-
Die Erfindung betrifft eine Ultraschalldurchflussmesseinrichtung, aufweisend ein von einem zu vermessenden Fluid durchströmbares Gefäß, eine Ultraschallmessanordnung mit wenigstens einem Ultraschalltransducer zum Vermessen einer Laufzeit eines mehrere Perioden umfassenden Ultraschallsignals entlang einer wenigstens teilweise in Strömungsrichtung verlaufenden Messstrecke und eine Steuereinrichtung zur Ermittlung eines Fluiddurchflusses aufgrund der Laufzeitmessung, wobei die Steuereinrichtung aufweist:
- - ein Speichermittel, und
- - ein erstes Auswertemittel zum Ermitteln der Periodendauer wenigstens einer der Perioden eines nach Durchlaufen der Messstrecke empfangenen Ultraschallsignals.
-
Ultraschalldurchflussmesseinrichtungen, beispielsweise ultraschallbasierte Wasserzähler oder Gaszähler oder auch als Anteile einer Wärmezählereinrichtung sind im Stand der Technik grundsätzlich bereits bekannt. Dabei wird der Durchfluss eines strömenden Mediums, üblicherweise eines Fluids, bestimmt, indem die Laufzeiten von Ultraschallsignalen gemessen werden, beispielsweise als absolute Laufzeiten und/oder als Laufzeitdifferenzen. So ist es beispielsweise bekannt, eine Messstrecke zu verwenden, die wenigstens teilweise in Strömungsrichtung des Fluids verläuft, wobei beispielsweise in einem Laufzeitdifferenzverfahren eine Stromaufwärts-Messung und eine Stromabwärts-Messung durchgeführt werden können, deren Laufzeiten voneinander zur Bestimmung einer Laufzeitdifferenz subtrahiert werden. Auch Referenzlaufzeiten können zur Ermittlung einer Laufzeitdifferenz herangezogen werden.
-
Die Laufzeit von Ultraschallsignalen kann beispielsweise durch die Messung der Phasenverschiebung der Ultraschallwellen zwischen dem gesendeten Ultraschallsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal bestimmt werden. Vorgesehen sein kann dabei beispielsweise, dass bezogen auf die Strömungsrichtung des Fluids ein erstes Ultraschallsignal in entgegengesetzter Richtung zu einem zweiten Ultraschallsignal durch das Fluid gesendet wird. Um das Problem der Begrenzung der messbaren Laufzeitunterschiede aufgrund der periodischen Wiederholung der Phasenlage zu vermeiden, wurden auch Laufzeitmessverfahren vorgeschlagen, die eine absolute Laufzeitmessung erlauben, wobei beispielsweise sogenannte Pegel- und Hüllkurvenverfahren möglich sind. Bevorzugt wird jedoch, wie beispielsweise in
DE 198 18 053 A1 vorgeschlagen, eine Marke im Ultraschallsignal verwendet, um die tatsächliche Ankunftszeit der Vorderflanke des Ultraschallsignals bzw. einer anderen Stelle des Ultraschallsignals zu detektieren. Bei der Marke kann es sich um eine Phasenänderungsmarke handeln, welche im empfangenen Ultraschallsignal durch die Detektion der Phasenänderung erfasst wird.
DE 10 2017 011 861 A1 schlägt demgegenüber ein Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals in einem strömenden Medium vor, bei dem zur Bestimmung der Lage des Markers die Periodendauer mindestens einer selektierten Periode des empfangenen Ultraschallsignals vermessen wird. Mit anderen Worten wird dort eine Modifikation der Periodenlänge als Marker verwendet.
-
Bei Ultraschalldurchflussmesseinrichtungen, insbesondere Wasserzählern und anderen Flüssigkeitszählern, bestehen verschiedene Probleme, die die Laufzeitmessung, insbesondere über eine Periodendauer, beeinträchtigen können. Neben der sich jedoch auf einer langfristigeren Zeitskala ändernden Temperatur und durch Abschirmung ausschließbaren elektromagnetischen Störungen durch die Umgebung ist ein wesentlicher Störfaktor bei der ultraschallbasierten Durchflussmessung die Kavitation. Die Kavitation beschreibt die Bildung und Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen in Flüssigkeiten. Dabei hat sich gezeigt, dass die Ultraschallsignale bereits durch geringfügig beginnende Kavitation, insbesondere was das empfangene Ultraschallsignal angeht, verzerrt werden können. Auch kleine Luftblasen, welche beispielsweise aufgrund einer Leckage in der Rohrleitung transportiert werden, können zu einer Verzerrung der Ultraschallsignale führen, was auch einen negativen Einfluss auf die ultraschallbasierte Durchflussmessung hat.
