DE19841154A1 - Verfahren und Gerätesystem zur Messung der Laufzeit von Schallwellen - Google Patents

Verfahren und Gerätesystem zur Messung der Laufzeit von Schallwellen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laufzeitmessung von Schallwellen und ein Gerätesystem zur Durchführung des Verfahrens. Es ist besonders für Messungen in Medien mit einer starken bzw. stark schwankenden und deutlich frequenzabhängigen Schalldämpfung geeignet. Bei ihm wird zunächst die Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und Empfangssignal bei zwei unterschiedlichen Schallfrequenzen ermittelt. Aus diesen beiden Werten wird dann die Laufzeit der Schallwellen innerhalb bestimmter vorgegebener Grenzen (eines Meßfensters) berechnet. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß auch Laufzeitveränderungen, die Phasenverschiebungen von mehreren Signalperioden bewirken, gemessen werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerätesystem zur Laufzeitmessung von Schallwellen, insbesondere zur Messung der Schallgeschwindigkeit in flüssigen oder gasförmigen Medien. Die Anwendung erfolgt besonders bei Messungen in Medien mit einer starken bzw. stark schwankenden und deutlich frequenzabhängigen Schalldämpfung.
Die Laufzeit von Schallwellen kann entweder absolut oder als Differenz gegenüber einer Bezugslaufzeit gemessen werden. Zur absoluten Laufzeitmessung werden am häufigsten Im­ pulsverfahren eingesetzt. Bei Ihnen wird der Empfangszeitpunkt eines gesendeten Schallim­ pulses im einfachsten Fall durch das Überschreiten einer festgelegten Triggerspannung (Flankentriggerung) ermittelt. Die meisten der nach diesem Verfahren arbeitenden Systeme verwenden relativ schmalbandige Impulse. Dadurch erfolgt der Amplitudenanstieg bzw. -abfall im Sende- und Empfangssignal relativ langsam über mehrere Schwingungsperioden. Gleichzeitig kann sich aber die Amplitude des Empfangssignals je nach Weglänge und Größe der Schalldämpfung stark ändern. Das hat bei der Verwendung eines fest vorgegebe­ nen Schwellwertes oft erhebliche Fehler bei der Laufzeitmessung zur Folge. Um auch bei einer schwankenden Empfangssignalamplitude eine konstante und für viele Anwendungen ausreichend hohe Meßgenauigkeit zu erreichen, kann entweder
  • - die Detektionsschwelle in einem festen Verhältnis zum Empfangsimpulsmaximum gehal­ ten,
  • - auf das Empfangsimpulsmaximum direkt getriggert (Maximumtriggerung) oder
  • - auf einen bestimmten Nulldurchgang des Impulses nachgetriggert werden (Nullpunkttrig­ gerung).
Bei sehr starken Amplitudenschwankungen oder einem geringen Signal-Rausch-Abstand ist sogar das völlige Versagen eines mit Flanken- oder Amplitudentriggerung arbeitenden Meß­ systems möglich. Aus diesem Grund wird bei einigen Verfahren durch die Bildung der Hüll­ kurve des Empfangsimpulses ein Bezugszeitpunkt ermittelt. Dieser kann z. B. wie in EP 0 324 731 B1 das erste nach dem Maximum der Hüllkurve auftretende Schwingungs­ maximum des Impulses sein. Dadurch kann die zu ermittelnde Laufzeit in etwa grob vor­ bestimmt werden, wodurch eine Erhöhung der Funktionssicherheit erreicht wird. Bei dieser ersten Messung genügt es, wenn sich die Genauigkeit der vorbestimmten Laufzeit innerhalb der Fehlergrenzen von -0,25/f bis 0,25/f befindet, wobei f die Grundfrequenz des Schallim­ pulses ist. Für die nachfolgende exakte Ermittlung der Laufzeit ist bei diesem Meßverfahren die Bestimmung eines Korrekturwertes durch eine weitere Auswertung des Empfangsimpul­ ses notwendig. Dieser kann z. B. wie in EP 0 324 731 B1 in einer Nullpunkttriggerung ab dem ermittelten Bezugszeitpunkt bestehen. Bei der Anwendung dieser Methode muß sicher gestellt sein, daß der auszuwertende Nulldurchgang nicht durch Störsignale, wie z. B. Rau­ schen verfälscht wird oder überhaupt nicht mehr zu detektieren ist. Eine weitere Möglich­ keit zur Bestimmung des Korrekturwertes ist die in DE 44 07 369 A1 beschriebene Messung der Phasenverschiebung des Empfangsimpulses gegenüber einem Referenzsignal, dessen Phasenlage mit der des Sendeimpulses übereinstimmt. Diese Methode ist gegenüber Störungen, die eine Verfälschung der Nulldurchgänge des Empfangssignals bewirken, unempfindlich.
