DE19815199A1

DE19815199A1 - Ultraschall-Durchflußmesser nach dem Laufzeitkorrelationsverfahren

Info

Publication number: DE19815199A1
Application number: DE1998115199
Authority: DE
Inventors: Joerg Rupp; Frank Schmidt; Margit Barth
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-04-04
Filing date: 1998-04-04
Publication date: 1999-10-14
Also published as: WO1999051944A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Durchflußmesser nach dem Laufzeitkor relationsverfahren gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Ultraschall-Durchflußmesser sind bekannt aus dem Buch: J. Gätke, Akustische Strö mungs- und Durchflußmessung, Akademie-Verlag, Berlin 1991. Hieraus sind Vorrichtun gen zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und des Volumenstromes mit Hilfe akustischer Wellen nach dem Mitführeffekt bekannt. Beim Mitführeffekt werden die Laufzeitunterschiede von Schallwellen in und gegen die Strömungsrichtung gemessen. Dieser Laufzeitunterschied ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit, wobei folgen de Formel gilt:

Der Meßeffekt ist abhängig von der Länge L des Meßpfades, dem Winkel α des Meß pfades zur Strömungsrichtung und der Schallgeschwindigkeit c des Mediums. Mittels eines ersten Sensors wird durch den Meßpfad ein zeitlich begrenztes Ultraschallsignal gesendet, das nach einer Laufzeit t1 am zweiten Sensor auftrifft und von diesem wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dieser Meßablauf wird mit dem zweiten Sensor als Sender und mit dem ersten Sensor als Empfänger wiederholt. Die beiden digitalisierten Empfangssignale werden in einem Auswerterechner (Mikrokontroller oder DSP) miteinander korreliert. Da sich die Laufzeiten in und gegen die Strömungsrichtung unterscheiden, sind die beiden Empfangssignale innerhalb des Digitalisierungsfensters zeitlich gegeneinander verschoben. Die zeitliche Lage des Korrelationsmaximums ist ein Maß für die gesuchte Laufzeit Δt.

Für die Genauigkeit und Stabilität des Laufzeitdifferenzverfahrens sind zwei Faktoren entscheidend. Erstens die sichere Detektion des Korrelationsmaximums auch bei geringem Signalrauschverhältnis (stark dämpfende Medien oder hoher Streueranteil) und zweitens eine möglichst feine Auflösung bei der Laufzeitdifferenzmessung. Für die sichere Detektion des Korrelationsmaximums auch bei geringem Signalrauschverhältnis ist es wichtig, daß die aus den beiden Empfangssignalen resultierende Kreuzkorrela tionsfunktion ein ausgeprägtes Hauptmaximum hat, das Amplitudenverhältnis zwischen Haupt- und Nebenmaxima also möglichst groß ist. Dies wird durch Anregung der Ultraschallsensoren mit breitbandigen Signalen, wie z. B. Chirps, Barker-Codes oder M- Sequenzen erreicht.