-
Für Pumpen wurde in
EP 2 196 678 A1 ein Verfahren und ein System zur Detektion von Kavitation vorgeschlagen. Die Pumpe wird dabei durch einen Frequenzkonverter gesteuert, welcher eine Drehmomentabschätzung und/oder eine Drehgeschwindigkeitsabschätzung des Motors der Pumpe bereitstellt, um hieraus ein oder mehrere Eigenschaften abzuleiten, die auf Kavitation oder die Wahrscheinlichkeit für Kavitation hindeuten. Die Steuerung der Pumpe kann dann entsprechend angepasst werden.
-
Für Ultraschalldurchflussmesseinrichtungen ist bisher kein einfach umsetzbares Vorgehen bekannt geworden, um Kavitation und/oder andere Einbußen der Signalqualität der Ultraschallsignale feststellen zu können, die zu einer Reduzierung der Verlässlichkeit der ultraschallbasierten Durchflussmessung führen könnten.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine aufwandsarm umsetzbare und verlässliche Möglichkeit anzugeben, um Signalqualitätseinbußen, insbesondere durch Kavitation, in einer Ultraschalldurchflussmesseinrichtung zu detektieren.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Ultraschalldurchflussmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Bei einer Ultraschalldurchflussmesseinrichtung der eingangs genannten Art weist die Steuereinrichtung erfindungsgemäß ferner auf:
- - ein zweites Auswertemittel zum Ermitteln eines Streuungswerts, insbesondere der Standardabweichung, für vordefinierte, mit dem ersten Auswertemittel ermittelte Periodendauern von einer vorgegebenen Zahl zuletzt empfangener Ultraschallsignale,
- - ein Vergleichsmittel zum Vergleich des Streuungswerts mit wenigstens einem Schwellwert, und
- - ein Maßnahmenmittel zum Einleiten einer einem überschrittenen Schwellwert zugeordneten Steuermaßnahme für die Ultraschalldurchflussmesseinrichtung.
-
Nachdem Möglichkeiten bekannt sind, Periodendauern, insbesondere auch die Dauer einer bestimmten Periode innerhalb des mehrere Perioden umfassenden Ultraschallsignals, aus dem empfangenen Ultraschallsignal zu ermitteln, wozu das erste Auswertemittel vorgesehen ist, schlägt die vorliegende Erfindung vor, die Signalqualität der empfangenen Ultraschallsignale dadurch zu erfassen, dass fortlaufend wenigstens eine Periodendauer eines beispielsweise sinusförmigen, empfangenen Ultraschallsignals erfasst wird. Dabei wird das Ultraschallsignal, wie grundsätzlich bekannt, von einem Sender zu einem Empfänger übertragen, wobei Sender und Empfänger durch einen oder zwei Ultraschalltransducer gebildet sein können. Vermisst man beispielsweise stets die gleiche Periode des empfangenen Ultraschallsignals, welches beispielsweise ein Signalpaket bestehend aus einer Mehrzahl von Perioden, beispielsweise zwölf Sinusschwingungen, sein kann, kann davon ausgegangen werden, dass unter normalen Umständen die Periodendauer bei aufeinanderfolgenden Messvorgängen nicht wesentlich geändert wird, da derartige Messvorgänge im Normalfall sehr gut reproduzierbar sind. Mithin deutet eine zu starke Variation der Periodendauer darauf hin, dass eine Abweichung von dem Normalfall vorliegt. Erfindungsgemäß wird daher das zweite Auswertemittel vorgesehen, um die Streuung der durch das erste Auswertemittel aus den gemessenen empfangenen Ultraschallsignalen ermittelten Periodendauern, welche beispielsweise in dem Speichermittel zwischengespeichert werden können, in Form des Streuungswerts zu quantifizieren. Beispielsweise kann die Standardabweichung der zu betrachtenden Periodendauern herangezogen werden, wobei auch andere statistische Kennwerte, die die Abweichung von einem Mittelwert beschreiben, herangezogen werden können.
-
Erfindungsgemäß wurde nun festgestellt, dass ein derartiger Streuungswert als Metrik für die Signalqualität dienen kann. Je niedriger die Streuung, desto besser ist die Signalqualität der empfangenen Ultraschallsignale.
-
In einer Analyse kann gesagt werden, dass zwar grundsätzlich verschiedene Beeinflussungsfaktoren des Streuungswertes der gemessenen Periodendauern existieren, aber der wesentliche Einfluss durch Kavitation und/oder sonstiges Gas innerhalb der als Fluid zu vermessenden Flüssigkeit gegeben ist. So kann sich zwar, wenn sich die Fluidtemperatur ändert, und somit auch die Transducertemperatur, die Periodendauer verändern, jedoch kann die Kurzzeitstabilität der Temperatur in einem Messaufbau einer Ultraschalldurchflussmesseinrichtung vorausgesetzt werden. Streuungsmetriken, mithin auch der Streuungswert, werden allerdings von langsamen Offsetdrifts nahezu nicht beeinträchtigt, so dass die Kavitationsdetektion durch Temperatureffekte in realen Anwendungsszenarien nicht signifikant beeinträchtigt wird.
