DE19818053A1

DE19818053A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Ankunftszeit von Ultraschall-Impulsen in einem Strömungsmedium

Info

Publication number: DE19818053A1
Application number: DE19818053A
Authority: DE
Inventors: Joseph Baumoel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-22
Filing date: 1998-04-22
Publication date: 1998-10-29
Also published as: US6062091A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Bestimmung der Ankunftszeit von Ultraschall-Impulsen in einem Strömungsmedium der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 29 genannten Art.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Ultraschall-Strömungs messung. Die Ultraschall-Strömungsmessung oder die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit durch eine Leitung, wie zum Beispiel eine Rohrleitung, unter Verwendung von Ultra schallenergie, beruht auf der Bestimmung der Auswirkung der Strömungsmittelströmung auf das Verhältnis der Strömungsaufwärts-Über tragungszeit zur Strömungsabwärts-Übertragungszeit eines Ultraschallsignals, das diagonal durch das Strömungsmittel in der Rohrleitung läuft. Die Ultraschall-Strömungsmessung ist besonders vorteilhaft, weil sie eindringungsfrei ausgeführt werden kann, d. h. ohne daß ein Eindringen in die Rohrleitung erforderlich ist. Die Sende- und Empfangswandler der Ultra schall-Strömungsmeßeinrichtung werden in geeigneter Weise an der Rohrleitung festgeklemmt, und Ultraschallsignale werden durch die Rohrleitungswand hindurch injiziert. Die Strömungs geschwindigkeit wird durch Messen der Differenz der Laufzeit zwischen Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Ultraschall signalen bestimmt. Weil die Auswirkung der Strömung auf die Laufzeit, selbst bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten, klein ist, ist es wesentlich, selbst kleinste Unsicherheiten bei dieser Messung zu vermeiden. Leider weist das für die Detektion verwendete Ultraschallsignal eine niedrige Auflösung bezogen auf die erforderliche Zeitdetektionsauflösung auf, weil es allgemein aus Schwingungen mit Perioden von Hunderten bis Tausenden von Nanosekunden besteht, während die erforderliche Detektions auflösung bestenfalls in der Größenordnung von Picosekunden bis zu einigen wenigen Nanosekunden liegt.

Zusätzlich bedingt die Feststellung der Ankunftszeit des Schall signals, daß es einen erfaßbaren "Anfang" des Signals gibt. Leider kommt das Signal nicht mit einer scharfen Vorderflanke an, sondern es ergibt sich ein relativ langsamer Aufbau einer grundlegend sinusförmigen Schwingungsform aufgrund des hohen Wertes von "Q" des Ultraschallsenders sowie des Schallwider standes der Rohrleitungswand oder irgendeiner anderen Struktur, durch die die Schwingung hindurchlaufen muß, um in den Flüssig keitsstrom einzutreten. Diese metallischen Strukturen weisen allgemein eine starke Resonanz auf und tragen zu dem langsamen Aufbau der Schwingungsform bei. Somit ist der Anfang des Signals bereits schwierig festzustellen, und ein Fehler bei der Fest stellung der Ankunft von lediglich einer Periode der Empfangs signalfrequenz hat verheerende Auswirkungen auf die gemessene Strömung, und zwar aufgrund der Auswirkung dieses Fehlers auf die scheinbare Zeitdifferenz der Strömungsaufwärts- gegenüber der Strömungsabwärts-Strömungsdetektion.

Selbst wenn die erste ankommende Periode robust ist, ist weiter hin festzustellen, daß sich ein Hintergrund-Rauschpegel ergibt, größtenteils bei der Frequenz des Empfangssignals selbst, so daß dieser Rauschpegel nicht ausgefiltert werden kann. Ent sprechend ist bei derzeitigen Systemen die Feststellung der tatsächlichen Ankunftszeit des Beginns des Empfangssignals entweder sehr schwierig, unsicher hinsichtlich der Ankunftszeit oder einfach in jeder praktischen Weise unmöglich, und zwar in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Charakter des Signals und der Umgebungsstörungen, die zum Zeitpunkt der Ankunft vorliegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die die genaue Bestimmung der Ankunftszeit eines Ultra schallsignals ermöglicht, das durch ein Strömungsmedium in einer Rohrleitung hindurch übertragen wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 bzw. 29 an gegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor richtung ermöglichen eine genaue Bestimmung der Strömung da durch, daß sichergestellt wird, daß die Signale, die nach der Übertragung sowohl in Strömungsaufwärts- als auch Strömungsab wärtsrichtung durch die strömende Flüssigkeit einer Rohrleitung an dem Empfangswandler empfangen werden, die gleiche relative Beziehung aufweisen. Die Erfindung stellt insbesondere sicher, daß das Detektionsfenster sowohl für die Strömungsaufwärts- als auch die Strömungsabwärtssignale in der gleichen absoluten und relativen Beziehung zu den empfangenen Signalen und insbesondere zu Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Signalmarken steht, die in die ausgesandten Signale eingebettet sind. Dies ermög licht eine genaue Laufzeitbestimmung durch eine Phasendetektion und somit eine genaue Strömungsmessung.

Die Erfindung ergibt somit eine Korrelation der Strömungsdetek tions-Zeitfenster für die empfangenen Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Signale auf der Grundlage der Detektion einer übertragenen Marke in den empfangenen Signalen.

Entsprechend ergibt die Erfindung eine genaue Bestimmung der Ankunftszeit der übertragenen Marke, um eine Korrelation der empfangenen Signale für eine genaue Laufzeitbestimmung, ins besondere durch eine Phasendetektion, zu ermöglichen, so daß eine genaue Strömungsmessung erzielt wird.

Es ist für den Fachmann bekannt, daß die Strömung (VF) gleich einer dimensionsbehafteten Konstante Kc (Volumen/Zeit) multi pliziert mit dem Verhältnis von Delta t (Δ), der Aufwärts minus-Abwärtsströmungs-Laufzeit-Differenz, zu TL, der mitt leren Laufzeit durch die Flüssigkeit, ist. Entsprechend ist VF = Kc (Δt)/TL.

Der Hauptgrund für die Notwendigkeit einer Identifikation der relativen Ankunftszeit des empfangenen Signals besteht darin, daß eine Fehlausrichtung der Ankunftszeit, wie sie entweder durch die UP-(Aufwärts-) und DN-(Abwärts-)Signale (die weiter unten beschrieben werden) eine gemessene Zeitdifferenz zwischen Aufwärts- und Abwärtsströmungs-Signalen hervorrufen würde, die gleich der Anzahl der Perioden des Signals ist, um die die Fehl ausrichtung hervorgerufen wurde, was einem Fehler in der Lauf zeitdifferenz Δt entspricht. Weil jede Periode des Sende signals äquivalent zu einem großen Wert von Δt ist, würde sich ein großer Fehler in der gemessenen Strömungsrate ergeben. Dieser Fehler in Δt wird hier als Fehlausrichtung bezeichnet.

Zusätzlich würde, wie dies weiter unten beschrieben wird, ein absoluter Fehler bei der Detektion der Ankunftszeit sowohl von Strömungsaufwärts- als auch Strömungsabwärts-Signalen selbst ohne einen relativen Ankunftszeit-Fehler immer noch einen Strömungsmeßfehler hervorrufen, weil dies die Bestimmung der Laufzeit TL des Signals in der Flüssigkeit selbst beeinflussen würde. Diese Zeit erscheint im Nenner der vorstehenden Strömungsdetektions-Gleichung und ruft somit einen proportionalen Fehler in der gemessenen Strömungsrate hervor. Dieser Fehler in TL wird hier als Fehlerfassung bezeichnet.

Entsprechend besteht ein Ziel dieser Erfindung darin, eine Messung der Aufwärts- und Abwärts-Laufzeit zu schaffen, die sowohl in relativer als auch absoluter Hinsicht genau ist.

Leider wird, wie dies weiter oben erwähnt wurde, die tatsäch liche Ankunftszeit der Vorderflanke des Signals durch Hinter grundrauschen überdeckt, das in vielen Fällen sogar größer als die kleine Amplitude der Anstiegsflanke des Signals selbst ist. Es gibt daher keine direkte Möglichkeit zur Messung von TN, was die Summe von TL und anderen bekannten Zeitverzögerungen T_DEL bei der Ankunft des Signals von der Aussendung bis zum Empfang ist. Daher ist es gemäß der Erfindung erforderlich, das Sendesignal an einem Punkt zu einer bekannten Zeit nach dem Beginn der Aussendung mit zumindestens einer Marke zu mar kieren, die in dem Empfangssignal detektiert werden kann. Wenn somit die Ankunftszeit der Marke bestimmt wird, und es bekannt ist, daß sie einem Punkt in dem Sendesignal zu einer bekannten Zeit nach dem Beginn der Aussendung entspricht, so ist es möglich, die tatsächliche Zeit TN und somit TL zu berechnen.

Es ist festzustellen, daß die Marke, ebenso wie das gesamte Sendesignal, durch ein Filter hindurchläuft, das effektiv die Durchlaßcharakteristik des Wandlers sowie die Filtereigenschaf ten der für Schallsignale resonanten Rohrleitungswand selbst umfaßt. Zusätzlich ist der Wert von Q dieser Faktoren üblicher weise sehr hoch, so daß die Einführung einer Marke nicht garan tiert, daß diese leicht in dem Empfangssignal detektiert wird. Es ist daher wesentlich, daß die Marke robust ist und im wesent lichen durch Änderungen der Strömungsrate oder der Schall eigenschaften der Flüssigkeit selbst nicht beeinflußt wird.

Es ist weiterhin festzustellen, daß sich die Form des Empfangs signals und die detektierbaren Eigenschaften der Marke ändern können, wenn sich die Flüssigkeitsbedingungen ändern. Wenn die Marke nicht für jeden Sende-Empfangs-Vorgang detektiert wird, ist es möglich, daß eine Fehlausrichtung (Detektion der Strömungsaufwärts-Marke um eine oder mehrere Perioden des Empfangssignals abweichend von der Strömungsabwärts-Detektion) auftreten könnte. Daher ist es wichtig, daß die in das Sende signal eingeführte Marke selbst unter schwierigen Signalbedin gungen in effektiver Weise eine Fehlausrichtung ausschließt. Zusätzlich ist es weiterhin wichtig, sicherzustellen, daß sowohl für Strömungsaufwärts- als auch für Strömungsabwärts-Signale der Absolutwert von TN richtig bestimmt werden kann. Dies ist erforderlich, um sicherzustellen, daß keine Fehler in TN und TL auftreten, was auf der Grundlage der vorstehenden Strömungsglei chung, einen Fehler in der gemessenen Strömungsrate hervorrufen würde, der gleich dem prozentualen Anteil ist, die der Zeit fehler gegenüber TL selbst aufweist (Fehlerfassung).

