DE202011005427U1

DE202011005427U1 - Vorrichtung zum Messen der Laufzeit eines Ultraschallsignals in einer strömenden Flüssigkeit

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Publication number: DE202011005427U1
Application number: DE201120005427
Authority: DE
Original assignee: Acam Messelectronic GmbH
Current assignee: Sciosense BV
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-07-20
Anticipated expiration: 2021-04-20
Also published as: CN102749135B; CN102749135A

Abstract

Vorrichtung zum Messen der Laufzeit eines Ultraschallsignals (1.3) in einer str7ömenden Flüssigkeit, mit mindestens zwei in Strömungsrichtung der Flüssigkeit mit Abstand zueinander angeordneten Ultraschallwandlern (1.1, 1.2), gekennzeichnet durch einen Zeit-Digital-Wandler TDC (3.5) zur Bestimmung von Laufzeiten und Pulsweiten von einem ersten Wandler (1.1) zu einem zweiten Wandler (1.2) durch die Flüssigkeit gesandten Ultraschallwellenzügen (1.3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Laufzeit eines Ultraschallsignals in einer strömenden Flüssigkeit, mit mindestens zwei in Strömungsrichtung der Flüssigkeit mit Abstand zueinander angeordneten Ultraschallwandlern sowie ein Verfahren zum Messen der Laufzeit eines Ultraschallsignals in einer strömenden Flüssigkeit.
Das Prinzip der Laufzeitdifferenzmessung mittels Ultraschall wird zur Durchflussmessung beispielsweise in Wasserzählern oder Wärmemengenzählern eingesetzt. Hierzu wird aufeinanderfolgend, zeitversetzt ein Ultraschallsignal (Wellenzug) in Strömungsrichtung (TOF-Up; TOF = Time of Flight = Laufzeit) und entgegen die Strömungsrichtung (TOF-Down) gesendet und die Laufzeit der Wellen wird gemessen. Befindet sich das Medium im Fluss, haben beide Messungen eine Zweitdifferenz (TOF-Down – TOF-Up), welche ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit darstellt. Typische Laufzeiten der Ultraschallimpulse liegen bei 60 bis 80 μs. Die Laufzeitdifferenz bei maximalem Fluss liegt im Bereich von 1 μs.
Da eine hohe Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Medium von mehreren Prozent über den möglichen Temperaturbereich gegeben ist und diese oberhalb der eigentlichen Nutzdifferenz der Laufzeitdifferenzmessung liegen kann, ist es wichtig auch die absolute Laufzeit des Signals zu bestimmen, um Fehldetektionen zu vermeiden. Hierzu ist es notwendig zur sicheren Detektion des Empfangssignals eine definierte N-te Welle (erste Welle, zweite Welle...) sicher zu erkennen, um eine absolute Zeitzuordnung zwischen ausgesendetem Wellenzug und empfangenem Wellenzug (Empfangswellenzug) durchführen zu können.
Da die Amplitude des Ultraschallempfangssignals Veränderungen sowohl durch Langzeitschwankungen, wie durch Verschmutzung des Messrohres, als auch Kurzzeitschwankungen, wie durch Luftblasen, unterliegt, ist es schwierig eine solche absolute Detektion der Laufzeit durchzuführen. Insbesondere aufgrund des e-funktionellen Einschwingverhaltens des empfangenen Wellenzuges ist es schwierig eine der ersten Wellen immer sicher zu detektieren und nicht fehlerhaft eine detektierte Welle einer falschen Wellennummer im Wellenzug zuzuordnen, da sich aufgrund dieses Einschwingverhaltens die Amplituden der Wellen mitunter nur um wenige Millivolt unterscheiden, insbesondere auch die erste Welle aufgrund der genannten Langzeit- oder Kurzzeitschwankungen unterhalb einer gesetzten Schwelle liegen kann und es daher leicht zu Fehldetektionen kommen kann. Hierdurch kann es zu großen Messfehlern außerhalb jeder Toleranz kommen.