-
Die Hauptursache für starke Streuungen der Periodendauer in der Praxis ist durch die Kavitation in der Nähe der Ultraschalltransducer begründet, da bereits durch geringfügig beginnende Kavitation die Form des elektrisch aufgenommenen, empfangenen Ultraschallsignals deutlich verändert wird. Auch andere Gaseinschlüsse, wie beispielsweise Luftblasen aufgrund einer Leckage, können zu stark variierenden Periodendauern führen.
-
Bei Ultraschalldurchflussmesseinrichtungen, insbesondere bei Wasserzählern, kann Kavitation dann auftreten, wenn die Ultraschalldurchflussmesseinrichtung für den jeweiligen Anwendungsfall falsch dimensioniert wurde. Sind Ultraschalldurchflussmesseinrichtungen im Feldeinsatz dauerhaft Kavitation ausgesetzt, so werden diese mechanisch geschädigt. Das erfindungsgemäße Vorgehen hat den großen Vorteil, dass keine weiteren Sensoren und keine spezielle Hardware benötigt werden, um Kavitation bzw. allgemeine Signalstörungen zu erkennen und entsprechend, mittels der Maßnahmenmittel, zu reagieren. Auf diese Weise wird die Erkennung von Signalstörungen, insbesondere durch Kavitation, serienmäßig ermöglicht, ohne dass die Komplexität bzw. Stückkosten der Ultraschalldurchflussmesseinrichtung nennenswert erhöht wird. Dabei sei darauf hingewiesen, dass Auswertemittel, Vergleichsmittel und Maßnahmenmittel grundsätzlich wenigstens teilweise als Hardware und/oder wenigstens teilweise als Software umgesetzt werden können, es jedoch bevorzugt ist, diese Mittel wenigstens teilweise durch Hardwarekomponenten umzusetzen.
-
Es kann auch gesagt werden, dass die Steuereinrichtung zur Durchführung folgender Schritte eingerichtet ist:
- - Ermitteln der Periodendauer wenigstens einer der Perioden eines nach Durchlaufen der Messstrecke empfangenen Ultraschallsignals,
- - Ermitteln eines Streuungswerts, insbesondere der Standardabweichung, für vordefinierte, ermittelte Periodendauern einer vorgegebenen Zahl zuletzt empfangener Ultraschallsignale,
- - Vergleich des Streuungswerts mit wenigstens einem Schwellwert, und
- - bei Überschreitung wenigstens eines des wenigstens einen Schwellwerts, Einleiten einer dem überschrittenen Schwellwert zugeordneten Steuermaßnahme für die Ultraschallmesseinrichtung.
-
Der wenigstens eine Schwellwert ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung letztlich empirisch oder durch Kalibrierung derart zu ermitteln, dass zu starke Einbußen der Signalqualität hinreichend klar vom normalen Betrieb abgrenzbar sind. Beispielsweise können Testmessungen mit Luftblasen enthaltenden Flüssigkeiten und von Luftblasen freien Flüssigkeiten durchgeführt werden. Wie noch genauer dargelegt werden wird, ist es durchaus denkbar, mehrere Schwellwerte zu verwenden, wenn beispielsweise eine Einteilung in noch durch Modifikation der Messstrategie kompensierbare Signalstörungen und nicht mehr kompensierbare Signalstörungen gegeben ist. Auch sind, wie noch genauer dargelegt werden wird, unterschiedliche Steuermaßnahmen denkbar, von einer Modifikation des Messverhaltens bis hin zu einer Information eines Nutzers, beispielsweise des Endnutzers und/oder eines zugeordneten Versorgers.
-
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung ferner ein Digitalisierungsmittel zum Digitalisieren des empfangenen Ultraschallsignals aufweisen, dessen Ausgang mit einem Eingang des ersten Auswertemittels verbunden ist. Entsprechende Digitalisierungsmittel sind inzwischen auch in einer derart günstigen und aufwandsarmen Variante bekannt geworden, dass der Einsatz in Ultraschalldurchflussmesseinrichtungen zumindest denkbar ist. Für ein digitalisiertes empfangenes Ultraschallsignals ist die Auswertung hinsichtlich der Periodendauern deutlich vereinfacht, da keine analoge Verlaufsanalyse durchgeführt werden muss. Insbesondere erlaubt es ein digitalisiertes empfangenes Ultraschallsignal, dass durch das erste Auswertemittel die Periodendauern aller in dem Ultraschallsignal vorkommenden Perioden bestimmt werden können. Dabei sei darauf hingewiesen, dass jedoch nicht zwangsläufig alle diese Periodendauern dann in die Ermittlung des Streuungswerts eingehen müssen, insbesondere dann, wenn eine Marke über eine Periodenmodifikation gesetzt wird. Doch auch im Allgemeinen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, immer dieselbe Periode aufeinander folgender Ultraschallsignale bezüglich der Periodendauer zu betrachten, da hier im Normalbetrieb die beste und verlässlichste Übereinstimmung gegeben ist, auch wenn allgemein davon ausgegangen werden kann, dass das Ultraschallsignal mit einer festen, vorgegebenen Frequenz erzeugt wird, die nur geringe Schwankungen aufweist.