Bei den Ultraschall-Strömungsmeßgeräten, die von der Firma Controlotron Corporation, Hauppauge, New York, USA hergestellt werden, wird die Strömung durch Rechteckwandlung des grundlegend sinusförmigen Empfangssignals zur Schaffung einer Rechteck schwingung und nachfolgendes Bestimmen der Phase dieser Recht eckschwingung bezüglich einer Bezugs-Rechteckschwingung detektiert, deren Phase und Zeitlage bekannt sind. Die Phasen differenz zwischen dem empfangenen Signal und dem Bezugssignal ist proportional zur Zeitverzögerung oder Laufzeit. Die Bezugs-Recht eckschwingung ist eine synthetisierte Rechteckschwingung mit der gleichen Frequenz wie die empfangene Schwingungsform, und synchron zu der Zeit, zu der das Sendesignal ausgesandt wurde. Einer der Hauptvorteile dieses Systems besteht darin, daß das empfangene Rechteckschwingungssignal durch Nulldurch gänge des empfangenen Analogsignals definiert ist und daher gegenüber einer Verfälschung der Amplitude der Signale immun ist, wie dies bei anderen Formen der Korrelations-Detektion möglich sein kann. Die beiden Rechteckschwingungssignale (empfangenes Signal und Bezugssignal) werden phasendetektiert, und die relative Zeitlage wird durch die Verwendung eines Vorwärts-/Rückwärts-Zählers berechnet, der durch die Phasen differenz angesteuert wird und einen eine sehr hohe Frequenz aufweisenden, asynchronen Taktimpuls-Ausgang zählt.

Gemäß der Erfindung wird bei der Strömungsmessung in Contro lotron-Strömungsmessern auf der Grundlage der Phasendetektion eine Phasenmarke in das Sendesignal dadurch eingebettet, daß eine Phasenvoreilung oder -verzögerung an einem ausgewählten Punkt in das Sende-Burst-Signal eingeführt wird, nachdem ein eingeschwungener Zustand oder ein konstanter Phasenzustand erreicht wurde, typischerweise nach einer bekannten Anzahl von Perioden nach dem Beginn des Burst-Signals. Danach wird durch eine Überprüfung des Empfangssignal-Phasenmusters auf den ersten Nachweis einer Änderung der Phase in dem Empfangssignal die entsprechende Periode des Empfangssignals lokalisiert, und diese ergibt einen Bezugswert für die Öffnung eines Zeitfensters, währenddessen die Phasendetektion zur Bestimmung der Laufzeit durchgeführt wird. Dies wird sowohl für das Strömungsaufwärts- als auch für das Strömungsabwärts-Empfangssignal durchgeführt. Die Zeitfenster für sowohl das Aufwärts- als auch das Abwärts-Empfangs signal werden korreliert, d. h. in die gleiche Beziehung zu der Markierung gebracht, was eine Bestimmung der relativen Strömungsaufwärts-/Strömungsabwärts-Laufzeitdifferenz ohne Fehlausrichtungs-Fehler ermöglicht. Die Ankunftzeiten der Marken werden dazu bestimmt, die absolute Laufzeit TL frei von Fehlerfassungs-Fehlern zu bestimmen.

Die Phasenbeziehung zwischen dem Empfangssignal und der Bezugs-Recht eckschwingung wird durch digitales Demodulieren des Empfangssignals gegen das Bezugssignal detektiert, wobei die Anzahl von Impulsen eines hochfrequenten, asynchronen Taktes bezüglich der Anzahl von Impulsen gezahlt wird, die während einer vollen Periode der Empfangsfrequenz erzeugt werden. Wenn die Zählungen symmetrisch sind, d. h. eine gleiche Anzahl von "Vorwärts"- und "Rückwärts"-Impulsen (UP und DN), so beträgt die Phase beispielsweise 90 Grad. Wenn alle Impulse UP-Impulse sind, so ist die Phase gleich 0. Wenn alle Impulse DN-Impulse sind, 50 ist die Phase 180 Grad. Weil die Frequenz des Zähl taktes bezogen auf das Empfangssignal hoch ist, und weil die Zählungen über viele Perioden gemittelt werden, ist die Auf lösung der Phasenverschiebung extrem hoch, was zu der Fähigkeit führt, sehr kleine Unterschiede der Phasenverschiebung von einander zu unterscheiden.

Der Demodulationsvorgang beginnt mit dem Öffnen eines Strömungs- Phasen-Detektionsfensters bei einer bekannten Zeit nach dem Beginn der Aussendung, wenn erwartet wird, daß das durch die Flüssigkeit übertragene Signal ankommen sollte, worauf sicher gestellt wird, daß die Ankunftszeit der Marke eine vorgegebene Anzahl von Perioden nach dem Öffnen des Strömungs-Phasen-Detektions fensters liegt. Dies wird dadurch erreicht, daß der Zeitpunkt des Öffnens des Fensters eingestellt wird. Die Einstellung erfolgt sowohl für Strömungsaufwärts- als auch für Strömungsabwärts-Signale. Dies stellt sicher, daß die Zeit fenster sowohl für Strömungsaufwärts- als auch für Strömungs abwärts-Empfangssignale, in denen die Phasendetektion erfolgt, zueinander korreliert oder miteinander ausgerichtet sind. Auf der Grundlage der gemessenen Phasen der empfangenen Signale während der korrelierten Strömungs-Phasen-Detektionszeitfenster für Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Signale, werden die Aufwärts- und Abwärts-Laufzeiten bestimmt, und damit die Lauf zeitdifferenz Δt. Wenn irgendein Fenster um eine abweichende Anzahl von Perioden gegenüber seiner Marke versetzt ist, so wird dieser Zustand als Fehlausrichtung definiert, der zu einem Strömungsbestimmungsfehler führt. Wenn beide Fenster um die gleiche Anzahl von Perioden gegenüber der vordefinierten Anzahl von erwarteten Perioden versetzt sind, so wird dies als Fehl erfassung definiert und führt zu einem Strömungsbestimmungs fehler. Die Korrelationstechnik gemäß der vorliegenden Erfindung bekämpft beide diese Fehler.

Gemäß der Erfindung ist eine Phasenmarke in jede Übertragungs periode eingebettet und wird als plötzliche Änderung der Phase der Perioden des Empfangssignals nach den Perioden detektiert, in die die Marke eingebettet ist. Weil Rauschen und Störungen diese Detektion beeinflussen können, ist es allgemein erforder lich, eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Empfangssignalen digital zu verarbeiten, um dieses Signal aus dem Rauschen zu extrahieren. Auf diese Weise kann eine ausreichende Daten-Stabilität erzielt werden, um sicherzustellen, daß keine Fehl ausrichtung besteht, die die Strömungsdaten beeinflußt hat, die gesammelt wurden und die gleichzeitig mit dem Sammeln und Verarbeiten der Korrelations-Daten selbst verarbeitet wurden. Allgemein ist, mit Ausnahme von extrem gestörten Signal-Be dingungen, die Zeit, die zur Qualifikation der Strömungsdaten erforderlich ist, kurz, üblicherweise so kurz oder nahezu so kurz wie die Zeit, die für eine sinnvolle Strömungsdaten-Sammlung erforderlich ist, beispielsweise von 10 bis 100 Perioden der Schallsignalübertragung.

In größeren Rohren und bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten kann die Position auf der Rohrwand, an der die Schallenergie an dem Empfangswandler empfangen wird, beträchtlich von der Position abweichen, an der der Strahl bei niedrigeren Strö mungsraten austritt. Dies ergibt sich aufgrund der "Strahl-Verwehung". Die Auswirkung der Strömung (VF) besteht darin, daß der scheinbare Austrittspunkt näher an den strömungsabwärts gelegenen Sendewandler und weiter von dem strömungsaufwärts ge legenen Sendewandler fortbewegt wird. Damit ergibt sich eine unterschiedliche Strecke oder ein unterschiedlicher Abstand der Rohrbewegung zwischen den Strömungsaufwärts- und Strömungs abwärts-Übertragungsrichtungen. Für kleinere Rohre und niedri gere Strömungsraten ist diese Wirkung weniger ausgeprägt.

Der Anmelder hatte vorher das Vorhandensein einer Schallwellen leiter-Eigenschaft in allen Rohren festgestellt, in denen sich eine Schallwelle mit im wesentlichen gleichen Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten ausbreitet, wenn das injizierte Signal die Resonanzfrequenz der Rohrwand aufweist und die Phasengeschwindigkeit des injizierten Schallsignals an die Transversalmoden-Schallgeschwindigkeit angepaßt ist, während es sich in Axialrichtung entlang der Rohrwand weiterbewegt. Damit treten in Abhängigkeit von dem Flüssigkeits-Brechungs winkel die Strahlen tatsächlich in einer gewissen Entfernung von dem Sendewandler aus, siehe US-Patente 3 987 674 und 4 475 054. Die Resonanzfrequenz ist durch die Wandstärke und die Longitudinalwellen-Geschwindigkeit des Rohrmaterials be stimmt. Die Phasengeschwindigkeit ist durch das Rohrmaterial bestimmt und wird in gewissem Ausmaß durch die Wandstärke be einflußt, weil die tatsächliche Geschwindigkeit etwas von der von massivem Material abweicht.

Wenn das Schallsignal des Wandlers eine Sendefrequenz aufweist, die an die Resonanzfrequenz eines Rohres angepaßt ist, und wenn der Injektionswinkel dieses Signals die Phasengeschwindigkeit des Wandlergehäuses an die Transversalmoden-Phasengeschwindig keit in dem Rohrleitungs-Wandmaterial anpaßt, so bleibt die Form und Phasencharakteristik der Schallwelle in der Rohrwand im wesentlichen konstant, während sich die Welle in Axialrichtung entlang der Rohrleitungswand ausbreitet. Selbst wenn aufgrund der Strahl-Verwehung das Ausmaß der Rohrleitungsausbreitung in den Aufwärts- und Abwärtsrichtungen unterschiedlich sein kann, bleibt somit die resultierende Signalform und Phasencharakte ristik im wesentlichen identisch. Daher bleibt, selbst wenn der Schallstrahl bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten "verweht" wird, die Marken-Phasencharakteristik im wesentlichen identisch oder zumindest ausreichend identisch, damit eine erfolgreiche Fensterpositions-Korrelation durchgeführt werden kann.