Ist sichergestellt, daß auftretende Verzerrungen des Empfangssignals nur durch die Über­ tragungseigenschaften der verwendeten Sende- und Empfangswandler und nicht durch die Meßstrecke verursacht werden, so kann zur weitgehenden Eliminierung ihres Einflusses das in DE 43 22 849 C1 beschriebene Meßverfahren angewendet werden. Es besteht darin, daß zu einem in die Meßstrecke abgestrahlten Meß-Schallsignal ein Referenz-Sendesignal mit nahezu identischer Verzerrung gebildet wird. Dadurch kann die Laufzeit über die Korrelationsfunktion von Referenz- und über die Meßstrecke übertragenem Signal ermittelt werden. Die Genauigkeit des so erhaltenen Laufzeitwertes ist unabhängig von der Amplitudenhöhe des Empfangssignals sowie von den Übertragungseigenschaften der verwendeten Schallwandler.
Bei allen Impulsmeßverfahren ist zur Anregung des Sende- bzw. Empfangswandlers ein re­ lativ starker elektrischer bzw. akustischer Impuls erforderlich. Diesen Nachteil besitzen Verfahren, die mit kontinuierlichen Schallsignalen arbeiten nicht, da hier die Schallwandler im Resonanzbetrieb arbeiten. Bei ihnen wird die Laufzeit der Schallwellen im einfachsten Fall durch die Messung der Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und dem Empfangs­ signal ermittelt. Es ist mit ihnen eine sehr genaue Laufzeitermittlung möglich, da über einen Phasendiskriminator die Phasenverschiebung bis auf sehr kleine Bruchteile der Wellenlänge genau gemessen werden kann. Durch die periodische Wiederholung der Phasenlagen kön­ nen jedoch nur Laufzeitunterschiede gemessen werden, die kleiner sind als die Peri­ odendauer der verwendeten Signalfrequenz. Es sind also keine absoluten Messungen mög­ lich. Die Laufzeit kann bei diesen Verfahren ermittelt werden, indem der Laufzeitunter­ schied gegenüber einem Bezugszeitpunkt mit bekannter Laufzeit bestimmt wird.
Durch eine Amplitudenmodulation des Sendesignals ist es aber auch bei der Verwendung von kontinuierlichen Schallsignalen möglich, die zu ermittelnde Laufzeit in etwa grob vor­ zubestimmen. Die Modulation kann z. B. wie in DE 44 37 205 A1 durch ein digital erzeugtes, periodisches und im Vergleich zum Sendesignal niederfrequentes Rauschsignal erfolgen. Vor der Auswertung muß das Empfangssignal dann wieder durch Demodulation in das Träger- und das Modulationssignal zerlegt werden. Anschließend werden die beiden Signale zur absoluten und relativen Laufzeitmessung je einem Vergleicher getrennt zugeführt. Dort werden sie dann mit den ursprünglichen Signalen bezüglich ihrer Laufzeit bzw. Phasenlage verglichen. Dadurch ist es auch hier möglich, die Vorteile einer absoluten Messung mit der Genauigkeit und Zuverlässigkeit eines auf der Messung der Phasenverschiebung beruhenden Verfahrens zu verbinden. Bei der Anwendung dieses Meßverfahrens muß sicher gestellt sein, daß eine eventuell vorhandene Verzerrung des Empfangssignals die Detektion des aufmodulierten Rauschsignals nicht verhindert.