Aufgrund der Digitalisierung der Empfangssignale liegt die Kreuzkorrelationsfunktion nur an zeitdiskreten Punkten vor, deren Abstand der Sample-Periode Ts entspricht, die z. B. bei einer Digitalisierung mit 20 MHz bei 50 ns liegt. Die so erreichbare zeitliche Auflösung ist für das Laufzeitdifferenzverfahren zu grob. Durch Interpolation der Kreuzkorrelations funktion kann die zeitliche Auflösung jedoch gesteigert werden. Ein Maß für die Qualität der durch die Interpolation erreichten zeitlichen Auflösung des Systems stellt die Standardabweichung der Laufzeitdifferenzmessung bei Nullfluß dar.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Ultraschall-Durchfluß messer der genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß auch bei Medien mit hohem Streueranteil eine genaue Laufzeitdifferenzmessung möglich wird. Es soll mit geringem Aufwand eine erhöhte Genauigkeit erreicht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Der erfindungsgemäße Ultraschall-Durchflußmesser kombiniert die Vorteile einer breit bandigen Anregung zur sicheren Maximumsdetektion mit einer durch Schmalbandan regung ermöglichten feinen zeitlichen Auflösung. Umfangreiche Untersuchungen erga ben, daß die Anregung der Ultraschall-Sensoren mit langen Bursts zur Verringerung der Standardabweichung führt, da die Ultraschall-Sensoren im eingeschwungenen Zustand betrieben werden. Je größer die Burstlänge, d. h. je schmalbandiger das Signal ist, umso genauer ist die Laufzeitdifferenzmessung möglich. Das liegt zum einen in der Ver besserung des Signal-Rausch-Abstands begründet, zum anderen führt die erhöhte Energie im Empfangssignal zu einer Verringerung von Quantisierungsfehlern im Korrela tionsmaximum und trägt somit zu einer besseren Interpolierbarkeit bei. Da die Kreuzkor relationsfunktion von schmalbandigen Signalen ist jedoch durch ein ungünstiges Amplitudenverhältnis zwischen Haupt- und Nebenmaximum gekennzeichnet ist, wird eine sichere Detektion des Hauptmaximums bereits bei geringfügig gestörten Empfangs signalen praktisch unmöglich. Durch die erfindungsgemäße Kombination der grundsätz lich ungeeigneten Schmalbandanregung mit der Breitbandanregung werden die Schwie rigkeiten in optimaler Weise gelöst. Somit wird auch bei Medien mit hohem Streueranteil eine genaue Laufzeitdifferenzmessung ermöglicht.

Der erfindungsgemäße Durchflußmesser arbeitet nach dem Laufzeitkorrelationsverfahren und mit Hilfe eines programmierbaren Sendegenerators wird die Verwendung von unterschiedlichen Anregungsfunktionen ermöglicht. Der programmierbare Sendegenera tor ermöglicht bevorzugt durch Mode-Bit-Steuerung die Verwendung einer Vielzahl von digital erzeugbaren Anregungsfunktionen. Zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz werden im Meßablauf sowohl breitbandige als auch schmalbandige Anregungsfunktionen in zweckmäßiger Weise verwendet. Des weiteren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß sich die Laufzeitdifferenzbestimmung aus einer durch die Abtastrate gegebenen Grobkorrelation unter Verwendung geeigneter breitbandiger Anregungsfunktionen sowie aus einer Feinkorrelation mittels Interpolation des Korrelationsmaximums bei Verwen dung einer schmalbandigen Anregungsfunktion ergibt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand besonderer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild,

Fig. 2 einen Signalverlauf sel_i bei Burstanregung,

Fig. 3 einen Signalverlauf |SE1_i| bei Burstanregung,

Fig. 4 den Signalverlauf bei Phasenmodulation mit Barker-Codes,

Fig. 5 einen Signalverlauf |EE2_j|,

Fig. 6 eine Übertragungsfunktion einer Transmissionsanordnung mit identischen Wandlern,

Fig. 7 eine Impulsantwort einer Transmissionsstrecke bestehend aus zwei Ul traschallwandlern,

Fig. 8 Empfangssignale bei Burstanregung,

Fig. 9 Empfangssignale bei Anregung mit Barker-Code,

Fig. 10 die Kreuzkorrelationsfunktion bei Burstanregung,

Fig. 11 die Kreuzkorrelationsfunktion bei Barker-Code-Anregung.