-
Grundsätzlich und allgemein sei zum Ultraschallsignal, das auch als Ultraschallburst bezeichnet werden kann, noch angemerkt, dass dieses bevorzugt eine Sinus-Grundform aufweisen kann und/oder insbesondere 8 bis 15, beispielsweise 12, Perioden umfassen kann.
-
Wie bereits angedeutet, kann das erste Auswertemittel zum Ermitteln der Periodendauer genau einer definierten Periode des Ultraschallsignals oder zur Bestimmung der Periodendauer aller Perioden, insbesondere bei digitalisiertem Empfangssignal, ausgebildet sein. Es hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass es, um Aufwand einzusparen, ausreichend sein kann, die Periodendauer einer bestimmten, vorab festgelegten Periode des Ultraschallsignals als einzige Periodendauer pro Ultraschallsignal zu bestimmen, um auch den Datenanfall in Grenzen zu halten. Beispielsweise kann grundsätzliche die sechste Periode betrachtet werden oder dergleichen.
-
In zweckmäßiger Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Signalerzeugungsmittel der Steuereinrichtung zur Erzeugung des Ultraschallsignals mit einem durch ein drittes Auswertemittel der Steuereinrichtung detektierbaren Marker zur Laufzeitermittlung ausgebildet ist. Dabei kann mit besonderem Vorteil eine Periodendauermodifikation als Marker verwendet werden, wobei es dann zweckmäßig ist, bei Verwendung einer Periodendauermodifikation als Marker das zweite Auswertemittel zum Ausschluss von den Marker enthaltenden Perioden des empfangenen Ultraschallsignals bei der Ermittlung des Streuungswerts auszubilden. Bei einer Verwendung einer Periodendauermodifikation als Marker besteht der besondere Vorteil, dass die Mittel, insbesondere eine Auswertungsschaltung, zur Ermittlung von Periodendauern selektierter Perioden des empfangenen Ultraschallsignals bereits vorhanden sind, mithin keine spezielle Hardware und/oder Sensorik benötigt wird, um die erfindungsgemäße Ultraschalldurchflussmesseinrichtung kostengünstig umzusetzen. Bekannte Auswertungsschaltungen, die neben dem erwähnten dritten Auswertungsmittel dann auch das erste Auswertungsmittel zumindest teilweise realisieren können, erlauben es insbesondere, eine Periodendauer bereits bezüglich eines einzigen empfangenen Ultraschallsignals sehr genau zu vermessen, so dass die Messung von hydraulischem Rauschen und Strömungsrauschen nahezu unbeeinflusst ist.
-
Wie bereits erwähnt, kann es vorteilhaft sein, wenn das zweite Auswertemittel zur Nutzung jeweils genau einer Periodendauer einer vordefinierten Periode für jedes Ultraschallsignal bei der Bestimmung des Streuungswerts ausgebildet ist, da diesbezüglich, wie sich gezeigt hat, im Normalbetriebsfall die geringsten Abweichungen der Periodendauer unterschiedlicher Ultraschallsignale zueinander bestehen. Selbstverständlich ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch denkbar, bei gleichbleibender oder zumindest größtenteils gleicher Frequenz innerhalb eines Ultraschallsignals mehrere Periodendauern unterschiedlicher Perioden pro empfangenen Ultraschallsignal heranzuziehen. Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung können im Übrigen auch vorsehen, mehrere Streuungswerte zu betrachten, beispielsweise für unterschiedliche vordefinierte Perioden innerhalb der empfangenen Ultraschallsignale. So können beispielsweise einzelne Ausreißer berücksichtigt werden.
-
Beispielhaft kann die vorgegebene Zahl 10 bis 100, insbesondere 40 bis 70, betragen. In diesem Bereich liegende Stichprobenanzahlen aufeinander folgender empfangener Ultraschallsignale reichen üblicherweise aus, um eine hinreichende Statistik zur Beurteilung zu bilden, wobei mit wachsender vorgegebener Zahl die Verlässlichkeit der Statistik erhöht wird und äußerst kurzzeitige Effekte, beispielsweise einzelne Luftblasen, die vorbeitreiben, schwächer ins Gewicht fallen. Auch eine größere Anzahl aufeinander folgender empfangener Ultraschallsignale kann betrachtet werden, beispielsweise bis zu 1000 oder sogar bis zu 2000.