Weil ein derartiger Wandler der einzige Typ ist, der Strahl verwehungseffekte vermeiden kann, folgt hieraus notwendiger weise, daß lediglich der sogenannte Controlotron-Breitstrahl wandler (US-Patent 3 987 674), der an die Wellenleiter- Frequenz- und Phasen-Geschwindigkeits-Charakteristiken eines bestimmten Rohres angepaßt ist, eine erfolgreiche Fenster positions-Korrelation unabhängig den Effekten einer durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten hervorgerufenen Strahl-Ver wehung ermöglichen kann. Daher kann kein Wandler, der bei einer festen einzigen Frequenz oder bei einer Gruppe von Frequenzen arbeitet, von denen keine an die Resonanzfrequenz des Rohres angepaßt ist und dessen Phasencharakteristik nicht speziell an das Material eines vorgegebenen Rohres angepaßt ist, eine Änderung der Amplitudenform und Phasencharakteristik aufgrund der Strahlverwehung vermeiden, was dazu führt, daß Aufwärts- und Abwärts-Signale in dieser Hinsicht unterschied lich sind. Ein derartiger Zustand kann sowohl eine Fehlaus richtung als auch eine Fehlerfassung hervorrufen, weil eine richtige Korrelation verhindert wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.

Anhand der Zeichnung werden nunmehr Ausführungsbeispiele der Erfindung ausführlicher beschrieben, wobei in den Zeichnungen:

Fig. 1 zwei Ultraschallwandler zeigt, die an einer im Querschnitt gezeigten Rohrleitung angebracht sind und in einem Ultraschall-Strömungsmeßsystem verwendet werden,

Fig. 2A und 2B zeigen, wie ein Ultraschallwandler gedämpft werden kann, um dessen Übertragung von verzögerter, gespeicherter Schallenergie aufgrund von internen Reflexionen von longitudinalen und in ihrer Mode gewandelten gescherten Schallwellen zu verringern,

Fig. 3 ein Zeitdiagramm ist, das das Verfahren der Phasendetektion zeigt,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Schaltung ist, das das Verfahren der Phasendetektion zeigt, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird,

Fig. 5 weitere Einzelheiten des Phasendetektors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Bestimmung der Ankunftszeit des Empfangssignals ist, wie sie durch die Detektion der Änderung der Phasenmarke bestimmt wird, wobei gezeigt ist, wie die Laufzeitdifferenz Δt zwischen Strömungs aufwärts- und Strömungsabwärts-Signalen sowie die mittlere Laufzeit TL bestimmt wird,

Fig. 7 ein Phasendiagramm von beispielhaften ausgesandten und empfangenen Signalen ist,

Fig. 8 eine Amplituden-Darstellung eines beispielhaften Empfangssignals ist,

Fig. 9 die Zeitfenster der Erfindung unter Einschluß eines Strömungs-Phasen-Detektions-Fensters und eines Korrela tions-Marken-Phasen-Detektions-Fensters zeigt und

Fig. 10 das Prinzip der "Strahl-Verwehung" zeigt.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine typische Anwendung von Breitstrahl-Ultraschall-Wandlern, die in einem Ultraschall-Strömungsmittel-System verwendet werden. Die Ultra schall-Wandler sind eindringungsfrei, doch können sie auch von dem "benetzten" oder Eindringungs-Typ sein, obwohl die Strahl-Verwehung eine unterschiedliche Auswirkung für "benetzte" Wandler hat. Vorzugsweise sind die Wandler vom Aufklemmtyp. Sie können auf gegenüberliegenden Seiten der Wand einer Rohr leitung 10 befestigt werden, deren Strömung zu messen ist. Die Strömung ist durch den Geschwindigkeits-Vektor VF in Fig. 1 angezeigt. Wie dies für den Fachmann bekannt ist, können die Wandler weiterhin auf der gleichen Seite des Rohres liegen, wobei man sich in diesem Fall auf die Reflexion von der gegen überliegenden Rohr-Seitenwand verläßt.

Wie dies für den Fachmann bekannt ist, erfolgt die Aussendung von Ultraschallsignalen sowohl in Strömungsaufwärts- als auch in Strömungsabwärts-Richtung. Entsprechend kann in einem ersten Fall beispielsweise der Ultraschall-Wandler 20 ein Signal an einen Ultraschall-Wandler 30 aussenden, damit dieses bei der Bestimmung der Strömungsabwärts-Laufzeit verwendet wird. Der Ultraschall-Wandler 30 sendet dann ein Ultraschall-Signal an den Wandler 20, das bei der Bestimmung der Strömungsaufwärts-Lauf zeit verwendet wird. Wie dies für den Fachmann bekannt ist, besteht die grundlegende Maßnahme der Strömungsdetektion bei derartigen aufgeklemmten, nichteindringenden Ultraschall- Strömungsmessern in der Bestimmung der Auswirkung der Strömung des Strömungsmediums in der Rohrleitung auf die Strömungsauf wärts-/Strömungsabwärts-Laufzeit eines Schallstrahls, der von den Wandlern auf der Rohrleitungswand injiziert und empfangen wird, während der Strahl durch die strömende Flüssigkeit hin durchläuft. Die Laufzeit wird proportional zur Geschwindigkeit des Strömung selbst in der Strömungsabwärts-Richtung verkürzt und in der Strömungsaufwärts-Richtung verlängert. Durch Lösen der Gleichung eines derartigen Systems kann in der dem Fachmann bekannten Weise bestimmt werden, daß VF = Kc Δt/TL ist, worin VF die Strömungsgeschwindigkeit, Kc einen dimensionsbehafteten Eichfaktor in Einheiten von Volumen/Zeit darstellt, Δt gleich der Differenz zwischen den gemessenen Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Laufzeiten ist, und TL gleich der gemessenen mittleren Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Laufzeit ist.

Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, ist TL lediglich ein Teil der Gesamt-Laufzeit TN zwischen den Wandlern. Die Gesamt-Laufzeit TN schließt die Laufzeit TL in dem Strömungsmedium sowie die bekannten Laufzeiten durch die Wandler-Befestigungsblöcke, Rohrleitungswände usw. ein, die in Fig. 1 zusammen als T_DEL bezeichnet sind.

Fig. 7 zeigt die Phase eines Beispiels eines Sendesignals (A), wie es von einem Wandler, beispielsweise dem Wandler 20 oder 30, ausgesandt wird, sowie ein Beispiel für die Empfangssignal phase (B), die durch den gegenüberliegenden oder Empfangs-Wandler 30, 20 empfangen wird (in Abhängigkeit davon, ob die Strömungsaufwärts- oder Strömungsabwärts-Laufzeit bestimmt wird). Gemäß der Erfindung wird eine Phasen-Marke, die eine oder mehrere abrupte Phasenänderungen darstellt, dem Sende signal hinzugefügt. Die Phasenmarke wird zu einem Zeitpunkt TM nach dem Beginn der Aussendung hinzugefügt, in idealer Weise nach einer bekannten Anzahl von Perioden der Sendefrequenz. Aufgrund der Auswirkungen der Übertragung durch die Flüssigkeit, die Rohrwände usw., wird das Empfangssignal beeinträchtigt und wird im wesentlichen sinusförmig, wie dies in Fig. 8 ge zeigt ist. Gemäß der Erfindung kann jedoch, unabhängig von der Beeinträchtigung des empfangenen Signals, die Phasenmarke auf grund der plötzlichen Phasenänderung detektiert werden. Dies ermöglicht eine präzise Ausrichtung oder Korrelation der Posi tion der Zeitfenster, sowohl für die Strömungsaufwärts- als auch Strömungsabwärts-Empfangssignale, wie dies weiter unten erläutert wird.

Fig. 6 ist ein Ablaufdiagramm eines Computer-Programms, das zeigt, wie die Strömungsmessung durchgeführt wird, und es zeigt insbesondere die Korrelation der Zeitfenster. Die Zeitdifferenz Δt sowie die mittlere Laufzeit TL durch die Flüssigkeit werden als erstes durch Öffnen eines Strömungs-Phasen-Detektions-Zeit fensters zu einem Zeitpunkt bestimmt, der eine vorgegebene Anzahl von Perioden nach dem Beginn der Aussendung liegt, wenn das durch die Flüssigkeit übertragene Signal an dem Empfänger (1) ankommen sollte. Ein zweites als Korrelations-Phasen-Dektions-Fenster bezeichnetes Fenster wird nach dem Strömungs-Phasen-Dektions-Fenster geöffnet, und während dieses zweiten Fensters wird die Änderung der Phasen-Marke detektiert (2). Eine Phasen-Detektions-Schaltung wird zur Feststellung der Phasenänderung verwendet. Der Zeitpunkt, zu dem das Strömungs- Phasen-Detektions-Zeitfenster öffnet, wird dann auf der Grund lage der Ankunftszeit der Marke so eingestellt, daß es eine vorgegebene Anzahl von Perioden vor der Marke liegt (3). Die Phasen-Detektions-Schaltung wird verwendet, um die Phasenände rung in dem empfangenen Signal aufgrund der Übertragung durch die Rohrleitung festzustellen und die Laufzeit wird dann be stimmt (4). Dies wird sowohl für das Strömungsaufwärts- als auch das Strömungabwärts-Empfangssignal (5), (6) durchgeführt, so daß die Strömungs-Phasen-Detektions-Fenster in präziser Ausrichtung sind. Die Ausrichtung der Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Signalfenster ermöglicht eine genaue Bestimmung von Δt als die Differenz zwischen den Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Laufzeiten (7), wie sie durch die Phasen differenz bezogen auf ein Bezugssignal gemessen wird. Diese Technik der präzisen Ausrichtung der Strömungsphasen-Detek tionsfenster für Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Empfangs signale wird gemäß der Erfindung als Phasen-Korrelation bezeichnet. TL wird auf der Grundlage der Ankunftszeit der Marken bezüglich des Anfangs der Aussendung bestimmt (7).

Die Fig. 7 und 8 zeigen einen typischen Fall der Korrelation. Wie dies erläutert wurde, ist Fig. 7 eine Phasen-Darstellung typischer Sende- und Empfangssignale. Fig. 8 zeigt die Ampli tuden-Darstellung eines typischen empfangenen Signals. Wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, ergibt sich eine Anfangsperiode der Aussendung mit einer bevorzugten Frequenz, die während eines vorhergehenden anfänglichen Inbetriebsetzungs- Zyklus identi fiziert wird, um es dem Empfangssignal zu ermöglichen, einen konstanten Phasenzustand aufzubauen, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist.