Eine andere Möglichkeit zur absoluten Laufzeitmessung mit einem kontinuierlichen Schall­ signal ist die Verwendung von zwei oder mehr verschiedenen Schallfrequenzen, die zu ge­ nau definierten Zeitpunkten umgeschaltet werden. Die so in das Sendesignal eingefügte ko­ dierte Information kann durch Dekodierung des Empfangssignals wieder zurückgewonnen und zur Laufzeitmessung verwendet werden. Im allgemeinen ist die Verwendung von zwei verschiedenen Frequenzen wie z. B. in DE 34 12 089 A1 ausreichend. Die kodierte Information setzt sich dort aus einem Startbit und einem Vier-Bit-Wort zusammen. Wird dieses Bitmuster gesendet, so erfolgt gleichzeitig der Start eines Zählers. Zusätzlich wird es einer Auswerteeinheit für einen Vergleich mit dem kodierten Empfangssignal zugeführt. Bei einer Übereinstimmung wird der Zähler gestoppt und daraus die Laufzeit ermittelt. Da hier keine Auswertung der Signalamplituden erfolgt, ist dieses Verfahren relativ unempfindlich gegenüber Störungen wie z. B. Empfangssignalverzerrungen und Amplitudenschwankungen. Ein Nachteil dagegen ist, daß für eine Messung eine größere Anzahl an Signalschwingungen erfaßt und ausgewertet werden muß.
Ist die Dämpfung eines gesendeten Schallsignals stark schwankend und deutlich frequenzab­ hängig, so sind zur Ermittlung der Signallaufzeit alle Meßverfahren, bei denen eine Auswer­ tung der Signalamplitude erfolgt, ungeeignet. Weiterhin bewirkt die frequenzabhängige Dämpfung besonders bei breitbandigen Signalen eine Verzerrung des Empfangssignals. Deshalb ist es für eine Laufzeitmessung unter diesen Bedingungen am günstigsten, sehr schmalbandige, kontinuierliche Schallsignale zu verwenden. Soll zusätzlich eine hohe Ge­ nauigkeit bei einer sehr begrenzten Anzahl auswertbarer Signalschwingungen erreicht wer­ den, so ist eine Ermittlung der Laufzeit über die Bestimmung der Phasenverschiebung zwi­ schen dem Sende- und Empfangssignal am günstigsten. Für viele Anwendungen ist aber die damit meßbare Laufzeitänderung zu gering.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die Laufzeitmessung von Schallwellen unter Verwendung sehr schmalbandiger, kontinuierlicher Schallsignale durch die Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen dem Sende und Empfangssignal vorzuschlagen, wobei der Meßbereich für die Laufzeitänderung wesentlich erweitert werden soll. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung ein Gerätesystem vorzuschlagen, welches durch entsprechende Anordnung der Baugruppen die praktische Umsetzung der erfindungsgemäßen Laufzeitmessung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfindungsgemäßen Gedanken, auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Ansprüchen 2 bis 11.
Zur erfindungsgemäßen Lösung sollen weitere Erläuterungen folgen.
Werden Schallsignale bei dem Durchlaufen einer Meßstrecke stark gedämpft, so muß eine möglichst hohe Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit erreicht werden. Ist die Dämp­ fungsstärke zusätzlich frequenzabhängig, so ist, wie schon festgestellt wurde, zur Verhinde­ rung von Empfangssignalverzerrungen die Verwendung von sehr schmalbandigen (mono­ chromen) Signalen notwendig. Diese beiden Forderungen werden durch kontinuierliche, si­ nusförmige Schallsignale nahezu ideal erfüllt, denn erstens ermöglichen sie den Betrieb der Schallwandler im eingeschwungenen Zustand (Resonanzbetrieb) und zweitens besitzen sie neben ihrer Grundschwingung keine weiteren Oberschwingungen.
