder die Amplitude der an den temperaturabhängigen Wandler angelegten Resonanzspannungsimpulse erhöht oder verringert. Die Anzahl der an den Wandler angelegten Resonanzimpulse beträgt normalerweise zwischen 1 Impuls und 16 oder mehr Impulsen, obwohl jede andere Zahl von Impulsen angelegt werden kann. Zur Erhöhung oder Verringerung der Amplitude der unter der Steuerung des Controllers 150 an den Treiber 165 angelegten Wandler-Steuerspannung wird bevorzugt eine kapazitive Ladungspumpe verwendet. Die Steuerspannung schwankt normalerweise zwischen 2 Volt und 30 Volt. Die Anzahl und die Amplitude der Steuerimpulse werden entsprechend der Anzahl der empfangenen Echoreflexionen gewählt. Wenn die Anzahl der Echoreflexionen eine vorgegebene Anzahl unterschreitet (die entsprechend der festgestellten relativen Entfernung berechnet wird), erhöht der Controller 150 die Amplitude und/oder die Anzahl der Steuerimpulse. Wenn die Anzahl der Echoreflexionen hingegen größer ist als die vorgegebene Anzahl, verringert der Controller 150 die Amplitude und/oder die Anzahl der an den Wandler 115/116 angelegten Steuerimpulse (wodurch eine unerwünschte Verzerrung und ein Rauschen verringert werden). Folglich wird eine geschlossene Schleifenverstärkung für die Übertragung und Detektion der Echoreflexionen der Ultraschallwelle 130/140 erzeugt.
In einer Ausgestaltung definiert der Controller 150 einen Nahfeld-Betriebsmodus, als den der ausgeführt wird, wenn die erste identifizierte Echoreflexion während eines Zeitraums erfolgt, der gleich oder geringfügig länger ist als das Doppelte der durchschnittlichen Rufzeit für den Wandler 116. Der Controller 150 definiert einen Fernfeld-Betriebsmodus, als den der ausgeführt wird, wenn die erste Echoreflexion außerhalb der von dem Nahfeld-Betriebsmodus definierten Zeitdauer erfolgt oder, in einem Beispiel, wenn die erste Echoreflexion in einem Zeitintervall empfangen wird, das größer ist als das Zweifache der durchschnittlichen Rufzeit für den Wandler 116. Im Nahfeld-Betriebsmodus moduliert der Controller 150 die an den Wandler 116 gelieferte Leistung, um sicherzustellen, dass nach dem Ende der Rufzeit mindestens zwei gültige Echoreflexionen (oder eine andere vorbestimmte Anzahl) empfangen werden. Beim Fernfeld-Betriebsmodus moduliert der Controller 150 die an den Wandler 116 gelieferte Leistung, um sicherzustellen, dass nach dem Ende der Rufzeit mindestens eine gültige Echoreflexion empfangen wird.
Die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Quarzkristalls, wie z.B. des Wandlers 115/116, ändert sich mit der Temperatur. Die Fähigkeit zur Modulation und Steuerung der Amplitude der Ultraschallwelle 130/140 hängt von der Steuerung des Wandlers 115/116 bei seiner Resonanzfrequenz ab. In einer Ausgestaltung führt der Controller 150 diese Funktion aus, indem er die Frequenz der an den Wandler 115/116 angelegten Impulse entsprechend der von dem Temperatursensor 125 gemessenen Temperatur ändert. Die Beziehung zwischen der piezoelektrischen Resonanzfrequenz des Wandlers 115/116 und der Temperatur ist spezifisch für den gewählten Typ, die Größe, die Form und die mechanische Bauweise des piezoelektrischen Materials. Hinsichtlich der Bauweise wird die temperaturabhängige Beziehung empirisch gemessen und dann in Form einer Wertetabelle in den Controller 150 eingegeben. Wenn für die gemessene Temperatur eine in der Wertetabelle angegebene Frequenz verwendet wird, wählt und steuert der Controller 150 die Steuerfrequenz des Wandlers 115/116.