Die anfängliche Inbetriebsetzungs-Aufzeichnung ist erforderlich, weil allgemein die Sendefrequenz nicht exakt die Resonanz frequenz des Wandlers oder der Rohrleitungswand ist. Die an fängliche Inbetriebsetzungs-Periode liegt häufig zwischen 7 und 15 Perioden der Sendefrequenz. Danach wird eine zusätz liche Anzahl von Perioden mit dieser gleichen Frequenz und Phase ausgesandt, um einen konstanten Phasenzustand auszubilden, was die Demodulation durch die Bezugs-Rechteckschwingung för dert, um die Laufzeit und somit Δt festzulegen. Die Anzahl derartiger Perioden wird durch die Beziehung zwischen der Sendefrequenz und einer Demodulations-Taktzähler-Frequenz (CLK) bestimmt, die so gewählt ist, daß sich eine ganze Anzahl von Perioden der Zähler-Frequenz (CLK) in der Zeit ergibt, während der die Demodulation durchgeführt wird. Dies ist erforderlich, um ein großes Ausmaß von Demodulationsdatenstreuungen zu vermeiden. Dies wird weiter unten ausführlicher erläutert.

Weil sowohl die Strömungsaufwärts- als auch die Strömungsab wärts-Aussendung die gleiche Markenanordnung und -charakteristik aufweisen, ist zu erwarten, daß die Demodulation sowohl des Strömungsaufwärts- als auch des Strömungsabwärts-Empfangssig nals eine identische Phasendetektions-"Form" zum Zeitpunkt der Ankunft der Marke erzeugt. Dies ermöglicht es, daß die Strö mungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Marken-Formen gegeneinander korreliert werden können, um sicherzustellen, daß das Phasen strömungs-Phasendetektionsfenster für beide Fenster bei der gleichen Beziehung zu den Marken offen ist, d. h. daß die Fen ster miteinander ausgerichtet sind. Wenn sich dies als nicht zutreffend herausstellt, werden die während dieser Zeitperiode gewonnenen Strömungsdaten unterdrückt, und die Fenster werden neu positioniert, um diesen möglichen Fehler sowohl hinsicht lich der Strömungsratendetektion als auch der Bestimmung der Schallausbreitungs-Geschwindigkeit VS der Flüssigkeit zu be seitigen, die lediglich die Schallweglänge dividiert durch den gemessenen Wert von TL ist.

TL kann direkt aus der absoluten Ankunftszeit sowohl der Strö mungsaufwärts- als auch der Strömungsabwärts-Marken gewonnen werden. Eine Möglichkeit hierzu besteht in der Feststellung, daß der Beginn der Ankunft der Marke eine abrupte Änderung der eingeschwungenen Phasenverschiebung hervorruft, die während des Phasendetektionsfensters zum Sammeln der Strömungsdaten existierte, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Es ist möglich, eine Kreisfunktion zur Berechnung des tatsächlichen Beginns der Marke zu verwenden, indem diese als eine Tangente zu einem Kreis behandelt wird, der die sinusförmige Form des Marken phasenmusters selbst erzeugt.

In den Fällen, in denen der Wert von Q des Signals niedrig ist, ist die Markenphasencharakteristik ziemlich linear, so daß eine lineare Projektion zur Bestimmung der Lage der Marke ver wendet werden kann.

Allgemein ist TL = TN - T_DEL, worin T_DEL die Summe der be kannten Zeitverzögerungen außer der Zeit ist, während der die Schallenergie das Strömungsmedium durchquert. Die Zeit TN ist die Gesamtlaufzeit zwischen der Aussendung und dem Empfang, die auf der Grundlage der Zeit zwischen der Aussendung der Marke und dem Empfang der Marke bekannt ist.

Die Verwendung der Phasen-Korrelation stellt sicher, daß sowohl das Strömungsaufwärts- als auch das Strömungsabwärts-Strömungs phasen-Detektionsfenster in der gleichen absoluten und rela tiven Beziehung zu den Phasenmarken stehen, die in die Strö mungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Sendesignale eingebettet sind. Dies ist wesentlich, um Strömungsfehler zu vermeiden, wie dies am besten dadurch verständlich wird, daß die Art und Weise untersucht wird, in der die Strömung tatsächlich detek tiert wird.

Gemäß Fig. 7 besteht das Empfangssignal im wesentlichen aus einer sinusförmigen Schwingungsform, die mit einer niedrigen Amplitude beginnt und sich bis zu einer stationären Amplitude aufbaut, wobei dieser stationäre oder eingeschwungene Zustand für eine Anzahl von Perioden andauert, beispielsweise zumindest 20 Perioden. Dies ist das Ergebnis einer Übertragung von bei spielsweise zumindest ungefähr 30 Perioden mit einer Frequenz, die durch die Wandstärke und das Material des Rohres bestimmt ist.

Der Grund für diese Anzahl von Perioden (beispielsweise 30 Perioden) besteht darin, daß Strömungsmeßsysteme, beispiels weise Controlotron-Systeme, eine Phasendetektion zur Bestimmung der Größe der durch die Strömung hervorgerufenen Zeitverschie bung des empfangenen Signals, bezogen auf einen relativen Sende-Bezugswert verwenden, eine Rechteckschwingung mit der gleichen Frequenz, wie die, die ausgesandt wird. Die Phasen detektion wird dadurch erreicht, daß die Position der Bezugs-Recht eckschwingung in Quadratur zu der variablen Position des tatsächlichen Flüssigkeits-Empfangssignals angeordnet wird, wie dies durch eine Servo-Einrichtung gesteuert wird, die die Bezugs-Rechteckschwingung periodisch so positioniert, daß eine Quadratur innerhalb einer kleinen Differenz aufrecht erhalten wird, typischerweise innerhalb von einer oder wenigen Perioden eines Hochfrequenz-Oszillators, von dem die Bezugs-Recht eckschwingung selbst synthetisiert wird. Die Durchführung dieses Verfahrens erfordert, daß das Empfangssignal die gleiche Frequenz wie das Bezugssignal hat oder sehr nahe an dieser liegt, was von Haus aus erfordert, daß während der Periode einer derartigen Messung die Frequenz des Empfangssignals im Bereich eines eingeschwungenen Zustandes liegt.

Aus Gründen einer verringerten Datenstreuung ist es wichtig, daß eine vorgeschriebene Anzahl von Perioden des Empfangs signals für die Strömungsratenbestimmung erfaßt wird. Bei spielsweise beträgt bei dem Controlotron 1010-System diese Anzahl 13 Perioden. Dies ist in Fig. 9 gezeigt, in der das Strömungsphasen-Detektionsfenster so dargestellt ist, als ob es 13 Perioden lang ist. Weil üblicherweise die Aussendung von bis zu 10 Perioden erforderlich ist, damit das empfangene Signal einen stationären oder eingeschwungenen Zustand erreicht, müssen zumindest 23 Perioden bis zum Ende des Strömungsphasen-Detektions fensters ausgesandt werden. Weil ein Bereich mit stationärem Zustand ebenfalls für die Marke selbst erforderlich ist, damit die Position der Marke bestimmt werden kann, werden 4 bis 7 zusätzliche Perioden als Anfangsteil eines folgenden Korrelations-Phasen-Detektionsfensters nach den 13 Perioden ausgesandt, die für die Strömungsratendetektion verwendet werden. Dies ergibt insgesamt 30 Perioden, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Das Markendetektions-Zeitfenster enthält eine zusätzliche Anzahl von Perioden (X), wie dies in Fig. 9 ge zeigt ist, um die Marke zu detektieren. Das Markendetektions-Zeit fenster ist damit zu Erläuterungszwecken mit 7 + X Perioden dargestellt.

Entsprechend werden ungefähr 30 Perioden vor der Verschiebung der Phase des Sendesignals ausgesandt, um die erste Marke festzulegen. Diese Anzahl kann sich ändern, wenn entschieden wird, daß weniger als 10 Perioden erforderlich sind, um einen eingeschwungenen Zustand zur Strömungsdetektion zu erreichen, oder daß weniger als 7 Perioden für einen eingeschwungenen Zustand vor der Marke erforderlich sind. Tatsächlich ist auch die Anzahl der nach der ersten Marke übertragenen Perioden variabel, und sie hängt von der Anzahl von Perioden ab, die das System benötigt, damit die Marke ihre stationäre Phasen zustandsänderung erreicht. Wenn mehr als eine Marke übertragen wird, die jeweils erst dann beginnt, nachdem die Phasenänderung der vorhergehenden Marke klar ausgebildet wurde, so sind zu sätzliche Sendeperioden erforderlich. Typischerweise werden von 7 bis 20 Perioden übertragen, nachdem die erste Marke übertragen wurde.

Um die Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Laufzeiten zu bestimmen, wird folgendes durchgeführt. Zunächst wird das Strömungsphasen-Detektionsfenster anfänglich so positioniert, daß es gerade nach dem Abschluß des anfänglichen nicht stationären Signalaufbaubereiches beginnt. Siehe Fig. 9. Dies wird dadurch erreicht, daß bekannt ist, daß wenn sich das Strömungsphasen-Detektionsfenster öffnet, beispielsweise 20 Perioden vor der Position der ersten Marke, es dann er möglicht, daß die 7 für die Marke erforderlichen Perioden den 13 Perioden des stationären Empfangssignals folgen, die für das Strömungsphasen-Detektionsfenster benötigt werden. Wie dies in Fig. 9 gezeigt ist, liegt das Ende des 13 Perio den umfassenden Strömungsphasen-Detektionsfensters, das tat sächlich gleich dem Beginn des Korrelations-Phasen-Detektions fensters ist, 7 Perioden vor der detektierten ersten Marke.

