DE202020003474U1

DE202020003474U1 - Messeinrichtung, insbesondere Durchflussmesser, mit wenigstens einem Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE202020003474U1
Application number: DE202020003474.6U
Authority: DE
Original assignee: Diehl Metering GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2030-08-14
Also published as: US20210270651A1; DE202020000805U1; US11566929B2

Abstract

Messeinrichtung, insbesondere Durchflussmesser, mit wenigstens einem Ultraschallwandler (2, 3) und einer Auswerteeinrichtung (4) zur Auswertung eines durch den Ultraschallwandler (2, 3) bereitgestellten Messsignals (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) dazu eingerichtet ist, durch einen Vergleich des Messsignals (8) mit einer ersten Schaltschwelle (11) ein erstes Vergleichssignal (13) und durch einen Vergleich des Messsignals (8) mit einer von der ersten Schaltschwelle (11) unterschiedlichen zweiten Schaltschwelle (12) ein zweites Vergleichssignal (14) zu ermitteln und in Abhängigkeit des ersten und zweiten Vergleichssignals (13, 14) eine Signalamplitude (22, 36) des Messsignals (8) zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung, insbesondere einen Durchflussmesser, mit wenigstens einem Ultraschallwandler und einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung eines durch den Ultraschallwandler bereitgestellten Messsignals.
Bei Durchflussmessungen mit Ultraschall entstehen beim Empfang an den Ultraschallwandler beispielsweise Spannungsamplituden zwischen 50 mV und 3000 mV mit Frequenzen, die beispielsweise im MHz-Bereich liegen können. Um ein hohes Signalzu-Rausch-Verhältnis zu erreichen, sind möglichst hohe Spannungsamplituden gewünscht. Bei höheren Spannungsamplituden sinkt auch die Empfindlichkeit gegenüber Störungen, also beispielsweise gegenüber störender elektromagnetischer Strahlung, etc.
Niedrige Spannungsamplituden können einerseits durch Verunreinigungen, beispielsweise durch eine Ablagerung von Kalk, Rost und Magnetit, verursacht sein. Andererseits hängen die erreichten Spannungsamplituden beispielsweise davon ab, wie nahe die Messeinrichtung an den Resonanzfrequenzen der genutzten Ultraschallwandler bzw. des Gesamtsystems betrieben wird. Um eine entsprechende Reaktion auf geringe Signalamplituden des Messsignals zu ermöglichen, beispielsweise um auf eine erforderliche Wartung der Messeinrichtung hinzuweisen bzw. erfasste Messdaten als potentiell fehlerbehaftet zu kennzeichnen, ist es vorteilhaft, eine Signalamplitude zu überwachen. Zudem kann eine Überwachung der Signalamplitude dazu genutzt werden, eine genutzte Anregungsfrequenz der Ultraschallwandler anzupassen, beispielsweise um eine Frequenz mit maximaler Signalamplitude aufzufinden.
Insbesondere Ultraschallzähler, die zur Durchflussmessung dienen, weisen typischerweise eine hohe Zeitauflösung zur Erkennung bestimmter Ereignisse auf, da dies für eine exakte Erfassung von Laufzeitunterschieden ohnehin erforderlich ist. Soweit überhaupt eine unmittelbare Erfassung von Signalamplituden möglich ist, beispielsweise durch eine Analog-Digital-Wandlung des Signals, wird hierbei häufig nur eine relativ grobe Auflösung erreicht, da hochfrequente Signalwandlungen immer noch relativ aufwendig sind und entsprechende Messeinrichtungen häufig in großen Stückzahlen genutzt werden sollen und somit günstig hergestellt werden sollen.
Die Druckschrift DE 101 18 934 A1 schlägt daher vor, statt einer unmittelbaren Erfassung einer Amplitude das Messsignal einem Komparator zuzuführen, dessen Schaltschwelle ungleich Null ist, so dass ein amplitudenabhängiges Tastverhältnis der von dem Komparator ausgegebenen Rechteckspannung resultiert. Aus diesem Tastverhältnis kann dann auf die Signalamplitude des Messsignals geschlossen werden. Dieses Verfahren erreicht zwar in einer Vielzahl von Anwendungsfällen ausreichende Genauigkeiten, insbesondere bei hohen Durchflüssen bzw. Signalamplituden sind diese Messungen jedoch relativ stark vom Strömungsrauschen beeinflusst, wodurch typischerweise relativ viele Messungen erforderlich sind, um einen aussagekräftigen Wert für die Signalamplitude des Messsignals zu erhalten. Hierdurch ist die Messung relativ zeitaufwendig, was insbesondere problematisch sein kann, wenn eine Amplitudenmessung zur Einstellung der Schwingungsfrequenz der Ultraschallwandler genutzt werden soll. Zudem kann in Betriebssituationen, in denen plötzliche Strömungsumschläge erwartet werden, nicht davon ausgegangen werden, dass eine Messung problemlos wiederholbar ist.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung anzugeben, die insbesondere auch bei hohen Durchflüssen und Signalamplituden eine Ermittlung der Signalamplitude des Messsignals mit hoher Genauigkeit bzw. mit einer geringeren Zahl von Messungen ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, durch einen Vergleich des Messsignals mit einer ersten Schaltschwelle ein erstes Vergleichssignal und durch einen Vergleich des Messsignals mit einer von der ersten Schaltschwelle unterschiedlichen zweiten Schaltschwelle ein zweites Vergleichssignal zu ermitteln und in Abhängigkeit des ersten und zweiten Vergleichssignals eine Signalamplitude des Messsignals zu ermitteln.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Nutzung zweier verschiedener Schaltschwellen zur Bereitstellung zweier Vergleichssignale gegenüber der Nutzung ausschließlich eines Komparators mit nur einer Schaltschwelle die Genauigkeit der Bestimmung der Signalamplitude erheblich verbessern kann. Da insbesondere in einem Durchflussmesser häufig ohnehin mehrere Komparatoren genutzt werden können, da diese bereits zur Verbesserung der Genauigkeit von Laufzeitmessungen vorgesehen sind, bzw. die Schaltschwelle eines genutzten Komparators einstellbar sein kann, lässt sich die erfindungsgemäß vorgesehene Nutzung von zwei Schaltschwellen mit minimalem Aufwand implementieren. Unter Umständen kann es auch ausreichend sein, ein Softwareupdate für die Auswerteeinrichtung vorzusehen bzw. eine vorhandene Schaltung geringfügig zu modifizieren, um beispielsweise zur Bereitstellung von Schaltschwellen genutzte Widerstandsnetze anzupassen oder Ähnliches, um die erfindungsgemäße Messeinrichtung zu implementieren. Somit kann mit minimalem Zusatzaufwand die Funktionalität von Messeinrichtungen unter Umständen deutlich verbessert werden.
Im Folgenden wird bezüglich der Auswerteeinrichtung primär eine schaltungstechnische Lösung diskutiert werden, bei der eine Zeitdiskretisierung erst relativ spät in der Messkette erfolgt. Alternativ wäre es prinzipiell auch möglich, die Auswerteeinrichtung vollständig digital zu implementieren, beispielsweise indem das gesamte Messsignal mit einer ausreichend hohen Abtastrate digitalisiert und anschließend digital weiterverarbeitet wird.