Die Bewegung der Flüssigkeit, Temperaturgradienten, Luftblasen und Verunreinigungen können die von dem Wandler erzeugten Ultraschallwellen beeinträchtigen und zeitliche Verschiebungen oder ein Rauschen in dem empfangenen Echokette hervorrufen. Phasenfehler und Schallkeulenverschiebungen können überdies zu Messfehlern in Hochpräzisions-Ultraschallentfernungsmesssystemen führen, wie sie für Messungen der DEF-Konzentration oder der Ölviskosität verwendet werden.
3 ist ein Diagramm, das die während einer Ultraschallmessung gemäß einigen Ausgestaltungen erzeugten sinusförmigen Rückkehrechos veranschaulicht. 3 zeigt einen ersten Ruf 302, der von einem der Wandler 115/116 erzeugt wird, gefolgt von einem ersten Echo 304, einem zweiten Echo 306, einem dritten Echo 308 und einem vierten Echo 310. In 3 ist zudem eine erste Laufzeit (TOF1) zwischen dem ersten Ruf 302 und dem ersten Echo 304 dargestellt, eine zweite Laufzeit (TOF2) zwischen dem zweiten Echo 306 und dem dritten Echo 308 und eine dritte Laufzeit (TOF3) zwischen dem dritten Echo 308 und dem vierten Echo 310.
Eine abnehmende Erregerleistung kann eine Schallkeulenverschiebung verursachen, wobei die Amplitude des ersten sinusförmigen Zyklus in einem Echo unter einen vorgegebenen Schwellenwert fallen kann. Mindestens in einigen Ausgestaltungen ist eine Schallkeulenverschiebung ein Messfehler, der auftritt, wenn die Amplitude des Rückkehrimpulses unter den Komparatorschwellenwert fällt, so dass sich die gemessene TOF um 1/f verlängert.
Die erste Sinuskurve in dem zweiten Echo 306 fällt beispielsweise unter einen vorgegebenen Schwellenwert. Folglich verlängert sich die Laufzeit zwischen nachfolgenden Echos, d.h. das erste Echo 304 und das zweite Echo 306 verlängern sich, wie in 3 dargestellt, um 1/freq(F). Dies ist zudem in 3 veranschaulicht, da die gemessene TOF2 16,5 Mikrosekunden beträgt im Gegensatz zu einer tatsächlichen TOF2 von 16 Mikrosekunden. In diesem Fall beträgt die gemessene Verschiebung der ersten sinusförmigen Keule 0,4 Mikrosekunden, was einen erheblichen Fehler verursachen würde, wenn die Differenz von 0,4 Mikrosekunden für die Messung verwendet werden würde. In 3 ist zudem ein mit der TOF1 von 0,1 Mikrosekunden zusammenhängender Phasenfehler aufgrund einer finiten Steigung des sinusförmigen Rückkehrechos dargestellt. Dieser Fehler kann ebenfalls problematisch sein, jedoch nicht in dem Maße, wie im obigen Fall, in dem eine ganze Schallkeule abfällt. Gemäß einer Ausgestaltung können die oben beschriebenen Fehler vermieden werden, wenn der Controller 150 eine Schallkeulenverschiebung detektiert und die Ausgangsleistung des Treibers 165/175 entsprechend erhöht. Die Leistung wird erhöht, jedoch nicht so stark, dass unerwünschte Echos oder Interferenzen von anderen Fernfeld-Objekten oder Thermokline in der gemessenen Flüssigkeit auftreten. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben, kann das Problem von Phasenfehlern in dem empfangenen Echo mithilfe dieser Technik verringert werden.