Alleine durch bisher genannte Maßnahmen kann nicht eindeutig festgestellt werden, ob zur Laufzeitbestimmung eine falsche N-te Welle detektiert wurde oder ob es tatsächlich zu einem großen Sprung in der Durchflussmenge zwischen zwei Messungen gekommen ist. Auch ein schneller Sprung in der Mediumtemperatur, wie er beispielsweise bei einem Warmwasserzähler vorkommen kann, kann zu einer sehr schnellen Änderung in der Messzeit führen. Daher stoßen auch Plausibilitätsbetrachtungen zwischen mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden Messwerten, die softwaremäßig durchgeführt werden können und durchgeführt werden, an ihre Grenzen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit der Ultraschalllaufzeitmessung zu erhöhen und dabei bei Fehldetektionen Messungen zu verwerfen und/oder diese zu melden. Hierdurch soll die gesamte Betriebssicherheit des Geräts gesteigert werden.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zunächst dadurch gelöst, dass bei einer N-ten Messung die Pulsbreite PW1_N der ersten Welle eines empfangenen Empfangswellenzuges bei einer vorgegebenen Schwelle THC_N ungleich den Nulldurchgängen des Empfangswellenzuges erfasst wird. Eine gattungsgemäße Vorrichtung sieht zur Lösung der genannten Aufgabe einen Zeit-Digital-Wandler TDC zur Bestimmung von Laufzeiten und Pulsweiten von einem ersten Wandler zu einem zweiten Wandler durch die Flüssigkeit gesandten Ultraschallwellenzügen vor.
Mittels eines Zeit-Digital-Wandlers (TDC) können Messungen im Nanosekundenbereich und damit Pulsweitenmessungen bei Ultraschallsignalen durchgeführt werden, wodurch Veränderungen der Pulsbreite, die ein im Einschwingbereich des Empfangswellenzuges ein Maß für die Amplitude einer Welle des Empfangswellenzuges sind absolut oder relativ (zur Pulsweite im stabilen Bereich mit konstanter Amplitude) bestimmt und zur Verarbeitung der Messung bzw. zur Ausgabe von Fehlersignalen herangezogen werden.
So sehen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung vor, dass in der gleichen Messung die Pulsbreite PW2_N einer i-ten Welle bei einem Schwellwert THC₀ entsprechend den Nulldurchgängen des Empfangswellenzuges erfasst wird, worauf das Verhältnis PWV_N = PW1_N/PW2_N der beiden erfassten Pulsbreiten bestimmt wird, so dass bei Unterschreiten eines vorgegebenen Werts von PW1_N und/oder des Verhältnisses PWV_N die vorgegebene Schwelle zur Erfassung der Pulsbreite PW1_N+K, K = 1, ... der ersten Welle eines Empfangswellenzuges für weitere Messungen reduziert wird. Damit wird erreicht, dass in einer Regelschleife die Komparatorschwelle beim Eintreffen des ersten Pulses auf einen optimal sicheren Wert gestellt wird, so dass keine Gefahr besteht, dass versehentlich statt der ersten Welle die zweite Welle gemessen und ausgehend hiervon ebenfalls die Laufzeit zu einer falschen weiteren Welle bestimmt wird.
Ein weiterer Grund für ein Verschieben der Schwelle weg vom Nulldurchgang des Sinus sind Fehldetektionen aufgrund von Rauschen. Sind die Eingangswerte von THC und RT am Komparator exakt gleich, so liegen vor Eintreffen des Empfangssignals beide Eingänge des Komparators auf dem gleichen Pegel. Es kommt durch Rauschen und kleinere Störungen zu stochastischen Fehldetektionen des Komparators, welche keine Interpretation mehr zulassen. Vor Eintreffen des Empfangssignals sind auch aus diesem Grund die beiden Schwellen verschoben, – also TH erhöht –, um ein interpretierbares Signal zu erhalten.
In anderer bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die gemessene Pulsbreite des ersten Impulses PW1_N und/oder des Verhältnisses der gemessenen Impulse PWV_N einer N-ten Messung mit entsprechenden Werten PW1_N-1 bzw. PWV_N-1 der vorhergehenden Messung N_–1 verglichen wird und bei überschreiten einer vorgegebenen Differenz a die Laufzeitmessung verworfen bzw. nicht durchgeführt wird. Tritt ein solcher Fall ein, so liegt bei geeignet gesetztem Differenzwert a eine Fehlmessung aufgrund Kurzzeitstörungen, wie von Luftblasen, vor, so dass die entsprechende Laufzeitmessung verworfen werden kann bzw. nicht durchgeführt wird. Bevorzugt kann weiter vorgesehen sein, dass eine Elektronik dazu ausgebildet ist, bei Unterschreiten eines vorgegebenen Werts von PW1_N und/oder des Verhältnisses PWV_N die vorgegebene Schwelle zur Erfassung der Pulsbreite PW1_N+K K = 1, ... der ersten Welle eines Empfangswellenzuges für weitere Messungen zu reduzieren. Hierdurch können Langzeitstöreinflüsse, wie Verschmutzungen erfasst und so sichergestellt werden, dass auch bei hierdurch bedingter Reduzierung der Amplitude der ersten Welle diese noch sicher erfasst wird.