Sind zusätzlich auch starke Schwankungen der Schalldämpfungsstärke möglich, dann muß, wie ebenfalls schon festgestellt wurde, auf die Auswertung der Schwingungsamplituden des Empfangssignals verzichtet werden. Deshalb wird die Schallaufzeit nur aus der Phasenver­ schiebung zwischen dem Sende- und Empfangssignal ermittelt. Weil die mit dieser bekannten Methode meßbare Laufzeitänderung durch die Periodendauer des verwendeten Schallsignals begrenzt wird, besteht der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, diese Grenze durch die Ermittlung der Phasenverschiebung bei einer zweiten Frequenz aufzuheben. Dadurch ist es möglich auch Laufzeitveränderungen, die einer Phasenverschiebung von mehr als einer Signalperiode entsprechen, zu messen. Diese beiden Phasenverschiebungen müssen so schnell hintereinander gemessen werden, daß die Laufzeit während des gesamten Meßvorganges als konstant angesehen werden kann. Die meßbare Laufzeitänderung wird im folgenden auch als Meßfenster bezeichnet.
Die maximale Anzahl an Signalperioden Δimax,j, um die sich das Ausgangs- und das Emp­ fangssignal bei den Frequenzen fj und fk verschieben darf, ergibt sich aus
kgV(fj, fk) ist das kleinste gemeinsame Vielfache der Frequenzen fj und fk. Bei der Auswahl eines solchen Frequenzpaares muß beachtet werden, daß sich beide Frequenzen in der Nähe der Resonanzfrequenz der verwendeten Ultraschallwandler befinden müssen. Durch die Kenntnis der Δimax,j kann jetzt die Größe des Meßfensters Δts,max mit
berechnet werden.
Da ein nach diesem Verfahren arbeitendes Meßsystem keine absoluten Laufzeitmessungen ermöglicht, ist eine einmalige Eichung erforderlich. Sie besteht aus einer Messung der Pha­ senverschiebungen ϕe,1 und ϕe,2 mit den beiden verwendeten Frequenzen f1, und f2 bei einer genau bekannten Schallaufzeit te. Aus diesen Werten können die bei dem unteren Meßfen­ stereckwert tmin auftretenden Phasenverschiebungen ϕmin,j durch
bestimmt werden. Durch die Wahl dieses Eckwertes wird die Position des Meßfensters fest­ gelegt, innerhalb dessen sich die zu ermittelnden Schallaufzeiten befinden müssen. Der obere Eckwert des Meßfensters ts,max kann mit
ts,max=ts,min+Δts,max (4)
ermittelt werden. Mit frac(x) wird hier die Restfunktion bezeichnet. Ihr Funktionsergebnis ist die Differenz zwischen dem ihr übergebenen Argument x und der größten ganzen Zahl, die kleiner oder gleich x ist. Dabei ist das Argument der Minuend und die ganze Zahl der Subtrahend. Ist das übergebene Argument positiv, so ist also das Funktionsergebnis dessen nicht-ganzzahliger Teil.
Bei einer Messung der Schallaufzeit wird bei jeder der beiden verwendeten Frequenzen fj und fk die Phasenverschiebung ϕg,j bzw. ϕg,k gemessen. Anschließend wird eine gemessene Phasenverschiebung ϕg,j ausgewählt und mit ihr alle Δimax,k theoretisch möglichen Phasenver­ schiebungen ϕt,k der jeweils anderen Frequenz durch
ermittelt. Für genau eine dieser möglichen Phasenverschiebungen gilt:
ϕt,k=ϕg,k (6)
Aus dem zu dieser theoretischen Phasenverschiebung gehörigen Δij kann jetzt die Schallauf­ zeit ts nach folgender Gleichung berechnet werden:
Da die Ermittlung der Phasenwinkel immer mit einem gewissen Fehler behaftet ist, wird die Bedingung (6) als erfüllt angesehen, wenn für ϕt,k und ϕg,k gilt:
Der Wert Δϕk ist die Differenz zwischen zwei benachbarten theoretisch möglichen Phasen­ verschiebungen ϕt,k. Um zu gewährleisten, daß diese Bedingung bei dem zutreffenden Δij erfüllt ist, müssen an die Genauigkeit der bei den Frequenzen fj und fk ermittelten Phasen­ winkel die Forderungen