4 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Steuerung der Energie von Schallwellen in einem Flüssigkeitsmesssystem gemäß einigen Ausgestaltungen. In dem dargestellten Beispiel erzeugt der Wandler 115 in dem Tank 110, in dem sich eine Flüssigkeit 105 befindet, eine erste Schallwelle und eine zweite Schallwelle (Schritt 402). Anschließend empfängt der Wandler 115 ein erstes Echo der ersten Schallwelle und ein erstes Echo der zweiten Schallwelle (Schritt 404). Dann vergleicht der Controller 150 die Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle (Schritt 406). In einigen Ausgestaltungen umfasst die Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle mindestens eine der folgenden Eigenschaften: eine Amplitudendifferenz, eine Phasendifferenz und/oder eine zeitliche Differenz zwischen benachbarten Laufzeiten von Rückkehrechos aufgrund einer Schallkeulenverschiebung. Anschließend steuert der Treiber 165 den Wandler 115 auf der Basis des Vergleichs der Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle und verringert eine Amplitudendifferenz des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle (Schritt 408). In einem Beispiel umfasst das Ansteuern des Wandlers 115 das Ändern der Ausgangsleistung des Wandlers 115 und das Erzeugen einer Schallwelle auf der Basis des Vergleichs der Amplitude des Echos der Schallwelle mit dem vorgegebenen Schwellenwert. In einer Ausgestaltung umfasst das Erzeugen der zweiten Schallwelle das Erzeugen von höchstens zwei Echos der zweiten Schallwelle, deren TOF sich maximal um 1/freq (F) unterscheidet. In einer alternativen Ausgestaltung umfasst das Erzeugen der zweiten Schallwelle das Bestimmen einer maximalen Leistung der ersten Schallwelle, bei der die Amplitude einer Keule des ersten Echos der ersten Schallwelle unter einen Schwellenwert fällt. In einigen Ausgestaltungen umfasst das Erzeugen der zweiten Schallwelle das Erzeugen eines Echos mit einem Phasenfehler unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes. In einigen Ausgestaltungen vergleicht der Controller 150 die Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle, indem er einen Phasenfehler des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleicht. Einige Fehler bei der Entfernungsmessung, die aufgrund von Phasenfehlern und Schallkeulenverschiebungen auftreten, können korrigiert werden, indem (1) die Leistung für eine spezifische Anzahl von Detektionen angepasst wird, (2) die Leistung entsprechend der Schallkeulenverschiebungen angepasst wird, (3) die Leistung entsprechend der empfangenen Echoamplitude angepasst wird und (4) die Leistung entsprechend der Phase des empfangenen Echos angepasst wird. Diese Verfahren werden nachfolgend detaillierter beschrieben.
Anpassung der Leistung für eine spezifische Anzahl von Detektionen
In einigen Ausgestaltungen ist der Controller 150 dazu ausgebildet, die Ausgangsleistung des Treibers 165 so anzupassen, dass zwei oder mehrere Echos erzeugt werden. Die entsprechende Laufzeit jedes Echos (z.B. TOF1 und TOF2) wird registriert. Anschließend wird die Ausgangsleistung des Treibers 165 verringert, bis das dritte Echo verschwindet, wobei die entsprechenden Laufzeitmessungen registriert werden (z.B. TOF1¹ und TOF2¹). Wenn die gemessene TOF1 und die TOF1¹ innerhalb vorgegebener Grenzwerte liegen (üblicherweise innerhalb einer Timer-Zählung des Mikrocontrollers), wird die gemessene Laufzeit zur weiteren Verarbeitung verwendet. In einigen Ausgestaltungen wird zwischen TOF1 und TOF2 eine Differenzmessung durchgeführt und innerhalb eines vorgegebenen Grenzwertes (z.B. einer Timer-Zählung des Mikrocontrollers) mit der Differenzmessung zwischen TOF1¹ und TOF2¹ verglichen.
Anpassung der Leistung auf der Basis der Schallkeulenverschiebungen
In einigen Ausgestaltungen ist der Controller 150 dazu ausgebildet, die Ausgangsleistung des Treibers 165 dergestalt anzupassen, dass zwei oder mehr Echos erzeugt werden. Die entsprechende Laufzeit jedes Echos (z.B. TOF1 und TOF2) wird registriert. Anschließend wird die Ausgangsleistung des Treibers 165 verringert, bis eine Schallkeule in einem bestimmten Echo unter einen Komparator-Schwellenwert fällt. In einem Beispiel wird die Ausgangsleistung erhöht, bis TOF1 und die Differenz zwischen TOF1 und TOF2 innerhalb 1/freq(F) voneinander liegen. Dies bedeutet, dass sie innerhalb von 360 Grad oder weniger mehr oder weniger phasengleich sind. Anschließend verringert der Controller 150 die Ausgangsleistung des Treibers 165, bis die TOF1¹ und die Differenz zwischen TOF1¹ und TOF2¹ innerhalb von 2/freq(F) voneinander liegen, was bedeutet, dass eine Keule verschoben worden ist, vermutlich in TOF2. Wenn TOF1 und TOF1¹ mehr oder weniger dem vorgegebenen Grenzwert entsprechen (üblicher einer Timer-Zählung des Mikrocontrollers), ist die TOF1-Messung plausibel. In einigen Ausgestaltungen wird eine Differenzmessung zwischen TOF1 und TOF1¹ durchgeführt und bestimmt, ob sie innerhalb vorgegebener Grenzwerte liegt; in diesem Fall wäre die Differenzzeit die Zeitdifferenz zwischen TOF2 und TOF1.