Es ist genau bekannt, wann das 13 Perioden umfassende Strö mungsphasen-Detektionsfenster aktiv wird, weil dieses Fenster durch einen Präzisionszähler und einen Hoch frequenz-Präzisions-Oszillator erzeugt wird. Alles was dann zur Bestimmung der Laufzeit noch erforderlich ist, ist die Kenntnis darüber, wie weit das Empfangssignal in dem Strömungsphasen-Detektions fenster von einer Quadratur mit dem Fenster selbst entfernt ist. Dies wird mit einem Phasendetektor durchgeführt. Wenn das Empfangssignal in Quadratur steht, wie dies durch einen Hoch frequenz-Zähler bestimmt wird, der den Phasendetektor speist, so ist das Empfangssignal exakt 1/4 einer Periode der Sende frequenz nach dem Beginn des Öffnungszeitpunkts des Strömungs phasen-Detektionsfensters, wie sie vorher bestimmt wurde. Wenn es später oder früher liegt, so wird der Zustand des Phasendetektionszähler-Ausgangswertes, gemittelt über die 13 Perioden des Empfangssignals, die dieser überwacht, in eine äquivalente Zeitverzögerung (Laufzeit) umgewandelt. Die vor stehend beschriebene Strömungsphasendetektion wird unabhängig sowohl für das Strömungsaufwärts- als auch das Strömungab wärts-Empfangssignal durchgeführt. In jedem Fall wird das Strömungsphasen-Detektionsfenster auf der Grundlage der De tektion der Marke definiert.

Die Auflösung dieser Bestimmung, die über die übliche Periode der Strömungsdaten-Ausgangsberechnung gemittelt wird, liegt im Bereich von Bruchteilen einer Picosekunde, was eine außer ordentliche Strömungsdetektionsempfindlichkeit bewirkt. Die Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Laufzeiten werden beide unabhängig voneinander berechnet, und die Bestimmung der Zeit differenz Δt erfolgt mathematisch. Weiterhin wird die abso lute Ankunftszeit, die zur Berechnung von TL benötigt wird, durch Mitteln der Ankunftszeit der Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Marken und durch Bestimmen der abgelaufenen Zeit von der bekannten Zeit aus bestimmt, zu der diese Marken ausgesandt wurden. Diese Berechnung berücksichtigt tatsächlich die Position der Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Fenster bezüglich des Empfangssignals um sicherzustellen, daß die berechnete mittlere Zeit TN nicht durch die Strömungsrate beeinflußt wird.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Phasendetektionssystems zur Detektion der Ankunftszeit der Marke und der Phasenänderung zur Bestimmung der Laufzeit der Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Empfangssignale. So mit wird das Phasendetektionssystem zur Bestimmung sowohl der Ankunftszeit der Marke durch Feststellung der durch die Marke hervorgerufenen plötzlichen Phasenänderung als auch der Zeit verzögerung (wie sie durch die Phasenänderung bestimmt wird) verwendet, die durch die Übertragung durch die Flüssigkeit in der Rohrleitung hervorgerufen wird.

Das detektierte Empfangssignal mit der eingebetteten Marke wird einer Rechteckwandlerschaltung 40 zugeführt, was zu einem Recht eckschwingungssignal mit der in dem Rechteckschwingungssignal eingebetteten Marke führt. Das Rechteckschwingungssignal wird einem Phasendetektor 50 zugeführt, der die Phasendifferenz bestimmt. Der Phasendetektor 50 wird mit einem hochfrequenten asynchronen Taktsignal (CLK) 60 und mit einem Bezugssignal 30 gespeist. Das Taktsignal weist eine Frequenz auf, die um ein Vielfaches höher als die Frequenz des Bezugssignals oder des Empfangssignals ist. Das Bezugssignal ist eine synthetisierte Rechteckschwingung mit der gleichen Frequenz wie das Sendesignal und synchron zu der Zeit, zu der das Sendesignal ausgesandt wurde.

Fig. 5 zeigt Einzelheiten einer Ausführungsform eines Phasen detektors. Der Phasendetektor kann einen digitalen Vorwärts-/ Rückwärts-Zähler umfassen, der die Anzahl der Impulse des Takt signals während der Vorwärts-(UP-) und Rückwärts-(DN-)Perioden zählt, die durch das Bezugssignal definiert sind. Das Empfangs signal wird als ein Freigabeeingangssignal dem Vorwärts-/ Rückwärts-Zähler zugeführt. Wenn das Bezugssignal einen hohen Pegel aufweist, zählt der Vorwärts-/Rückwärts-Zähler UP-Zählun gen, wenn er durch das Empfangssignal freigegeben ist. Wenn das Bezugssignal einen niedrigen Pegel aufweist, kann der Vorwärts-/ Rückwärts-Zähler DN-Zählungen zählen, wenn er durch das Empfangssignal freigegeben ist. Dies ist ausführlicher in Fig. 3 für drei Beispiele dargestellt, die zeigen, wie die Phase detektiert werden kann.

Wenn das Beispiel eines Empfangssignals genommen wird, das 90° gegenüber dem Bezugssignal phasenverschoben oder zu diesem in Quadratur ist, wie es im Teil a) nach Fig. 3 gezeigt ist, so ist das Bezugssignal in UP- und DN-Abschnitte unterteilt, wie sie durch den Pegel des Bezugssignals definiert sind. Wenn das Empfangssignal eine Phasennacheilung von 90° aufweist, so zählt der Aufwärts-/Abwärts-Zähler nach Fig. 5 eine Anzahl von Taktimpulsen (CLK) 80 während der Zeit, zu der sich das Bezugssignal auf seinem UP-Abschnitt befindet und das Empfangs signal ebenfalls einen hohen Pegel aufweist. In ähnlicher Weise wird, wenn das Bezugssignal sich sich auf seinem DN-Abschnitt befindet und das Empfangssignal hoch ist, eine Anzahl von DN-Zählungen von dem Aufwärts-/Abwärts-Zähler gezählt. Weil das Empfangssignal um 90° gegenüber dem Bezugssignal phasenver schoben ist, ist die Anzahl von UP- und DN-Zählungen exakt gleich, so daß sich die Feststellung ergibt, daß die beiden Signale um 90° phasenverschoben sind. Diese Phasendifferenz entspricht einer präzisen Größe der Zeitverzögerung von der Übertragung durch die Rohrleitung bis zum Empfang (Laufzeit).

Im Teil b) nach Fig. 3 ist ein Beispiel für den Fall gezeigt, bei dem die Bezugs- und Empfangssignale gleichphasig sind. Weil das Empfangssignal exakt mit dem Bezugssignal in Phase ist, werden lediglich UP-Zählungen von dem Aufwärts-/Abwärts-Zähler gezählt, d. h. der Zähler zählt nur UP-Zählungen, weil das Empfangssignal den Zähler lediglich während der UP-Abschnitte des Bezugssignals freigibt. Während der DN-Abschnitte des Be zugssignals ist das Empfangssignal auf einem niedrigen Pegel, so daß keine DN-Zählungen erzeugt werden.

Im Teil c) nach Fig. 3 ist ein Beispiel für den Fall gezeigt, bei dem die Bezugs- und Empfangssignale um 180° phasenverschoben sind. Wie dies hier gezeigt ist, gibt das Empfangssignal den Zähler nur während der Zeit frei, zu der das Bezugssignal DN ist, so daß der Aufwärts-/Abwärts-Zähler lediglich DN-Zählungen zählt und die Phasendifferenz 180° ist.

Wie dies aus dem Vorstehenden für den Fachmann erkennbar ist, ist, wenn die Bezugs- und Empfangssignale irgendeinen anderen Phasenunterschied aufweisen, die relative Anzahl von UP- und DN-Zählungen unterschiedlich, wodurch die Phasendifferenz be stimmt wird. Wenn beispielsweise das Empfangssignal dem Bezugs signal um 45° nacheilt, so ist die Anzahl der UP-Zählungen dreimal so groß, wie die Anzahl der DN-Zählungen. Anders gesagt heißt dies, daß bei einer vollständigen Periode des Empfangs signals dreiviertel der Zählungen UP-Zählungen sind, während lediglich einviertel der Zählungen der Taktfrequenz DN-Zählun gen sind.

Auf diese Weise kann die Phasendifferenz genau bestimmt werden, und aus der Phasendifferenz kann die Zeitverzögerung von der Aussendung zum Empfang bestimmt werden. Dies kann sowohl für die Strömungsaufwärts- als auch die Strömungsabwärts-Signale durchgeführt werden, und aus den beiden Zeitverzögerungen kann der Wert von Δt bestimmt werden.

Weiterhin wird auch die plötzliche, durch die Marke hervorge rufene Phasenänderung durch den Phasendetektor bestimmt. Auf der Grundlage der bekannten Phasendifferenz, die durch die Phasenmarke hervorgerufen wird, kann die präzise Position der Phasenmarke bestimmt werden. Wenn beispielsweise die Phasen marke eine Phasenänderung von 60° zwischen dem Empfangssignal und dem Bezugssignal einbettet, d. h. minus 60°, so würde die relative Anzahl der UP-Zählungen und der DN-Zählungen derart sein, daß sich doppelt so viele UP-Zählungen wie DN-Zählungen ergeben, d. h., daß in einer vollständigen Periode zweidrittel der Taktfrequenz-Zählungen UP-Zählungen sind.

Auf diese Weise kann die beschriebene Erfindung die Phasen differenz zwischen Empfangs- und Bezugssignalen auf der Grund lage der relativen Anzahl von UP- und DN-Zählungen und damit die Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Laufzeiten und den Wert von Δt bestimmen. Durch Positionieren des Strömungs phasen-Detektorfensters für Strömungsaufwärts- und Strömungs abwärts-Empfangssignale in präziser Korrelation zueinander und zu dem empfangenen Signal auf der Grundlage der Detektion der Marke ist der Wert von Δt sowie der Wert von TL genau, was zu einer genauen Strömungsmessung führt.

Bei größeren Rohren und bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten kann die Position auf der Rohrleitungswand, an der die Schall energie austritt, um von dem Empfangswandler empfangen zu werden, beträchtlich von der Position abweichen, an der der Strahl bei niedrigeren Strömungsraten austritt. Wie dies in Fig. 10 gezeigt ist, ergibt sich dies aufgrund einer "Strahl-Verwehung". Wie dies gezeigt ist, besteht die Auswirkung der Strömung VF darin, daß der scheinbare Austrittspunkt (im Gegensatz zu dem tatsächlichen Austrittspunkt) näher zu dem strömungsabwärts gelegenen Sendewandler und weiter von dem strömungsaufwärts gelegenen Sendewandler fortbewegt wird. Fig. 10 zeigt, daß die Pfade bei niedriger Strömungsrate (durchgezogene Linien) für strömungsaufwärts und strömungs abwärts gerichtete Signale angenähert gleich sind. Somit ist lp_µ1 = 1p_dl. Bei höheren Strömungsraten sind die strich punktiert dargestellten Pfade unterschiedlich. Im einzelnen ist lp_Uh » lp_Dh. Damit ergibt sich ein unterschiedlicher Abstand der Rohrbewegung vor dem Eintreten des Strahls in die Flüssigkeit zwischen den Strömungsaufwärts- und Strömungsab wärts-Übertragungsrichtungen. Für kleinere Rohre und/oder niedrige Strömungsraten ist die Wirkung weniger ausgeprägt.