-
Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass es erfindungsgemäß vorgesehen sein kann, dass das zweite Auswertemittel zur Aktualisierung des Streuungswerts mit jeder neu vorliegenden wenigstens einen Periodendauer, mithin bei jedem Empfang eines Ultraschallsignals, ausgebildet sein kann, wobei auch das Vergleichsmittel bei jeder Aktualisierung des Streuungswerts zweckmäßigerweise den Vergleich erneut durchführt. Denkbar ist es im Rahmen der Erfindung jedoch auch, eine seltenere Aktualisierung vorzusehen, beispielsweise alle 10 empfangenen Ultraschallsignale oder alle die Hälfte der vorgegebenen Zahl Ultraschallsignale.
-
Das erste Auswertemittel kann zur Ermittlung der Periodendauer durch die Detektion ansteigender Flanken ausgebildet sein. Auch andere, gut detektierbare Stellen im Verlauf des empfangenen Ultraschallsignals sind selbstverständlich denkbar.
-
In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass die wenigstens eine durch das Maßnahmenmittel durchführbare Steuermaßnahme ein Umschalten der Ultraschalldurchflussmesseinrichtung von einem Normalbetriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus mit verändertem Messverhalten umfasst. Mithin sieht eine besonders vorteilhafte Weiterbildung vor, das Messverhalten der Ultraschalldurchflussmesseinrichtung auf die über den Streuungswert abgebildete Signalqualität anzupassen. Dabei kann beispielsweise die Messung gänzlich eingestellt werden (bei zu schlechter Signalqualität) oder aber robuster gestaltet werden, wobei es, nachdem der Streuungswert ja ein Maß für die Signalqualität der empfangenen Ultraschallsignale darstellt, auch denkbar ist, gestuft vorzugehen, mithin mehrere Schwellwerte zu definieren, mithin Bereiche, in denen ein bestimmtes Messverhalten angemessen ist. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, nur bei massiven Problemen den Messbetrieb völlig einzustellen. Das Messverhalten bezieht sich insbesondere auf die Durchflussmessung; es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchaus denkbar, weiterhin Periodendauern und hieraus den Streuungswert zu bestimmen. Geschieht dies, kann es zweckmäßig sein, bei Wegfall der Signalstörung das Messverhalten wieder geeignet anzupassen. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass das Maßnahmenmittel bei Unterschreitung eines zuvor überschrittenen Schwellwerts, der zu einem Umschalten in einen Zweitbetriebsmodus führte, zum Zurückschalten in den vorherigen Betriebsmodus als Steuermaßnahme ausgebildet ist. Liegt mithin beispielsweise eine kurzzeitige Störung vor, kann beispielsweise in dem Zweitbetriebsmodus für diesen Zeitraum robuster gemessen werden, wonach wieder zum vorherigen Zustand, dem Normalbetriebsmodus, mit dem normalen Messverhalten, zurückgeschaltet werden kann.
-
Konkret kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Zweitbetriebsmodus aus der Gruppe umfassend:
- - einen Failsafe-Betriebsmodus mit reduzierter, jedoch eine Messqualitätsvorgabe weiterhin erfüllender Messperformance und robusterem Messvorgang gegenüber Signalqualitätseinbußen, insbesondere durch Messbereichseinschränkung und/oder Mehrfachmessung, und
- - einem Deaktivierungsmodus, bei dem die Messung deaktiviert ist und insbesondere eine Ausgabe einer Deaktivierungsbetriebsmodusinformation über eine Ausgabeschnittstelle erfolgt,
gewählt ist.
-
Beispielsweise ist es also möglich, bei Überschreiten eines definierten Schwellwertes durch den Streuungswert in einen Failsafe-Betriebsmodus bzw. Notbetriebsmodus umzuschalten, bei dem beispielsweise eine im Normalbetriebsmodus vorgesehene Messbereichserweiterung bezüglich der Periodendauer, mithin beispielsweise die Verwendung von Markern, die die Periodendauer betreffen, deaktiviert wird und beispielsweise über den Phasenversatz gemessen wird. Ein derartiger Failsafe-Betriebsmodus kann auch durch Mehrfachmessungen umgesetzt werden, da auch dann die Verlässlichkeit der Ergebnisse erhöht wird. So ist der Failsafe-Betriebsmodus bzw. Notbetriebsmodus insgesamt als resistenter gegenüber Störungen zu betrachten, da Messfehler über Statistik und/oder eine starke Einschränkung des Messbereichs abgefangen werden können.