Wie später noch genauer erläutert werden wird, ist die Messeinrichtung vorzugsweise ein Durchflusszähler mit einem Messrohr und zwei beabstandet an dem Messrohr angeordneten Ultraschallwandlern, wobei aus den Laufzeiten zwischen den Ultraschallwandlern bzw. einer Laufzeitdifferenz zwischen den Ausbreitungsrichtungen beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit bzw. ein Durchflussvolumen ermittelt werden kann. Hierfür und auch für andere Anwendungen kann es vorteilhaft sein, auch die Phasenlage des Messsignals zu erfassen. Hierzu kann insbesondere das erste und/oder zweite Vergleichssignal ausgewertet werden, um eine Laufzeit zu bestimmen. Beispielsweise kann ein Zeitzähler genutzt werden, um die Zeit von Beginn eines Messfensters bis zu einer Flanke des ersten bzw. zweiten Vergleichssignals zu bestimmen. Werden die Schaltschwellen geeignet gewählt, beispielsweise symmetrisch bezüglich eines Nulldurchgangs des Messsignals, bzw. wird zunächst die Signalamplitude ermittelt, kann hieraus die Phasenlage des Messsignals bezüglich des Abtastfensters und somit bei bekannter Lage des Abtastfensters die Phasenlage des Messsignals bezüglich einer abgestrahlten Ultraschallwelle ermittelt werden, woraus wiederum eine Laufzeit bestimmt werden kann.
Das erste und/oder das zweite Vergleichssignal kann ein Rechtecksignal sein, das seinen ersten Wert annimmt, wenn das Messsignal die jeweilige Schaltschwelle unterschreitet, und einen zweiten Wert, wenn das Messsignal die jeweilige Schaltschwelle überschreitet. Das Vergleichssignal kann somit im Wesentlichen ein Digitalsignal sein, wobei bei der Bereitstellung des jeweiligen Vergleichssignals vorzugsweise keine Zeitdiskretisierung erfolgt, wie sie beispielsweise bei einer Abtastung des Messsignals mit einer bestimmten Abtastrate erforderlich wäre. Der erste Wert kann insbesondere einem Pegel von Null Volt bzw. einem Referenzpotential entsprechen. Der zweite Wert kann beispielsweise einem in der Digitaltechnik üblichen Pegel entsprechen, um die Nutzung üblicher Logikgatter und anderer Bausteine zu ermöglichen.
Die Auswerteeinrichtung kann einen ersten Komparator mit der ersten Schaltschwelle, der dazu eingerichtet ist, das Messsignal in das erste Vergleichssignal umzusetzen, und/oder einen zweiten Komparator mit der zweiten Schaltschwelle, der dazu eingerichtet ist, das Messsignal in das zweite Vergleichssignal umzusetzen, umfassen. Die Schaltschwellen können insbesondere durch Anlegen einer Offset-Spannung vorgegeben werden. Offset-Spannungen können fest vorgegeben sein, beispielsweise durch einen Spannungsteiler, der durch entsprechende Widerstände gebildet sein kann. Gegenüber dem eingangs diskutierten Vorgehen kann es in der erfindungsgemäßen Messeinrichtung vorteilhaft sein, höhere Schaltschwellen, beispielsweise von mehr als 50 mV, mehr als 100 mV oder mehr als 200 mV, zu nutzen. Dies kann beispielsweise durch Austausch von im Rahmen der Spannungsteilung genutzten Widerständen oder Ähnliches erreicht werden.
Alternativ zur Nutzung von festen Schaltschwellen bzw. Offset-Spannung können diese variabel gestaltet werden, beispielsweise indem sie durch einen Digital-Analog-Wandler vorgegeben werden. Dies ermöglicht eine bedarfsgerechte Anpassung der Schaltschwelle, wie später noch genauer erläutert werden wird. Die erste und die zweite Schaltschwelle kann prinzipiell unabhängig voneinander vorgegeben werden, es ist jedoch auch möglich, eine Offset-Spannung für eine Schaltschwelle vorzugeben und die andere Offset-Spannung durch einen Inverter oder Ähnliches bereitzustellen. Wie später noch erläutert werden wird, kann eine variable Schaltschwelle ergänzend oder alternativ auch dazu verwendet werden, das erste und zweite Vergleichssignal nacheinander durch einen einzigen Komparator bereitzustellen.
Die Auswerteeinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Signalamplitude in Abhängigkeit einer Zeitdifferenz zwischen einer Dauer, für die das erste Vergleichssignal den ersten oder den zweiten Wert annimmt, und einer Dauer, für die das zweite Vergleichssignal den ersten oder zweiten Wert einnimmt, zu ermitteln. Insbesondere in Fällen, in denen das Messsignal daraus resultiert, dass ein durch den Ultraschallwandler ausgesendetes Signal reflektiert und empfangen wird bzw. ein von einem weiteren Ultraschallwandler einlaufendes Signal empfangen wird, ist das Messsignal typischerweise näherungsweise sinusförmig. Insbesondere wenn die Schaltschwellen unterschiedliche Vorzeichen aufweisen und insbesondere gleiche Beträge haben, sind somit jene Abschnitte des Messsignals, in dem das erste Vergleichssignal den ersten Wert annimmt und das zweite Vergleichssignal den zweiten Wert oder umgekehrt, die Bereiche der Flanken des Messsignals. Die Zeitdifferenz kann somit jene Zeit sein, die das Messsignal benötigt, die Flanke zwischen den Schaltschwellen zu überstreichen. Diese Zeit ist, wie später noch erläutert werden wird, näherungsweise umgekehrt proportional zur Signalamplitude.
Die Auswerteeinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Dauer, für die das erste Vergleichssignal den ersten oder zweiten Wert annimmt, und/oder die Dauer, für die das zweite Vergleichssignal den ersten oder zweiten Wert annimmt, und/oder die Zeitdifferenz für ein Abtastfenster zu bestimmen, das mehrere Schwingungsperioden des Messsignals umfasst. Hierdurch kann im Ergebnis ein Mittelwert der Zeitdifferenz für die verschiedenen Flanken des Messsignals bzw. der jeweiligen Dauer für verschiedene Perioden des Messsignals berücksichtigt werden, womit eine höhere Messgenauigkeit erreicht wird. In der erfindungsgemäßen Messeinrichtung kann das Messsignal insbesondere eine bekannte Frequenz aufweisen, beispielsweise wenn es vorangehend durch den Ultraschallwandler selbst bzw. einem anderen Ultraschallwandler abgestrahlt wurde. Die Länge eines genutzten Abtastfensters kann somit unmittelbar anhand der Frequenz derart gewählt werden, dass mehrere Schwingungsperioden im Abtastfenster liegen. Alternativ wäre es beispielsweise möglich, die Anzahl der steigenden oder fallenden Flanken eines der Vergleichssignale zu zählen, um zu erkennen, wann mehrere Schwingungsperioden erfasst wurden oder Ähnliches.