Anpassung der Leistung auf der Basis der empfangenen Echoamplitude
In einigen Ausgestaltungen ist der Controller 150 dazu ausgebildet, die Maximalamplitude jedes Echos zu detektieren und die Erfassung der empfangenen Echos anhand ihrer Maximalamplitude zu bestimmen. Die Amplitude eines empfangenen Echos wird für einen annehmbaren Phasenfehler für TOF1 und/oder TOF2 bis TOFN bestimmt, und die Ausgangsleistung des Treibers 165 wird so gesteuert, dass annehmbare Phasenfehlergrenzen erreicht werden. In einem Beispiel benutzt der Controller 150 nur die TOF-Messungen, deren entsprechende Amplituden innerhalb des annehmbaren vorgegebenen Bereichs liegen.
Anpassung der Leistung auf der Basis der Phase des empfangenen Echos
In einigen Ausgestaltungen ist der Controller 150 dazu ausgebildet, die Ausgangsleistung des Treibers 165 steuern, indem die Phase zweier benachbarter Echos bestimmt wird. In einem Beispiel bestimmt der Controller 150 die Phase eines ersten Echos 304 und eines zweiten Echos 306. Wenn eine relative Phasendifferenz zwischen dem ersten Echo 304 und dem zweiten Echo 304 unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt, können die TOF1 des ersten Echos 304 und die TOF2 des zweiten Echos 306 in einigen Ausgestaltungen zur Messung des Flüssigkeitsstandes und/oder der Flüssigkeitsqualität verwendet werden.
In der vorstehenden Patentschrift wurden spezielle Ausgestaltungen beschrieben. Der Durchschnittsfachmann wird jedoch erkennen, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne dass dies vom Umfang der in den nachstehenden Ansprüchen beschriebenen Erfindung abweicht. Demzufolge dienen die Patentschrift und die Figuren der Veranschaulichung und sind nicht einschränkend zu verstehen, und alle solche Modifizierungen sollen zum Umfang der vorliegenden Lehre gehören.
Es wird darauf hingewiesen, dass zur Verwirklichung der Erfindung eine Vielzahl von hardware- und softwaregestützten Vorrichtungen sowie eine Vielzahl unterschiedlicher Bauteile verwendet werden können.
Der Nutzen, die Vorteile, Problemlösungen sowie jedes einzelne und alle Elemente, die einen Nutzen, Vorteil oder eine Lösung bieten oder deutlicher hervortreten lassen, sind nicht als kritische, notwendige oder wesentliche Merkmale oder Elemente eines oder aller Ansprüche auszulegen. Die Erfindung wird ausschließlich durch die angehängten Ansprüche definiert, einschließlich Änderungen, die während der Anhängigkeit dieser Anmeldung vorgenommen werden, und aller Äquivalente der offengelegten Ansprüche.