gestellt werden. Die Größen ϕw,j und ϕw,k sind die beiden unbekannten wahren Werte der zu messenden Phasenwinkel. Der Meßfehler, der bei der Ermittlung von ϕg,j auftritt, geht in die Bedingung (8) durch den Wert ϕt,k ein, der mit der Gleichung (5) aus ϕg,j ermittelt wird. Zur vorteilhaften Ausführung des Meßverfahrens wird ein erfindungsgemäßes Gerätesystem vorgeschlagen. Das Zentrum des Gerätesystems bildet eine Steuer- und Auswerteeinheit, die mit einer Sende- und einer Empfangseinheit verbunden ist. Die Sendeeinheit erzeugt ein Sende- und Referenzsignal der Frequenz fj bzw. fk, wobei die Frequenzauswahl durch die Steuer- und Auswerteeinheit erfolgt. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil ist der Schallsensor, der ebenfalls mit der Sende- und der Empfangseinheit verbunden ist. Dadurch erreicht das von der Sendeeinheit erzeugte Sendesignal nach dem Durchlaufen der Meßstrecke als Empfangssignal die Empfangseinheit. Das Referenzsignal wird direkt von der Sende- zur Empfangseinheit geführt. Dort werden beide Signale entweder in eine für die Steuer- und Auswerteeinheit verarbeitbare Form umgewandelt oder es findet mit der Ermittlung der Phasenverschiebung zwischen ihnen bereits eine Signalvorverarbeitung statt. Danach wird entweder das konvertierte Signalpaar oder die ermittelte Phasenverschiebung zur Steuer- und Auswerteeinheit übertragen. Ist dieser Vorgang für beide Frequenzen abgeschlossen, wird in dieser Einheit die Schallaufzeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt und anschließend ausgegeben.
Es wurde ein Meßverfahren und ein Gerätesystem entwickelt, mit dem beispielsweise die Ultraschallgeschwindigkeit in blasenhaltigen Flüssigkeiten und Suspensionen zuverlässiger als mit dem Impuls-Laufzeit-Verfahren ermittelt werden kann. Mit ihm können stark verrauschte und/oder stark schwankende Ultraschallsignale noch sicher ausgewertet werden. Das ist besonders bei Messungen in hochviskosen sowie blasenhaltigen Flüssigkeiten von Be­ deutung (u. a. bei der Saccharrosekristallisation). Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist sehr groß. So entstehen blasenhaltige Flüssigkeiten und Suspensionen bei Prozessen in der Lebensmittelindustrie, der Chemischen Industrie, der Pharmaindustrie und im Labor. Besondere Vorteile ergeben sich bei der Überwachung von Prozessen mit besonders hohen Reinheitsanforderungen, denn durch eine vollständige Kapselung des Schallsensors erfolgen die Messungen absolut berührungsfrei. Weiterhin ist durch eine relativ geringe Energie der verwendeten Ultraschallimpulse sichergestellt, daß keine unerwünschten chemischen Reaktionen in der zu messenden Flüssigkeit hervorgerufen werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden.
Ausgehend von der Feststellung, daß bei der Ermittlung der Schallaufzeit über die Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und dem Empfangssignal die meßbare Laufzeitveränderung durch die Periodendauer des verwendeten Schallsignals begrenzt wird, besteht der Grundgedanke des entwickelten Verfahrens, wie schon dargelegt, darin, diese Grenze durch die Ermittlung der Phasenverschiebung bei einer zweiten Frequenz (siehe Fig. 1) aufzuheben.
Bei Ultraschallwandlern mit einer Resonanzfrequenz von 1 MHz kann z. B. das Frequenz­ paar fj = 1,0 MHz und fk = 1,1 MHz verwendet werden. Da in diesem Fall das kgV(fj, fk) = 11 MHz ist, ergibt sich aus der Gleichung (1) für Δimax,j = 10 und für Δimax,k = 11. Daraus ergibt sich nach dem Einsetzen der zu einer Frequenz gehörigen Werte in die Gleichung (2) eine Meßfenstergröße von 10 µs.