Die Auswerteeinrichtung kann wenigstens einen Zeitzähler umfassen, der genau dann mit vorgegebener Taktung erhöht wird, wenn an dem Eingang des Zeitzählers ein Zeitzählereingangssignal mit einem vorgegebenen Wert zugeführt wird, wobei einem jeweiligen Zeitzähler das erste und/oder zweite Vergleichssignal und/oder ein Ergebnissignal, das in Abhängigkeit des ersten und zweiten Vergleichssignals ermittelt wird, oder ein Ausgangssignal eines jeweiligen Logikgatters, dem das erste und/oder zweite Vergleichssignal und/oder das Ergebnissignal als eines der Logikgattereingangssignale zugeführt sind, als Zeitzählereingangssignal zugeführt ist, wobei die jeweilige Dauer oder die Zeitdifferenz durch den Zählerwert des jeweiligen Zeitzählers vorgegeben werden. Werden das erste und zweite Vergleichssignal nacheinander für unterschiedliche Zeitabschnitte des Messsignals bzw. für voneinander unterschiedliche Zeitintervalle ermittelt, können die Vergleichssignale oder von diesen abhängende Logikgattersignale nacheinander dem gleichen Zeitzähler zugeführt werden, um die erste und zweite Dauer zu bestimmen. Hierzu kann der Ausgang eines Komparators, der je nach eingestellter Schaltschwelle das erste oder zweite Vergleichssignal bereitstellt, direkt oder über das Logikgatter mit dem Eingang des Zeitzählers verbunden werden. Werden das erste und zweite Vergleichssignal hingegen gleichzeitig bereitgestellt, z.B. durch zwei Komparatoren, so können diese oder aus ihnen abgeleitete Signale als jeweiliges Zeitzählereingangssignal an verschiedene Zeitzähler bereitgestellt werden oder zu dem Ergebnissignal verknüpft werden.
Der vorgegebene Wert kann insbesondere der zweite Wert sein. Somit kann beispielweise durch einen jeweiligen Zeitzähler die Dauer erfasst werden, für die das jeweilige Vergleichssignal den zweiten Wert einnimmt und somit die Dauer, für die das Messsignal oberhalb der ersten bzw. zweiten Schaltschwelle liegt. Das Ergebnissignal kann insbesondere die Differenz bzw. ein Exklusiv-Oder-Verknüpfung der Vergleichssignale sein. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Zeitzähler genau zur jenen Zeit mit vorgegebener Taktung erhöht wird, in denen nur eines der Vergleichssignale den zweiten Wert aufweist, also zu jenen Zeiten, in denen das Messsignal zwischen der ersten und der zweiten Schaltschwelle liegt. Wie obig erläutert, werden somit insbesondere Flankenzeiten von Sinuswellen erfasst. Hierdurch kann unter Umständen auf die Nutzung eines zweiten Zeitzählers verzichtet werden.
Die Nutzung des Logikgatters kann insbesondere dazu dienen, den Zeitzähler nur innerhalb eines Abtastfensters zu erhöhen. Das Logikgatter kann als weiteres Logikgattereingangssignal mit einem Rechtecksignal beschickt sein, das zu Beginn und am Ende des oder eines Abtastfensters, für das die Signalamplitude und/oder die Dauer, für die das erste Vergleichssignal den ersten oder zweiten Wert annimmt, und/oder die Dauer, für die das zweite Vergleichssignal den ersten oder zweiten Wert annimmt, ermittelt werden soll, seinen Wert ändert. Insbesondere kann der Zeitzähler am Ende des Abtastfensters, also beispielsweise einer fallenden Flanke des Rechtecksignals, ausgelesen und entweder unmittelbar oder zu Beginn des nächsten Abtastfensters zurückgesetzt werden.
Die Auswerteeinrichtung kann dazu eingerichtet sein, das Ergebnissignal als Differenzsignal zwischen dem ersten und zweiten Vergleichssignal zu ermitteln. Ergänzend oder alternativ kann die Auswerteeinrichtung ein oder ein weiteres Logikgatter, insbesondere ein Exklusiv-Oder-Gatter, umfassen, wobei die Auswerteeinrichtung derart eingerichtet ist, dass das erste und zweite Vergleichssignal dem Logikgatter als Eingangssignale zugeführt sind und dass ein Ausgangssignal des Logikgatters als Ergebnissignal verwendet wird. Wie obig erläutert, kann bei einer solchen Ermittlung des Ergebnissignals unter Umständen die Zeitdifferenz mit einem einzigen Zeitzähler ermittelt werden.
Die Auswerteeinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Signalamplitude zu ermitteln, indem ein vorgegebener Skalierungsfaktor durch die Zeitdifferenz dividiert wird. Dies entspricht unter der Annahme, dass es sich bei dem Messsignal um eine sinusförmige Schwingung handelt, einer Kleinwinkelnäherung. Werden beispielsweise Schaltschwellen genutzt, die symmetrisch bezüglich des Nulldurchgangs einer solchen Sinusschwingung liegen, gilt für den Abstand zwischen den Schaltschwellen ΔV: $\frac{Δ V}{2} = A * s i n (2 π * f * \frac{Δ t}{2}) = A * s i n (2 π * f * \frac{Δ T}{2 n})$
Hierbei ist A die gesuchte Signalamplitude, f die Frequenz der Sinusschwingung, Δt der Zeitabstand zwischen dem Überschreiten der ersten Schaltschwelle und dem Überschreiten der zweiten Schaltschwelle für eine einzige Flanke der Schwingung und ΔT die ermittelte Zeitdifferenz innerhalb des Abtastfensters, n gibt an, wie viel solcher Flanken im Abtastfenster vorhanden sind und entspricht somit der doppelten Zahl der erfassten Schwingungsperioden. Unter Verwendung der Kleinwinkelnäherung für die Sinusfunktion $sin (x) \approx x$
kann die Schwingungsamplitude A wie folgt angegeben werden: $A = \frac{Δ V * 2 n}{4 π * f Δ T} = \frac{S}{Δ T}$
Hierbei ist S der bereits vorangehend erwähnte Skalierungsfaktor. Die obigen Formeln gehen davon aus, dass die Zeitdifferenz ΔT in Sekunden angegeben ist. Zur Messung mit Hilfe von Ultraschallsignalen werden häufig Zeitzähler mit hoher Zeitauflösung, beispielsweise mit einem Abstand zwischen den Zeitzählungen von 250 ps, verwendet. Durch entsprechende Anpassung des Skalierungsfaktors S kann statt der in Sekunden angegebenen Zeitdifferenz ΔT auch eine als Zählerstand eines solchen Zählers angegebene Zeitdifferenz genutzt werden. Wird beispielsweise die oben genannte Zeitzählrate genutzt und es wird ein Abstand der zwei Schaltschwellen von 60 mV und eine Frequenz der Schwingung von 1 MHz angenommen, kann als Skalierungsfaktor 229183 genutzt werden und dieser Skalierungsfaktor kann durch den Zählerstand, der die Zeitdifferenz angibt, geteilt werden. Falls statt einer Signalamplitude eine Peak-zu-Peak-Spannung ermittelt werden soll, kann schlicht ein doppelt so hoher Skalierungsfaktor genutzt werden, der durch die Zeitdifferenz dividiert wird.