Werden aber die Langzeitstöreinflüsse, wie durch Verschmutzung zu groß, so ist in weiterer bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass die gemessene Pulsbreite PW1_N der ersten Welle und/oder das Pulsweitenverhältnis PV_N mit der entsprechenden Pulsbreite PW1_M bzw. dem Pulsbreitenverhältnis PWV_M einer vorangehenden Messung für ein wesentlich kleineres M als N (M << N) verglichen und bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes c und wenn es diesen Wert c überschreitet, ein Warnsignal ausgegeben wird. Diese Fehlermeldung wird dann ausgegeben, wenn die Verschmutzung der Messanordnung so weit fortgeschritten ist, dass eine sichere Laufzeitmessung nicht mehr durchgeführt werden kann, so dass eine Gerätereinigung oder ein Gerätewechsel notwendig ist, der derart signalisiert wird.
Insgesamt wird durch die Erfindung eine hohe Messgenauigkeit erreicht, da durch die Erfindung sichergestellt wird, dass die Laufzeitmessung sich auf eine definierte Welle im eingeschwungenen Zustand des Wellenzugs durch Messung des Stoppsignals (der Zeitmessung) am Nulldurchgang des Wellenzuges erfolgt.
Durch die Erfindung wird die Betriebssicherheit bei der pulsweiten Messung gesteigert und damit auch eine Qualitätssteigerung der einzusetzenden Geräte erreicht. Ein Abgleich der Geräte in der Produktion wird vereinfacht und die Empfindlichkeit der Geräte gegenüber schlechten Medienbedingungen (verschmutztes Wasser) und Luftblasen im Medium wird ebenfalls deutlich verringert.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:
1 ein Blockschaltbild der wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen der Laufzeit eines Ultraschallsignals in einer strömenden Flüssigkeit;
2 eine Darstellung der Eingangs- und Ausgangssignale am Komparator der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1; und
3 mit Teil-Fig. 3.1, 3.2 ein schematisches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Messen der Laufzeit eines Ultraschallsignals bzw. einer Ultraschallwelle 1.3 in einer strömenden Flüssigkeit weist in üblicher Weise zwei in oder an einem flüssigkeitsführenden Rohr mit Abstand in Strömungsrichtung angeordnete Ultraschallwandler 1.1 und 1.2 auf. Weiterhin ist eine Elektronik 2 mit einem Mikroprozessor zur Steuerung des Messablaufs und zur Auswertung der ihm übergebenen Informationen und/oder Daten vorgesehen.
Zwischen Elektronik 2 und Wandlern 1.1, 1.2 ist die im Folgenden beschriebene Messschaltung 3, die vorzugsweise auf einem Frontend Chip realisiert ist, angeordnet.
Die Messschaltung 3 weist eine Steuereinheit 3.1 auf, die über eine Steuerleitung mit der Elektronik 2 verbunden ist. Der Steuereinheit 3.1 ist ebenfalls über eine Steuerleitung zunächst ein Impulsgenerator 3.2 nachgeordnet, der elektrische Impuls- oder Wellenzüge erzeugt, die mittels der Wandler 1.1, 1.2 in Ultraschallwellen gewandelt und von diesem in das strömende Medium ausgegeben werden. Der Ausgang des Impulsgenerators 3.2 ist jeweils über einen Tri-State Buffer 3.3.1, 3.3.2 mit dem ersten Wandler 1.1 bzw. dem zweiten Wandler 1.2 verbunden. Diese können über eine Steuerleitung von der Steuereinheit 3.1 nieder- bzw. hochohmig derartig geschaltet werden, dass jeweils die vom Impulsgenerator 3.2 erzeugte Impulsfolge nur einem der Wandler 1.1, 1.2 zugeordnet wird, der dann als Sender dient, während der andere Wandler (1.2 bzw. 1.1) als Empfänger dient. Zur Durchführung einer vollständigen Durchflussmessung erfolgt eine Umschaltung von Sender und Empfänger, so dass die Laufzeitmessung sowohl in Fließrichtung als auch entgegen der Fließrichtung durchgeführt wird.