-
Möglich ist es auch, insbesondere bei Überschreitung eines höheren Schwellwerts, den Messbetrieb, mithin die Akkumulation durchgeflossenen Volumens, auszusetzen, um zu verhindern, dass extrem gestörte Messsignale zur Durchflussberechnung eingesetzt werden.
-
Wie bereits erwähnt, ist es in diesem Zusammenhang auch mit besonderem Vorteil denkbar, dass das Vergleichsmittel zur Verwendung von wenigstens zwei Schwellwerten ausgebildet ist, wobei ein niedrigerer Schwellwert dem Failsafe-Betriebsmodus und ein höherer Schwellwert dem Deaktivierungsbetriebsmodus zugeordnet ist. Dabei wird mithin, wie erläutert, der Streuungswert als Maß für die Signalqualität aufgefasst und in verschiedenen Stufen angepasst an die Signalqualität gearbeitet.
-
Alternativ oder zusätzlich sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich auch andere Maßnahmen denkbar. So sieht eine Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vor, dass wenigstens eine Steuermaßnahme ein Einspeichern des Überschreitens in das Speichermittel und/oder eine Ausgabe eine Überschreitungsinformation durch eine Ausgabeschnittstelle umfasst. Mithin ist es möglich, eine Art „Logvorgang“ vorzusehen, aus dem ersichtlich ist, ob und wann der wenigstens eine Schwellwert überschritten war. Gleichzeitig oder alternativ ist es auch denkbar, eine Information des Endnutzers und/oder eines Versorgers des zu messenden Fluids vorzusehen, beispielsweise mittels einer Ausgabeeinrichtung der Ultraschalldurchflussmesseinrichtung, beispielsweise einer entsprechenden Leuchte, und/oder mittels einer Kommunikationsschnittstelle, über die der Ultraschalldurchflussmesser an ein Netzwerk, beispielsweise das Internet, angeschlossen ist.
-
Dabei sei noch darauf hingewiesen, dass es auch denkbar ist, derartige Maßnahmen, sei es ein „Loggen“ und/oder die Bereitstellung einer Überschreitungsinformation, erst nach einer vorgegebenen Zeitdauer der Überschreitung des Schwellwerts auszugeben, um beispielsweise lediglich kurzfristig bestehende, letztlich keinen Einfluss habende Störungen von derartigen Warnungen bzw. Hinweisen auszuschließen. Insbesondere kann auch eine derartige Steuermaßnahme nur der Überschreitung bestimmter Schwellwerte bei der Verwendung mehrerer Schwellwerte zugeordnet sein, da beispielsweise in einem Failsafe-Betriebsmodus noch von einem hinreichend genauen Betrieb der Ultraschalldurchflussmesseinrichtung ausgegangen werden kann. Schließlich sei darauf hingewiesen, dass es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch denkbar ist, durch ein weiteres Maßnahmenmittel der Steuereinrichtung eine indirekt zusammenhängende Ausgabe bzw. ein indirekt zusammenhängendes Einspeichern vorzunehmen. So kann beispielsweise dann, wenn ein Failsafe-Betriebsmodus aktiviert wird, beispielsweise bei Mehrfachmessungen, ein erhöhter Energieverbrauch festgestellt werden, der durch einen erhöhten Streuungswert und die darauf folgende interne Reaktion in der Ultraschalldurchflussmesseinrichtung erklärt werden kann. Bevorzugt ist jedoch ein direkter Hinweis an den Endnutzer und/oder den Versorger, so dass beispielsweise Kavitation zeitnah erkannt und behoben werden kann.
-
Nachdem elektromagnetische Einflüsse anderer Einrichtungen auch einen Einfluss auf den Streuungswert bzw. die Signalqualität haben können, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einer zweckmäßigen Weiterbildung auch vorgesehen sein, dass die Ultraschalldurchflussmesseinrichtung eine EMV-Schirmung, insbesondere sowohl der Ultraschallmessanordnung als auch der Steuereinrichtung, aufweist. Mithin können geeignete Schirmmaßnahmen externe Einflüsse auf die Feststellung des Streuungswerts weitgehend ausschließen.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Ultraschalldurchflussmesseinrichtung,
- 2 ein Ermittlungsergebnis für Periodendauern bei niedrigem Streuungswert, und
- 3 ein Ermittlungsergebnis für Periodendauern bei hohem Streuungswert.
-
1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Ultraschalldurchflussmesseinrichtung 1. Diese umfasst ein Gefäß 2, beispielsweise ein Rohrstück, welches von einem Zufluss 3 zu einem Ausfluss 4 gemäß der angedeuteten Strömungsrichtung von einem Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, durchflossen wird, dessen Durchfluss vermessen werden soll. Bei der Ultraschalldurchflussmesseinrichtung 1 kann es sich mithin beispielsweise um einen Wasserzähler handeln.