Die in der obigen Rechnung genutzte Frequenz der Schwingung kann bekannt sein. Dies ist typischerweise der Fall, wenn das Messsignal eine Reflexion eines durch den Ultraschallwandler abgestrahlten Ultraschallsignals bzw. ein von einem anderen Ultraschallwandler empfangenes Messsignal beschreibt. Alternativ kann die Frequenz auch im laufenden Betrieb beispielsweise aus den Abständen der Flanken im ersten oder zweiten Vergleichssignal, ermittelt werden.
Die Auswerteeinrichtung kann ein jeweiliges D-Flipflop umfassen, dessen Takteingang mit dem oder einem Rechtecksignal beschickt ist, das zu Beginn und am Ende des oder eines Abtastfensters, für das die Signalamplitude und/oder die Dauer, für die das erste Vergleichssignal den ersten oder zweiten Wert annimmt, und/oder die Dauer, für die das zweite Vergleichssignal den ersten oder zweiten Wert annimmt, ermittelt werden soll, seinen Wert ändert und dessen Dateneingang jeweils das erste oder zweite Vergleichssignal oder das oder ein aus dem ersten und zweiten Vergleichssignal ermitteltes Ergebnissignal zugeführt ist, wobei die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, die Ermittlung der Signalamplitude und/oder der jeweiligen Dauer für das aktuelle Abtastfenster abzubrechen oder die ermittelte Signalamplitude und/oder die jeweilige ermittelte Dauer zu verwerfen, wenn der Ausgang des D-Flipflops einen vorgegebenen Wert aufweist.
Ein D-Flipflop gibt am Ausgang stets jenen Wert aus, der am Dateneingang anlag, als zuletzt ein Triggersignal am Takteingang einging. Somit wirkt das D-Flipflop als Speicher für den Zustand des zugeführten Vergleichssignals bzw. Ergebnissignals zu Beginn des Abtastfensters. Durch die Nutzung des D-Flipflop kann, wenn die Vergleichssignale parallel ermittelt werden, z.B. durch zwei Komparatoren, insbesondere erreicht werden, dass Messungen in Abtastfenstern verworfen werden, zu deren Beginn das Messsignal bereits zwischen der ersten und der zweiten Schaltschwelle liegt, da dies zu einem Fehler bei er Ermittlung der Zeitdifferenz führen kann.
Wird hingegen, wie später noch genauer erläutert werden wird, nur ein Komparator mit variablem Vergleichswert genutzt, um nacheinander beide Vergleichssignale bereitzustellen, können zur Ermittlung der beiden Dauern separate Abtastfenster genutzt werden. Dem Dateneingang des D-Flip-Flops wird dann nacheinander das erste und zweite Vergleichssignal zugeführt, insbesondere indem der Ausgang des Komparators, der je nach eingestellter Komparatorschaltschwelle das erste oder das zweite Vergleichssignal bereitstellt, mit dem Dateneingang verbunden ist. Die Ermittlung der jeweiligen Dauer kann dann z.B. abgebrochen bzw. die ermittelte Dauer verworfen werden, wenn der Ausgang des D-Flipflops indiziert, dass das Messsignal die jeweils genutzt Schaltschwelle zu Beginn des Abtastfensters bereits überschreitet bzw. das Vergleichssignal bereits den Wert einnimmt, für den die Dauer ermittelt werden soll, da in diesem Fall eine fehlerhafte Ermittlung der Dauer resultieren kann.
Die erste und zweite Schaltschwelle weisen vorzugsweise voneinander unterschiedliche Vorzeichen und insbesondere den gleichen Betrag auf. Beispielsweise kann das Messsignal bipolar sein und es können Schaltschwellen von beispielsweise plus und minus 210 mV oder plus und minus 30 mV genutzt werden.
Wie bereits obig erläutert, kann die Auswerteeinrichtung einen ersten Komparator mit der ersten Schaltschwelle, der dazu eingerichtet ist, das Messsignal in das erste Vergleichssignal umzusetzen, und/oder einen zweiten Komparator mit der zweiten Schaltschwelle, der dazu eingerichtet ist, das Messsignal in das zweite Vergleichssignal umzusetzen, umfassen. Hierdurch können die Vergleichssignale gleichzeitig ermittelt werden, womit die Ermittlung der Signalamplitude besonders unempfindlich gegen Strömungsumschläge oder andere Störungen sein kann.
Zur Umsetzung der erläuterten Ermittlung der Signalamplitude mit besonders geringem technischem Aufwand können die Vergleichssignale bzw. die zugehörigen Dauern jedoch auch nacheinander ermittelt werden, also für verschiedene Zeitabschnitte des Messsignals. So kann die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet sein, während eines ersten Zeitintervalls durch einen Vergleich des Messsignals mit der ersten Schaltschwelle das erste Vergleichssignal und nach dem Ende des ersten Zeitintervalls während eines zweiten Zeitintervalls durch einen Vergleich des Messsignals mit der zweiten Schaltschwelle das zweite Vergleichssignal zu ermitteln.
Die Auswerteeinrichtung kann insbesondere einen Komparator umfassen, wobei eine Steuereinrichtung der Messeinrichtung, insbesondere eine Steuer- und Auswerteschaltung, dazu eingerichtet ist, eine Komparatorschaltschwelle des Komparators im ersten Zeitintervall auf die erste Schaltschwelle und im zweiten Zeitintervall auf die zweite Schaltschwelle zu setzen. Wird somit ein Komparator mit variabler Schaltschwelle, die z.B. durch Vorgabe einer Offsetspannung, z.B. durch einen Digital-Analog-Wandler, einstellbar sein kann, genutzt, ist ein einziger Komparator zur Erzeugung beider Vergleichssignale ausreichend, wodurch der Implementierungsaufwand reduziert werden kann, insbesondere da z.B. auch nur ein Zeitzähler bzw. ein D-Flipflop genutzt werden kann. Die Steuereinrichtung kann z.B. auch ermittelte Messdaten verarbeiten, z.B. die Signalamplitude aus den Vergleichssignalen bzw. Dauern ermitteln bzw. berechnen, und somit eine Steuer- und Auswerteschaltung bilden.
Die Messeinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Signalamplitude wiederholt zu ermitteln und bei wenigstens einer der Wiederholungen die erste und/oder die zweite Schaltschwelle in Abhängigkeit der vorangehend ermittelten Signalamplitude vorzugeben. Hierzu kann die Messeinrichtung einen jeweiligen Digital-Analog-Wandler umfassen, um beispielsweise eine Offset-Spannung, die der entsprechenden Schaltschwelle entspricht, an einen jeweiligen Komparator bereitzustellen.