Demgemäß sind ausgangsseitig der Wandler 1.1, 1.2 jeweils Schalter AS1 AS2, vorzugsweise in Form von Analogmultiplexern zugeordnet, die ebenfalls über die zuletzt genannte Steuerleitung durch die Steuereinheit 3.2 gesteuert werden und jeweils das Signal des momentanen Empfangswandlers zum Signaleingang eines Komparators 3.4 leiten.
Der Komparator 3.4 weist weiterhin einen Vergleichseingang auf, der mit einem Schwellengenerator 3.4.1 verbunden ist, der ebenfalls über eine Steuerleitung durch die Steuereinheit 3.1 zum Setzen der Höhe der jeweiligen Schwelle ansteuerbar ist.
Der Komparator erzeugt als Ausgang ein Rechtecksignal. Während der seitens des Impulsgenerators 3.2 dem Sendewandler zugeleitete Impulszug gleichzeitig dem Starteingang eines Zeit-Digital-Wandlers/Time Digital Converter TDC 3.5 zugeleitet wird, wird das Rechteckausgangsignal des Komparators 3.4 dem Stoppeingang des TDC 3.5 zugeleitet. Dieser übergibt über eine Datenleitung die von ihm gemessenen Ausgangswerte, wie insbesondere die gemessene Laufzeit zwischen Sende- und Empfangssignal (genauer die zwischen dem i-ten Nulldurchgang des Sendewellenzuges und des Empfangswellenzuges gemessene Laufzeit) sowie Pulsweiten, auf die im Folgenden noch näher eingegangen wird, an die Elektronik 2 zur Weiterverarbeitung weiter.
In 2 ist eine symmetrische Spannung um 0 herum mit einer Amplitude von 400 mV Spitze-Spitze dargestellt. Dies ist die Spannung direkt am Empfangswandler 1.2. Diese Spannung wird also auch negativ. Mit negativen Spannungen in einen Chip zu gehen, der nur mit einer positiven Spannung betrieben wird, ist mit hohem technischem Aufwand verbunden und man wird es deshalb, soweit möglich, vermeiden. Auch in der realisierten Messschaltung 3 wird dies vermieden, indem ein – in der praktischen Realisierung – Pegel Shift des Nulldurchganges auf 1/3 V_cc stattfindet. Dieser Pegel Shift wird mit Kondensatoren (Hochpassfilter) durchgeführt (nicht dargestellt). Betrachtet man also direkt die Spannung an den Komparatoreingängen RT und THC, so sind deren typische Spannungen nicht 0 mV, sondern gut im positiven Bereich z. B. bei 1/3 Vcc. Dementsprechend ist auch die Komparatorschwelle THC nicht bei 0 mV, sondern bei einer positiven Spannung, die dem Pegel Shift entspricht, also z. B. 1/3 V_cc. In 2 ist also THC relativ zum Empfangssignal dargestellt. Am Messpunkt THC liegt der Nulldurchgang des Sinus auf der Schwelle THC₀ ≙ V_cc und nicht bei 0 mV.
Die 2 zeigt demgemäß die Signale am Komparator 3.4 und zwar mit typischen Werten der Signalhöhe in Millivolt (Unterschied aber beim Nulldurchgang bei THC₀ ≙ 1/3 V_cc) über die Zeit in Mikrosekunden. Dabei sind im oberen Teil die Eingangssignale des Komparators 3.4 dargestellt und zwar zum einen das vom Empfangswandler, hier dem zweiten Wandler 1.2 empfangene und in ein elektrisches Signal gewandelte Empfangssignal (Empfangswellenzug) RT (receiving signal from transducer) als Sinuswelle mit einem e-funktionellen Einschwingverhalten, welches sich über mehrere Perioden erstreckt und zum anderen die seitens des Schwellwertgenerators 3.4.1 gesetzte Schwelle THC (tresh hold), die etwa zur Mitte des negativen Zweigs der zweiten Welle über dem vorstehend erwähnten Pegel Shift liegt und von dort bei THC₀ = 1/3 V_cc, entsprechend dem Nulldurchgang der Empfangswelle bzw. der Spannung Null (mV) am Ausgang des Wandlers 1.2 verläuft. Die Schwelle hat zu Beginn der Messung diesen über THC₀ liegenden Wert zum einen aus Eindeutigkeitsgründen, zum anderen um so ein Maß für die Amplitude der ersten Welle und damit für die Qualität des Empfangssignals und derart auch über Störeinflüsse zu erhalten.