In dieser Patenschrift werden überdies relationale Begriffe wie „erste und zweite“, „oben und unten“ und dergleichen, nur verwendet, um eine Einheit oder Handlung von einer anderen Einheit oder Handlung zu unterscheiden, ohne dass dies notwendigerweise eine tatsächliche Beziehung oder Reihenfolge zwischen solchen Einheiten oder Handlungen erfordert oder impliziert. Die Wörter „umfassen“, „umfasst“, „aufweist“, „aufweisend“, „enthält“, „enthaltend“ oder andere Varianten davon sollen eine nicht-ausschließliche Einbeziehung abdecken, dergestalt, dass ein Prozess, ein Verfahren, ein Teil oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst, aufweist oder enthält, nicht nur diese Elemente umfasst, sondern weitere Elemente, die nicht ausdrücklich aufgelistet oder einem solchen Prozess, Verfahren, Teil oder einer Vorrichtung zu eigen sind, umfassen kann. Ein Element, dem „umfasst... ein“, „hat... ein“, „enthält... ein“ vorangeht, schließt ohne weitere Einschränkungen nicht aus, dass in dem Prozess, Verfahren, Teil oder der Vorrichtungen, die das Element umfasst, aufweist oder enthält, nicht noch weitere identische Elemente vorhanden sind. Die Begriffe „ein“ und „eine“ bezeichnen, soweit hierin nicht anders definiert, eines oder mehrere. Die Begriffe „wesentlich“, „ungefähr“, „etwa“ oder Varianten davon sind so definiert, dass sie dem Verständnis des Durchschnittsfachmanns entsprechen, und in einer nicht-einschränkenden Ausgestaltung ist der Begriff definiert als innerhalb von 10%, in einer anderen Ausgestaltung innerhalb von 5%, in einer anderen Ausgestaltung innerhalb von 1% und in einer anderen Ausgestaltung innerhalb von 0,5%. Der Begriff „gekoppelt“, wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine Verbindung, jedoch nicht notwendigerweise eine direkte oder mechanische. Eine Vorrichtung oder Konstruktion, die in einer bestimmten Weise „dazu ausgebildet ist“, ist mindestens in dieser Weise dazu ausgebildet, kann jedoch auch auf eine Weise dazu ausgebildet sein, die nicht aufgeführt ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass einige Ausgestaltungen eine oder mehrere generische oder spezielle Prozessoren (oder „verarbeitende Geräte“) umfassen können, wie etwa Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren, anwendungsspezifische Prozessoren und Field Programmable Gate Arrays (FPGA), sowie eindeutige gespeicherte Programmanweisungen (einschließlich Software und Firmware), die den einen oder die mehreren Prozessoren steuern, damit sie in Verbindung mit bestimmten Nicht-Prozessor-Schaltungen einige, die meisten oder alle Funktionen des hierin beschriebenen Verfahrens und/oder der Vorrichtungen ausführen. Alternativ können einige oder alle Funktionen von einer Zustandsmaschine ausgeführt werden, die keine gespeicherten Programmanweisungen umfasst, oder in einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), in denen jede Funktion oder einige Kombinationen bestimmter Funktionen als kundenspezifische Logik ausgeführt wird. Selbstverständlich kann auch eine Kombination der zwei Ansätze angewendet werden.
Überdies kann eine Ausgestaltung auch als ein computerlesbares Speichermedium verwirklicht werden, in dem ein computerlesbarer Code zur Programmierung eines Computers (der z.B. einen Prozessor umfasst) gespeichert ist, um das hierin beschriebene und beanspruchte Verfahren auszuführen. Zudem wird davon ausgegangen, dass der Durchschnittsfachmann, ungeachtet erheblicher möglicher Anstrengungen und zahlreicher Konstruktionsmöglichkeiten, z.B. aufgrund der verfügbaren Zeit, der aktuellen Technologie und wirtschaftlicher Erwägungen, anhand der der hierin offengelegten Konzepte und Prinzipien leicht imstande ist, solche Softwareanweisungen, Programme und ICs mit minimalem Versuchsaufwand zu entwickeln.
Die Zusammenfassung der Offenlegung ermöglicht dem Leser, sich schnell ein Bild von der Art der technischen Offenlegung zu verschaffen. Sie wird in dem Verständnis geliefert, dass sie nicht dazu verwendet wird, den Umfang oder die Bedeutung der Ansprüche auszulegen oder einzuschränken. Überdies ist aus der vorstehenden Detaillierten Beschreibung ersichtlich, dass verschiedene Merkmale in verschiedenen Ausgestaltungen zusammengefasst sind, um die Offenlegung zu straffen. Dieses Verfahren der Offenlegung ist nicht als eine Absicht auszulegen, dass die beanspruchten Ausgestaltungen mehr Merkmale erfordern als in jedem Anspruch ausdrücklich angeführt sind. Wie die nachfolgenden Ansprüche wiederspiegeln, liegt der erfindungsgemäße Gegenstand vielmehr in weniger als allen Merkmalen einer einzigen offengelegten Ausgestaltung. Die folgenden Ansprüche werden daher in die Detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als separater beanspruchter Gegenstand unabhängig ist.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Energie der in einem Flüssigkeitsmesssystem erzeugten Schallwellen, umfassend: Erzeugen einer ersten Schallwelle und einer zweiten Schallwelle in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Tank mittels eines Wandlers; Empfangen eines ersten Echos der ersten Schallwelle und eines ersten Echos der zweiten Schallwelle mittels des Wandlers; Vergleichen einer Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle mittels eines Controllers; und Ansteuern des Wandlers mittels eines Treibers auf der Basis des Vergleichs der Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle und Verringerung einer Amplitudendifferenz des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle.