Die Vorgabe der Schaltschwellen in Abhängigkeit der Signalamplitude ist vorteilhaft, da Schaltschwellen, die verglichen zu der Signalamplitude zu klein gewählt sind, aufgrund von Rauschen zu unnötig großen Fehlern führen können. Sind die Schaltschwellen hingegen bezüglich der Amplitude zu groß gewählt, kann die obig erläuterte Kleinwinkelnäherung zu großen Fehlern führen. Somit kann es vorteilhaft sein, durch eine erste Messung zunächst eine fehlerbehaftete Signalamplitude zu ermitteln, die dann genutzt wird, um die Schaltschwellen vorzugeben, wodurch bei erneuter Ermittlung der Signalamplitude ein geringerer Fehler resultiert.
Die Messeinrichtung kann wenigstens zwei der Ultraschallwandler umfassen, die voneinander beabstandet an einem von einem Fluid durchströmbaren Messrohr der Messeinrichtung angeordnet sind, wobei die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet sein kann, jeweils einen der Ultraschallwandler zur Anregung einer Ultraschwelle in dem Fluid anzusteuern und anhand der Messdaten des anderen Ultraschallwandlers eine Laufzeit der Ultraschallwelle zwischen den Ultraschallwandlern zu ermitteln und in Abhängigkeit der Laufzeit eine Durchflussgeschwindigkeit und/oder ein Durchflussvolumen des Fluids durch das Messrohr zu ermitteln. Bei der Messeinrichtung kann es sich somit um einen Durchflussmesser handeln, der insbesondere Laufzeitunterschiede zwischen unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen auswerten kann, um eine Durchflussgeschwindigkeit bzw. ein Durchflussvolumen zu bestimmen. Ein derartiges Vorgehen ist im Stand der Technik prinzipiell bekannt und soll nicht detailliert erläutert werden.
Eine Möglichkeit, Laufzeiten einer Ultraschallwelle zwischen Ultraschallwandlern zu ermitteln, ist eine Ermittlung der Phasenlage der empfangenen Ultraschallwelle und somit des Messsignals bezüglich einem vorgegebenen Abtastfenster. Um dies zu erreichen, kann beispielsweise zu Beginn des Abtastfensters ein Zeitzähler gestartet werden und bei Wertewechseln des ersten bzw. zweiten Vergleichssignals ausgelesen werden. Ist eine Signalamplitude des Messsignals bekannt, kann es ausreichend sein, diesen Zeitzähler bei einem Wertewechsel eines der Vergleichssignale auszuwerten, um eine Phasenlage des Messsignals bezüglich des Abtastfensters und somit eine Laufzeit zu ermitteln. Alternativ ist es auch möglich, beide Vergleichssignale zu berücksichtigen, insbesondere, wenn die Schaltschwellen symmetrisch zu einem Nulldurchgang des Messsignals liegen, womit anhand der Lagen der Flanken des ersten und zweiten Vergleichssignals auf die Lage des Nulldurchgangs und somit auf die Phasenlage geschlossen werden kann.
Wie sich aus der obigen Erläuterung der Bestimmung der Phasenlage ergibt, können somit zur Laufzeitbestimmung und zur Bestimmung der Signalamplitude weitgehend identische Komponenten genutzt werden, so dass eine zusätzliche Bestimmung der Signalamplitude mit geringem Implementierungsaufwand möglich ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung,
2 schematisch die in der Auswerteeinrichtung der in 1 gezeigten Messeinrichtung zur Bestimmung der Signalamplitude aus dem Messsignal genutzten Komponenten bzw. Verarbeitungsschritte,
3 ein beispielhaftes Messsignal sowie die daraus resultierenden Vergleichssignale, und
4 eine Auswerteeinrichtung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung.

1 zeigt eine Messeinrichtung 1, im Beispiel einen Durchflussmesser, mit zwei Ultraschallwandlern 2, 3 und einer Auswerteeinrichtung 4. Die Ultraschallwandler 2, 3 sind an einem Messrohr 5 angeordnet, das, wie durch den Pfeil 7 schematisch angedeutet ist, von einem Fluid durchströmbar ist. Durch den Ultraschallwandler 2 kann, wie durch die Pfeile 6 schematisch dargestellt ist, eine Ultraschallwelle ausgesandt werden, bezüglich der durch den Ultraschallwandler 3 dann Messsignale erfasst werden, die durch die Auswerteeinrichtung 4 ausgewertet werden. Zur Durchflussmessung erfolgt zudem typischerweise noch eine Durchstrahlung des Fluids in eine umgekehrte Richtung, also vom Ultraschallwandler 3 zum Ultraschallwandler 2. Für beide Ausbreitungsrichtungen werden Laufzeiten der Ultraschallwelle bestimmt und anhand des Laufzeitunterschieds kann eine Strömungsgeschwindigkeit und somit bei bekanntem Rohrdurchmesser auch ein Durchflussvolumen für das Fluid berechnet werden.
Im gezeigten Beispiel werden die Ultraschallwellen durch die Ultraschallwandler 2, 3 unmittelbar in das Fluid eingekoppelt bzw. aus diesem empfangen und die Durchstrahlung des Fluids erfolgt diagonal. Dies ist eine rein beispielhafte Anordnung. Prinzipiell könnte eine Einstrahlung in das Fluid auch senkrecht zur Strömungsrichtung erfolgen und die Ultraschallwellen könnten durch im Fluidstrom angeordnete Ultraschallspiegel umgelenkt werden. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung könnten die Ultraschallwandler 2, 3 außen am Messrohr 5 angeordnet sein und zunächst Schwingungen, beispielsweise geführte Wellen, in der Rohrwand des Messrohrs anregen, die wiederum Schwingungen im Fluid anregen.
Ein besonders energieeffizienter Betrieb der Messeinrichtung ist möglich, wenn die Ultraschallwandler 2, 3 zumindest nahe an ihrer Resonanzfrequenz betrieben werden. Die Resonanzfrequenzen der Ultraschallwandler 2, 3 könnten sich jedoch beispielsweise aufgrund einer Alterung ändern, so dass es gelegentlich erforderlich sein kann, dass die Auswerteeinrichtung 4 eine optimale Betriebsfrequenz der Ultraschallwandler 2, 3 bestimmt. Dies kann erreicht werden, indem die Frequenz variiert wird und jene Frequenz mit maximaler Signalamplitude des durch den jeweiligen Ultraschallwandler 2, 3 empfangenen Messsignals aufgefunden wird. Die Signalamplitude des Messsignals kann auch relevant sein, um beispielsweise eine Bedämpfung der Signalamplitude durch Verunreinigungen oder gar Beschädigungen der Messeinrichtung 1 zu erkennen. Beispielsweise kann bei Erkennung einer zu niedrigen Signalamplitude ein Hinweis an einen Nutzer gegeben werden, dass eine Wartung erforderlich ist.