-
Die Ultraschalldurchflussmesseinrichtung 1 weist eine Messanordnung auf, die vorliegend beispielhaft zwei Ultraschallzransducer 5a, 5b (Ultraschallwandler) aufweist. Die Ultraschalltransducer 5a bzw. 5b befinden sich in Kontakt mit dem strömenden Fluid, wobei der Weg der Ultraschallsignale an den beispielhaft vorgesehenen Reflektoren 6a bzw. 6b umgelenkt wird, so dass eine im vorliegenden Beispiel U-förmige Messstrecke 7 entsteht. Ersichtlich verläuft die Messstrecke 7 teilweise parallel zur Strömungsrichtung des Fluids. Ultraschallsignale können von einem der Ultraschalltransducer 5a, 5b ausgesendet werden, um vom anderen der Ultraschalltransducer 5a, 5b wieder empfangen zu werden.
-
Die Ultraschallsignale können dabei beispielsweise von einem Signalerzeugungsmittel 8 einer den Betrieb der Ultraschalldurchflussmesseinrichtung 1 steuernden Steuereinrichtung 9 erzeugt werden, beispielsweise als ein Ultraschallsignal mit zwölf Perioden, die durch zwölf Sinusschwingungen gegeben sind. Selbstverständlich sind auch andere Anzahlen an Perioden grundsätzlich denkbar.
-
Nach Durchlaufen der Messstrecke
7 empfangene Ultraschallsignale werden ebenso in der Steuereinrichtung
9, vorliegend beispielsweise durch ein drittes Auswertemittel
10, ausgewertet, beispielsweise indem in einem Normalbetriebsmodus der Ultraschalldurchflussmesseinrichtung
1 ein Marker in dem empfangenen Ultraschallsignal detektiert wird und zur Bestimmung einer absoluten Laufzeit verwendet wird. Die Position des Markers in dem empfangenen Ultraschallsignal kann hierbei insbesondere auch durch eine Ermittlung einer Periodendauer, vergleiche
DE 10 2017 011 861 A1 , erfolgen. In diesem Zusammenhang kann das dritte Auswertemittel
10 Hardware- und/oder Softwarekomponenten mit einem ersten Auswertemittel
11 gemeinsam nutzen, welches nämlich auch die Periodendauer wenigstens einer vordefinierten Periode des empfangenen Ultraschallsignals ermittelt, allerdings für eine Signalqualitätsüberprüfung, wie im Folgenden genauer erläutert werden wird. Die Signalqualitätsüberprüfungsanordnung mit dem ersten Auswertemitel
11 nutzt bei einer Markierung durch Periodendauermodifikation bevorzugt nicht die Periode des empfangenen Ultraschallsignals, die zum Setzen des Markers modifiziert wurde.
-
Sowohl das erste Auswertemittel 11 als auch das dritte Auswertemittel 10 können dabei mit dem Ausgang eines optionalen Digitalisierungsmittels 12 verbunden sein, welches das empfangene Ultraschallsignal auf grundsätzlich bekannte Art und Weise digitalisiert und den Auswertmitteln 10, 11 bereitstellt. Die Digitalisierung ermöglicht es insbesondere auf einfache Art und Weise, die Periodendauern aller (vollständigen) Perioden des empfangenen Ultraschallsignals zu ermitteln; es sei angemerkt, dass allgemein bevorzugt eine ansteigende Flanke des empfangenen Ultraschallsignals zur Periodendauerermittlung detektiert wird.
-
Für die Signalqualitätsüberwachung, insbesondere hinsichtlich Kavitation, relevante Periodendauern können, solange sie relevant sind, in einem Speichermittel 13 der Steuereinrichtung 9 abgelegt werden, welches beispielsweise auch für Messergebenisse der Durchflussmessung genutzt werden kann.
-
Ein zweites Auswertemittel 14 der Steuereinrichtung 9 ist dazu ausgebildet, einen die Streuung bestimmter Periodendauern, die durch das erste Auswertemittel 11 bestimmt wurden, über die Zeit beschreibenden Streuungswert, vorliegend die Standardabweichung, zu bestimmen. Hierfür wird bevorzugt immer eine bestimmte, nicht als Marker genutzte Periode des empfangenen Ultraschallsignals verwendet, beispielsweise die siebte oder neunte Periode. Denkbar ist auch die Betrachtung mehrerer vordefinierter Perioden, entweder in einem Streuungswert oder zur Ermittlung mehrerer Streuungswerte für die unterschiedlichen vordefinierten Perioden. Zur Ermittlung des Streuungswerts werden dabei immer eine vorgegebene Zahl von aufeinander folgenden empfangenen Ultraschallsignalen herangezogen, beispielsweise 50 oder 100.