Im unteren Teil der 2 ist das Ausgangssignal OC (output comparator) des Komparators dargestellt, das ein reines Rechtecksignal ist.
Durch den TDC 3.5 wird unter anderem die Pulsweite PW1 der ersten Welle auf der Höhe der gesetzten Schwelle THC gemessen (Pulsweite als Abstand zweier Durchgänge der Empfangswelle RT durch den gesetzten Schwellwert THC), wobei diese Pulsweite PW1_N die Breite des entsprechenden Pulses der Ausgangsrechteckwelle bestimmt und an die Elektronik 2 übergeben wird. Im weiteren, hier im negativen Teil der zweiten Welle des Empfangssignals RT, wird durch die Steuereinheit 3.1 die Schwelle des Komparators 3.4 – wie schon oben gesagt – auf THC₀ ≙ 1/3 V_cc gesetzt.
Weiterhin werden durch den TDC die einzelnen Wellen des Wellen- oder Impulszuges bis zu einem vorgegebenen Wert i, im dargestellten Ausführungsbeispiel bis zur 10. Welle gezählt und anschließend die Zeit des Beginns der 10. Welle ab dem Zeitpunkt des durch den Impulsgenerator 3.2 gestarteten TDC 3.4 gemessen und ebenfalls an die Elektronik 2 übergeben.
Darüber hinaus wird ebenfalls in diesem stabilen Bereich des Impulszuges nach Beendigung des Einschwingverhaltens die durch den Abstand zweier Nulldurchgänge des empfangenen Signals RT – weil die Schwelle auf THC₀ gestellt wurde – gegebene Pulsweite PW2_N des Wellenzuges bestimmt und ebenfalls an den Mikroprozessor übergeben, wobei das Verhältnis von PW1 und PW2 zur weiteren Auswertung gebildet werden kann und damit eine Normierung der Pulsweite PW1_N erreicht wird.
Der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bestimmte erfindungsgemäße Verfahrensablauf ist in einer bevorzugten Ausgestaltung im Folgenden im Einzelnen unter Bezug auf die 3 anhand des Ablaufs bei einer N-ten Messung beispielsweise in Fließrichtung erläutert.
Der Schalter 3.3.1 (Tri-State Buffer) ist dabei niederohmig, der Schalter 3.3.2 (der andere Tri-State Buffer) hochohmig und entsprechend der Schalter AS1 hochohmig und der Schalter AS2 niederohmig geschaltet.
Nach Start (Schritt A) und Einstellen einer Schwelle THC_N > 0 im Schritt B erfolgt die Aussendung eines Ultraschallsignal(zuges) durch den ersten Wandler, beispielsweise 1.1 unter Bezug auf die in 1 beschriebene Weise, unter gleichzeitigem Starten des TDC 3.5 (Schritt C). Gemäß Schritt D erfolgt der Empfang des Wellenzuges durch den zweiten Wandler 1.2. Im Schritt E wird – bei Überschreiten der gesetzten Schwelle – durch den TDC 3.5 die erste Welle des Empfangswellenzuges RT detektiert. Die Schwelle ist zunächst auf einen endlichen Wert (über dem den Nulldurchgang (auch Wandler) entsprechenden Wert THC₀) gesetzt, um die erste Welle dezidiert und immer sicher detektieren zu können und nicht fehlerhafterweise eine falsche Wellennummer zu detektieren, wie dies bei einer Schwelle mit dem Wert Null der Fall wäre, da durch das Anschwingverhalten sich die Amplituden der Wellen zu Beginn nur um wenige Millivolt unterscheiden und es leicht zu Fehlinterpretationen kommen kann.
Weiterhin wird durch das Messen der Zeitpunkte beim Überschreiten der Schwelle durch die erste Welle und beim folgenden Unterschreiten die Pulsweite PW1_N der ersten Welle bei dieser N-ten Messung bestimmt und an die Elektronik übergeben (Schritt F). Anschließend erfolgt, beispielsweise während des zweiten Impulses, eine Erniedrigung der Schwelle THC auf den Wert THC₀ (entsprechend den Nulldurchgängen der Welle), wie dies unter Bezug auf die 2 erläutert wurde (Schritt G). Im Folgenden werden die weiteren Wellen oder Impulse des Impulszuges gezählt bis eine vorgegebene i-ter Welle RT_iN dieser N-ten Messung detektiert wird, beispielsweise wie unter Bezug auf 2 gesagt, der 10. Impuls, bei dem das Einschwingverhalten beendet und die Amplitude der Impulse konstant ist (Schritte H, I).