Um beispielsweise die obig genannten Funktionen zu implementieren, ist die Auswerteeinrichtung 4 dazu eingerichtet, eine Signalamplitude des jeweiligen Messsignals der Ultraschallwandler 2, 3 zu ermitteln. Eine mögliche Implementierung hierfür wird im Folgenden mit Bezug auf 2 am Beispiel des Ultraschallwandlers 2 erläutert. Hierbei stellt der Ultraschallwandler 2 das Messsignal 8 an die Auswerteeinrichtung 4 bereit. Ein Beispiel für ein solches Messsignal 8 ist in 3 im oberen Diagramm dargestellt. In der Auswerteeinrichtung 4 wird das Messsignal 8 einem ersten Komparator 9 mit einer ersten Schaltschwelle 11 und einem zweiten Komparator 10 mit einer zweiten Schaltschwelle 12 zugeführt. Hierbei können die Schaltschwellen 11, 12 als Offset-Spannungen für die Komparatoren 9, 10 vorgegeben werden. Solche Spannungen können beispielsweise durch Widerstandsnetzwerke oder Ähnliches bereitgestellt werden. Alternativ wäre es möglich, einen jeweiligen Digital-Analog-Wandler zu nutzen, um die Schaltschwellen 11, 12 vorzugeben.
Am Ausgang der Komparatoren 9, 10 resultieren die Vergleichssignale 13, 14, die im mittleren bzw. unteren Diagramm der 3 dargestellt sind. Die Vergleichssignale 13, 14 sind Rechtecksignale, die einen ersten Wert 15 annehmen, wenn das Messsignal 8 die jeweilige Schaltschwelle 11, 12 unterschreitet, und einen zweiten Wert 16, wenn das Messsignal 8 die jeweilige Schaltschwelle 11, 12 überschreitet. Im Rahmen der weiteren Verarbeitung wird eine Zeitdifferenz 17 zwischen den Dauern 18, 19, für die das erste bzw. zweite Vergleichssignal 13, 14 den zweiten Wert 16 einnimmt, ermittelt. Anhand der Zeitdifferenz 17 kann in Kenntnis des Unterschieds 20 zwischen den Schaltschwellen 11, 12 die Signalamplitude 22, 36 des Messsignals 8 ermittelt werden. Hierbei ist in 3 die Zeitdifferenz 17 für eine einzelne Flanke des Messsignals 8 dargestellt. Werden, wie ebenfalls in 3 dargestellt ist, mehrere Perioden des Messsignals 8 innerhalb eines Abtastfensters 23 erfasst, das in 3 als Rechteckfunktion 24 dargestellt ist, die zu Beginn und Ende des Abtastfensters 23 ihren Wert ändert, so ist eine nicht dargestellte Gesamtzeitdifferenz das Vielfache der Zeitdifferenz 17 für die einzelne Flanke 21. Werden wie gezeigt drei Perioden erfasst, ist die Gesamtzeitdifferenz das Sechsfache der gezeigten Zeitdifferenz 17 für die einzelne Flanke 21.
Um Fehler bei der Ermittlung der Zeitdifferenz 17 zu vermeiden, sollten nur Abtastfenster 23 berücksichtigt werden, zu deren Beginn das Messsignal nicht zwischen den Schaltschwellen 11, 12 liegt. Um diese Bedingung zu prüfen, umfasst die Auswerteeinrichtung 4 zwei D-Flipflops 38, 39, deren Takteingang das Rechtecksignal 24, das das Abtastfenster 23 beschreibt, zugeführt wird. Somit wird zu Beginn des Abtastfensters 23 der Wert an einem Dateneingang, dem das erste bzw. zweite Vergleichssignal 13, 14 zugeführt wird, gehalten und am Ausgang des D-Flipflops bereitgestellt. Zeigen die Ausgänge der D-Flipflops 38, 39, dass zu Beginn des Abtastfensters 23 genau eines der Vergleichssignale 13, 14 den ersten Wert 15 aufweist, also dass der Wert des Messsignals 8 zu diesem Zeitpunkt zwischen den Schaltschwellen 11, 12 liegt, kann die Ermittlung der Signalamplitude 22, 36 abgebrochen bzw. das Ergebnis verworfen werden, da es wie obig erläutert potentiell fehlerbehaftet ist.
Die Rechteckfunktion 24, die das Abtastfenster 23 beschreibt, wird zudem gemeinsam mit einem jeweiligen der Vergleichssignale 13, 14 einem jeweiligen Logikgatter 26, 27, insbesondere einem Und-Gatter zugeführt, um zu erreichen, dass im Rahmen der Weiterverarbeitung nur jener Teil des Messsignals 8 berücksichtigt wird, der innerhalb des Abtastfensters 23 liegt. Die durch die Logikgatter 26, 27 bereitgestellten Ausgangssignale 28, 29 werden als Zeitzählereingangssignale 30, 31 einem Eingang eines jeweiligen Zeitzählers 32, 33 zugeführt, der mit einer vorgegebenen Taktung 34 erhöht wird. Die Zeitzähler 32, 33 können durch die Flanken des Rechtecksignals 24, das das Abtastfenster 23 beschreibt, zurückgesetzt werden und am Ende des Abtastfensters 23, beispielsweise durch die fallende Flanke des Rechtecksignals 24, ausgelesen werden. Ein Zählen der Zeitzähler 32, 33 erfolgt nur dann, wenn das jeweilige Zeitzählereingangssignal 30, 31 den zweiten Wert 16 aufweist. Somit entspricht das Produkt aus Zählerwert und dem Kehrwert der Taktung 34 der Gesamtdauer, also aufgrund der drei erfassten Perioden dem Dreifachen der gezeigten Dauer 18, 19, für die das jeweilige Vergleichssignal 13, 14 innerhalb des Abtastfensters 23 den zweiten Wert 16 aufweist.
Durch die Steuer- und Auswerteschaltung 25, die beispielsweise ein Mikroprozessor sein kann, werden die Zählerwerte bzw. Dauern 18, 19 voneinander abgezogen, um eine Zeitdifferenz 17, 35 zu ermitteln, anhand der die Signalamplitude 22, 36 ermittelt wird. Die Signalamplitude 22, 36 kann beispielsweise ermittelt werden, indem ein vorgegebener Skalierungsfaktor durch die Zeitdifferenz 17, 35 dividiert wird.
4 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Auswerteeinrichtung 4, die statt der vorangehend diskutierten Ausgestaltung genutzt werden kann. Über weite Strecken erfolgt die Verarbeitung der Messsignale 8 identisch, so dass dieser Teil der Verarbeitung nicht weiter diskutiert werden soll. Im Folgenden werden ausschließlich die Unterschiede der in 2 und der in 4 gezeigten Auswerteeinrichtung 4 diskutiert.
In der in 4 gezeigten Ausgestaltung wird einerseits auf die Logikgatter 26, 27 sowie die D-Flipflops 38, 39 verzichtet. Dies reduziert den Schaltungsaufwand, erfordert jedoch potentiell eine aufwändigere Verarbeitung in der Steuer- und Auswerteschaltung 25 bzw. kann vereinzelt zu einer fehlerhaften ermittelten Signalamplitude führen.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied ist, dass in der in 4 gezeigten Auswerteeinrichtung 4 nur ein einziger Zeitzähler 32 genutzt wird, durch den unmittelbar die Zeitdifferenz 17 zwischen den Dauern 18, 19 gezählt wird. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Vergleichssignale 13, 14 einem Logikgatter 37, nämlich einem Exklusiv-Oder-Gatter, zugeführt werden, wodurch ein Ergebnissignal 40 resultiert, das nur dann den zweiten Wert 16 aufweist, wenn genau eines der Vergleichssignale 13, 14 den ersten Wert 15 aufweist, also ausschließlich zu Zeiten, zu denen das Messsignal 8 zwischen der ersten und der zweiten Schaltschwelle 11, 12 liegt. Da der Zeitzähler 32 unmittelbar die Zeitdifferenz ermittelt, kann die Steuer- und Auswerteschaltung 25 den Zählerwert unmittelbar nutzen, um einen entsprechenden Skalierungsfaktor zu teilen und somit die Signalamplitude 22', 36 zu ermitteln.