Gemäß Fig. 1 ist eine Meßstrecke 2, beispielsweise einer Rohrleitung, vorgesehen und die Strömungsrichtung des Mediums ist mit dem Pfeil 4 angegeben. Der Meßstrecke 2 ist ein erster Ultraschall-Sensor 6 und in Strömungsrichtung beabstandet ein zweiter Ultraschall-Sensor 8 zugeordnet. Den beiden Sensoren 6, 8 ist jeweils ein erster Sender 10 und ein zweiter Sender 12 vorgeschaltet, wobei zweckmäßig ein Reziprozitätswider stand 14, 16 zwischengeschaltet ist. Die Sensoren 6, 8 werden wechselweise als Sender bzw. Empfänger betrieben, wobei die Empfangssignale 18, 20 in zweckmäßiger Weise über einen Multiplexer 22 und eine VCA-Stufe 24 einem Analog-Digitalwandler 26 zugeführt werden. Die beiden digitalisierten Empfangssignale werden über eine RAM- Einheit oder Speichereinheit 28 einem Auswerterechner 30 zugeführt, welcher in bevor zugter Weise DSP/oder Mikrokontroller ausgebildet ist. Ferner ist eine Einheit 32 zur Ablaufsteuerung vorgesehen für den Auswerterechner 30 ebenso wie für die RAM-Einheit bzw. Speichereinheit 28 als auch für den Sendegenerator 34 zur digitalen Sendesignal generierung. Mittels der Ablaufsteuerung 32 wird gemäß Pfeil 36 zum einen die Signal form und gemäß Pfeil 38 die Ansteuerung des jeweils aktiven Senders durchgeführt und über die digitale Sendesignalgenerierung-Einheit 34 werden entsprechend die Sender 10 bzw. 12 angesteuert.

Der erfindungsgemäße Ultraschall-Durchflußmesser ist für Grob- und Feinkorrelation ausgebildet und verbindet die Vorteile einer breitbandigen Anregung zur sicheren Maximumsdetektion mit der durch Schmalbandanregung ermöglichten feinen zeitlichen Auflösung. Somit wird auch bei Medien mit hohem Streueranteil erfindungsgemäß eine genaue Laufzeitdifferenzmessung ermöglicht. Die im Blockschaltbild dargestellten Sender enthalten bevorzugt den gemeinsamen Sendesignalgenerator bzw. die Einheit 34 und die eigentliche Leistungsstufe. Der Sendesignalgenerator 34 kann insbesondere mittels der Einheit 32 zur Ablaufsteuerung über entsprechende Modebits zwischen Bursts verschiedener Länge und breitbandigen Signalen, wie z. B. Barker-Codes umge schaltet werden.

Der erfindungsgemäße Meßablauf erfolgt nach den nachfolgenden Verfahrensschritten:

a) Aktivieren der breitbandigen Anregungsfunktion
b) Senden eines Ultraschall-Signals in und gegen die Strömungsrichtung und Digitali sierung der Empfangssignale
c) Berechnung der diskreten Kreuzkorrelationsfunktion und Bestimmung der Lage des Maximums wobei gilt:
Δt_grob= N_max.T_s
mit
N_max: Index des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion
Ts: Abtastrate
d) Aktivieren der schmalbandigen Anregungsfunktion;
e) Senden eines Ultraschall-Signals in und gegen die Strömungsrichtung und Digitali sierung der Empfangssignale;
f) Berechnung der diskreten Kreuzkorrelationsfunktion an den Punkten Nmax-i, Nmax-(i+1), . . .Nmax, Nmax+1, . . .Nmax+i;
g) Berechnung des Interpolationsfits durch die Stützstellen. Die Lage des Maximums der Interpolationsfunktion liefert die feinaufgelöste Laufzeitdifferenz Δt_fein (Feinkor relation) für die gilt:
Δt_fein = Δt - (N_max.T_S)
N_max.T_S = Δt_grob;
h) N-malige Durchführung der Punkte e)-g);
i) Endgültige Berechnung der Laufzeitdifferenz Δt wobei gilt:
Δt = Δt_grob + Σ Δt_fein.

Zur Veranschaulichung der Auswirkung der Anregungssignale auf das Laufzeitkorrela tionsverfahren werden nachfolgend typische Anregungsformen und Signalverläufe erläutert. Bei Burstanregung ergeben sich entsprechend den nachfolgenden Parametern die in Fig. 2 und 3 gezeigten Signalverläufe.

Für den Fall der Phasenmodulation mit Barker-Codes ergeben sich unter Berücksichti gung der nachfolgenden Parameter die in den Fig. 4 und 5 angegebenen Signalverläufe.

Fig. 6 zeigt eine Übertragungsfunktion einer Transmissionsanordnung mit identischen Wandlern und Fig. 7 zeigt eine Impulsantwort einer Transmissionsstrecke bestehend aus zwei Ultraschallwandlern, und zwar unter Berücksichtigung der nachfolgenden Para meter und Gleichungen. Hierbei wird die Übertragungsfunktion der Übertragungsstrecke, Koppelkeil, Rohrwand, Medium, in erster Näherung mit 1 angenommen.