Der Anmelder hat früher bereits das Vorhandensein einer Schall- Wellenleiter-Eigenschaft in allen Rohren festgestellt, in denen sich eine Schallwelle mit im wesentlichen gleichen Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten ausbreitet, wenn das injizierte Signal auf der Resonanzfrequenz der Rohrwand liegt, und die Phasengeschwindigkeit des injizierten Schallsignals an die Transversalmoden-Schallgeschwindigkeit angepaßt ist, während es sich in Axialrichtung entlang der Rohrleitungswand ausbrei tet. Siehe die US-Patente 3 987 674 und 4 475 054. Die Resonanz frequenz ist durch die Wandstärke und die Longitudinalwellen geschwindigkeit des Rohrmaterials bestimmt. Die Phasengeschwin digkeit ist durch das Rohrmaterial bestimmt und wird in ge wissem Ausmaß durch die Wandstärke beeinflußt, weil die tat sächliche Geschwindigkeit etwas von der von massivem Material abweicht.

Wenn das Schallsignal des Wandlers eine Sendefrequenz aufweist, die an die Resonanzfrequenz eines Rohres angepaßt ist, und wenn der Injektionswinkel dieses Schallsignals die Phasengeschwindig keit des Wandlergehäuses an die Transversalmoden-Phasengeschwin digkeit in dem Rohrleitungs-Wandmaterial anpaßt, so bleiben die Form und Phasen-Charakteristiken der Schallwelle in der Rohr leitungswand im wesentlichen konstant, während sich die Welle in Axialrichtung entlang der Rohrwand weiterbewegt. Selbst wenn aufgrund einer Strahl-Verwehung das Ausmaß der Rohrleitungs bewegung in den Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Rich tungen unterschiedlich sein kann, bleibt somit die resultierende Signalform und Phasencharakteristik im wesentlichen identisch. Damit bleiben selbst dann, wenn der Schallstrahl bei hohen Strömungsraten "verweht" wird, die Marken-Phasencharakteristiken identisch oder zumindest ausreichend identisch, damit sich eine erfolgreiche Strömungsphasen-Detektionsfenster-Positions-Korrelation ergibt.

Weil ein Wandler der vorstehend beschriebenen Art der einzige Typ von Wandler ist, der Strahlverwehungseffekte vermeiden kann, folgt hieraus notwendigerweise, daß lediglich der sogenannte Controlotron-Breitstrahl-Wandler (US Patent 3 987 674), der eine Anpassung der Frequenz und der Phasengeschwindigkeit der Wellenleiter-Charakteristik eines bestimmten Rohres ergibt, eine erfolgreiche Fenster-Positions-Korrelation unabhängig von den Auswirkungen von Strahlverwehungen bei hohen Strömungs geschwindigkeiten ermöglichen kann. Daher können alle Wandler, die bei einer festen einzigen Frequenz oder bei einer Gruppe von Frequenzen arbeiten, von denen keine an die Resonanzfrequenz des Rohres angepaßt ist, und deren Phasencharakteristik nicht speziell an das Material eines vorgegebenen Rohres angepaßt ist, keine Änderung der Amplitudenform und der Phasencharakteristik aufgrund der Strahl-Verwehung vermeiden, mit einer entsprechen den Beeinträchtigung sowohl der Phasen- als auch der Amplituden-Korrelations-Verfahren.

Um die Anpassung an die Rohr-Phasencharakteristik zu erzielen, ist der Breitstrahlwandler so hergestellt, daß der Longitudinal wellenwinkel gegenüber der Normalen in dem Wandler derart ist, daß eine Transversalschallstrahlrichtung in der Rohrleitungs wand erzeugt wird, die axial in Richtung der Rohrachse oder 90 Grad gegenüber der Senkrechten verläuft. Dieser Wandler-Winkel wird durch das Snell'sche Gesetz bestimmt und hängt damit von der Schallausbreitung des Wandlermaterials sowie von der Schallgeschwindigkeit des Schallstrahls in dem Rohrlei tungsmaterial ab. Weil es wünschenswert ist, die Transversal wellenmode des Rohres anzuregen, ist es diese Geschwindigkeit, die zur Berechnung des Wandler-Strahlwinkels verwendet wird. Für ein Stahlrohr und bei einem Wandlermaterial, dessen Schall geschwindigkeit ungefähr 97000 Zoll pro Sekunde (2464 m/sec) beträgt, beträgt der Wandlerwinkel ungefähr 57 Grad gegenüber der Senkrechten.

Um die Resonanzfrequenz der Rohrleitungswand anzupassen, ist es erforderlich, die Wandstärken-Toleranzen des Rohres zu berücksichtigen und in der Lage zu sein, die unterschiedlichen Frequenzen für die unterschiedlichen Rohr-Wandstärken für viele Anwendungsfälle bei Rohren, zu erzeugen, die auftreten können. Um die Anzahl von unterschiedlichen Wandlern, die erforderlich sein können, zu einem Minimum zu machen, ist es wesentlich, einen Wandler zu erzeugen, der über einen weiten Bereich von Frequenzen arbeiten kann. Weil die normalerweise verwendeten piezoelektrischen Materialien allgemein sehr stark resonant sind (hoher Wert von Q), ist es wünschenswert, diesen Wert von Q zu verringern. Dies kann dadurch erfolgen, daß der piezo elektrische Kristall in geeigneter Weise gedämpft wird, oder daß vorzugsweise eine Antiresonanz-Struktur in Kontakt mit dem Kristall selbst gebracht wird. Dies kann in der in Fig. 2A gezeigten Weise erfolgen, in der eine Antiresonanz-Kunststoff scheibe 90 auf die Seite des Kristalls 20 aufgebracht ist, die nicht mit der Wandlerstrahl-Injektionsoberfläche in Kon takt steht. Um das Ausmaß der Antiresonanz einzustellen, kann eine Dämpfungsmasse 92 auf die Seite der Kunststoffscheibe aufgebracht werden, die ihrer Kontaktoberfläche mit dem Kristall gegenüberliegt. In jedem Fall ist es wesentlich, einen Wandler zu schaffen, der über einen weiten Bereich von Frequenzen arbeiten kann. Ein Bereich von +/- 20% um eine Mitten-Frequenz herum wird als praktisch verwendbar angesehen.

Zusätzlich zur Dämpfung des piezoelektrischen Kristalles, die dazu beiträgt, daß ein Signal mit geringem Wert von Q erzeugt wird, ist es für eine genaueste Phasenmarkendetektion wün schenswert, eine interne Wandler-Reflexion des Schallsignals zu verhindern. Der Wandler injiziert ein Schall-Strömungs-Detektions signal in das Rohr an dem Kontaktpunkt mit dem Rohr (der Wandler-Grundfläche) und es ist wünschenswert zu ver hindern, daß das Signal erneut diese Oberfläche erreicht. Wenn man sie zulassen würde, so ist es offensichtlich, daß diese intern reflektierten Signale den Phasen-Korrelations-Bereich verfälschen würden, wodurch eine genaue Detektion der Phasenmarke beeinträchtigt würde.

Um dies zu erreichen, wird gemäß Fig. 2B, vorzugsweise ein Schall-Labyrinth dadurch geschaffen, daß geeignete Schlitze 94 ausgebildet werden, die sowohl die reflektierten Longitudinal wellen- als auch die modenkonvertierten Scherwellen-Strahlen "auffangen" und sie einer Vielzahl von internen Reflexionen unterwerfen. Jedes Auftreffen gegen die Schlitzwand, innerhalb der ein viskoses Material, wie zum Beispiel Teer, Leim oder ein in geeigneter Weise viskoses Kunststoffmaterial, angeordnet ist, unterwirft die eintretenden Reflexionen aufeinanderfolgen den Dämpfungen und zwar ebenso auf dem Weg aus dem Labyrinth heraus. Hierdurch wird effektiv die Auswirkung von verbleiben den reflektierten Schallwellen um bis zu 10 : 1 verringert, wo durch die Auswirkung auf die Korrelationsform stark verringert wird.

Zusätzlich dient die oben erwähnte interne Echodämpfung zur Ver ringerung von vorübergehenden Nachschwingungen. Ein derartiges Nachschwingen führt dazu, daß die effektive Übergangsperiode groß wird, wodurch die tatsächliche aktive Übergangsperiode vergrößert wird. Dies führt zu einer längeren Periode von Rohr störungen, was insbesondere die Befestigung von Reflexions-Be triebsart-Wandlern beeinflußt, durch die eine störungsfreie Aufnahme von Flüssigkeitssignalen ermöglicht wird, die bei Anwendungen erzeugt werden, bei denen es sich um Flüssigkeiten mit niedriger Schallgeschwindigkeit handelt, wobei ein geringer Abstand der Wandler erforderlich ist. Wenn das Nachschwingen beseitigt wird, so wird das Rohrgeräusch aufgrund der Trans versalmode beträchtlich verringert, so daß die resultierende Wirkung der Erzeugung von Drifterscheinungen der erfaßten Strömungsrate beseitigt wird.

Um den Wandler mit der Frequenz anzusteuern, die für die Rohr wand erforderlich ist, ist es wesentlich, daß der Strömungs-Rechner, der das Wandlersendesignal erzeugt, das Rohr zum Zeitpunkt der anfänglichen Wanderinstallation prüft, um die Resonanzfrequenz des Rohres zu bestimmen. Dies erfolgt durch einen Vorgang, der als Inbetriebsetzung bezeichnet wird und bei dem eine Vielzahl von Frequenzen erzeugt wird, worauf die opti male Frequenz durch Überprüfen der resultierenden Amplituden- und/oder Phasen-Charakteristiken ausgewählt wird.