Verfahren nach Anspruch 1, zudem umfassend: Vergleichen der Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle mit einem vorgegebenen Schwellenwert mittels des Controllers.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Signaleigenschaft ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Amplitude, einer Phase und einer Schallkeulenverschiebung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ansteuern des Wandlers das Ändern einer Ausgangsleistung des Wandlers und das Erzeugen einer dritten Schallwelle auf der Basis eines Vergleichs der Amplituden des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle mit dem vorgegebenen Schwellenwert umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Ansteuern des Wandlers das Ändern einer Ausgangsleistung des Wandlers umfasst, so dass nicht mehr als zwei Echos der zweiten Schallwelle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen der zweiten Schallwelle das Bestimmen einer Leistung der ersten Schallwelle umfasst, bei der eine Amplitude einer Schallkeule des ersten Echos der ersten Schallwelle einen Schwellenwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Vergleichen der Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle das Vergleichen eines Phasenfehlers des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle mit dem vorgegebenen Schwellenwert umfasst.
Flüssigkeitsmesssystem, umfassend: einen Wandler, der dazuausgebildet ist, eine erste Schallwelle und eine zweite Schallwelle zu erzeugen und ein erstes Echo der ersten und der zweiten Schallwelle zu detektieren; einen Treiber, der dazuausgebildet ist, den Wandler anzusteuern, damit dieser die erste und die zweite Schallwelle erzeugt; und einen Controller, der dazuausgebildet ist, eine Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle zu vergleichen und den Treiber auf der Basis des Vergleichs der Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle zu steuern.
Flüssigkeitsmesssystem nach Anspruch 8, wobei der Controller zudem dazuausgebildet ist, eine Amplitudendifferenz des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle zu verringern.
Flüssigkeitsmesssystem nach Anspruch 8, wobei die Signaleigenschaft ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Amplitude, Phase und Schallkeulenverschiebung.
Flüssigkeitsmesssystem nach Anspruch 8, wobei der Controller dazuausgebildet ist, die Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle mit einem vorgegebenen Schwellenwert zu vergleichen.
Flüssigkeitsmesssystem nach Anspruch 10, wobei der Treiber dazuausgebildet ist, auf der Basis der Amplitude des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle eine Ausgangsleistung des Wandlers zu ändern und eine dritte Schallwelle zu erzeugen.
Flüssigkeitsmesssystem nach Anspruch 12, wobei die Ausgangsleistung des Wandlers dazu ausgebildet ist, nicht mehr als zwei Echos der ersten und der zweiten Schallwelle zu erzeugen.
Flüssigkeitsmesssystem nach Anspruch 11, wobei der Controller dazu ausgebildet ist, eine Leistung der ersten Schallwelle zu bestimmen, bei der die Amplitude einer Schallkeule des ersten Echos gleich dem vorgegebenen Schwellenwert ist.
Flüssigkeitsmesssystem nach Anspruch 11, wobei ein Phasenfehler des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle den vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet.
System zur Steuerung der Energie der zur Flüssigkeitsmessung erzeugten Schallwellen, wobei das System Folgendes umfasst: einen Controller mit einem Speicher und einem elektronischen Prozessor, der computerlesbare Befehle ausführt, die bewirken, dass das System: eine erste und eine zweite Schallwelle in einem Tank erzeugt, in dem sich eine Flüssigkeit befindet; ein erstes Echo der ersten Schallwelle und ein erstes Echo der zweiten Schallwelle empfängt; eine Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle vergleicht; einen Wandler auf der Basis des Vergleichs der Signaleigenschaft des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle steuert; und eine Amplitudendifferenz des ersten Echos der ersten und der zweiten Schallwelle verringert.