Wie bereits erwähnt ist es möglich, dass die Schaltschwellen 11, 12 variabel sein können, beispielsweise indem sie durch einen Digital-Analog-Wandler vorgegeben werden. Dies kann beispielsweise durch die Steuer- und Auswerteschaltung 25 in Abhängigkeit einer vorangehend ermittelten Signalamplitude 22, 36 erfolgen, um einerseits ein möglichst geringes Rauschen und andererseits eine Verschlechterung des Ergebnisses durch im Rahmen der Datenverarbeitung nicht berücksichtigte Nichtlinearitäten oder Ähnliches zu vermeiden.
Die in 2 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele nutzen zweier Komparatoren 9, 10, wodurch eine gleichzeitige Ermittlung des ersten und zweiten Vergleichssignals 13, 14 ermöglicht wird. Stattdessen können das erste und zweite Vergleichssignal 13, 14 auch während unterschiedlicher Zeitintervalle, das heißt für unterschiedliche Zeitabschnitte des Messsignals, ermittelt werden. Auch dies ermöglicht eine robuste Ermittlung der Signalamplitude, wobei die Ermittlung mit deutlich reduziertem technischem Aufwand möglich ist, indem z.B. nur ein Komparator 9 verwendet wird, für den, z.B. durch einen Digital-Analog-Wandler der Steuer- und Auswerteschaltung 25, in den unterschiedlichen Zeitintervallen unterschiedliche Schaltschwellen 11, 12 vorgegeben werden, um die unterschiedlichen Vergleichssignale 13, 14 zu ermitteln.
Wie im Folgenden mit Bezug auf 2 erläutert wird, kann in diesem Fall auch der erforderliche Aufwand zur Weiterverarbeitung der Vergleichssignale 13, 14 deutlich reduziert sein. Während in 2 das Messignal 8 in der Auswerteeinrichtung 4 zwei Verarbeitungspfaden zugeführt wird, ist bei einer sequentiellen Ermittlung der Verarbeitungssignale nur einer dieser Verarbeitungspfade erforderlich. Es kann somit auf den Komparator 10, das Logikgatter 27, den Zeitzähler 33 und das D-Flipflop 39 verzichtet werden.
Die verbleibenden Komponenten können im Wesentlichen wie bereits zu 2 erläutert betrieben werden. Es ist jedoch vorteilhaft, durch die Steuer- aus Auswerteschaltung 25 für die verschiedenen Zeitintervalle und somit zur Ermittlung der Dauern 18, 19, für die das erste bzw. zweite Vergleichssignal 13, 14 den zweiten Wert 16 annimmt, separate Abtastfenster 23 vorzugeben. In diesem Fall zeigt der Ausgang des D-Flipflops 28 an, ob sich das jeweils zugeführte Vergleichssignal 13, 14, also das Ausgangssignal des Komparators 9, zu Beginn des Abtastfensters bereits auf dem zweiten Wert 16 befand. Da dies die Ermittlung der jeweiligen Dauer 18, 19 verfälschen kann, sollte die Ermittlung der Dauer 18, 19 in diesem Fall für das aktuelle Abtastfenster 23 abgebrochen werden bzw. die ermittelte Dauer 18, 19 verworfen werden. Es kann dann ein neues Abtastfenster begonnen werden, um die entsprechende Dauer 18, 19 neu zu ermitteln oder beide Dauern 18, 19 können in diesem Fall neu ermittelt werden.
Die Auswerte- und Steuerschaltung 25 kann zur Ermittlung der Signalamplitude zunächst die Komparatorschaltschwelle des Komparators 9 auf die erste Schaltschwelle 11 setzen, um in einem ersten Zeitintervall bzw. während eines ersten Abtastfensters 23 die Dauer 18 zu ermitteln, für die das resultierende Ausgangssignal des Komparators, also das erste Vergleichssignal 13, den ersten Wer 16 aufweist. Nach Ende dieses Zeitintervalls kann die Auswerte- und Steuerschaltung 25 die Komparatorschaltschwelle des Komparators 9 auf die zweite Schaltschwelle 12 setzen, um in einem zweiten Zeitintervall bzw. während eines zweiten Abtastfensters 23 die Dauer 19 zu ermitteln, für die das resultierende Ausgangssignal des Komparators, also das zweite Vergleichssignal 14, den ersten Wert 16 aufweist. Aus der Differenz der Dauern 18, 19 kann, wie obig erläutert, die Signalamplitude bestimmt werden.
Bezugszeichenliste

1: Messeinrichtung
2: Ultraschallwandler
3: Ultraschallwandler
4: Auswerteeinrichtung
5: Messrohr
6: Pfeil
7: Pfeil
8: Messsignal
9: Komparator
10: Komparator
11: Schaltschwelle
12: Schaltschwelle
13: Vergleichssignal
14: Vergleichssignal
15: Wert
16: Wert
17: Zeitdifferenz
18: Dauer
19: Dauer
20: Unterschied
21: Flanke
22: Amplitude
23: Abtastfenster
24: Rechteckfunktion
25: Steuer- und Auswerteschaltung
26: Logikgatter
27: Logikgatter
28: Ausgangssignal
29: Ausgangssignal
30: Zählereingangssignal
31: Zählereingangssignal
32: Zeitzähler
33: Zeitzähler
34: Taktung
35: Zeitdifferenz
36: Signalamplitude
37: Logikgatter
38: D-Flipflop
39: D-Flipflop
40: Ergebnissignal

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 10118934 A1 [0005]

Claims

Messeinrichtung, insbesondere Durchflussmesser, mit wenigstens einem Ultraschallwandler (2, 3) und einer Auswerteeinrichtung (4) zur Auswertung eines durch den Ultraschallwandler (2, 3) bereitgestellten Messsignals (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) dazu eingerichtet ist, durch einen Vergleich des Messsignals (8) mit einer ersten Schaltschwelle (11) ein erstes Vergleichssignal (13) und durch einen Vergleich des Messsignals (8) mit einer von der ersten Schaltschwelle (11) unterschiedlichen zweiten Schaltschwelle (12) ein zweites Vergleichssignal (14) zu ermitteln und in Abhängigkeit des ersten und zweiten Vergleichssignals (13, 14) eine Signalamplitude (22, 36) des Messsignals (8) zu ermitteln.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Vergleichssignal (13, 14) ein Rechtecksignal ist, das einen ersten Wert (15) annimmt, wenn das Messsignal (8) die jeweilige Schaltschwelle (11, 12) unterschreitet, und einen zweiten Wert (16), wenn das Messsignal (8) die jeweiligen Schaltschwelle (11, 12) überschreitet.
Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) dazu eingerichtet ist, die Signalamplitude (22, 36) in Abhängigkeit einer Zeitdifferenz (17) zwischen einer Dauer (18), für die das erste Vergleichssignal (13) den ersten oder zweiten Wert (15, 16) annimmt, und einer Dauer (19), für die das zweite Vergleichssignal (14) den ersten oder zweiten Wert (15, 16) einnimmt, zu ermitteln.
Messeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) dazu eingerichtet ist, die Dauer (18), für die das erste Vergleichssignal (13) den ersten oder zweiten Wert (15, 16) annimmt, und/oder die Dauer (19), für die das zweite Vergleichssignal (14) den ersten oder zweiten Wert (15, 16) annimmt, und/oder die Zeitdifferenz (17) für ein Abtastfenster (23) zu bestimmen, das mehrere Schwingungsperioden des Messsignals (8) umfasst.
Messeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) wenigstens einen Zeitzähler (32, 33) umfasst, der genau dann mit vorgegebener Taktung (34) erhöht wird, wenn einem Eingang des Zeitzählers (32, 33) ein Zählereingangssignal (30, 31) mit einem vorgegebenen Wert (16) zugeführt wird, wobei einem jeweiligen der Zeitzähler (32, 33) das erste und/oder zweite Vergleichssignal (13, 14) und/oder ein Ergebnissignal (40), das in Abhängigkeit des ersten und zweiten Vergleichssignals (13, 14) ermittelt wird, oder ein Ausgangssignal (28, 29) eines jeweiligen Logikgatters (26, 27), dem das erste und/oder zweite Vergleichssignal (13, 14) und/oder das Ergebnissignal (40) als eines der Logikgattereingangssignale zugeführt sind, als Zählereingangssignal (30, 31) zugeführt ist, wobei die jeweilige Dauer (18, 19) oder die Zeitdifferenz (17) durch den Zählerwert des jeweiligen Zeitzählers (32, 33) vorgegeben werden.
Messeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Logikgatter (26, 27) als weiteres Logikgattereingangssignal mit einem Rechtecksignal (24) beschickt ist, das zu Beginn und am Ende des oder eines Abtastfensters (23), für das die Signalamplitude (22, 26) und/oder die Dauer (18), für die das erste Vergleichssignal (13) den ersten oder zweiten Wert (15, 16) annimmt, und/oder die Dauer (19), für die das zweite Vergleichssignal (14) den ersten oder zweiten Wert (15, 16) annimmt, ermittelt werden soll, seinen Wert ändert.
Messeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) dazu eingerichtet ist, das Ergebnissignal (40) als Differenzsignal zwischen dem ersten und zweiten Vergleichssignal (13, 14) zu ermitteln und/oder dass die Auswerteeinrichtung (4) ein oder ein weiteres Logikgatter (37), insbesondere ein Exklusiv-Oder-Gatter, umfasst, wobei die Auswerteeinrichtung (4) derart eingerichtet ist, dass das erste und zweite Vergleichssignal (13, 14) dem Logikgatter (37) als Eingangssignale zugeführt sind und dass ein Ausgangssignal des Logikgatters (37) als Ergebnissignal (40) verwendet wird.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) dazu eingerichtet ist, die Signalamplitude (22, 36) zu ermitteln, indem ein vorgegebener Skalierungsfaktor durch die Zeitdifferenz (17) dividiert wird.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) ein jeweiliges D-Flipflop (38, 39) umfasst, dessen Takteingang mit dem oder einem Rechtecksignal (24) beschickt ist, das zu Beginn und am Ende des oder eines Abtastfensters (23), für das die Signalamplitude (22, 36) und/oder die Dauer (18), für die das erste Vergleichssignal (13) den ersten oder zweiten Wert (15, 16) annimmt, und/oder die Dauer (19), für die das zweite Vergleichssignal (14) den ersten oder zweiten Wert (15, 16) annimmt, ermittelt werden soll, seinen Wert ändert und dessen Dateneingang jeweils das erste oder zweite Vergleichssignal (13, 14) oder das oder ein aus dem ersten und zweiten Vergleichssignal (13, 14) ermitteltes Ergebnissignal (40) zugeführt ist, wobei die Auswerteeinrichtung (4) dazu eingerichtet ist, die Ermittlung der Signalamplitude (22, 36) und/oder der jeweiligen Dauer (18, 19) für das aktuelle Abtastfenster (23) abzubrechen oder die ermittelte Signalamplitude (22, 36) und/oder die jeweilige ermittelte Dauer (18, 19) zu verwerfen, wenn der Ausgang des D-Flipflops (15, 16) einen vorgegebenen Wert aufweist.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Schaltschwelle (11, 12) voneinander unterschiedliche Vorzeichen und insbesondere den gleichen Betrag aufweisen.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) einen ersten Komparator (9) mit der ersten Schaltschwelle (11), der dazu eingerichtet ist, das Messsignal (8) in das erste Vergleichssignal (13) umzusetzen, und/oder einen zweiten Komparator (10) mit der zweiten Schaltschwelle (12), der dazu eingerichtet ist, das Messsignal (8) in das zweite Vergleichssignal (14) umzusetzen, umfasst.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) dazu eingerichtet ist, während eines ersten Zeitintervalls durch einen Vergleich des Messsignals (8) mit der ersten Schaltschwelle (11) das erste Vergleichssignal (13) und nach dem Ende des ersten Zeitintervalls während eines zweiten Zeitintervalls durch einen Vergleich des Messsignals (8) mit der zweiten Schaltschwelle (12) das zweite Vergleichssignal (14) zu ermitteln.
Messeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) einen Komparator (9) umfasst, wobei eine Steuereinrichtung der Messeinrichtung, insbesondere eine Steuer- und Auswerteschaltung (25), dazu eingerichtet ist, eine Komparatorschaltschwelle des Komparators (9) im ersten Zeitintervall auf die erste Schaltschwelle und im zweiten Zeitintervall auf die zweite Schaltschwelle zu setzen.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (1) dazu eingerichtet ist, die Signalamplitude (22, 36) wiederholt zu ermitteln und bei wenigstens einer der Wiederholungen die erste und/oder die zweite Schaltschwelle (11, 12) in Abhängigkeit der vorangehend ermittelten Signalamplitude (22, 36) vorzugeben.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei der Ultraschallwandler (2, 3) umfasst, die voneinander beabstandet an einem von einem Fluid durchströmbaren Messrohr (5) der Messeinrichtung (1) angeordnet sind, wobei die Auswerteeinrichtung (4) dazu eingerichtet ist, jeweils einen der Ultraschallwandler (2, 3) zur Anregung einer Ultraschallwelle in dem Fluid anzusteuern und anhand der Messdaten (8) des anderen Ultraschallwandlers (2, 3) eine Laufzeit der Ultraschallwelle zwischen den Ultraschallwandlern (2, 3) zu ermitteln und in Abhängigkeit der Laufzeit eine Durchflussgeschwindigkeit und/oder ein Durchflussvolumen des Fluids durch das Messrohr (5) zu ermitteln.