Es sei bemerkt, daß sich die Menge an Rohrwandmaterial, das der Strahl durchläuft, ebenfalls aufgrund von Änderungen in dem Beugungswinkel des Strahls aufgrund von Änderungen in der Schallausbreitungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, ändert. In diesem Fall ist jedoch die Änderung des Rohrweges in den Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Richtungen gleich, so daß jede Änderung der Phase der Signale gleich wird, und die Fähigkeit aufrechterhalten wird, die Phasensignaturen zu korrelieren, selbst wenn sie von denen verschieden sind, die sich bei anderen Flüssigkeits-Schallausbreitungs-Geschwindig keiten ergeben. Weil jedoch eine Änderung der Phasencharakte ristik möglicherweise eine Änderung in der Bestimmung der absoluten Ankunftszeit der Strömungsaufwärts- und Strömungsab wärts-Signale gegenüber der hervorrufen würde, die bei anderen Flüssigkeits-Schallausbreitungs-Geschwindigkeiten bestimmt wird, würde ein anderer Wandler, als ein Breitstrahl-Wandler, wahr scheinlich Fehler bei der Berechnung von TL erzeugen, was in der vorstehend erwähnten Weise zu einem Strömungsraten-Berech nungsfehler führen würde. Der Breitstrahl-Wandler vermeidet einen derartigen Fehler, weil sein Schallsignal im wesentlichen unabhängig von der Strömungsrate ist und eine Charakteristik mit niedrigem Wert von Q aufweist.

Die beschriebene Phasen-Korrelations-Technik stellt ein leistungsfähiges Verfahren dar, um sicherzustellen, daß die Ultraschall-Detektion sowohl der Laufzeit als auch der Laufzeitdifferenz zwischen Strömungsaufwärts- und Strömungs abwärts-Schallaussendungen frei von sowohl Fehlausrichtungs- als auch Fehlerfassungs-Fehlern bei der Bestimmung der ab soluten Ankunftszeit ist. Die Verwendung einer eindeutigen Anordnung einer Phasenmarke, anstelle der Verwendung von von Natur aus auftretenden Phasenänderungen, stellt eine genaue Schallausbreitungsgeschwindigkeitsbestimmung für genaue Strömungsmessungen dar. Die Durchführung dieser Korrelation auf einer Echtzeit-Grundlage, gleichzeitig mit der Messung der Strömung selbst, verhindert unerkannte Verschiebungen der Strömungsphasen-Detektionsfenster-Position und daraus folgende Fehler bei der Strömungsmessung.

Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich spezieller Aus führungsformen beschrieben wurde, sind vielfältige andere Abwandlungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ohne weiteres erkennbar.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Ankunftszeit eines Schall signals, das durch ein Strömungsmedium hindurch übertragen wird, das in einem Gefäß strömt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Erzeugen eines Schallsignals mit einem Schallsender zur Übertragung durch das Strömungsmedium in dem das Strömungsmedium führenden Gefäß,
Einbetten von zumindest einer Marke in das Schallsignal,
Übertragen des mit der Marke versehenen Schallsignals durch das Strömungsmedium zum Empfang an einem Empfänger, und
Detektieren der Marke in dem mit der Marke versehen Schallsignal an dem Empfänger.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Bestimmung der Ankunftszeit der Marke.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankunftszeit der Marke verwendet wird, um die Laufzeit des Schallsignals durch das Strömungs medium zu bestimmen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Schritte der Übertragung eines mit einer Marke versehenen Schallsignals in sowohl der Strömungsauf wärts-Richtung als auch der Strömungsabwärts-Richtung durch das Strömungsmedium und die Bestimmung der Differenz der Laufzeiten in den Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Richtungen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine mittlere Laufzeit aus den Laufzeiten in den Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Richtungen bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Laufzeiten in den Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Richtungen und die mittlere Laufzeit zur Bestimmung der Strömungsrate des Strömungsmediums in dem Gefäß verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch das Öffnen eines Strömungsdetektions-Zeit fensters zu einer vordefinierten Zeit nach dem Beginn der Übertragung des Schallsignals und die Bestimmung der Größe der Zeitverzögerung in dem Schallsignal an dem Empfänger aufgrund der Übertragung durch das Strömungsmedium in dem Gefäß zum Empfänger während des Zeitfensters.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch das Öffnen eines Markendetektions-Zeit fensters zu einer vorgegebenen Zeit nach dem Beginn der Über tragung des Schallsignals und die Detektion der Marke in dem empfangenen Signal während des Markendetektions-Zeitfensters.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Bestimmung der Ankunftszeit der Marke in dem empfangenen Signal in dem Markendetektions-Zeitfenster.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeit eine vorein gestellte Anzahl von Perioden des Schallsignals umfaßt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Markendetektions-Zeitfenster eine voreingestellte Anzahl von Perioden des Schallsignals umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vordefinierte Zeit eine vor eingestellte Anzahl von Perioden des Schallsignals umfaßt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die voreingestellte Anzahl von Perioden bis zur vorgegebenen Zeit, bei der das Markendetek tions-Zeitfenster geöffnet wird, größer als die voreingestellte Anzahl von Perioden bis zur vordefinierten Zeit ist, bei der das Strömungsdetektions-Zeitfenster geöffnet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, gekennzeichnet durch die Verwendung der Ankunftszeit der Marke in dem Markendetektions-Zeitfenster zur Einstellung einer Öffnungszeit des Strömungsdetektions-Zeitfensters zur Bestimmung der Größe der Zeitverzögerung in dem Schallsignal an dem Empfänger.

15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die Bestimmung der Ankunftszeit der Marke sowohl für das in der Strömungsaufwärtsrichtung übertragene Schallsignal als auch für das in der Strömungsabwärtsrichtung übertragene Schallsignal und die Einstellung der Position des Strömungsdetektions-Zeitfensters sowohl für das in der Strö mungsaufwärtsrichtung übertragene Signal als auch für das in der Strömungsabwärtsrichtung übertragene Signal derart, daß die jeweiligen Strömungsdetektions-Zeitfenster in der gleichen Beziehung zu der Marke positioniert sind.

16. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch das anfängliche Öffnen des Strömungs detektions-Zeitfensters zu einer vorgegebenen Zeit nach der Übertragung, zu der der Empfang des Schallsignals an dem Empfänger erwartet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 16, gekennzeichnet durch die Schritte der Bestimmung der Strömungs aufwärts- und Strömungsabwärts-Laufzeiten zu einer Vielzahl von Zeitpunkten.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Einbettung einer Marke die Einbettung einer Phasenänderungsmarke in das Schall signal umfaßt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Marke eine Phasenänderungsmarke umfaßt und daß der Schritt der Bestimmung der Größe der Zeit verzögerung in dem Strömungsdetektions-Zeitfenster die Bestim mung einer Phasendifferenz des empfangenen Signals bezüglich eines Bezugssignals umfaßt, und daß der Schritt der Detektion der Marke die Detektion der Phasenänderung umfaßt, die durch die Marke hervorgerufen wird.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Bestimmung der Ankunftszeit der Marke die Detektion einer Phasenänderung des empfangenen Signals umfaßt, die der auf das Sendesignal als Phasenmarke aufgeprägten Änderung entspricht.

21. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Bestimmung der Größe der Zeitverzögerung in dem Strömungsdetektions-Zeitfenster die Detektion einer Änderung der Phase des empfangenen Signals bezüglich eines Bezugssignals umfaßt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Detektion einer Phasenänderung des empfangenen Signals die folgenden Schritte umfaßt:
Lieferung des empfangenen Signals an eine Phasen detektionsschaltung, die ein Taktfrequenzsignal und ein Bezugs signal aufweist, das die gleiche Frequenz wie das empfangene Signal aufweist und mit dem Sendesignal synchronisiert ist,
Verwendung eines Zählers zum Zählen der Taktfrequenz signale,
Freigabe des Zählens der Taktfrequenzsignale durch das empfangene Signal, und
Zählen der Anzahl der Taktfrequenzsignale während jeweiliger Halbperioden des Bezugssignals unter Freigabe durch das empfangene Signal,
was zu jeweiligen Taktfrequenzzählungen während jewei liger Halbperioden des Bezugsfrequenzsignals führt,
wobei die relative Anzahl der Zählungen der Takt frequenzsignal in den jeweiligen Halbperioden des Bezugssignals die Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Signal und dem Bezugssignal bestimmt, und
Verwenden der detektierten Phasendifferenz zur Berech nung der Zeitverzögerung aufgrund der Übertragung von dem Sender zum Empfänger.

23. Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch die Rechteckumwandlung des empfangenen Signals zur Definition von Nulldurchgängen vor der Lieferung des empfangenen Signals an die Phasendetektionsschaltung.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender und Empfänger jeweils einen Breitstrahl-Ultraschallwandler umfassen.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler an die Frequenz- und Phasengeschwindigkeits-Wellenleitercharakteristik des das Strömungsmedium führenden Gefäßes angepaßt werden.

26. Verfahren nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch das Dämpfen der Wandler zur Verringerung der Güte Q der Wandler.

27. Verfahren nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch das Dämpfen der Wandler durch Anordnen eines Antiresonanzelementes auf der Seite des Wandlers, die nicht mit einer Strahlinjektionsoberfläche des Wandlers in Kontakt steht.

28. Verfahren nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Dämpfungselementes auf dem Antiresonanzelement auf dessen Seite, die der mit dem Wandler in Berührung stehenden Seite gegenüberliegt.

29. Vorrichtung zur Bestimmung der Ankunftszeit eines Schall signals, das durch ein in einem Gefäß strömendes Strömungs medium hindurch übertragen wird, gekennzeichnet durch:
einen Sender zur Erzeugung eines Schallsignal zur Über tragung durch das Strömungsmedium in dem das Strömungsmedium führenden Gefäß, wobei zumindest eine Marke in das Schallsignal eingebettet ist,
einen Empfänger zum Empfang des mit der Marke verse henen Schallsignals nach der Übertragung des Signals in dem Strömungsmedium, und
einen Detektor zur Feststellung der Marke in dem mit der Marke versehenen Schallsignal an dem Empfänger.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur Bestimmung der Ankunfts zeit der Marke.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch eine Schaltung, die die Ankunftszeit der Marke zur Bestimmung der Laufzeit des Schallsignals durch das Strömungsmedium verwendet.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch einen Sender, der ein mit einer Marke versehenes Schallsignal sowohl in einer Strömungsaufwärts richtung als auch einer Strömungsabwärtsrichtung aussendet, und eine Schaltung, die eine Differenz der Laufzeiten in den Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärtsrichtungen bestimmt.

33. Vorrichtung nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Bestimmung einer mitt leren Laufzeit aus den Laufzeiten in den Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärtsrichtungen.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die die Differenz der Lauf zeiten und die mittlere Laufzeit verwenden, um die Strömungs rate des Strömungsmediums in dem Gefäß zu bestimmen.

35. Vorrichtung nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch einen Generator zur Lieferung eines Strömungsdetektions-Zeitfensters zu einer vorgegebenen Zeit nach dem Beginn der Aussendung des Schallsignals, und eine Schaltung zur Bestimmung der Größe der Zeitverzögerung in dem Schallsignal an dem Empfänger aufgrund der Übertragung durch das Strömungsmedium in dem Gefäß zu dem Empfänger während des Zeitfensters.