Wird die Eichung mit destilliertem Wasser bei 20°C durchgeführt, so wird in der Literatur eine Schallgeschwindigkeit von 1482,7 m/s angegeben. Unter der Annahme eines Schallwe­ ges von 4 cm ergibt sich daraus eine Schallaufzeit von ts,e = 26,98 µs. Weiterhin wird ange­ nommen, daß bei dem schon genannten Frequenzpaar die Phasenverschiebungen ϕe,j = 3 51,72° und ϕe,k = 242,89° gemessen wurden, und daß der untere Eckwert des Meß­ fensters sich bei ts,min = 16,67 µs befindet. Werden diese Werte in die Gleichung (3) einge­ setzt, so erhält man für die bei ts,min auftretenden Phasenverschiebungen die Werte ϕmin,j = 239,71° und ϕmin,k = 119,68°.
Werden bei einer anschließenden Messung der Schallaufzeit z. B. Phasenverschiebungen von ϕg,j = 336,47° und ϕg,k 46,11° gemessen, so ergeben sich durch das Einsetzen von ϕg,j in die Gleichung (5) folgende theoretisch möglichen Phasenverschiebungen ϕt,k:
Δij = 0: ϕ t,k = 226,11°
Δij = 1: ϕt,k = 262,11°
Δij = 2: ϕt,k = 298,11°
Δij = 3: ϕt,k = 334,11°
Δij = 4: ϕt,k = 10,11°
Δij = 5: ϕt,k = 46,11°
Δij = 6: ϕt,k = 82,11°
Δij = 7: ϕt,k = 118,11°
Δij = 8: ϕt,k = 154,11°
Δij = 9: ϕt,k = 190,11°
Da jede reale Messung mit einem Meßfehler behaftet ist, wurde die Bedingung (6) in die Bedingung (8) abgewandelt. In unserem Beispiel ist Δϕk = 36°. Es werden also ϕg,j und ϕg,k als übereinstimmend angesehen, wenn die Bedingung
ϕt,k-18°<ϕg,k≦ϕt,k+18°
erfüllt ist. Um zu gewährleisten, daß damit der jeweils zutreffende Wert für Δij, ermittelt wird, müssen an die Genauigkeit, mit der die Phasenwinkel ϕg,j und ϕg,k gemessen werden, die sich aus (9) und (10) ergebenden Forderungen
ϕg,j-8,18°≦ϕw,j≦ϕg,j+8,18°
und
ϕg,k-9°≦ϕw,j≦ϕg,k+9°
gestellt werden.
Ein Vergleich dieser theoretischen Werte mit der gemessenen Phasenverschiebung ϕg,k er­ gibt, daß die Bedingung (6) für Δij = 5 erfüllt ist. Bei einer gedachten Veränderung der Schallaufzeit von ts auf ts,min treten also 5 Phasenwinkelsprünge zwischen 0° und 360° auf. Aus der Gleichung (7) ergibt sich damit eine Schallaufzeit von ts = 21,94 µs.
Schallaufzeit von ts auf ts,min treten also 5 Phasenwinkelsprünge zwische 0° und 360° auf. Aus der Gleichung (7) ergibt sich damit eine Schallaufzeit von ts = 21,94 µs.