Wird diese i-te Welle RT_iN am Empfangswandler 1.2 detektiert, so wird die Zeit, die vom Start des TDC (aufgrund des Aussenden der ersten Welle des Sendewellenzuges) bis zum Empfang dieser i-ten Welle des Empfangswellenzuges vergangen ist durch den TDC 3.5 bestimmt und an die Elektronik 2 übergeben (Schritt J) und vermindert um die Zeit zwischen erster Welle und i-ter Welle im Wellenzug als Laufzeit des Ultraschalls über die Messstrecke zwischen den Wandlern 1.1, 1.2 bestimmt.
Im Folgenden wird die Pulsbreite PW2_N der i-ten Welle RT_iN bestimmt (Schritt K), wobei hier die Pulsbreite als zeitlicher Abstand zweier Durchgänge der Welle durch die Schwelle, also hier zweier Nulldurchgänge definiert ist. Auch dieser Wert wird vom TDC 3.5 an die Elektronik 2 übergeben.
Diese bildet das Verhältnis der gemessenen Pulsbreiten der ersten Welle und der i-ten Welle dieser Messung N als PWV_N = PW1_N/PW2_N (Schritt L).
Im Folgenden wird das vorstehend bestimmte Pulsweitenverhältnis der Messung N mit dem der unmittelbar vorangehenden Messung PWV_N-1 verglichen. Weichen diese mit ΔPWV = PWV_N-1 – PWV_N > a mehr als ein vorgegebener Wert a voneinander ab, so wird dies als Fehlmessung interpretiert, beispielsweise aufgrund von Blasen im Medium. Die Messung wird verworfen (Schritte M', N'). (Die Schritte M', N' einer Messabfolge (der N-ten Messfolge) sind mit Apostrophen versehen, um sie von Messungen der Schritte M, N zu unterscheiden). Ist die Abweichung kleiner als der vorgenannte Wert a, so erfolgt ein weiterer Vergleich des gemessenen Pulsweitenverhältnisses PWV_N der Messung N mit zumindest einer weit zurückliegenden Messung, beispielsweise einer gemessenen Pulsweite PWV_M einer Messung M, wobei M << N ist (Schritt O). Ist die Differenz PWV_M – PWV_N größer b, liegt also oberhalb eines vorgegebenen Wertes b, so heißt dies, dass aufgrund von Langzeitverhalten, beispielsweise Verschmutzungen die Empfangsamplitude abgenommen hat, da die gemessene Impulsbreite PWV1_N ein Maß für die Pulshöhe ist, so dass der Detektionspegel, d. h. die Eingangsschwelle angepasst – reduziert – werden muss, um weiterhin eine sichere Detektion der ersten Welle sicherzustellen (Schritt P).
Ist die vorgenannte Differenz größer als ein vorgegebener Wert c, wobei c deutlich größer als b ist, so wird dies dahingehend interpretiert, dass die Verschmutzung zu stark ist, um noch sichere Detektionen durchzuführen, so dass ein Gerätewechsel bzw. eine Reinigung erforderlich ist. Dies wird durch einen Alarm angezeigt (Schritte Q, R).
Schließlich erfolgt nach Übergabe der gemessenen Laufzeit T_1N in Strömungsrichtung und der zur gleichen Messung gehörenden entsprechend durchgeführten Messung der Laufzeit T_2N entgegen der Strömungsrichtung die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit V_N zum Zeitpunkt dieser Messung, wie dies im Schritt S des Ablaufdiagramms gemäß 3 dargestellt ist, wobei L die Länge des Ultraschallpfades beinhaltet und der Winkel α gegebenenfalls dem Winkel des Ultraschallsignals zur Strömung angibt, wenn die Verbindungslinie zwischen den beiden Ultraschallwandlern 1.1, 1.2 nicht exakt in Strömungsrichtung verläuft, sondern eben diesen Winkel α einschließt.