36. Vorrichtung nach Anspruch 35, gekennzeichnet durch einen Generator zur Lieferung eines Markendetektions-Zeitfensters zu einer vorgegebenen Zeit nach dem Beginn der Aussendung des Schallsignals, und eine Schaltung zur Detektion der Marke in dem empfangenen Signal während des Markendetektions-Zeitfensters.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur Bestimmung der Ankunfts zeit der Marke in dem empfangenen Signal in dem Markendetek tions-Zeitfenster.

38. Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeit eine vorein gestellte Anzahl von Perioden des Schallsignals umfaßt.

39. Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß das Markendetektions-Zeitfenster eine voreingestellte Anzahl von Perioden des Schallsignals umfaßt.

40. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die vordefinierte Zeit eine vor eingestellte Anzahl von Perioden der Schallsignale umfaßt.

41. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die voreingestellte Anzahl von Perioden bis zu der vorgegebenen Zeit, an der das Marken detektions-Zeitfenster geöffnet wird, größer als die Anzahl von Perioden bis zu der vordefinierten Zeit ist, zu der das Strömungsdetektions-Zeitfenster geöffnet wird.

42. Vorrichtung nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Verwendung der Ankunfts zeit der Marke in dem Markendetektions-Zeitfenster zur Ein stellung einer Öffnungszeit des Strömungsdetektions-Zeitfensters zur Bestimmung der Größe der Zeitverzögerung in dem Schallsignal an dem Empfänger.

43. Vorrichtung nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur Bestimmung der Ankunfts zeit der Marke sowohl für das in der Strömungsaufwärtsrichtung übertragene Schallsignal als auch für das in der Strömungsab wärtsrichtung übertragene Schallsignal, und Einrichtungen zur Einstellung der Position des Strömungsdetektions-Zeitfensters sowohl für das in der Strömungsaufwärtsrichtung übertragene Signal als auch das in der Strömungsabwärtsrichtung übertragene Signal, so daß die jeweiligen Strömungsdetektions-Zeitfenster in der gleichen Beziehung zu der Marke positioniert sind.

44. Vorrichtung nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch einen Generator, der das Strömungsdetek tions-Zeitfenster anfänglich zu einer vorgegebenen Zeit nach der Aussendung öffnet, wenn der Empfang eines Schallsignals an dem Empfänger erwartet wird.

45. Vorrichtung nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur mehrfachen Bestimmung der Strömungsaufwärts- und Strömungsabwärts-Laufzeiten.

46. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebettete Marke eine eine Phasenänderung darstellende Marke in dem Schallsignal umfaßt.

47. Vorrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Marke eine Phasenänderungs marke umfaßt und daß die Schaltung zur Bestimmung der Größe der Zeitverzögerung in dem Strömungsdetektions-Zeitfenster eine Schaltung umfaßt, die eine Phasendifferenz des empfangenen Signals bezüglich eines Bezugssignals bestimmt und die Marke durch Feststellung der durch die Marke hervorgerufenen Phasen änderung detektiert.

48. Vorrichtung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Bestimmung der Ankunftszeit der Marke eine Schaltung umfaßt, die die der Pha senänderungsmarke entsprechende Phasenänderung des empfangenen Signals detektiert.

49. Vorrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Bestimmung der Größe der Zeitverzögerung in dem Strömungsdetektions-Zeit fenster einen Phasendetektor umfaßt, der die Phasenänderung des empfangenen Signal detektiert, und daß die Zeitverzögerung der Phasenänderung des empfangenen Signals bezüglich eines Bezugssignals einspricht.

50. Vorrichtung nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß die die Phasenänderung des empfan genen Signals detektierende Schaltung eine Phasendetektions schaltung aufweist, die als Eingangssignale ein Taktfrequenz signal, das empfangene Signal und ein Bezugssignal aufweist, das die gleiche Frequenz wie das empfangene Signal aufweist und mit dem gesendeten Signal synchronisiert ist, daß die Phasendetektionsschaltung einen Zähler zum Zählen der Takt frequenzsignale aufweist, daß der Zähler durch das empfangene Signal zum Zählen der Taktfrequenzsignale freigegeben wird, daß der Zähler die Anzahl von Taktfrequenzsignalen während jewei liger Halbperioden des Bezugssignals zählt, wenn er durch das empfangene Signal freigegeben ist, so daß sich jeweilige Zählungen der Taktfrequenzsignale während jeweiliger Halb perioden des Bezugsfrequenzsignals ergeben, daß die relative Anzahl der Zählungen der Taktfrequenzsignale in den jeweiligen Halbperioden des Bezugssignals die Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Signal und dem Bezugssignal bestimmt, und daß eine Schaltung vorgesehen ist, die die detektierte Phasen differenz verwendet, um die Zeitverzögerung aufgrund der Über tragung von dem Sender zum Empfänger zu berechnen.

51. Vorrichtung nach Anspruch 50, gekennzeichnet durch eine Rechteckwandlerschaltung zur Umwand lung des empfangenen Signals in eine Rechteckschwingung vor der Zuführung des empfangenen Signals an die Phasendetektions-Schaltung.

52. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender und der Empfänger jeweils einen Breitstrahl-Ultraschallwandler umfassen.

53. Vorrichtung nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler an die Frequenz- und Phasengeschwindigkeits-Wellenleitercharakteristik des das Strömungsmedium führenden Gefäßes angepaßt sind.

54. Vorrichtung nach Anspruch 53, gekennzeichnet durch ein Dämpfungselement auf dem Wandler zur Verringerung der Güte Q der Wandler.

55. Vorrichtung nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement auf den Wandlern ein Antiresonanzelement auf der Seite des Wandlers umfaßt, die nicht mit der Strahlinjektionsoberfläche des Wandlers in Kontakt steht.

56. Vorrichtung nach Anspruch 55, gekennzeichnet durch ein Dämpfungselement auf dem Antiresonanz element auf dessen Seite, die der Seite gegenüberliegt, die mit dem Wandler in Kontakt steht.

57. Vorrichtung nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement eine Vielzahl von Schlitzen in einem Gehäuse des Wandlers umfaßt, und daß die Schlitze mit einem Dämpfungsmaterial gefüllt sind, um innere Reflektionen von Ultraschallsignalen, die von dem Wandler er zeugt werden, zu reflektieren und zu absorbieren.

58. Ultraschallwandler für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 57, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler in einem Gehäuse angeordnet ist und ein Ultraschallsignal in ein eine Flüssigkeit führendes Rohr injiziert, daß der Wandler eine Sendefrequenz, die an eine Resonanzfrequenz des Rohres ange paßt ist, und einen Ultraschallenergie-Injektionswinkel in das Rohr aufweist, der eine Phasengeschwindigkeit des Gehäuses Wandlers an eine Transversalmoden-Phasengeschwindigkeit in dem Material des Rohres anpaßt, und daß der Wandler weiterhin einen Ultraschallenergie erzeugenden Kristall, ein Gehäuse für den Kristall und eine Antiresonanzstruktur aufweist, die auf dem Gehäuse des Kristalls angeordnet ist, um die Güte Q des Kristalls zu verringern.

59. Wandler nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler eine Strahlinjektions oberfläche mit dem Rohr aufweist, daß die Antiresonanzstruktur ein antiresonantes Material umfaßt, das auf der Seite des Kristalls angeordnet ist, die nicht mit der Wandler strahl-Injektionsoberfläche in Kontakt steht.

60. Wandler nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet, daß die Antiresonanzstruktur eine Antiresonanz-Kunststoffscheibe umfaßt.

61. Wandler nach Anspruch 59, gekennzeichnet durch eine Dämpfungskomponente, die auf einer Seite der Antiresonanzstruktur gegenüberliegend zu der Seite der Antiresonanzstruktur angeordnet ist, die in Kontakt mit dem Kristall steht.

62. Wandler nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, daß die Antiresonazstruktur eine Viel zahl von Schlitzen in dem Gehäuse des Kristalls umfaßt, und daß die Schlitze mit einem Dämpfungsmaterial gefüllt sind, um interne Reflektionen von von dem Kristall erzeugten Ultra schallsignalen zu reflektieren und zu absorbieren.

63. Verfahren zum Dämpfen eines Ultraschallwandlers, der in einem Gehäuse angeordnet ist, um ein Ultraschallsignal in ein ein Strömungsmedium führendes Rohr zu injizieren, wobei der Wandler eine an die Resonanzfrequenz des Rohres angepaßte Sendefrequenz und einen Ultraschallenergie-Injektionswinkel aufweist, der eine Phasengeschwindigkeit des Gehäuses des Wandlers an eine Transversalmoden-Phasengeschwindigkeit in dem Rohrmaterial anpaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Schaffung eines Gehäuses,
Anordnung eines Ultraschallenergie erzeugenden Kristalls in dem Gehäuse,
Anordnung des Gehäuses mit dem darin befindlichen Kristall an dem Rohr, und
Schaffung einer Antiresonanzstruktur in dem Gehäuse des Kristalls zur Verringerung der Güte Q des Kristalls.

64. Verfahren nach Anspruch 63, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler eine Strahlinjektions oberfläche mit dem Rohr aufweist, und daß der Schritt der An ordnung einer Antiresonanzstruktur in Kontakt mit der Oberfläche des Kristalls die Anordnung der Antiresonanzstruktur auf einer Seite des Kristalls umfaßt, die nicht mit der Wandlerstrahl injektionsoberfläche in Kontakt steht.

65. Verfahren nach Anspruch 64, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Anordnung einer Antiresonanzstruktur in Kontakt mit dem Kristall die Verwen dung einer Antiresonanz-Kunststoffscheibe umfaßt.

66. Verfahren nach Anspruch 64, gekennzeichnet durch die Anordnung einer Dämpfungskomponente auf einer Seite der Antiresonanzstruktur gegenüberliegendend zu der Seite der Antiresonanzstruktur, die in Kontakt mit dem Kristall steht.

67. Verfahren nach Anspruch 63, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Schaffung einer Antiresonanzstruktur die Ausbildung einer Vielzahl von Schlitzen in dem Gehäuse des Kristalls und das Füllen der Schlitze mit einem Dämpfungsmaterial umfaßt, um innere Relek tionen der von dem Kristall erzeugten Ultraschallsignale zu reflektieren und zu absorbieren.