Fig. 8 zeigt die Empfangssignale bei Burstanregung, und zwar unter Berücksichtigung der nachfolgenden Parameter.

Anhand von Fig. 9 sind die Empfangssignale bei Anregung mit Barker-Code dargestellt. Die beiden Empfangssignale der Laufzeitmessung in und gegen Strömungsrichtung werden miteinander korreliert. Die Lage des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion entspricht der Laufzeitdifferenz. Es gelten die folgenden Bedingungen:

Fig. 10 zeigt die Kreuzkorrelationsfunktion der beiden Empfangsignale bei Burst-Anre gung, wobei gilt:

KKF_j:= Y1_j.
kkf:= isft (KKF)

Schließlich ist in Fig. 11 die Kreuzkorrelationsfunktion der beiden Empfangssignale bei Barker-Code-Anregung gezeigt, wobei gilt:

KKF_j:= Y3_j.
kkf:= isft (KKF)

Das Maximum liegt bei 1,5 µs. Das Verhältnis von Haupt- zu Nebenmaximum beträgt bei Burstanregung fast ein. Bei geringem Signal-Rauschabstand wird daher oft ein Neben maximum als Hauptmaximum erkannt und damit wird eine falsche Laufzeitdifferenz ermittelt. Durch Verwendung angepaßter Signalanregungsfunktionen, wie z. B. Barker- Code kann das Verhältnis von Haupt- zu Nebenmaximum deutlich verbessert werden.

Bezugszeichenliste

2

Meßstrecke

4

Pfeil

6

erster Ultraschallsensor

8

zweiter Ultraschallsensor

10

erster Sender

12

zweiter Sender

14

,

16

Rezoprozitätswiderstand

18

,

20

Empfangssignal

22

Multiplexer

24

VCA-Stufe

26

Analog-Digital-Wandler

28

Speichereinheit

30

Auswerterechner

32

Einheit-Ablaufsteuerung

34

Einheit-Digitale-Sendesignalgenerierung

36

Pfeil-Signalform

38

Pfeil-Aktiver-Sender

Claims

1. Ultraschall-Durchflußmesser enthaltend einen ersten Sensor (6) und einen zweiten Sensor (8), welche wechselweise als Sender angesteuert werden bzw. als Empfänger wirksam sind, wobei die bevorzugt digitalisierten Empfangssignale nach dem Lauf zeitkorrelationsverfahren in einem Auswerterechner (30) miteinander korreliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein programmierbarer Sendegenerator zur Erzeugung unterschiedlicher Anregungsfunktionen vorgesehen ist.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der programmier bare Sendegenerator (34), insbesondere durch Code-Bit-Steuerung die Verwendung einer Vielzahl von digital erzeugbaren Anregungsfunktionen ermöglicht wird.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz im Meßablauf sowohl breitbandige als auch schmal bandige Anregungsfunktionen verwendet werden.

4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitdifferenzbestimmung aus einer durch die Abtastrate gegebenen Grobkorrela tion unter Verwendung geeigneter breitbandiger Anregungsfunktionen und aus einer Feinkorrelation mittels Interpolation des Korrelationsmaximums bei Verwendung einer schmalbandigen Anregungsfunktion durchgeführt wird.

5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangssignale der beiden Sensoren (6, 8) über einen Multiplexer (22) und/oder über eine VCA-Stufe (24) einen Analog-Digital-Wandler (26) zugeführt werden.

6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale des dem Analog-Digital-Wandlers (26) einer Speichereinheit (28), vorzugsweise eine RAM- Einheit (28) zugeführt werden.

7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablaufsteuerungs-Einheit (32) vorgesehen ist, mittels welcher der Sendegenerator (34) ansteuerbar ist, insbesondere zur Vorgabe der Signalform und/oder des jeweils aktiven Senders, und/oder daß mittels der Ablaufsteuerungseinheit (32) der Auswerte rechner (30) und/oder die Speichereinheit (28) ansteuerbar ist.