Bei einer Realisierung der vorgeschlagenen Verfahrensanordnung ist die Steuer- und Aus­ werteeinheit 1 in der Regel ein Computer. Zur Erzeugung des Sende- und Referenzsignals kann ein von diesem steuerbarer analoger oder digitaler Signalgenerator, als Sendeeinheit 2 bezeichnet, verwendet werden. Um die Bildung von stehenden Wellen zu vermeiden sowie eine Meßwertverfälschung durch ein eventuelles Entstehen eines Übersprech- und Körperschallsignals zu verhindern, ist es erforderlich, statt eines kontinuierlichen ein quasikontinuierliches, aus einzelnen Bursts bestehendes, Sendesignal zu verwenden. Das sind Schwingungspakete, die aus mehreren Schwingungen einer bestimmten Grundfrequenz bestehen. Diese müssen wenigstens so lang sein, daß die Schwingfrequenz des durch sie angeregten Sendewandlers einen stationären Zustand erreicht. Die Bezeichnung quasikon­ tinuierlich wurde gewählt, weil die endliche Größe der Bursts Ihr die Signalauswertung ohne Bedeutung ist. Wird eine hohe Sendeleistung benötigt, so kann eine Verstärkung des Sendesignals durch einen Sendesignalverstärker erforderlich sein. Als Schallsender und Schallempfänger eines Schallsensors 3 eignen sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders piezokeramische Schallwandler, da sie ein sehr schmalbandiges Über­ tragungsverhalten aufweisen und zusätzlich auch besonders robust sind. Das von dem Schallsensor 3 an die Empfangseinheit 4 gelieferte Empfangssignal muß vor allem bei einer starken Schalldämpfung in dem zu messenden Medium durch einen Empfangssignal­ verstärker verstärkt werden. Um die Auswertbarkeit des Empfangssignals auch bei einer sehr hohen Signalverstärkung von z. B. 110 dB zu gewährleisten, muß er ein sehr gutes Sig­ nal-Rausch-Verhältnis aufweisen. Anschließend werden das Empfangssignal und das direkt von der Sendeeinheit 2 kommende Referenzsignal entweder durch zwei synchronisierte A/D-Wandler parallel digitalisiert, oder es wird durch eine Zähleinrichtung direkt die Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Signalen ermittelt. Ist dieser Vorgang auch für die zweite Frequenz abgeschlossen, so kann der Computer aus den erhaltenen Meßwerten die Schallaufzeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermitteln und auf einem Display oder über eine analoge oder digitale Schnittstelle ausgeben.

Claims (11)

1. Verfahren zur Messung der Laufzeit von Schallwellen, dadurch gekennzeich­ net, daß von einem Schallsensor zwei Schallsignale unterschiedlicher Fre­ quenz (f1, f2) abgestrahlt und wieder empfangen werden, daß für jedes Emp­ fangssignal die Phasenverschiebung in Bezug auf das Sendesignal gemessen wird und daß aus diesen für beide Schallwelten gemessenen Phasenver­ schiebungen die Laufzeit des Schalls innerhalb bestimmt vorgegebener Grenzen berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Schallsensor benötigte Sendesignal von der Sendeeinheit (2) erzeugt wird und daß das von dem Schallsensor gelieferte Empfangssignal auf direktem Weg zur Empfangseinheit (4) gelangt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinheit Sendesignale unterschiedlicher Frequenz erzeugt, die aus kur­ zen Schwingungspaketen (Bursts) bestehen, die wenigstens so lang sein müssen, daß die Frequenz der vom Schallsensor (3) abgestrahlten Schallwel­ lenzüge einen stationären Zustand erreicht.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungspakete und damit auch die vom Schallsensor (3) abgestrahlten Schallwellen in einer festen Phasenbeziehung zu einer von der Sendeeinheit (2) erzeugten kontinuierlichen Referenzschwingung (Referenzsignal) jeweils gleicher Frequenz stehen, und daß die Phasenverschiebung der empfange­ nen Signale jeweils bezüglich dieser Referenzschwingung gemessen wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinheit (2) jeweils ein Sende- und ein Referenzsignal mit zwei unter­ schiedlichen Frequenzen nacheinander erzeugt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinheit (4) das Empfangs- und das Referenzsignal parallel in eine für die Steuer- und Auswerteeinheit (1) auswertbare Form umwandelt oder die Phasenverschiebung zwischen ihnen ermittelt.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (1) die Sende- und die Empfangseinheit (2, 4) steuert.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (1) aus den bei zwei verschiedenen Schallfre­ quenzen gemessenen Phasenverschiebungen zwischen dem jeweiligen Emp­ fangs- und dem jeweiligen Referenzsignal die Schallaufzeit ermittelt und ausgibt.
9. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den verwendeten Schallwellen um Ultraschallwellen handelt.
10. Gerätesystem zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Sendeeinheit (2), einer Emp­ fangseinheit (4), einem Schallsensor (3) und einer Steuer- und Auswerteein­ heit (1) besteht, wobei die Verknüpfung der Bauteile derart erfolgt, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (1) mit der Sende- und der Empfangseinheit (2, 4) und auch der Schallsensor (3) mit der Sende- und der Empfangseinheit (2, 4) verbunden ist.
11. Gerätesystem zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallsensor (2) ein oder zwei akusto- elektrische Wandler besitzt.
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