-
Der Streuungswert, beispielsweise in Form eines vom zweiten Auswertemittel ausgegebenen Streuungswertsignals, wird in einem Vergleichsmittel 15, beispielsweise einem Komparator, der Steuereinrichtung 9 mit wenigstens einem Schwellwert verglichen, um das Vorliegen von Störungen bzw. einer niedrigen Signalqualität feststellen zu können. Ist wenigstens einer des wenigstens einen Schwellwerts überschritten, werden in einem Maßnahmenmittel 16 dem überschrittenen Schwellwert zugeordnete Steuermaßnahmen durchgeführt.
-
Die Steuermaßnahmen können dabei das Umschalten von dem Normalbetriebsmodus in einen Zweitbetriebsmodus mit verändertem Messverhalten umfassen, beispielsweise das Umschalten in einen Failsafe-Betriebsmodus (Notbetriebsmodus) oder sogar in einen Deaktivierungsbetriebsmodus, in dem die Durchflussmessung ausgesetzt wird. Ein entsprechendes Rückschalten bei nachfolgend wieder auftretendem Unterschreiten des Schwellwerts für einen aktualisierten Streuungswert ist denkbar.
-
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht dabei vor, dass zwei Schwellwerte verwendet werden, wobei bei Überschreiten des ersten, niedrigeren Schwellwerts zunächst ein Failsafe-Betriebsmodus aktiviert wird, in dem, beispielsweise durch Einschränkung des Messbereichs für die Laufzeit und/oder die Verwendung von Mehrfachmessungen, ein robusterer Messvorgang umgesetzt wird, der bevorzugt dennoch gewisse Messqualitätsvorgaben erfüllt, so dass die Durchflussmessungsergebnisse weiterhin zur Akkumulierung des durchgeflossenen Volumens genutzt werden können. Bei Überschreitung des zweiten, höheren Schwellwerts wird eine so starke Einschränkung der Signalqualität angenommen, dass eine sinnvolle, hinreichend verlässliche Durchflussmessung nicht mehr möglich ist, so dass der Messvorgang ausgesetzt werden kann. Zumindest im letztgenannten Fall wird zweckmäßigerweise als weitere Steuermaßnahme auch die Ausgabe einer Betriebsmodusinformation, die einen Endnutzer und/oder Versorger informiert, über eine Ausgabeschnittstelle 17 bereitgestellt, beispielsweise zur Ansteuerung einer Ausgabeeinrichtung der Ultraschalldurchflussmesseinrichtung 1 und/oder an einem anderen, über eine Kommunikationseinrichtung erreichbaren Ort. Möglich ist es zudem, Überschreitungen wenigstens eines Teils des wenigstens einen Schwellwerts, beispielsweise zumindest nach einer bestimmten Zeitdauer, in dem Speichermittel 13 zu loggen.
-
In anderen Ausführungsbeispielen kann auch lediglich das Umschalten in den Failsafe-Betriebsmodus oder in den Deaktivierungsbetriebsmodus als Zweitbetriebsmodus vorgesehen sein; auch die reine Ausgabe von Informationen zur Information bzw. Warnung, insbesondere vor Kavitation, ist denkbar.
-
Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 umfasst im Übrigen auch eine in 1 nur schematisch angedeutete EMV-Schirmung 18, um die Ultraschallmessanordnung und die Steuereinrichtung 9, um Einflüsse durch elektromagnetische Störungen auf die Periodendauer bzw. deren Ermittlung möglichst weitgehend auszuschließen.
-
Die 2 und 3 zeigen beispielhaft das unterschiedliche zeitliche Verhalten ermittelter Periodendauern tp jeweils für verschiedene zeitlich aufeinander folgender Messpunkte n, wobei 2 einen Normalfall bei keiner oder geringer Signalstörung illustriert, bei dem mithin die Streuung äußerst gering ist, während 3 starke Streuungen zeigt, was für eine äußerst schlechte Signalqualität der empfangenen Ultraschallsignale spricht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Ultraschalldurchflussmesseinrichtung
- 2
- Gefäß
- 3
- Zufluss
- 4
- Ausfluss
- 5a, 5b
- Ultraschalltransducer
- 6a, 6b
- Reflektoren
- 7
- Messstrecke
- 8
- Signalerzeugungsmittel
- 9
- Steuereinrichtung
- 10
- dritte Auswertemittel
- 11
- erste Auswertemittel
- 12
- Digitalisierungsmittel
- 13
- Speichermittel
- 14
- zweites Auswertemittel
- 15
- Vergleichsmittel
- 16
- Maßnahmenmittel
- 17
- Ausgabeschnittstelle
- 18
- EMV-Schirmung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19818053 A1 [0003]
- DE 102017011861 A1 [0003, 0037]
- EP 2196678 A1 [0005]