Durch die Erfindung wird erreicht, dass die Detektion einer Strömungsgeschwindigkeit mittels Laufzeitdifferenzmessung verbessert und sicherer gestaltet werden kann, einerseits, indem Fehlmessungen bei Kurzzeitschwankungen, beispielsweise durch Lufteinschlüsse oder dergleichen ausgeschlossen bzw. verworfen werden und andererseits Langzeitschwankungen erkannt und die Detektionsschwelle für die Detektion des ersten Impulses eines Empfangswellenzuges angepasst bzw. bei zu starker Verschmutzung ein Warnsignal oder Alarm ausgegeben werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
1.1: erster (Ultraschall) Wandler
1.2: zweiter (Ultraschall) Wandler
1.3: Ultraschallwelle
2: Elektronik (mit Mikroprozessor)
3: Messschaltung
3.1: Steuereinheit
3.2: Impulsgenerator
3.3.1, 3.3.2: Tri-State Buffer
3.4: Komparator
3.4.1: Schwellengenerator
3.5: Zeit-Digital-Wandler/Time Digital Converter TDC
AS1, AS2: Analogschalter (Multiplexer)
THC_N: Anfangsschwellwert vor 3.4.1 bei Messung N
THC₀: Schwellwert entsprechend Nulldurchgang der empfangenen Welle am Empfangswandler

Claims

Vorrichtung zum Messen der Laufzeit eines Ultraschallsignals (1.3) in einer str7ömenden Flüssigkeit, mit mindestens zwei in Strömungsrichtung der Flüssigkeit mit Abstand zueinander angeordneten Ultraschallwandlern (1.1, 1.2), gekennzeichnet durch einen Zeit-Digital-Wandler TDC (3.5) zur Bestimmung von Laufzeiten und Pulsweiten von einem ersten Wandler (1.1) zu einem zweiten Wandler (1.2) durch die Flüssigkeit gesandten Ultraschallwellenzügen (1.3).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zeit-Digital-Wandler TDC (3.5) ein Schwellwert-Komparator (3.4) vorgeordnet ist, dessen einer Eingang mit dem die von einem ersten Ultraschallwandler (1.1) ausgesandte Ultraschallwelle als Empfangswellenzug empfangenden zweiten Ultraschallwandler (1.2) verbunden ist, während der andere Eingang des Komparators (3.4) mit einem Schwellwertgenerator (3.4.1) verbunden ist, dessen Schwellwert THC für mindestens den ersten Impuls eines Impulszuges auf einen endlichen Wert ungleich dem Wert der Nulldurchgänge des Empfangswellenzuges setzbar ist, während der Schwellwert THC₀ für weitere Wellen (RT_i, i > 2) des gleichen Empfangswellenzuges den Wert der Nulldurchgänge des Empfangswellenzuges setzbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeit-Digital-Wandler TDC (3.5) zur Bestimmung der Pulsbreite PW1_N der ersten Welle und vorzugsweise der Pulsbreite PW2_N einer i-ten Welle eines empfangenen Empfangswellenzuges ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronik (2) zur Bestimmung des Verhältnisses PWV_N = PW1_N/PW2 der beiden erfassten Pulsbreiten ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronik (2) dazu ausgebildet ist, bei Unterschreiten eines vorgegebenen Werts von PW1_N und/oder des Verhältnisses PWV_N die vorgegebene Schwelle zur Erfassung der Pulsbreite PW1_N+K K = 1, ... der ersten Welle eines Empfangswellenzuges für weitere Messungen zu reduzieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (2) dazu ausgebildet ist, die gemessene Pulsbreite der ersten Welle PW1_N und/oder des Verhältnisses PWV_N der gemessenen Pulsbreiten einer N-ten Messung mit entsprechenden Werten PW1_N-1 bzw. PWV_N-1 der vorhergehenden Messung N_₁ zu vergleichen und bei Überschreiten einer vorgegebenen Differenz a die Laufzeitmessung zu verwerfen oder nicht durchzuführen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik ausgebildet ist, das Pulsweitenverhältnis PWV_N mit der entsprechenden Pulsbreite PW1_M bzw. dem Pulsbreitenverhältnis PWV_M einer vorangehenden Messung für ein wesentlich kleineres M als N (M << N) zu vergleichen und bei Überschreiten eines vorgegebenen Differenzwertes b die Schwelle zur Erfassung der Pulsbreite der ersten Welle eines Empfangswellenzuges folgender Messungen zu reduzieren.